基于AMESim高速動車組制動控制系統仿真研究

梁雪 (山東職業學院鐵道車輛與機械工程系，山東 濟南 250000）

1.引言

CRH380AL動車組是我國和諧系列動力分散式、交流傳動電力動車組中的杰出代表，采用鋁合金空心型材車體，持續運營時速可達380公里，如此高的時速，更要匹配性能優越的制動系統。CRH380AL型動車組制動系統是一個能提供強大的制動力并充分利用黏著的復合制動系統，由電制動與空氣制動復合而成，且以電制動（再生制動）為主，空氣制動系統則是一套電氣指令微機控制的直通式空氣制動系統，它包括：制動供風系統、制動控制系統，以及基礎制動裝置。其中，制動控制系統可實現制動指令的產生、傳輸和接收，制動力的計算、分配、控制、執行以及防滑控制、增黏控制等功能，是空氣制動系統的核心。結合動車組制動控制系統中主要部件均采用電控氣動或液壓驅動方式的特點，本文采用AMESim軟件進行仿真，該軟件可提供完整的系統工程設計平臺，機械、液壓、氣動、熱、電磁等不同領域的元件庫可以相互進行連接，便于直觀地分析動車組在運行狀態中的各項制動系統參數。

2.CRH380AL型動車組制動控制系統工作原理

CRH380AL型動車組的制動控制系統通過接收司機發出的制動指令或者其ATP(列車自動防護系統)來實現制動力的控制，其作用過程主要由BUC(制動控制單元)通過微機處理器計算并傳輸。制動控制系統由三部分組成：制動信號發生裝置、制動信號傳輸裝置和制動控制裝置。信號發生裝置為司機控制的制動手柄等控制器或者ATP等控制單元；信號傳輸裝置借助列車的信息控制系統來實現信號的雙向傳輸即將指令傳到各車廂和將各車的信息反饋給司機室；制動控制裝置的核心為BCU，其通過微機進行運算處理并實現信息的傳輸，對各車的制動進行實時控制。動車組制動控制系統構成如圖1所示。

以常用制動為例，司機發出常用制動信號，信號通過列車網絡傳輸到各車的BCU中，BCU根據當前車速、車重、輪軌黏著程度等因素，計算出所需的再生制動力，向牽引變流器發出再生制動指令信號，牽引變流器根據接收到的再生制動信號，控制動車組實施再生制動；當再生制動力不足時，BCU根據已施加的再生制動反饋量，計算出所需的空氣制動力，并輸出空氣制動指令給電空轉換閥，經電空轉換閥轉換為空氣壓力，再經中繼閥放大流量后，控制制動缸的充氣，從而實現制動機的制動作用。

3.利用AMESim軟件對制動控制系統中關鍵部件的建模與仿真

3.1 電空轉換閥的建模與仿真

電空轉換閥又稱為電空閥，安裝在空氣制動控制裝置內，其作用是把制動控制計算機發來的電流指令轉換為空氣壓力，從而控制中繼閥的供、排氣。根據結構及工作原理的不同，電空閥分為模擬型和數字型兩種。CRH380AL采用模擬型電空轉換閥。

利用AMESim軟件對電空轉換閥仿真：搭建一個系統，必須創建一個新模型，在計算機上設計草圖；打開一個空系統；添加CRH380AL制動系統相關元件于機械庫；將元件圖標拖動到工作空間；通過“鏡像”和“旋轉”方法及“拖動”并感應“端口”，連接這些圖標；通過工具欄按鈕，添加文字。系統中每一個元件都必須與一個數學模型相關聯，子模型與元件是自動關聯的。在AMESim建立的電空轉換閥仿真模型如圖2所示。

圖2 電空轉換閥仿真模型

調節參數，設置仿真時長10s，步長1s，經仿真所得的電空轉換閥特性曲線如圖3所示。

圖3 電空轉換閥仿真曲線

由曲線圖可知，電空轉換閥從0kPa-450kPa后保持穩定時間為0.5s，該時間小于制動空走時間，電空轉換閥還可實現階段制動和階段緩解，所以可滿足制動需求。

3.2 中繼閥的建模與仿真

中繼閥安裝在空氣制動控制裝置內，是一個流量放大閥，其作用是根據電空轉換閥（或緊急制動電磁閥）輸出的氣體壓力，控制制動缸（或增壓缸）的充氣、排氣，以實現制動機的制動、緩解和保壓作用。

根據結構的不同，中繼閥有單膜板式和雙膜板式兩種類型。CRH380AL型動車組使用雙膜板式中繼閥。

在AMESim建立的中繼閥仿真模型如圖4所示。

圖4 中繼閥仿真模型

調節參數，設置仿真時長25s，步長5s，經仿真所得的中繼閥特性曲線如圖5所示。

圖5 中繼閥仿真曲線

由曲線圖可知，中繼閥輸出空氣壓強在不到2s的時間內上升到預控壓強500kPa，當電空轉換閥壓強變為零時，中繼閥的輸出壓強可在2s內降為零，因此該中繼閥模型滿足動車組快速、穩定、準確的需求。

3.3 空重閥的建模與仿真

空重閥根據車輛載重變化，自動連續調整制動缸壓力大小，使進入中繼閥的預控壓力相應變化，保持車輛在各載重工況下的制動率基本不變，防止制動力過大，車輪擦傷。

在AMESim建立的空重閥仿真模型如圖6所示。

圖6 空重閥仿真模型

調節參數，設置仿真時長5s，步長1s，假設預控壓強1處900kPa的大容積氣壓缸，空氣彈簧壓強為500kPa、550kPa、

600 kPa，經仿真所得的空重閥特性曲線如圖7所示。

圖7 空重閥仿真曲線

由曲線圖可知，當預控壓強為900kPa，空氣彈簧壓強為500kPa時，由于空重閥作用，輸出氣體壓強很快上升并穩定在400kPa左右。隨著空氣彈簧氣體壓強增大，空重閥輸出的氣體壓強也隨之線性增大，可滿足動車組響應快，降壓快的要求。

4.結論

本文運用AMESim仿真軟件建立了動車組制動控制的系統中電空轉換閥、中繼閥、空重閥的仿真模型，分析了一些參數對其工作性能的影響。課題下一步研究建議：繼續建立緊急電磁閥、基礎制動單元等仿真模型，在各單元仿真模型基礎上，建立單車制動系統模型，完成常用制動及緊急制動工況的仿真分析。

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