CRH380A防滑模型搭建及仿真

鄭憶陵，梁 軻，蘇 超

（南京鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)車車輛學(xué)院1、2 學(xué)生 3 工程師 江蘇 南京 210031）

1 緒論

動車組運(yùn)行速度快，所需的制動力大，而輪軌間的黏著系數(shù)又隨著列車速度的提高而降低，所以，動車組在實(shí)施制動的過程中極易達(dá)到黏著的上限。為了有效利用輪軌間的黏著，防止車輪發(fā)生滑行，防滑系統(tǒng)是必不可少的。

防滑控制一直是動車組的核心技術(shù)，由于車輛滑行具有較大的危險(xiǎn)性，因此防滑研究一般都是基于理論計(jì)算和分析。本文根據(jù)CRH380A 動車組制動系統(tǒng)的特性，基于Matlab/Simulink平臺，搭建整個防滑系統(tǒng)的仿真模型。在該模型中可以進(jìn)行防滑控制邏輯的驗(yàn)證及分析，方便防滑控制方式的深入研究。這樣可以極大地降低安全風(fēng)險(xiǎn)和成本風(fēng)險(xiǎn)。

2 防滑系統(tǒng)模型的搭建

根據(jù)CRH380A防滑系統(tǒng)的構(gòu)成，整個仿真模型分為5 個模塊，即參考速度計(jì)算模型、滑行判定模型、氣動模型、車輛模型、軸速度計(jì)算模型。仿真模型的基本拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 防滑系統(tǒng)仿真模型框圖

參考速度模型用于根據(jù)車輛各軸速度計(jì)算出參考速度，然后將參考速度輸出至滑行判定模型；滑行判定模型根據(jù)列車參考速度和各軸速度，判定單軸是否發(fā)生滑行，并將該判定結(jié)果輸出至各軸的氣動模型；氣動模型會根據(jù)各軸的滑行情況等參數(shù)，計(jì)算出該軸制動系統(tǒng)應(yīng)該輸出的BC壓力，并將該值反饋給各軸的軸速度計(jì)算模型；軸速度計(jì)算模型會根據(jù)該軸的BC壓力計(jì)算出該軸減速度，再根據(jù)上一時刻該軸的速度，計(jì)算出該軸的軸速度，輸出至參考速度計(jì)算模型。這樣整個系統(tǒng)就可以根據(jù)預(yù)設(shè)的軌面條件以及制動級位，實(shí)現(xiàn)循環(huán)的仿真計(jì)算。下面將對單個模型的搭建進(jìn)行詳細(xì)的介紹。

2.1 參考速度計(jì)算模型 該模型主要用于計(jì)算列車的參考速度，輸入為4 個軸的速度以及列車的制動級位，輸出為列車參考速度。simulate_speed模塊用于計(jì)算模擬參考速度，采用M語言編寫。整個邏輯參照CRH380A 參考速度計(jì)算邏輯。參考速度計(jì)算模型如圖2所示。

圖2 參考速度計(jì)算模型

2.2 滑行判定模型 該模塊用于根據(jù)輸入的各信息，判定車輛各軸是否產(chǎn)生滑行。輸入為4 個軸速度、列車參考速度，輸出為1軸到4軸的HV和RV動作指令。該模塊為防滑控制的核心模型，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 滑行判定模型

Slide_judgement 模塊用于進(jìn)行單軸防滑控制，根據(jù)參考速度和當(dāng)前軸速度，控制HV和RV的信號輸出，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中左側(cè)兩個模塊分別為速度差和減速度判定模式的模型。由于A、B、C點(diǎn)和HV、RV的狀態(tài)是組合成相互對應(yīng)的關(guān)系，而因?yàn)镠V、RV可能的組合狀態(tài)卻只有3種，因此設(shè)置3個中間變量X、Y、Z，因此，用于代表這3種組合狀態(tài)，最后輸出至HV和RV的狀態(tài)。

整個控制邏輯同CRH380A保持一致。

圖 4 Slide_judgement模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.3 氣動模型 氣動模型用于實(shí)現(xiàn)制動力計(jì)算以及空氣制動輸出的仿真。輸入為制動指令、車輛參考速度、HV、RV，輸出為BC壓力。

2.3.1 氣動模型內(nèi)部計(jì)算流程 該模型會根據(jù)制動力計(jì)算的整個過程，計(jì)算出所需的BC 壓力，同時還需要判定當(dāng)前情況下HV和RV的動作情況，如果該軸出現(xiàn)防滑排氣，則需要根據(jù)排氣時間計(jì)算排氣量，從而得到最終的BC 壓力并輸出。氣動模型內(nèi)部計(jì)算流程見圖5。

圖5 氣動模型內(nèi)部計(jì)算流程

2.3.2 氣動模型模塊功能 啟動模型示意見圖6。圖6中brake_caculate模塊用于進(jìn)行常規(guī)的制動力計(jì)算，根據(jù)列車參考速度和制動級位計(jì)算出此時該軸需施加的BC壓力。

pressure_caculate 模塊用于根據(jù)該軸HV、RV 信號，對BC壓力進(jìn)行相應(yīng)的修正，得到符合實(shí)際的BC壓力并輸出。

由于排氣時間與排氣量的關(guān)系受各相關(guān)因素的影響較大，較為復(fù)雜，本模型中按照試驗(yàn)數(shù)據(jù)測量的單次排氣20%的當(dāng)前壓力來進(jìn)行計(jì)算，而在每次排氣過程中，氣壓近似為線性下降。

另外，由于電氣指令輸出至最終的空氣壓力輸出存在一定的延時，因此在BC壓力的輸出端設(shè)置一個傳輸延時模塊。

圖6 氣動模型

2.4 車輛模型 車輛模型可以根據(jù)單軸的BC 壓力，計(jì)算出單軸減速度。針對每一個輪對，以BC 壓力作為輸入，可以計(jì)算出本軸的制動力。此時需要注意，理論的制動力計(jì)算完成后，需要與黏著極限進(jìn)行比較，判定單軸是否超黏著，如果超黏著，則判定此軸滑行，此時該軸制動力按照最大黏著制動力來計(jì)算，如果未超黏著，則按照該軸計(jì)算的制動力來計(jì)算。

4 個軸的制動力計(jì)算完成后，就可以得到車輛受到的總的制動力以及車輛的減速度。

對于非滑行軸，車輛的減速度就是單軸的減速度，而對于滑行軸，需要根據(jù)該軸受到的制動力計(jì)算出該軸的減速度。車輛仿真模型如圖7所示。

圖7 車輛仿真模型

2.5 軸速度計(jì)算模型 軸速度計(jì)算模型則根據(jù)當(dāng)前軸速度以及減速度，按照采用周期時間為計(jì)算時間（仿真時默認(rèn)為10ms），計(jì)算出下一刻的軸速度，具體模型可參見圖8。

圖8 軸速度計(jì)算模型

3 仿真模型的驗(yàn)證

基于上述仿真模型，可進(jìn)行如下仿真驗(yàn)證。

圖9為模擬1軸滑行仿真圖。在正常情況下，設(shè)置列車初始速度為90 km/h，制動級位設(shè)置為快速，1軸黏著限制為0.5，其他軸黏著限制為1.5，模擬1 軸滑行，仿真結(jié)果如圖10所示，圖中曲線分別為BC壓力、速度、HV和RV。從圖中可以看出，BC壓力經(jīng)過6 次階梯下降，RV 動作6 次，經(jīng)過6 次排氣，將制動缸中壓縮空氣排空，每次排氣量大概為20%，與理論計(jì)算一致。

圖9 模擬1軸滑行仿真圖

4 結(jié)束語

通過搭建仿真模型并在此基礎(chǔ)上，設(shè)置相關(guān)參數(shù)，進(jìn)行防滑驗(yàn)證，證明此模型可以較為準(zhǔn)確的模擬防滑閥控制的制動缸排氣過程，而對于防滑控制的邏輯，則可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整，從而對防滑控制邏輯進(jìn)行改進(jìn)和優(yōu)化。