喻兵， 趙燃， 楊凡， 李剛炎

(武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 湖北 武漢 430070)

危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車是一種道路運(yùn)輸危險(xiǎn)貨物的專用車輛，所載貨物的危險(xiǎn)特性導(dǎo)致其發(fā)生的事故往往是災(zāi)難性的。因此，各國均對(duì)其安全性能作出了嚴(yán)格要求，如歐洲的危險(xiǎn)品公路運(yùn)輸歐洲協(xié)議(ADR協(xié)議)、中國JT/T1285-2020《危險(xiǎn)貨物道路運(yùn)輸營運(yùn)車輛安全技術(shù)條件》等。

電控氣壓制動(dòng)系統(tǒng)(Electronical Controlled Braking System，EBS)的主要功能是將制動(dòng)意圖和車輛狀況信息通過電子信號(hào)實(shí)時(shí)、快速地傳輸給電控單元(ECU)，ECU將這些信息進(jìn)行匯總、分析和計(jì)算后，控制對(duì)應(yīng)的制動(dòng)壓力控制閥等元件輸出相應(yīng)制動(dòng)壓力，使車輛的各軸制動(dòng)氣室迅速作出制動(dòng)，達(dá)到快速的制動(dòng)效果。這種通過電信號(hào)控制的制動(dòng)系統(tǒng)具有突出的優(yōu)勢(shì)，也是車輛氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的未來發(fā)展方向，國家標(biāo)準(zhǔn)中也針對(duì)總質(zhì)量大于或等于12 t的危險(xiǎn)貨物運(yùn)輸貨車提出了裝備電控制動(dòng)系統(tǒng)的明確要求?，F(xiàn)有成熟的氣壓EBS產(chǎn)品基本掌握在國外少數(shù)企業(yè)如威伯科、克諾爾等手中，國內(nèi)關(guān)于這方面的研究多為基于這類產(chǎn)品的控制策略開發(fā)。雖然目前國內(nèi)產(chǎn)品有小批量裝車，但其核心零部件仍基本采用國外技術(shù)，且未結(jié)合危險(xiǎn)品運(yùn)輸車的實(shí)際特點(diǎn)進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，無法滿足車輛智能制動(dòng)的發(fā)展和制動(dòng)安全性能需求。為此，該文通過分析現(xiàn)有制動(dòng)系統(tǒng)的不足，根據(jù)法規(guī)對(duì)危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車的要求，對(duì)氣壓EBS進(jìn)行功能需求分析、細(xì)化各項(xiàng)性能指標(biāo)，結(jié)合該類車輛的實(shí)際特性和傳統(tǒng)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)組成，提出適用于危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車的氣壓EBS方案。

1 危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車及其氣壓制動(dòng)系統(tǒng)

1.1 危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車及其對(duì)制動(dòng)的要求

危險(xiǎn)品是指具有爆炸、易燃、毒害、感染、腐蝕、放射性等危險(xiǎn)特性，在運(yùn)輸、儲(chǔ)存、生產(chǎn)、經(jīng)營、使用和處置中容易造成人身傷亡、財(cái)產(chǎn)損毀或環(huán)境污染而需要特別防護(hù)的物質(zhì)和物品。 根據(jù)危險(xiǎn)品的特性，國家標(biāo)準(zhǔn)將其劃分為九大類共2 000多種，不同類別的危險(xiǎn)品性質(zhì)各異，其物理和化學(xué)性質(zhì)差異很大，其運(yùn)輸車輛也大不相同。如易燃固體危險(xiǎn)品的運(yùn)輸常采用易燃固體廂式運(yùn)輸車，非獨(dú)立包裝的液體常采用載有大型儲(chǔ)存容器的罐式車輛運(yùn)輸，這類車輛若受到較大撞擊或較大幅度振動(dòng)，會(huì)引起容器內(nèi)液體晃動(dòng)，將對(duì)車輛的穩(wěn)定性造成重要影響。

根據(jù)文獻(xiàn)[9]對(duì)2013—2018年國內(nèi)近千起危險(xiǎn)品道路運(yùn)輸事故的分析，由車輛側(cè)翻導(dǎo)致的事故占44.19%，側(cè)翻是目前國內(nèi)危險(xiǎn)品運(yùn)輸事故的主要形式，保障危險(xiǎn)品運(yùn)輸車的側(cè)傾穩(wěn)定性對(duì)提高危險(xiǎn)品運(yùn)輸安全十分重要。而制動(dòng)系統(tǒng)是控制車輛行駛過程中穩(wěn)定性的關(guān)鍵，其響應(yīng)時(shí)間、制動(dòng)壓力的精確控制等對(duì)車輛的穩(wěn)定性和安全性十分重要，尤其是大型半掛式車輛，這類車輛具有重量大、尺寸大、質(zhì)心高及危險(xiǎn)性高等特點(diǎn)，更易因制動(dòng)系統(tǒng)性能不足發(fā)生側(cè)翻、碰撞和追尾等事故。

相較于常規(guī)車輛，危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車還需滿足以下要求：1) 全車所有車輪裝備盤式制動(dòng)器，車輛裝備ABS防抱死裝置；2) 所有行車制動(dòng)器裝備制動(dòng)間隙自動(dòng)調(diào)整裝置；3) 危險(xiǎn)品運(yùn)輸車具有限速功能，否則配備限速裝置，最高時(shí)速不超過80 km/h；4) 保證運(yùn)輸液體危險(xiǎn)貨物的車輛行駛速度大于5 km/h時(shí)緊急切斷閥能自動(dòng)關(guān)閉；5) 轉(zhuǎn)向輪裝備輪胎爆胎應(yīng)急防護(hù)裝置(TESD)；6) 各車輪制動(dòng)力能獨(dú)立精確控制；7) 裝備緩速器或其他輔助制動(dòng)裝置。

1.2 氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為目前常見危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車的氣壓制動(dòng)系統(tǒng)。

圖1 危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車傳統(tǒng)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)

由圖1可知：危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車傳統(tǒng)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)動(dòng)作主要由制動(dòng)踏板閥輸出的壓縮氣體控制，而半掛式車輛從主車至掛車的控制管路長，壓縮空氣流經(jīng)這段管路將對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)產(chǎn)生很長時(shí)延，這也是危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車傳統(tǒng)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)的最大弊端。此外，傳統(tǒng)氣壓制動(dòng)系統(tǒng)不能獨(dú)立控制各輪的制動(dòng)壓力，且除基本制動(dòng)功能外無法擴(kuò)展其他功能，無法滿足危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車的實(shí)際功能需求及車輛的智能化發(fā)展趨勢(shì)。因此，亟需開發(fā)一種合適的危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車制動(dòng)系統(tǒng)。

2 危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車氣壓EBS功能設(shè)計(jì)

2.1 主要功能

根據(jù)危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車的實(shí)際需求及現(xiàn)有制動(dòng)系統(tǒng)存在的問題，綜合分析，適用于危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車的氣壓EBS需滿足圖2所示功能要求。

圖2 危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車氣壓EBS的功能

制動(dòng)壓力變化率監(jiān)測功能主要是指對(duì)車輛制動(dòng)過程中的壓力變化率進(jìn)行監(jiān)測。制動(dòng)壓力變化率反映單位時(shí)間制動(dòng)壓力的變化，按下式計(jì)算：

(1)

式中：κ為制動(dòng)壓力變化率(Pa/s)；Δp為制動(dòng)壓力偏差(Pa)；Δt為制動(dòng)時(shí)間偏差(s)。

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制動(dòng)壓力變化率是衡量車輛制動(dòng)平順性的重要指標(biāo)，制動(dòng)的不平順將對(duì)危險(xiǎn)貨物造成沖擊，為提高車輛的制動(dòng)平順性，需對(duì)壓力變化率進(jìn)行監(jiān)測以實(shí)時(shí)調(diào)整控制策略。

2.2 關(guān)鍵性能指標(biāo)

危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車氣壓EBS除需滿足一定功能需求外，對(duì)于氣壓EBS的實(shí)際制動(dòng)性能評(píng)價(jià)還有著更具體的指標(biāo)要求。

(1) 壓力范圍。整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)供能管路的壓力不超過0.7 MPa，且制動(dòng)系統(tǒng)的壓力能在整個(gè)壓力范圍內(nèi)任意調(diào)節(jié)。

(2) 制動(dòng)壓力響應(yīng)時(shí)間。根據(jù)現(xiàn)有制動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車氣壓EBS的壓力響應(yīng)時(shí)間見表1。

(3) 制動(dòng)釋放時(shí)間。制動(dòng)完全釋放時(shí)間是指從駕駛員松開制動(dòng)踏板到整個(gè)制動(dòng)動(dòng)作消除所需要的時(shí)間。由于危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車的軸數(shù)在3個(gè)以上，根據(jù)GB 7258-2017，其制動(dòng)釋放時(shí)間應(yīng)滿足表2的要求。

(4) 制動(dòng)距離。根據(jù)GB7258-2017，危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車的制動(dòng)距離要求見表3。

表1 制動(dòng)壓力的響應(yīng)時(shí)間

表2 制動(dòng)釋放時(shí)間

表3 制動(dòng)距離要求

(5) 制動(dòng)減速度。制動(dòng)減速度反映制動(dòng)力的大小。在評(píng)價(jià)汽車制動(dòng)性能時(shí)，由于瞬時(shí)減速度變化較大，不好用某一時(shí)刻的值去衡量整個(gè)汽車制動(dòng)性能的優(yōu)劣，參照歐洲ECE R13法規(guī)采用充分發(fā)出的平均減速度MFDD來衡量(見表4)，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：vb為試驗(yàn)車速，為0.8v0；v0為制動(dòng)初速度；ve為試驗(yàn)車速，為0.1v0；Sb為試驗(yàn)車速從v0到vb的行駛距離；Se為試驗(yàn)車速從v0到ve的行駛距離。

表4 制動(dòng)減速度要求

3 危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車氣壓EBS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1空氣壓縮機(jī)；2干燥器；3儲(chǔ)氣罐；4四回路保護(hù)閥；5駐車儲(chǔ)氣罐；6半掛車制動(dòng)手剎；7掛車閥；8主掛車氣管接頭；9駐車受控閥；10后軸儲(chǔ)氣罐；11雙腔制動(dòng)氣室；12磨損傳感器；13輪速傳感器；14前軸制動(dòng)氣室；15壓力微分計(jì)；16自動(dòng)調(diào)壓閥；17電子制動(dòng)踏板；18前軸儲(chǔ)氣罐；19 EBS ECU；20緩速器ECU；21快放閥；22半掛車電控接口；23緊急繼動(dòng)閥；24掛車儲(chǔ)氣罐；25掛車駐車閥；26轉(zhuǎn)向輪胎壓傳感器；27緊急切斷閥控制管路壓力傳感器

3.2 系統(tǒng)工作原理

駕駛員踩下電子制動(dòng)踏板時(shí)，制動(dòng)踏板將駕駛員施加到制動(dòng)踏板上的動(dòng)作信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并傳輸?shù)紼BS ECU，識(shí)別駕駛員的制動(dòng)意圖。EBS ECU同時(shí)從輪速傳感器、磨損傳感器接收輪速和制動(dòng)盤磨損信息，從壓力微分計(jì)接收各制動(dòng)氣室的壓力變化率信息，綜合處理這些信息后，經(jīng)過內(nèi)置控制策略進(jìn)行計(jì)算，向前軸、后軸、半掛車軸上的自動(dòng)調(diào)壓閥輸出控制指令。自動(dòng)調(diào)壓閥接收到指令后，根據(jù)該指令向各制動(dòng)氣室輸出相應(yīng)壓力，推動(dòng)制動(dòng)器實(shí)施制動(dòng)動(dòng)作。EBS ECU不斷接收各傳感器的實(shí)時(shí)反饋信號(hào)并修正控制目標(biāo)值，從而提高制動(dòng)安全性。

另外，EBS ECU根據(jù)輪速傳感器檢測的輪速信息和車輛其他傳感器采集的信息進(jìn)行防抱死控制，發(fā)送相應(yīng)防抱死控制信號(hào)控制自動(dòng)調(diào)壓閥內(nèi)部高速開關(guān)閥的通斷，使各軸車輪不至于抱死，以保證整車在制動(dòng)時(shí)不會(huì)由于車輪抱死而發(fā)生側(cè)滑甚至甩尾等危險(xiǎn)。

行車時(shí)，EBS ECU將實(shí)時(shí)接收緊急切斷閥控制管路壓力傳感器和壓力微分計(jì)的信號(hào)，若控制管路內(nèi)有控制氣壓或制動(dòng)氣室壓力波動(dòng)較大，則表示緊急切斷閥未關(guān)閉或車輛運(yùn)行狀態(tài)不平穩(wěn)，EBS便采取制動(dòng)措施將車速限制在5 km/h以下，并以指示燈閃爍的形式提醒駕駛員手動(dòng)關(guān)閉閥門。

對(duì)于在轉(zhuǎn)向輪上安裝有爆胎應(yīng)急安全裝置(TESD)的車輛，EBS ECU將實(shí)時(shí)檢測轉(zhuǎn)向輪胎壓傳感器的信號(hào)。在行車過程中如果出現(xiàn)爆胎情況，EBS ECU會(huì)根據(jù)轉(zhuǎn)向輪胎壓傳感器的異常反饋調(diào)整控制模式，配合TESD保證車輛的制動(dòng)能力。

4 危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車氣壓EBS仿真與驗(yàn)證

4.1 系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

為分析上述危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車氣壓EBS的實(shí)際性能，基于AMESim軟件，先根據(jù)系統(tǒng)各組成部件的結(jié)構(gòu)及工作原理搭建各部件的AMESim模型，并封裝成超級(jí)元件組成氣壓EBS仿真模型庫，其中關(guān)鍵部件自動(dòng)調(diào)壓閥的結(jié)構(gòu)見圖4。

通過接收EBS ECU的信號(hào)控制高速開關(guān)閥的輸出壓力，直接控制自動(dòng)調(diào)壓閥控制腔的壓力，繼而推動(dòng)主閥芯向下運(yùn)動(dòng)，從而使主閥芯打開相應(yīng)開度以輸出對(duì)應(yīng)的制動(dòng)壓力，還能通過控制管路輸入的壓縮氣體進(jìn)行耦合調(diào)壓。

1回位彈簧；2主閥芯；3活塞；4單向閥；5高速進(jìn)氣閥；6高速排氣閥；7消聲器；8壓力傳感器；9卸壓孔；A高速進(jìn)氣閥供氣口；B控制管路輸入口；C控制腔；D進(jìn)氣腔；E排氣腔；F出氣腔

采用氣動(dòng)庫中二位二通電磁閥模擬高速開關(guān)閥，利用氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)庫中的相關(guān)模塊搭建閥體模型，構(gòu)建自動(dòng)調(diào)壓閥AMESim模型(見圖5)。

圖5 自動(dòng)調(diào)壓閥AMESim模型

同理，在AMESim中依次構(gòu)建電子制動(dòng)踏板、掛車閥、緊急繼動(dòng)閥、前軸制動(dòng)氣室及雙腔制動(dòng)氣室的AMESim模型并封裝，建立氣壓EBS模型庫。根據(jù)仿真模型庫及危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車氣壓EBS方案構(gòu)建系統(tǒng)的整體仿真模型(見圖6)，其中牽引車后軸及掛車的3個(gè)軸均簡化為1個(gè)軸，其他傳感器及EBS ECU暫未考慮。

4.2 系統(tǒng)特性分析與驗(yàn)證

考慮到系統(tǒng)的壓力響應(yīng)指標(biāo)是反映其性能的關(guān)鍵，且系統(tǒng)的各輪壓力精確控制是其他各功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)，主要針對(duì)這兩部分進(jìn)行驗(yàn)證。仿真時(shí)設(shè)定大氣環(huán)境壓力為0.1 MPa，假設(shè)氣源為一恒溫恒壓源，初始溫度為293.15 K，絕對(duì)壓力為0.8 MPa，仿真步長為0.001 s，仿真時(shí)間為0.6 s。主要部件自動(dòng)調(diào)壓閥的仿真參數(shù)見表5。

圖6 危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車氣壓EBS仿真模型

表5 仿真模型的主要參數(shù)

(1) 壓力范圍。通過給電子制動(dòng)踏板不同的力信號(hào)，控制自動(dòng)調(diào)壓閥得到0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7和0.8 MPa絕對(duì)壓力制動(dòng)需求信號(hào)，以牽引車前軸制動(dòng)氣室的壓力變化為對(duì)象，得到其壓力響應(yīng)曲線(見圖7)。由圖7可知：危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車氣壓EBS能實(shí)現(xiàn)在整個(gè)壓力范圍內(nèi)對(duì)制動(dòng)壓力的精確控制，且分別在0.15、0.20、0.23、0.37、0.30、0.33和0.41 s即可達(dá)到期望值。

圖7 系統(tǒng)壓力響應(yīng)范圍

(2) 制動(dòng)壓力響應(yīng)時(shí)間。通過電子制動(dòng)踏板給自動(dòng)調(diào)壓閥最大的制動(dòng)需求信號(hào)，分別測量牽引車后軸雙腔制動(dòng)氣室、主車和掛車氣管接頭、掛車后軸雙腔制動(dòng)氣室的壓力，并根據(jù)危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車對(duì)制動(dòng)壓力響應(yīng)時(shí)間的要求計(jì)算得到每項(xiàng)要求的壓力響應(yīng)曲線(見圖8)。由圖8可知：曲線1、2、3到達(dá)目標(biāo)壓力0.8 MPa的75%的響應(yīng)時(shí)間分別為0.26、0.31和0.21 s，曲線4到達(dá)0.42 MPa的時(shí)間為0.25 s，均符合相應(yīng)性能要求。

(3) 制動(dòng)壓力釋放時(shí)間。分別通過電子制動(dòng)踏板給出0.7和0.67 MPa控制信號(hào)，并在0.8 s時(shí)釋放制動(dòng)踏板，得到制動(dòng)系統(tǒng)的掛車軸制動(dòng)氣室的壓力下降曲線(見圖9)。由圖9可知：掛車軸制動(dòng)氣室的絕對(duì)壓力從0.8 MPa下降到初始值的時(shí)間為0.70 s，從0.75 MPa下降到0.45 MPa的時(shí)間為0.37 s，滿足制動(dòng)壓力釋放要求。

(4) 各輪壓力精確控制。分別給左前氣室、右前氣室、左后氣室、右后氣室、掛車左氣室、掛車右氣室輸出0.2、0.3、0.4、0.5、0.6和0.7 MPa控制壓力，得到各氣室的壓力響應(yīng)曲線(見圖10)。由圖10可知：各制動(dòng)氣室均在較短時(shí)間內(nèi)達(dá)到期望的制動(dòng)壓力，說明系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際需求實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)各輪的制動(dòng)力，以滿足危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車的各項(xiàng)功能需求。

圖9 系統(tǒng)壓力下降曲線

圖10 系統(tǒng)制動(dòng)壓力獨(dú)立控制

5 結(jié)語

通過對(duì)危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)和車輛要求的分析，總結(jié)針對(duì)危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車的實(shí)際制動(dòng)需求，提出符合危險(xiǎn)品半掛運(yùn)輸車需求的氣壓EBS方案，利用自動(dòng)調(diào)壓閥使系統(tǒng)滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)。在此基礎(chǔ)上，通過各類傳感器并結(jié)合控制策略使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)所需功能。最后基于AMESim軟件搭建系統(tǒng)仿真模型，驗(yàn)證系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)均符合實(shí)際需求。