基于AMESim的列车液压制动系统的建模及仿真

基于AMESim的列车液压制动系统的建模及仿真

周波1，刘政1，梁建全2

（1.中车唐山机车车辆有限公司，河北，唐山市 064000；   2. 广州铁路职业技术学院，广东，广州市，510000）

摘要 本文介绍了低地板列车液压制动系统的结构及工作原理，并分析了系统的制动液路，利用工程系统仿真软件AMESim对列车液压制动系统的快速开关阀、差压阀、基础制动装置等主要组成部分进行建模，仿真分析液压制动系统在不同制动工况下的响应特性。通过该系统模型的仿真结果可知，本文设计的液压控制系统能够很好地实现轮控制动功能，同时差压阀的设计能有效起到制动缓解不良检测和自诊断的功能。利用AMESim中的液动库能对车辆液压制动系统的研究提供一种方法。

关键词液压制动系统；AMESim；建模仿真

由于液体介质可以比较安全地达到较高压力，也就是说可以在输出同等制动力的前提下具有较小的体积，因此，液压制动系统非常符合低地板列车制动的要求[1]。

试验一直以来都是研究车辆制动问题的重要手段。但科学技术的飞速发展，特别是电气、计算机技术在液压领城内的广泛应用，扩大了液压传动与控制技术的适用范围，提升了各种使用液压技术的机械设备的性能；反过来，机电液一体化程度的不断提高，对液压传动与控制系统的性能和控制精度等提出了更高的要求。传统的以完成设备工作循环和满足静态特性为目的的液压系统设计方法，已不能适应现代产品的设计和性能要求，而对液压系统进行动态特性分析和采用动态设计方法，已成为机械设计中的重要手段。使用AMESim软件平台可实现建立一个准确、适用、便于仿真的系统数学模型，成为目前应用较多的研究手段[2]。

本文针对低地板列车目前所使用的的液压制动系统，通过AMESim软件建立模型，施加不同制动工况，对液压元件和系统进行仿真分析，为液压元件或系统的设计或改善提供一定的理论基础。

1列车液压制动系统

本文所要建模仿真的列车由3节编组组成：Mc-M-Mc，全部采用全动胶轮，车轮数量12个。每辆车一套液压控制单元，单元之间通过列车网络通信。基础制动形式为盘式制动。该系统的液路原理如图1所示。

每列车安装一台电子制动控制单元。电子控制单元统一控制三节编组的液压制动单元，负责给各车的液压控制单元发生制动指令。每节编组上装备一套液压控制单元，包含液压油供给单元和控制单元。液压控制单元接收到来自EBCU的指令信号后，转化为电子压力信号给本车的电磁阀，对其所在车辆制动夹钳施加液压制动或缓解。EBCU根据来自车辆速度信号和MVB总线的控制信号，动态调整输入压力信号[3]。

蓄能器1、2、3编组上各安装一个，辅助缓解单元1、3编组上安装一个。该制动系统还具有制动力不足检测、制动缓解不良检测和自诊断功能。第1、3编组采用被动式液压控制单元，不便于压力控制，但能有效防滑。第2编组采用主动式液压控制单元，便于控制输入压力的大小。

2 列车制动系统工作原理

2.1 M车液压单元工作原理

如图
2，压力建立模块包括：电机、液压泵、过滤器、溢流阀、单向阀、压力传感器、蓄能器、测点。

电机带动齿轮泵将液压油建立起压力并通过过滤器把高压液压油从单向阀输送到蓄能器。当系统压力到达120MPa时关闭电机;随着系统工作,蓄能器压力下降,到达90bar时,电机重新开启。

当传感器发生故障或其他原因造成系统压力到达120bar后还不停止,溢流阀会启动,溢流压力设为140bar,以防止蓄能器损坏。

手动卸荷阀用于在进行系统维护时对蓄能器进行排空，以保证安全。

压力调整及输出包括：2位2通电磁阀V1、比例阀V2、过滤器、压力传感器。

接到制动指令时,电磁阀V1失电,比例阀V2根据输入电流调整输出压力,压力传感器对输出压力进行监控,反馈给控制装置。

当缓解时,比例阀V2失电,不向外输出压力,同时V1得电,防止泄露过多引起蓄能器压降过快。

过滤器防止外界污染制动单元。

2.2 Mc车液压单元工作原理

如图3，压力建立模块包括：电机、液压泵、过滤器、溢流阀、单向阀、压力传感器、蓄能器、测点。

电机带动齿轮泵将液压油建立起压力并通过过滤器把高压液压油从单向阀输送到蓄能器。当系统压力到达120bar时关闭电机;随着系统工作,蓄能器压力下降,到达90bar时,电机重新开启。

当传感器发生故障或其他原因造成系统压力到达120bar后还不停止,溢流阀会启动,溢流压力设为140bar,以防止蓄能器损坏。

手动卸荷阀用于在进行系统维护时对蓄能器进行排空，以保证安全。

车辆正常运行时,电磁阀V4得电,保持比例阀与输出口联通。比例阀V2依照输入电流,调整并输出压力,保持弹簧式被动制动夹钳处于缓解状态。
缓解时电磁阀V1保持得电状态,切断比例阀V2的泄油通道,减少比例阀V2漏泄。

当接到控制模块制动指令时,V4得电,V2依据输入电流改变输出压力,V1失电保证比例阀泄油畅通,从而使得弹簧停放缸按照要求输出制动力。

安全环路被切断时,V4失电,切换至紧急制动模式。电磁阀V5保持得电状态。压力油从V4经过溢流阀2排出,从而把弹簧制动夹钳压力按要求施加。

3 列车液压制动系统建模

3.1 基础制动装置建模

由于不同编组的基础制动装置的结构形式不同，分别对主动夹钳和被动夹钳进行建模如下图4所示。

（1）

（2）

图 4 （1）被动式液压夹钳

     （2）主动式液压夹钳

3.2 差压阀建模

差压阀可保证相邻两侧基础制动压力之差不超过定值，当压力之差超过定值时，压差阀打幵，沟通两侧基础制动装置，保证在一侧基础制动装置的电液控制出现故障下也能进行安全制动。根据差压阀以及AMESim软件中各阀门的特性，可利用两个反向并联的单向阀模拟差压阀[4]。差压阀模型如图5所示。

图 5差压阀模型

3.3 快速开关阀建模

该系统中的快速开关阀由两个两位两通阀组成，根据预定的液压，控制两个两位两通阀的开和关来控制和输出压力。在AMESim搭建的模型结如图6所示。

1-压力输出端口 2-压力输入端口 3-预控压力信号

图 6 快速开关阀模型

利用AMESim中的超级元件功能进行封装，如图7所示。

图 7 快速开关阀超级元件模型

3.4 列车液压制动系统建模

利用前面所建好的基础制动装置、快速开关阀、差压阀和AMESim中的元件搭建整个车辆的液压制动系统。

Mc车模型结构如图8所示。

M车模型结构如图9所示。

图 8 第一、三编组液压制动系统模型

图 9 第二编组液压制动系统模型

4列车液压制动系统仿真

4.1 常用制动仿真

系统中液压泵输出压力9-12MPa、蓄能器容积为6L，管路直径为35mm。

常用制动中，制动缸压力变化的仿真结果如图10、11所示。

现需第一、三编组车辆4个制动夹钳同时缓解到30、40、50、60bar压力，接到控制模块制动指令时,使得弹簧停放缸按照要求输出制动力。压力油输出压力在 0～12MPa之间；可变液压腔体积为6L，输出压力油从12Mpa下降到30MPa-60MPA，用时小于0.15s，能够快速地达到目标压力。制动缓解时，在0.1s内也能回升到12MPa，且输出压力的稳定值与目标压力值误差不超过0.3Mpa，该模型能够符合实际工作特性需要。

图 10 常用制动制动缸压力下降仿真结果

现需一节车4个制动夹钳同时施加到40-90bar压力，接到控制模块制动指令时,使得制动缸按照要求输出制动力。压力油输出压力在0～12MPa之间；可变液压腔体积为6L，输出压力油从0Mpa上升到40MPa-90MPA，用时小于0.2s，能够快速地达到目标压力。制动缓解时，在0.3s内也能回升到0.05MPa。且输出压力的稳定值与目标压力值误差不超过0.02Mpa，该模型能够符合实际工作特性需要。

图 11 常用制动制动缸压力上升仿真结果

4.2紧急制动、停放制动仿真

紧急制动、停放制动中，制动缸压力变化的仿真结果如图12、13所示。

第一、三编组车辆的安全环路被切断时,切换至紧急制动模式。压力油从经过溢流阀排出,从而把弹簧制动夹钳压力按要求施加。

输出压力油从12Mpa下降到1MPA，用时小于0.15s，能够快速地达到目标压力施加紧急制动。

图 12 紧急、停放制动制动缸压力下降仿真结果

第二编组车辆的安全环路被切断时,切换至紧急制动模式。压力油从经过溢流阀流入,从而把制动夹钳压力按要求施加。输出压力油从0Mpa下降到8.5MPA，用时小于0.25s，能够快速地达到目标压力施加紧急制动。

图 13 紧急、停放制动制动缸压力上升仿真结果

4.3 制动中差压阀运用仿真

差压阀的开启压力设为1.5MPa。

以第一、三编组车辆为例，差压阀功能运用时模拟一个基础制动单元在第50s时紧急电磁阀施加失控导致其无法断电，其输入信号如图14所示。制动缸的压力变化仿真结果如图15所示。

由图14可知，在第50s时对车辆电磁阀断电，其中一个基础制动单元的电磁阀失控无法断电，将会导致其无法缓解，但是由于差压阀的存在使失控的被动夹钳成功缓解，能有效起到制动缓解不良检测和自诊断的功能。

图 14紧急电磁阀输入信号

图 15 制动缸中压力变化的仿真结果

5结论

在AMESim仿真平台上建立的列车液压制动系统模型，能够较好地仿真该制动系统的功能。该模型仿真不仅可以模拟各种复杂的工况，而且节省了大量的人力、物力和财力，并可极大地降低产品开发成本缩短开发周期。因此，运用AMESim软件进行建模仿真，为车辆空制动系统的研究提供了一种方法。

参考文献：

［1］赵春光,韩晓辉,樊贵新,王新海,王正杰,齐政亮.低地板有轨电车制动系统技术现状[J].现代城市轨道交通,2014(01):42-46.

［2］陆强,杨美传.基于AMESim的地铁车辆空气制动系统的建模及仿真[J].液压气动与密封,2011,31(10):45-48.

［3］张龙飞. 低地板有轨电车制动系统性能研究[D].西南交通大学,2018.

［4］甄亚林. 基于AMESim空气弹簧模型车辆动力学性能分析[D].西南交通大学,2014.