應(yīng)之丁 樊嘉慧 吳曉倩

（同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上?！蔚谝蛔髡撸苯淌冢?/p>

由于長(zhǎng)大貨物列車編組輛數(shù)增多，導(dǎo)致列車制動(dòng)和緩解時(shí)縱向沖動(dòng)力加大，嚴(yán)重影響列車在運(yùn)行時(shí)的安全性和平穩(wěn)性［1］。針對(duì)長(zhǎng)大貨物列車存在的制動(dòng)難點(diǎn)，需對(duì)不同編組列車及不同位置的車輛制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)比各車輛制動(dòng)力的差異分析制動(dòng)過(guò)程的縱向沖擊力，以得出列車制動(dòng)控制優(yōu)選方案，避免車輛發(fā)生擠撞甚至脫軌事故，保證行車安全。然而，對(duì)于長(zhǎng)大貨物列車制動(dòng)在室內(nèi)只能做靜置試驗(yàn)，而在線路上做列車制動(dòng)試驗(yàn)成本太高，因此，列車縱向動(dòng)力學(xué)性能只能進(jìn)行規(guī)律性的評(píng)估。

目前，國(guó)內(nèi)研制了滾動(dòng)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)，即在車輛滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)基礎(chǔ)上，在軌道輪軸上另加裝模擬可調(diào)節(jié)的各種制動(dòng)慣性輪，設(shè)置單端兩軸轉(zhuǎn)向架制動(dòng)試驗(yàn)裝置，可以進(jìn)行單輛車模擬動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)。但是，由于不同位置車輛的制動(dòng)狀態(tài)并不完全一致，這種方法所取得列車制動(dòng)性能數(shù)據(jù)有限，無(wú)法對(duì)列車中不同位置的車輛進(jìn)行動(dòng)態(tài)制動(dòng)模擬。因此，本文提出了基于滾動(dòng)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)搭建貨物列車動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真裝置，以提高對(duì)列車制動(dòng)性能分析的準(zhǔn)確性。

1 動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真裝置

利用滾動(dòng)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)的仿真裝置包含如圖1 所示的兩大部分，即制動(dòng)試驗(yàn)執(zhí)行部分與制動(dòng)試驗(yàn)控制部分。制動(dòng)試驗(yàn)控制部分主要用于根據(jù)制動(dòng)不同階段的控制模型對(duì)制動(dòng)試驗(yàn)執(zhí)行部分加以控制。

圖1 基于滾動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真裝置結(jié)構(gòu)圖

第一部分為滾動(dòng)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的制動(dòng)試驗(yàn)執(zhí)行部分，車輛在滾動(dòng)臺(tái)上的制動(dòng)試驗(yàn)實(shí)景如圖2 所示。其主要包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、電氣傳動(dòng)及控制、數(shù)據(jù)采集及處理等設(shè)備所組成。

圖2 車輛在滾動(dòng)臺(tái)上試驗(yàn)實(shí)景圖

1）機(jī)械結(jié)構(gòu)用于放置被測(cè)試車輛，同時(shí)可以調(diào)整軌距，適應(yīng)各類型貨車的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。其主要包括縱向基礎(chǔ)平臺(tái)、軌道輪對(duì)支撐平臺(tái)、接軸式可變軌距輪對(duì)、車輪支撐及稱重裝置、制動(dòng)慣性輪結(jié)構(gòu)組成、聯(lián)接慣性輪的球籠式萬(wàn)向聯(lián)軸器和車體縱向牽引裝置等。對(duì)于各型貨車軸重加載狀況，主要依據(jù)稱重裝置測(cè)量所得的被測(cè)試車輛的輪重和軸重來(lái)確定，從而為實(shí)施貨車制動(dòng)動(dòng)態(tài)性能試驗(yàn)創(chuàng)造條件。

2）電氣傳動(dòng)及控制設(shè)備通過(guò)控制軌道輪對(duì)速度，模擬各種試驗(yàn)工況。

3）數(shù)據(jù)采集及處理設(shè)備的主要作用是通過(guò)傳感器采集的數(shù)據(jù)，獲取測(cè)試車輛加速度、轉(zhuǎn)速、位移、壓力和溫度等信息，同時(shí)還可以進(jìn)行基本的數(shù)據(jù)處理。

第二部分為制動(dòng)試驗(yàn)控制部分，主要由風(fēng)源、制動(dòng)控制、車輛制動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集4部分設(shè)備組成。

1）風(fēng)源設(shè)備主要由空氣壓縮機(jī)與儲(chǔ)風(fēng)缸組成。

2）車輛制動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置主要用于模擬150輛編組列車中任意一輛車的初充氣、減壓制動(dòng)及再充氣緩解等單車制動(dòng)功能。

3）制動(dòng)控制設(shè)備控制車輛制動(dòng)。

4）試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集設(shè)備主要采用壓力與流量傳感器對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中被試件的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并將采集到試驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋到制動(dòng)控制設(shè)備。

通過(guò)控制、測(cè)試接口將滾動(dòng)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)與制動(dòng)試驗(yàn)控制兩部分相連接組合而成的動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真裝置（如圖3 所示），可以研究不同編組貨物列車中的任意一輛車的制動(dòng)性能，將靜止試驗(yàn)轉(zhuǎn)變升級(jí)為模擬實(shí)際動(dòng)態(tài)列車的制動(dòng)試驗(yàn)。

圖3 動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真裝置

2 建立虛擬列車制動(dòng)控制模型

2.1 貨物列車車輛制動(dòng)系統(tǒng)分析

為實(shí)現(xiàn)模擬列車制動(dòng)設(shè)備對(duì)任一輛車的精確控制，研究包括車輛制動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置、制動(dòng)控制執(zhí)行器、微機(jī)控制及數(shù)據(jù)采集設(shè)備的動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真平臺(tái)（見(jiàn)圖4）。

圖4 制動(dòng)試驗(yàn)仿真平臺(tái)

為控制滾動(dòng)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上車輛制動(dòng)，模擬列車編組內(nèi)任意一輛車在列車制動(dòng)過(guò)程中氣壓的變化，在動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真平臺(tái)上，研究建立適應(yīng)不同位置車輛的制動(dòng)控制模型，進(jìn)一步建立虛實(shí)結(jié)合的動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真裝置。

鐵路貨車常用的制動(dòng)機(jī)為120 型空氣制動(dòng)機(jī)，主要有充氣緩解、減壓制動(dòng)及制動(dòng)保壓3 個(gè)基本作用。圖5 為其充氣緩沖原理圖［4］。

圖5 120 型空氣制動(dòng)機(jī)充氣緩沖原理圖

列車制動(dòng)典型特征是，每輛車位置的列車制動(dòng)風(fēng)管氣壓有所不同，而每輛車的制動(dòng)機(jī)及氣管路結(jié)構(gòu)相同，這為建立虛擬列車制動(dòng)控制模型打下基礎(chǔ)。

2.2 建立制動(dòng)控制模型

基于120 型空氣制動(dòng)機(jī)的工作原理，結(jié)合氣動(dòng)力學(xué)相關(guān)理論，建立了列車初充氣、制動(dòng)和緩解等過(guò)程的基本控制模型。

在制動(dòng)的過(guò)程中，車輛制動(dòng)系統(tǒng)的管路和缸室均可以與外界進(jìn)行良好的散熱，由氣體流動(dòng)速度變化引起的制動(dòng)系統(tǒng)溫度變化較小可忽略不計(jì)，并且在制動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定后，氣體流速等于零，此時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)的溫度大致與外界溫度相等。因此，制動(dòng)系統(tǒng)中管路與風(fēng)缸氣壓與體積變化可簡(jiǎn)化為等溫變化。

充氣過(guò)程主要是由一個(gè)恒定的氣源，經(jīng)某氣動(dòng)元件或氣動(dòng)回路，向另一容器充氣，并且在充氣過(guò)程中容器內(nèi)溫度保持不變，充氣過(guò)程如圖6 所示。

圖6 等溫充氣過(guò)程簡(jiǎn)化模型

由完全氣體狀態(tài)方程pV=mRT 以及質(zhì)量流量方程dm=qmdt 可得

式中：

t——時(shí)間；

m——?dú)怏w質(zhì)量；

R——?dú)怏w常數(shù)。

qm的大小與氣動(dòng)回路中的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。當(dāng)回路處于亞聲速流動(dòng)時(shí)，回路中通過(guò)的氣體qm［6］的計(jì)算公式為

式中：

qm，0——臨界狀態(tài)下，通過(guò)節(jié)流孔的qm達(dá)到最大值

b——臨界壓力比，即元件內(nèi)剛達(dá)到聲速時(shí)，元件下游管道內(nèi)靜氣壓與上游管道內(nèi)靜氣壓之比。

由此可以得出容器內(nèi)的氣壓隨時(shí)間變化的關(guān)系 式［5］為

由上述公式可以推導(dǎo)得到列車的初充氣基本模型。列車的初充氣，是指列車總風(fēng)源向列車制動(dòng)風(fēng)管充氣，并通過(guò)列車制動(dòng)風(fēng)管向副風(fēng)缸等充氣并達(dá)到制動(dòng)的定壓值。

列車制動(dòng)風(fēng)管充氣模型簡(jiǎn)化如圖7，其中風(fēng)源的氣壓為ps，制動(dòng)管中的氣壓則在這一過(guò)程中由初始?xì)鈮簆l0變?yōu)閜l，T=T1在這一充氣過(guò)程中，模型中使用等效風(fēng)缸來(lái)近似模擬制動(dòng)管路，存在的誤差通過(guò)修改S 進(jìn)行修正。

圖7 列車制動(dòng)風(fēng)管充氣簡(jiǎn)化模型

而列車制動(dòng)風(fēng)管的等效容積為

式中：

D1——制動(dòng)風(fēng)管主管的直徑；

D2——制動(dòng)風(fēng)管支管的直徑；

N——車輛編組數(shù)；

L1——制動(dòng)風(fēng)管主管的長(zhǎng)度；

L2——制動(dòng)風(fēng)管支管的長(zhǎng)度。

制動(dòng)風(fēng)管的氣壓從0 kPa 充氣到定壓的過(guò)程中，氣體的流速主要包含2 個(gè)階段，因此制動(dòng)風(fēng)管的充氣氣壓也包含2 個(gè)階段，從而得出制動(dòng)風(fēng)管的充氣基本控制模型為

3 虛擬列車制動(dòng)控制模型在動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真裝置上的驗(yàn)證

3.1 試驗(yàn)方法

利用列車制動(dòng)系統(tǒng)的單車制動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相同、制動(dòng)系統(tǒng)管路氣壓傳遞連續(xù)性等特點(diǎn)，研究在動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真裝置，通過(guò)建模和試驗(yàn)研究，將各種編組車輛的制動(dòng)氣壓曲線模型儲(chǔ)存在計(jì)算機(jī)里；模擬不同編組車輛的制動(dòng)系統(tǒng)列車管氣壓曲線，控制車輛制動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置進(jìn)行多次循環(huán)試驗(yàn)，從而連續(xù)模擬出列車各個(gè)位置的車輛制動(dòng)全過(guò)程。

試驗(yàn)的方法主要包括兩部分，首先應(yīng)確定整個(gè)裝置可以能夠連續(xù)且完整地實(shí)現(xiàn)列車的初充氣、制動(dòng)以及緩解等功能；然后通過(guò)仿真得到的以150 輛車編組列車為主的不同位置的氣壓曲線，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的制動(dòng)氣壓曲線進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)500 kPa 制動(dòng)氣壓時(shí)間曲線偏差范圍在-5 ～5 kPa，滿足制動(dòng)試驗(yàn)控制精度要求。

3.2 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文主要針對(duì)基于車輛滾動(dòng)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真裝置對(duì)列車中的第1 輛車進(jìn)行了仿真測(cè)試，并將所得數(shù)據(jù)與實(shí)際試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，得出的試驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9 所示。

從圖8、圖9 這兩組曲線可以看出，動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真裝置對(duì)列車制動(dòng)的仿真控制曲線與試驗(yàn)曲線幾乎是重合的，曲線的浮動(dòng)在規(guī)定范圍內(nèi)，說(shuō)明仿真控制曲線是符合要求的。

由此可以看出，動(dòng)態(tài)制動(dòng)仿真試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車的頭車在制動(dòng)時(shí)進(jìn)行控制，同時(shí)通過(guò)接口將這一裝置與車輛制動(dòng)模擬試驗(yàn)裝置相連接，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)第1 輛車和連續(xù)第2 輛車以及后續(xù)各輛車制動(dòng)控制的全過(guò)程，同時(shí)第1 輛車列車制動(dòng)風(fēng)管尾端的氣壓作為下一輛車列車制動(dòng)風(fēng)管初始充氣的初氣壓，由此可以循環(huán)試驗(yàn)，得出不同編組的列車在不同位置車輛的制動(dòng)控制全過(guò)程。

圖8 150 輛編組列車第1 輛車制動(dòng)過(guò)程的氣壓-時(shí)間曲線

圖9 150 輛編組列車第1 輛車緩解過(guò)程的氣壓-時(shí)間曲線

4 結(jié)語(yǔ)

為保證長(zhǎng)大貨物列車制動(dòng)時(shí)的安全性與穩(wěn)定性，需要對(duì)不同車輛編組列車的制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)所得各種性能曲線進(jìn)行推導(dǎo)，從而得出各個(gè)車輛較為準(zhǔn)確的實(shí)際制動(dòng)動(dòng)態(tài)效果，為評(píng)估不同編組列車制動(dòng)時(shí)的縱向動(dòng)力學(xué)性能提供依據(jù)。因此，本文提出了基于車輛滾動(dòng)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的貨物列車動(dòng)態(tài)制動(dòng)試驗(yàn)仿真裝置，其主要作用有：①可以在滾動(dòng)制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上實(shí)現(xiàn)任意編組中任意輛車的實(shí)際制動(dòng)，通過(guò)模型和制動(dòng)試驗(yàn)得出不同車輛的制動(dòng)變化曲線；②通過(guò)滾動(dòng)臺(tái)和模擬制動(dòng)慣量，將原來(lái)靜止制動(dòng)轉(zhuǎn)化為動(dòng)態(tài)制動(dòng)過(guò)程，以真實(shí)考察不同編組車輛在不同制動(dòng)條件下的制動(dòng)過(guò)程，為分析長(zhǎng)大編組貨物列車各個(gè)車輛相互之間的縱向動(dòng)力作用，提供了試驗(yàn)手段。

通過(guò)仿真與試驗(yàn)手段，對(duì)二者的結(jié)果進(jìn)行比較，可得出該仿真試驗(yàn)裝置使用的可行性，可以用于測(cè)試長(zhǎng)大貨物列車的制動(dòng)性能，從而確保列車在制動(dòng)過(guò)程中的安全性與穩(wěn)定性。