氣壓制動系統框架下的建模及其穩健性設計思路構建

摘 要：氣壓制動系統作為車輛中比較常見的一種系統裝置，由于在實際工作運行的環境結構比較復雜，因此，進行該系統的建模設計過程中，如果只進行靜態特性的設計考慮，將會與實際的工作運行情況之間產生較大的偏差，影響氣壓制動系統在實際工作運行中的穩健性。本文將通過對于氣壓制定系統的結構原理分析基礎上，對其系統建模以及穩健性設計進行分析研究，以促進在實際中的設計應用。

關鍵詞：氣壓制動系統；設計建模；結構原理；穩健性；分析研究

氣壓制動系統作為車輛運行中比較常見一種的系統裝置，由于在實際工作運行中受到很多不確定因素的作用和影響，因此，進行不確定參數狀態下的氣壓制動系統模型的設計構建，需要對其穩健性進行分析研究。這也是氣壓制動系統設計研究較為關注的一個重要問題。下文在進行氣壓制動系統模型的設計構建，主要結合系統的物理結構原理以及系統的工作運行環境，對其動態特征分析基礎上，結合仿真實驗結論，實現其系統模型以及穩健性的設計研究，這在氣壓制動系統的實際設計與研究中具有較為突出的價值作用和意義。

1 氣壓制動系統的結構原理分析

氣壓制動系統作為車輛中使用較多的一種系統形式，與液壓制動系統相比，在車輛工作運行中氣壓制動系統能夠在汽車踏板作用力不過大，同時踏板行程又不很長的情況下產生相對較大的制動力，對于車輛的工作運行進行保障；此外，在進行主車以及被拖掛車或者是列車之間連接時連接實現結構裝置相對簡單，并且連接與斷開設置比較方便。但同時，氣壓制動系統在保證車輛工作運行時由于工作壓力相對較低，因此也需要空氣壓縮機以及儲氣罐等元件結構作為輔助，配合系統的工作運行，所以，從整體結構以及性能作用上來講，氣壓制動系統與液壓制動系統作為實現車輛運行的兩大系統類型，氣壓制動系統的結構性能要相對復雜。

氣壓制動系統主要由空氣壓縮機以及濕儲氣筒、四回路保護閥、雙腔制動閥、前后儲氣筒、制動氣室、繼動閥以及進行各部件連接的氣壓管路等結構元件組成。在車輛工作運行中，空氣壓縮機作為氣壓制動系統的壓力源，主要為系統工作運行進行高壓氣體提供支持；而濕儲氣筒則是用來進行空氣的壓縮冷卻，同時將空氣中的油水進行分離實現，并將清潔空氣通過回路保護閥向系統的前后儲氣筒進行充氣；四回路保護閥作為實現空氣壓縮機和儲氣筒連接的元件，通過將整個車輛的氣路分成四個相互連接又各自獨立的回路結構，在車輛工作運行中以保證其中一個回路故障的情況下，通過其他回路實現壓力水平的保持，從而對于車輛的正常工作運行進行保障；在整個氣壓制動系統中一般設置有前后兩個儲氣筒，以進行空氣壓力的儲存，實現車輛運行動力支持；串聯雙腔制動閥則是進行主制動系統工作運行的控制實現。

串聯雙腔制動閥主要由上下兩個腔室組成，在制動控制運行中，通過后儲氣筒與11口相接、前儲氣筒與12口相接，并通過上腔出氣口21為后制動回路進行制動信號氣壓的提供，然后由22向前制動回路進行連通，實現制動系統的制動控制。在制動工作中，由制動踏板通過連接杠桿控制制動閥頂桿a向下進行移動，然后通過橡膠彈簧b控制活塞C在回位彈簧的彈力作用下產生向下移動的作用力，并在活塞與閥桿e接觸后再次借助彈簧彈力進行向下移動，并在活塞與閥桿接觸同時將排氣口d進行關閉，通過閥桿的下移打開進氣口i，再由后儲氣筒中的高壓氣體通過21連接口輸出到后制動回路中。此外，在雙腔制動閥的上腔動作運行中，由回路氣壓通過小孔D向B腔作用，作用力到達活塞f，使活塞f下移關閉排氣口h同時打開進氣口g，并將由前儲氣筒傳來的高壓氣體通過12以及進氣口g再由出氣口22傳遞到前制動回路在充氣作用下產生前制動作用，保證制動系統的制動工作。最后，在制動完成后，通過將作用在頂桿上作用力進行消除，實現橡膠彈簧壓力作用的解除，進而使活塞在回路彈簧以及回路氣壓的作用下向上移動，并關閉進氣口、打開排氣口，由前后制動回路氣壓經過兩個出口以及排氣口放空，實現制動作用的解除。此外，在氣壓制動系統中繼動閥主要是進行制動反應時間縮減實現的結構裝置，制動氣室則是實現氣壓作用向機械作用轉換的結構裝置，氣壓管路是實現制動系統中各部件連接的管路元件。

2 氣壓制動系統建模以及穩健性設計分析

本文在進行氣壓制動系統模型構建中主要是通過AMESim軟件實現的，結合氣壓制動系統的工作運行情況，在不考慮泄露并且假設前后儲氣筒為一個恒壓源的情況下，通過對于氣壓制動系統中串聯雙腔制動閥以及繼動閥、制動氣室、氣壓管路等結構部件對于系統工作運行的作用影響分析，在完成上述部件的建模設計基礎上，實現整個系統的設計建模。

根據上述不進行穩健性考慮設計構建的氣壓制動系統模型，在仿真試驗中，結合給定的輸入信號，進行制動工作運行后可以得出該氣壓制動系統中制動氣室內的壓力大小是通過踏板行程進行控制的，但是存在有壓力響應線和輸入信號不同步的問題，這也是進行氣壓制動系統設計中穩健性設計的關鍵要點，經Taguchi方法在對于氣壓制動系統工作運行穩健性分析基礎上，通過仿真實驗在選取穩健性因子基礎上，通過響應回歸以及優化設計，結合區間算法對于氣壓制動系統工作運行的穩健性因數計算，最終實現氣壓制動系統及其穩健性的設計，為實際設計提供了相關經驗和參考。

3 結束語

總之，氣壓制動系統作為車輛工作運行系統的一個重要類型，具有一定的應用優勢和適用性，進行氣壓制動系統模型構建以及穩健性設計的分析，有利于提升系統設計水平，促進在實際中的推廣應用，具有積極作用和價值意義。

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