軌道交通列車制動性能半實物仿真試驗方法研究*

任玉璽 劉 新 王俊龍 應之丁 曹志禮 安世龍

（1. 中車齊齊哈爾車輛有限公司，161002，齊齊哈爾；2. 同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，201804，上海；3. 青島四方車輛研究所，266031，青島∥第一作者，正高級工程師）

隨著鐵路貨車“重載、快捷”技術的發展，為保障鐵路貨車運行安全，列車制動系統及配件已不斷進行了技術創新。科學的試驗方法和功能完備的試驗裝備是順利開展列車制動系統技術創新的基礎。計算機虛擬仿真技術和實物試驗臺相結合的試驗方法是提升列車制動性能試驗研究技術的新思路。利用計算機虛擬仿真技術構建虛擬列車制動系統，可以彌補通用列車制動性能試驗臺結構相對固定、結構調整困難等缺點，能夠靈活模擬不同制動工況、不同制動配置、不同編組車型、不同編組輛數等條件，進行列車制動系統性能的試驗研究，為制動技術進步提供靈活可靠的試驗手段。中車齊齊哈爾車輛有限公司和同濟大學合作開展了列車制動性能半實物仿真試驗方法的研究工作。

1 列車制動系統簡介

列車制動系統由若干車輛制動機構成，通過列車管串聯并與機車司控器連接，受機車司控器統一控制。我國鐵路貨車主型車輛制動機是120 型制動機，主要由120 型空氣控制閥、副風缸、制動缸、加速緩解風缸等部件構成，如圖1 所示［1-2］。

圖1 120 型制動機部件構成示意圖

120 型空氣控制閥是120 型制動機核心部件，列車制動系統中機車司控器操控引起列車管空氣壓力變化，信號由列車管逐輛車向后傳遞，一傳遞至某車輛的120 型空氣控制閥就會產生相應的動作，以達到制動或緩解的目的。120 型制動機主要有初充氣、常用制動、再充氣及緩解、緊急制動4 個基本作用工況。

2 列車制動性能半實物仿真試驗方法

利用計算機仿真技術建立“虛擬”制動系統替代任意輛數的“實物”制動系統，通過接口設備及控制系統將“虛擬”制動系統中的列車管模型轉化為真實的列車管壓力變化，與“實物”列車制動系統試驗臺對接試驗。“虛擬”制動系統模型修正依據“實物”列車制動系統試驗臺試驗數據完成，實現半實物仿真試驗模式，以少量的實物列車制動系統，通過循環推導試驗獲得多編組數量的列車制動試驗數據。其基本原理框圖見圖2。

根據氣動系統流體方程建立列車制動系統仿真模型，形成虛擬列車制動系統。虛擬列車制動系統將第一輛車（某輛車）列車管模型信號發送至控制系統；控制系統進行虛擬信號處理，再現模擬第一輛車（某輛車）列車管壓力變化情況，使實物列車制動試驗臺按照后一輛或幾輛車發生制動、緩解作用。

數據采集系統采集實物列車制動試驗臺的真實試驗數據上傳、保存至數據庫。同時修正后一輛或幾輛車的制動機仿真模型，其中已修正準確的列車管仿真模型作為信號輸出到控制系統，進行下一輪虛實結合推導試驗，獲得長編組列車的試驗數據。

圖2 半實物仿真試驗方法基本原理框圖

3 列車制動性能半實物仿真試驗系統技術方案

列車制動性能半實物仿真試驗系統主要由上位機、制動控制模擬執行器、硬件控制系統和實物列車制動系統試驗臺等四大部分構成，如圖3 所示。

圖3 列車制動性能半實物仿真試驗系統示意圖

上位機是試驗系統的控制中心，承載著由智能化試驗平臺軟件、列車制動系統仿真模型及數據庫等構成的“虛擬”列車制動系統。制動控制模擬執行器是虛實結合的接口設備，接收控制系統指令再現列車管仿真模型。硬件控制系統同時具備控制和數據采集功能，一方面接收上位機的某輛車制動機列車管仿真模型信息，驅動制動控制模擬執行器模擬列車中第N 輛車的制動情況，控制實物列車制動系統試驗臺（多套單車制動模擬裝置串聯），使其按照第N+1 輛車及后續車輛發生制動作用；另一方面采集列車制動系統試驗臺試驗數據回傳上位機保存至數據庫，同時修正制動機仿真模型，其中修正后的列車管仿真模型作為輸入信號驅動后續循環推導試驗。

3.1 列車制動系統仿真模型推導

列車制動系統是一種氣動系統，通過控制壓縮空氣產生空氣壓力的流動變化，改變制動閥的通路和平衡使得壓力空氣進入或排出缸室，從而實現列車緩解與制動作用。因此從氣動力學角度，可將不同工況下壓縮空氣在各腔室之間流動簡化為幾個氣容之間的充放氣過程［3］，利用等效的節流孔代替閥或者制動配件內部復雜的通路結構，推導得出氣動系統基本充放氣特性方程［4］。

3.1.1 基本數學模型

根據氣動系統流體力學基本理論，以我國通用貨車制動機為研究對象，分析其工作原理，推導列車管、副風缸和制動缸的壓力隨時間的變化規律。以初充氣工況（主要包括列車管初充氣和副風缸初充氣兩個過程為基本模式），構建列車制動系統的基本數學模型。

3.1.1.1 列車管初充氣

由總風缸向列車管充氣直至充至定壓的過程，可視作氣容之間的充氣過程。研究制動系統升壓或減壓的宏觀規律時，氣體在管路內部的波動可不予考慮，所以借助一個相同容積的氣容來等效替代列車管主管與支管。圖4 為總風缸向列車管初充氣的簡化示意圖。圖4 表示絕對氣壓為ps的總風缸經過通路向初始絕對氣壓為pl0的列車管等效風缸充氣，并用一個有相關參數的節流孔等效代替總風缸與列車管間的通路結構，用S 表示有效節流系數，b 為描述氣體流動狀態的臨界壓力比。在圖4 中，T 為絕對溫度；qm為氣體的流量；pl為列車管等效風缸絕對氣壓；V 為等效風缸的容積。

圖4 列車管初充氣簡化示意圖

圖5 副風缸初充氣簡化示意圖

列車管的容積表達式為［5］：

D1、D2——分別為列車管主管、支管直徑；

L1、L2——分別為列車管主管、支管長度；

N——車輛數量。

在列車管從無空氣壓力充至500 kPa 的氣體流動過程中包括聲速與亞聲速兩個階段。根據氣動系統充氣特性方程結合列車管容積表達式可得，初充氣時列車管絕對氣壓pl關于時間t 的函數式為［6］：

3.1.1.2 副風缸初充氣

列車管向副風缸初充氣的簡化示意過程如圖5所示。圖5 中，氣壓為pl的等同列車管容積的列車管等效風缸向初始絕對氣壓為pf0的副風缸充氣，并將列車管與副風缸間的通路結構等效替換為一個有相關參數的節流孔；pf為初充氣時副風缸的絕對氣壓，Vf為副風缸的容積。

根據氣動系統充氣特性方程推導，副風缸的氣壓從0 kPa 升至500 kPa 的過程可分為聲速與亞聲速兩個階段，其關于時間的函數式為［6］：

按照上述推導過程，依次完成初充氣、常用制動、再充氣及緩解、緊急制動等4 個模塊10 組列車制動系統基本數學模型，匯總如表1。

表1 列車制動系統10 組基本數學模型匯總表

3.1.2 模型參數定義

1）有效節流系數S 表達等效節流孔面積及相關結構特征，代表列車制動系統氣動元件流量特性。其隨著實際氣體流動狀態改變，是最核心的特性參數。不同制動工況、不同編組、不同位置的車輛制動系統中氣缸氣室充放氣特性都通過改變S 的大小來模擬。

2）氣容的容積V 表達容納壓縮空氣空間大小，代表列車制動系統配置特征，在制動系統的數學模型中也是一個非常重要的參數。

3）局部減壓作用時間是制動閥的特性參數，表達控制閥的動作時間。在列車常用制動或緊急制動時，空氣波傳到該輛車后列車管氣壓下降，120 型分配閥動作先后發生第一階段局部減壓和第二階段局部減壓作用。局部減壓作用總時間t0包括第一階段局部減壓作用時間t1和第二階段局部減壓作用時間t2，即t0=t1+t2。

4）局部減壓通路影響系數k 是S 的附加參數，表示局部減壓通路參與動作的影響特性。

5）加速緩解通路影響系數k1也是S 的附加參數，表示加速緩解通路參與動作的影響特性。

3.2 接口設備研制

接口設備主要功能是使列車管氣壓變化情況能真實再現列車管仿真模型，控制實物列車制動性能試驗臺進行試驗，以保證實現虛擬仿真模型和實物制動系統相結合的試驗功能。其主要由制動控制模擬執行器和控制系統2 部分構成。

制動控制模擬執行器是執行機構，按照實際機車制動控制單元設計，主要由一組不同孔徑的電磁閥、中繼閥、均衡風缸及氣動管路等組成。電磁閥接收控制系統信息進行充排風動作，控制均衡風缸氣壓；中繼閥按照均衡風缸氣壓值向列車管充排風，使列車管氣壓與均衡風缸氣壓一致。均衡風缸氣壓的有效控制是精準再現列車管仿真模型的關鍵。

控制系統由比例控制器、電磁閥、壓力傳感器和均衡風缸等構成。比例控制器由單片機、數字和模擬輸入輸出接口、功率驅動電路等組成。其工作原理如6 所示。

圖6 控制系統工作原理示意圖

電磁閥采用流體PWM 技術進行驅動。PWM 信號具有固定的載波周期，比例控制器調用上位機列車管仿真模型，分為與載波周期對應的若干時間段，按照列車管仿真模型每一段的氣壓變化信號，控制器輸出的PWM 信號的占空比發生相應變化，以控制電磁閥的開啟或關閉時間的延長或縮短，向均衡風缸充氣。同時，壓力傳感器反饋實時氣壓值與預控指令值比較［7］：如果實時氣壓值低于指令值，充氣電磁閥保持開啟繼續向均衡風缸充氣；如果實時氣壓值高于指令值，則排氣電磁閥開啟排氣，使實時氣壓值無限接近指令值。通過不斷修正均衡風缸的氣壓與上位機輸入的列車管模型的氣壓相對應，達到精準模擬列車管仿真模型的目的。

4 列車制動半實物仿真試驗系統的驗證

按照國內通用貨車配置研制了實物小編組列車制動性能試驗臺，建立了由上位機及控制系統、制動控制模擬執行器、小編組列車制動性能試驗臺三大部分構成的列車制動性能半實物仿真試驗系統（見圖7），并進行了仿真模型驗證、控制能力驗證和半實物仿真試驗驗證。

圖7 列車制動性能半實物仿真試驗系統

4.1 仿真模型驗證

為驗證仿真模型的正確性，利用小編組列車制動性能試驗臺進行了初充氣工況、常用制動工況、緊急制動工況的制動性能試驗。獲得的試驗數據曲線，與仿真模型計算所得的結果進行對比分析。結果表明，仿真模型趨勢性與真實試驗數據完全吻合，關鍵節點數據準確性稍有偏差，但偏差均不大于3%。常用制動工況下的氣壓曲線對比示意圖見圖8。

圖8 常用制動工況下氣壓曲線對比示意圖

4.2 控制系統控制能力驗證

為驗證控制系統能否按照列車管仿真模型精準控制列車管充排風，在各工況下利用傳感器實時采集并顯示列車管氣壓變化曲線，與列車管仿真模型氣壓曲線進行對比（見圖9）。由圖9 可知，傳感器數據和模型數據結果基本吻合，只是由于氣流不穩定產生實際氣壓變化曲線略有波動現象。經過測試表明，控制系統能有效模擬列車管仿真模型的氣壓變化特性。

4.3 半實物仿真試驗驗證

基于實物20 輛編組列車制動性能試驗臺進行了半實物仿真試驗驗證。以機車標準控制信號輸入，控制接口設備驅動實物20 輛編組列車制動性能試驗臺進行制動作用，采集獲得20 輛車制動作用試驗數據反饋至上位機；上位機利用第20 輛車列車管氣壓變化數據自動修正仿真模型，再以修正后的第20輛車列車管仿真模型為信號輸入，控制接口設備驅動實物20 輛編組列車制動性能試驗臺進行制動作用，采集獲得第21 輛車至第40 輛車制動作用試驗數據反饋至上位機；上位機利用第40 輛車列車管氣壓變化數據自動修正仿真模型，再以修正后的第40輛車列車管仿真模型為信號輸入，進行下一輪試驗獲得第41 輛車至第60 輛車制動作用試驗數據，以此類推，獲取更多編組輛數的試驗數據，實現了循環推導試驗，以少量編組實物試驗臺獲得長編組車輛試驗數據功能。

圖9 常用制動工況再現列車管減壓模型截圖

5 結語

半實物仿真試驗方法是列車制動試驗方法的創新，是計算機仿真技術和試驗技術相結合的產物，可提升試驗研究的智能化水平。

通過對列車制動系統作用原理、氣動系統流體力學原理等基礎理論的研究，建立了列車制動性能仿真模型并驗證了準確性；接口設備及控制系統具備準確模擬列車管仿真模型的氣壓變化特性、驅動實物列車制動性能試驗臺進行試驗的能力；完成半實物仿真試驗嘗試，實現了虛擬與實物結合的試驗方式，開創了半實物仿真制動試驗的先河。