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摘 要:本文以CRH380AL型动车组为主要研究对象,从基本概念和基础理论入手,简述制动控制系统组成及特点,着重介绍制动控制系统的组成及工作原理;同时,借助 AMESim仿真软件对制动控制系统中的关键部件进行了建模和仿真研究,分析各参数对制动性能的影响,为进一步优化制动系统起到一定的指导作用,具有较好的现实意义和工程实用价值。
关键词:高速动车组;制动控制系统;AMESim仿真
1.引言
CRH380AL动车组是我国和谐系列动力分散式、交流传动电力动车组中的杰出代表,采用铝合金空心型材车体,持续运营时速可达380公里,如此高的时速,更要匹配性能优越的制动系统。CRH380AL型动车组制动系统是一个能提供强大的制动力并充分利用黏著的复合制动系统,由电制动与空气制动复合而成,且以电制动(再生制动)为主,空气制动系统则是一套电气指令微机控制的直通式空气制动系统,它包括:制动供风系统、制动控制系统,以及基础制动装置。其中,制动控制系统可实现制动指令的产生、传输和接收,制动力的计算、分配、控制、执行以及防滑控制、增黏控制等功能,是空气制动系统的核心。结合动车组制动控制系统中主要部件均采用电控气动或液压驱动方式的特点,本文采用AMESim软件进行仿真,该软件可提供完整的系统工程设计平台,机械、液压、气动、热、电磁等不同领域的元件库可以相互进行连接,便于直观地分析动车组在运行状态中的各项制动系统参数。
2.CRH380AL型动车组制动控制系统工作原理
CRH380AL型动车组的制动控制系统通过接收司机发出的制动指令或者其ATP(列车自动防护系统)来实现制动力的控制,其作用过程主要由BUC(制动控制单元)通过微机处理器计算并传输。制动控制系统由三部分组成:制动信号发生装置、制动信号传输装置和制动控制装置。信号发生装置为司机控制的制动手柄等控制器或者ATP等控制单元;信号传输装置借助列车的信息控制系统来实现信号的双向传输即将指令传到各车厢和将各车的信息反馈给司机室;制动控制装置的核心为BCU,其通过微机进行运算处理并实现信息的传输,对各车的制动进行实时控制。动车组制动控制系统构成如图1所示。
以常用制动为例,司机发出常用制动信号,信号通过列车网络传输到各车的BCU中,BCU根据当前车速、车重、轮轨黏着程度等因素,计算出所需的再生制动力,向牵引变流器发出再生制动指令信号,牵引变流器根据接收到的再生制动信号,控制动车组实施再生制动;当再生制动力不足时,BCU根据已施加的再生制动反馈量,计算出所需的空气制动力,并输出空气制动指令给电空转换阀,经电空转换阀转换为空气压力,再经中继阀放大流量后,控制制动缸的充气,从而实现制动机的制动作用。
3.利用AMESim软件对制动控制系统中关键部件的建模与仿真
3.1电空转换阀的建模与仿真
电空转换阀又称为电空阀,安装在空气制动控制装置内,其作用是把制动控制计算机发来的电流指令转换为空气压力,从而控制中继阀的供、排气。根据结构及工作原理的不同,电空阀分为模拟型和数字型两种。CRH380AL采用模拟型电空转换阀。
利用AMESim软件对电空转换阀仿真:搭建一个系统,必须创建一个新模型,在计算机上设计草图;打开一个空系统;添加CRH380AL制动系统相关元件于机械库;将元件图标拖动到工作空间;通过“镜像”和“旋转”方法及“拖动”并感应“端口”,连接这些图标;通过工具栏按钮,添加文字。系统中每一个元件都必须与一个数学模型相关联,子模型与元件是自动关联的。在AMESim建立的电空转换阀仿真模型如图2所示。
调节参数,设置仿真时长10s,步长1s,经仿真所得的电空转换阀特性曲线如图3所示。
由曲线图可知,电空转换阀从0kPa-450kPa后保持稳定时间为0.5s,该时间小于制动空走时间,电空转换阀还可实现阶段制动和阶段缓解,所以可满足制动需求。
3.2中继阀的建模与仿真
中继阀安装在空气制动控制装置内,是一个流量放大阀,其作用是根据电空转换阀(或紧急制动电磁阀)输出的气体压力,控制制动缸(或增压缸)的充气、排气,以实现制动机的制动、缓解和保压作用。
根据结构的不同,中继阀有单膜板式和双膜板式两种类型。CRH380AL型动车组使用双膜板式中继阀。
在AMESim建立的中继阀仿真模型如图4所示。
调节参数,设置仿真时长25s,步长5s,经仿真所得的中继阀特性曲线如图5所示。
由曲线图可知,中继阀输出空气压强在不到2s的时间内上升到预控压强500kPa,当电空转换阀压强变为零时,中继阀的输出压强可在2s内降为零,因此该中继阀模型满足动车组快速、稳定、准确的需求。
3.3空重阀的建模与仿真
空重阀根据车辆载重变化,自动连续调整制动缸压力大小,使进入中继阀的预控压力相应变化,保持车辆在各载重工况下的制动率基本不变,防止制动力过大,车轮擦伤。
在AMESim建立的空重阀仿真模型如图6所示。
调节参数,设置仿真时长5s,步长1s,假设预控压强1处900kPa的大容积气压缸,空气弹簧压强为500kPa、550kPa、600kPa,经仿真所得的空重阀特性曲线如图7所示。
由曲线图可知,当预控压强为900kPa,空气弹簧压强为500kPa时,由于空重阀作用,输出气体压强很快上升并稳定在400kPa左右。随着空气弹簧气体压强增大,空重阀输出的气体压强也随之线性增大,可满足动车组响应快,降压快的要求。
4.结论
本文运用AMESim仿真软件建立了动车组制动控制的系统中电空转换阀、中继阀、空重阀的仿真模型,分析了一些参数对其工作性能的影响。课题下一步研究建议:继续建立紧急电磁阀、基础制动单元等仿真模型,在各单元仿真模型基础上,建立单车制动系统模型,完成常用制动及紧急制动工况的仿真分析。
参考文献:
[1] 吴云飞.基于AMESim的动车组空气制动系统建模仿真[J].电力机车与城轨车辆,2016,39(4):10-14.
[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,2011,10:45-48.
[3] 李成钢.CRH2型动车组国产化制动控制单元(BCU)通信网关的研究[D].北京交通大学硕士论文,2010.
[4] 张晶.动车组制动系统建模与仿真研究[D].西南交通大学,2013.
作者简介:
梁雪(1986.08—),蒙古族,内蒙古人,单位:山东职业学院铁道车辆与机械工程系。
注:
来自山东职业学院院级科研课题成果。
关键词:高速动车组;制动控制系统;AMESim仿真
1.引言
CRH380AL动车组是我国和谐系列动力分散式、交流传动电力动车组中的杰出代表,采用铝合金空心型材车体,持续运营时速可达380公里,如此高的时速,更要匹配性能优越的制动系统。CRH380AL型动车组制动系统是一个能提供强大的制动力并充分利用黏著的复合制动系统,由电制动与空气制动复合而成,且以电制动(再生制动)为主,空气制动系统则是一套电气指令微机控制的直通式空气制动系统,它包括:制动供风系统、制动控制系统,以及基础制动装置。其中,制动控制系统可实现制动指令的产生、传输和接收,制动力的计算、分配、控制、执行以及防滑控制、增黏控制等功能,是空气制动系统的核心。结合动车组制动控制系统中主要部件均采用电控气动或液压驱动方式的特点,本文采用AMESim软件进行仿真,该软件可提供完整的系统工程设计平台,机械、液压、气动、热、电磁等不同领域的元件库可以相互进行连接,便于直观地分析动车组在运行状态中的各项制动系统参数。
2.CRH380AL型动车组制动控制系统工作原理
CRH380AL型动车组的制动控制系统通过接收司机发出的制动指令或者其ATP(列车自动防护系统)来实现制动力的控制,其作用过程主要由BUC(制动控制单元)通过微机处理器计算并传输。制动控制系统由三部分组成:制动信号发生装置、制动信号传输装置和制动控制装置。信号发生装置为司机控制的制动手柄等控制器或者ATP等控制单元;信号传输装置借助列车的信息控制系统来实现信号的双向传输即将指令传到各车厢和将各车的信息反馈给司机室;制动控制装置的核心为BCU,其通过微机进行运算处理并实现信息的传输,对各车的制动进行实时控制。动车组制动控制系统构成如图1所示。
以常用制动为例,司机发出常用制动信号,信号通过列车网络传输到各车的BCU中,BCU根据当前车速、车重、轮轨黏着程度等因素,计算出所需的再生制动力,向牵引变流器发出再生制动指令信号,牵引变流器根据接收到的再生制动信号,控制动车组实施再生制动;当再生制动力不足时,BCU根据已施加的再生制动反馈量,计算出所需的空气制动力,并输出空气制动指令给电空转换阀,经电空转换阀转换为空气压力,再经中继阀放大流量后,控制制动缸的充气,从而实现制动机的制动作用。
3.利用AMESim软件对制动控制系统中关键部件的建模与仿真
3.1电空转换阀的建模与仿真
电空转换阀又称为电空阀,安装在空气制动控制装置内,其作用是把制动控制计算机发来的电流指令转换为空气压力,从而控制中继阀的供、排气。根据结构及工作原理的不同,电空阀分为模拟型和数字型两种。CRH380AL采用模拟型电空转换阀。
利用AMESim软件对电空转换阀仿真:搭建一个系统,必须创建一个新模型,在计算机上设计草图;打开一个空系统;添加CRH380AL制动系统相关元件于机械库;将元件图标拖动到工作空间;通过“镜像”和“旋转”方法及“拖动”并感应“端口”,连接这些图标;通过工具栏按钮,添加文字。系统中每一个元件都必须与一个数学模型相关联,子模型与元件是自动关联的。在AMESim建立的电空转换阀仿真模型如图2所示。
调节参数,设置仿真时长10s,步长1s,经仿真所得的电空转换阀特性曲线如图3所示。
由曲线图可知,电空转换阀从0kPa-450kPa后保持稳定时间为0.5s,该时间小于制动空走时间,电空转换阀还可实现阶段制动和阶段缓解,所以可满足制动需求。
3.2中继阀的建模与仿真
中继阀安装在空气制动控制装置内,是一个流量放大阀,其作用是根据电空转换阀(或紧急制动电磁阀)输出的气体压力,控制制动缸(或增压缸)的充气、排气,以实现制动机的制动、缓解和保压作用。
根据结构的不同,中继阀有单膜板式和双膜板式两种类型。CRH380AL型动车组使用双膜板式中继阀。
在AMESim建立的中继阀仿真模型如图4所示。
调节参数,设置仿真时长25s,步长5s,经仿真所得的中继阀特性曲线如图5所示。
由曲线图可知,中继阀输出空气压强在不到2s的时间内上升到预控压强500kPa,当电空转换阀压强变为零时,中继阀的输出压强可在2s内降为零,因此该中继阀模型满足动车组快速、稳定、准确的需求。
3.3空重阀的建模与仿真
空重阀根据车辆载重变化,自动连续调整制动缸压力大小,使进入中继阀的预控压力相应变化,保持车辆在各载重工况下的制动率基本不变,防止制动力过大,车轮擦伤。
在AMESim建立的空重阀仿真模型如图6所示。
调节参数,设置仿真时长5s,步长1s,假设预控压强1处900kPa的大容积气压缸,空气弹簧压强为500kPa、550kPa、600kPa,经仿真所得的空重阀特性曲线如图7所示。
由曲线图可知,当预控压强为900kPa,空气弹簧压强为500kPa时,由于空重阀作用,输出气体压强很快上升并稳定在400kPa左右。随着空气弹簧气体压强增大,空重阀输出的气体压强也随之线性增大,可满足动车组响应快,降压快的要求。
4.结论
本文运用AMESim仿真软件建立了动车组制动控制的系统中电空转换阀、中继阀、空重阀的仿真模型,分析了一些参数对其工作性能的影响。课题下一步研究建议:继续建立紧急电磁阀、基础制动单元等仿真模型,在各单元仿真模型基础上,建立单车制动系统模型,完成常用制动及紧急制动工况的仿真分析。
参考文献:
[1] 吴云飞.基于AMESim的动车组空气制动系统建模仿真[J].电力机车与城轨车辆,2016,39(4):10-14.
[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,2011,10:45-48.
[3] 李成钢.CRH2型动车组国产化制动控制单元(BCU)通信网关的研究[D].北京交通大学硕士论文,2010.
[4] 张晶.动车组制动系统建模与仿真研究[D].西南交通大学,2013.
作者简介:
梁雪(1986.08—),蒙古族,内蒙古人,单位:山东职业学院铁道车辆与机械工程系。
注:
来自山东职业学院院级科研课题成果。