線性渦流制動(dòng)供風(fēng)控制原理及響應(yīng)時(shí)間研究*

周 陽(yáng)，韓朝霞，王 可

（1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094）

我國(guó)高速列車制動(dòng)系統(tǒng)普遍采用再生制動(dòng)和空氣制動(dòng)復(fù)合制動(dòng)方式，由于受到輪軌黏著的限制，制動(dòng)性能很難進(jìn)行進(jìn)一步提升。為提高制動(dòng)性能，國(guó)外動(dòng)車組已經(jīng)開始采用線性渦流制動(dòng)等非黏著制動(dòng)方式［1］。以德國(guó)ICE3 為代表的高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)包含了3 種制動(dòng)方式，分別為再生制動(dòng)、線性渦流制動(dòng)和空氣制動(dòng)，線性渦流制動(dòng)屬于非黏著制動(dòng)，不受輪軌黏著系數(shù)的影響。3 種制動(dòng)方式的配合有效提高了列車制動(dòng)性能［2］。

線性渦流制動(dòng)由執(zhí)行裝置、供風(fēng)裝置及供電裝置組成。渦流制動(dòng)施加或緩解時(shí)，供風(fēng)裝置用以控制執(zhí)行裝置進(jìn)入或離開工作位置，因此不同的供風(fēng)控制原理和供風(fēng)時(shí)間快慢對(duì)線性渦流制動(dòng)的施加/緩解過(guò)程有明顯影響，還可能引起執(zhí)行裝置對(duì)轉(zhuǎn)向架等部件的沖擊。文中基于某高速動(dòng)車組線性渦流制動(dòng)系統(tǒng)，分析得出了合理的線性渦流制動(dòng)系統(tǒng)供風(fēng)控制原理及供風(fēng)響應(yīng)時(shí)間。

1 供風(fēng)控制功能概述

線性渦流制動(dòng)系統(tǒng)由線性渦流制動(dòng)裝置、供風(fēng)控制裝置和勵(lì)磁電源3 部分組成。其中線性渦流制動(dòng)裝置是執(zhí)行裝置，用于產(chǎn)生最終的制動(dòng)力。線性渦流制動(dòng)裝置安裝在拖車轉(zhuǎn)向架上，制動(dòng)電磁鐵位于兩車輪之間、鋼軌正上方，并與鋼軌平行，每套線性渦流制動(dòng)裝置包含2 組電磁鐵。供風(fēng)控制裝置控制線性渦流制動(dòng)裝置的氣囊充風(fēng)與排風(fēng)，以實(shí)現(xiàn)線性渦流制動(dòng)裝置的升降，通過(guò)升降使線性渦流制動(dòng)裝置在制動(dòng)施加位和緩解位之間切換。勵(lì)磁電源提供產(chǎn)生制動(dòng)力的勵(lì)磁電流，由牽引系統(tǒng)直流中間回路取電，按制動(dòng)指令輸出所需的勵(lì)磁電流，制動(dòng)電磁鐵得電后實(shí)施制動(dòng)，勵(lì)磁電流的大小決定了制動(dòng)力的大小。

渦流制動(dòng)緩解時(shí)，線性渦流制動(dòng)裝置的懸掛氣囊充風(fēng)，裝置通過(guò)懸掛氣囊吊掛在轉(zhuǎn)向架上并獲得彈性支撐，成為簧上質(zhì)量的一部分；渦流制動(dòng)施加時(shí)，懸掛氣囊排風(fēng)，線性渦流制動(dòng)裝置依靠其自重下落在軸箱吊座上，由軸箱提供剛性支撐并使其保持一定的工作氣隙，同時(shí)進(jìn)行通電勵(lì)磁，即可生成渦流制動(dòng)力，制動(dòng)力通過(guò)傳力桿組件傳遞至轉(zhuǎn)向架。通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)渦流制動(dòng)力的調(diào)節(jié)。

對(duì)于渦流制動(dòng)氣動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，目前國(guó)內(nèi)外均沒有標(biāo)準(zhǔn)要求。結(jié)合EN 16207 標(biāo)準(zhǔn)中磁軌制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間要求［3］和渦流制動(dòng)勵(lì)磁電流建立時(shí)間因素，初步暫定渦流制動(dòng)氣動(dòng)排風(fēng)響應(yīng)時(shí)間為2.0 s，即從氣囊開始排風(fēng)到線性渦流制動(dòng)裝置完全落在轉(zhuǎn)向架軸箱上的時(shí)間不應(yīng)超過(guò)2.0 s。渦流制動(dòng)緩解時(shí)，供風(fēng)控制裝置開始控制懸掛氣囊充風(fēng)，使線性渦流制動(dòng)裝置抬升。為避免裝置快速抬升對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架造成沖擊，懸掛氣囊充風(fēng)不應(yīng)過(guò)快。

渦流制動(dòng)氣動(dòng)響應(yīng)時(shí)間不僅需要考慮渦流制動(dòng)系統(tǒng)要求，還需結(jié)合軸箱吊座結(jié)構(gòu)的沖擊限制要求，后期可根據(jù)線路試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步修正響應(yīng)時(shí)間指標(biāo)。

2 控制原理設(shè)計(jì)及仿真

2.1 設(shè)計(jì)輸入

渦流制動(dòng)供風(fēng)氣動(dòng)控制原理的設(shè)計(jì)需要以線性渦流制動(dòng)裝置的技術(shù)參數(shù)為輸入，見表1。

表1 制動(dòng)系統(tǒng)和線性渦流制動(dòng)裝置主要參數(shù)

2.2 設(shè)計(jì)及仿真分析

依據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)和線性渦流制動(dòng)裝置的要求，設(shè)計(jì)渦流制動(dòng)供風(fēng)氣動(dòng)控制原理，如圖1 所示，其中包括總風(fēng)風(fēng)源、減壓閥、電磁閥、中繼閥、懸掛氣囊等氣動(dòng)部件。

圖1 渦流制動(dòng)氣動(dòng)控制原理一

減壓閥用來(lái)限定制動(dòng)緩解狀態(tài)下的供風(fēng)壓力。電磁閥用于在渦流制動(dòng)施加/緩解時(shí)控制中繼閥的預(yù)控壓力，使中繼閥充風(fēng)或排風(fēng)，以對(duì)下游懸掛氣囊的氣壓進(jìn)行控制。渦流制動(dòng)緩解時(shí)，電磁閥的A1 口和A3 口導(dǎo)通，壓縮空氣依次通過(guò)減壓閥、電磁閥至中繼閥的Cv 預(yù)控腔，總風(fēng)R 通過(guò)中繼閥向懸掛氣囊輸出620 kPa 壓力，懸掛氣囊充風(fēng)將線性渦流制動(dòng)裝置抬起。渦流制動(dòng)施加時(shí)，電磁閥的A1 口氣路隔斷，同時(shí)A3 口和A2 口導(dǎo)通，Cv腔的壓縮空氣通過(guò)電磁閥排向大氣，懸掛氣囊中的壓縮空氣則通過(guò)中繼閥的O 口排向大氣，線性渦流制動(dòng)裝置落下。

對(duì)渦流制動(dòng)供風(fēng)氣動(dòng)控制原理進(jìn)行仿真，仿真模型包括壓力輸入、控制信號(hào)、電磁閥、中繼閥、壓力傳感器、氣囊、管路和氣路接頭等元件［4］。

氣囊排風(fēng)時(shí)間與系統(tǒng)氣路的最小通徑有關(guān)。分別設(shè)置排風(fēng)氣路通徑為10、12、14、16、18、20 mm 計(jì)算氣囊排風(fēng)時(shí)間，仿真的排風(fēng)過(guò)程曲線如圖2 所示。

圖2 中繼閥排風(fēng)過(guò)程曲線—仿真

記錄下述3 組排風(fēng)時(shí)間，如圖3 所示，其數(shù)據(jù)見表2。

（1）t1-氣囊壓力排至175 kPa 所用時(shí)間，此時(shí)線性渦流制動(dòng)裝置開始下落；

（2）t2-氣囊壓力排至100 kPa 所用時(shí)間，此時(shí)線性渦流制動(dòng)裝置完全落下；

（3）t3-線性渦流制動(dòng)裝置下落的動(dòng)作過(guò)程時(shí)間（t2-t1），描述裝置下落過(guò)程的快慢。

從圖3 和表2 可以看出，為保證線性渦流制動(dòng)裝置完全落下（t2）的時(shí)間小于2.0 s，氣路通徑應(yīng)保證不小于13 mm。目前中繼閥通徑一般在10 mm，無(wú)法達(dá)到13 mm 的要求，因此該氣動(dòng)控制原理無(wú)法保證氣囊排風(fēng)時(shí)間不超過(guò)2.0 s。

表2 中繼閥排風(fēng)時(shí)間—仿真

圖3 中繼閥排風(fēng)時(shí)間—仿真

進(jìn)一步優(yōu)化渦流制動(dòng)供風(fēng)氣動(dòng)控制原理，取消電磁閥，增加排風(fēng)閥和電磁閥，優(yōu)化的氣動(dòng)控制原理如圖4 所示。

圖4 渦流制動(dòng)氣動(dòng)控制原理二

電磁閥用于在渦流制動(dòng)施加/緩解時(shí)控制排風(fēng)閥的先導(dǎo)壓力，通過(guò)控制先導(dǎo)壓力使排風(fēng)閥切換不同氣路，以對(duì)懸掛氣囊的氣壓進(jìn)行控制。渦流制動(dòng)緩解時(shí)，電磁閥的A2 口和A3 口導(dǎo)通，將排風(fēng)閥的A4 先導(dǎo)腔壓縮空氣排空，排風(fēng)閥的A1 口和A2 口導(dǎo)通，壓縮空氣通過(guò)減壓閥至中繼閥的Cv 預(yù)控腔，總風(fēng)R 依次通過(guò)中繼閥、排風(fēng)閥向懸掛氣囊輸出620 kPa 壓力，懸掛氣囊充風(fēng)將線性渦流制動(dòng)裝置抬起。渦流制動(dòng)施加時(shí)，電磁閥的A1 和A2 口導(dǎo)通，排風(fēng)閥的A4 先導(dǎo)腔有總風(fēng)壓力，使排風(fēng)閥的A2 口和A3 口導(dǎo)通，懸掛氣囊內(nèi)的壓縮空氣通過(guò)排風(fēng)閥的A3 口排向大氣，線性渦流制動(dòng)裝置落下。

對(duì)改進(jìn)后的渦流制動(dòng)供風(fēng)氣動(dòng)原理進(jìn)行仿真，仿真模型中增加了排風(fēng)閥。依據(jù)優(yōu)化的渦流制動(dòng)供風(fēng)氣動(dòng)原理，分別設(shè)置排風(fēng)氣路通徑為10、12、14、16、18、20 mm 計(jì)算氣囊排風(fēng)時(shí)間，仿真排風(fēng)過(guò)程曲線如圖5 所示。記錄t1、t2 和t3 的時(shí)間，仿真排風(fēng)閥排風(fēng)時(shí)間如圖6 所示，其數(shù)據(jù)見表3。

從圖6 和表3 可以看出，為保證線性渦流制動(dòng)裝置完全落下（t2）的時(shí)間小于2.0 s，氣路通徑應(yīng)保證不小于15 mm。目前排風(fēng)閥最大通徑可達(dá)到19 mm，因此該氣路控制原理可保證氣囊排風(fēng)時(shí)間不超過(guò)2.0 s。

圖6 排風(fēng)閥排風(fēng)時(shí)間—仿真

表3 排風(fēng)閥排風(fēng)時(shí)間—仿真

裝置下落過(guò)程時(shí)間（t3）隨氣路通徑的增大而縮短，時(shí)間越短裝置下落越快，對(duì)軸箱沖擊越大，因此在保證排風(fēng)響應(yīng)時(shí)間的前提下應(yīng)減小排風(fēng)通徑，盡量延長(zhǎng)裝置下落過(guò)程時(shí)間。

制動(dòng)系統(tǒng)接收到制動(dòng)緩解指令后，懸掛氣囊充風(fēng)使線性渦流制動(dòng)裝置抬升。為避免裝置快速抬升對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架造成過(guò)大沖擊，懸掛氣囊的充風(fēng)時(shí)間不應(yīng)過(guò)快。通過(guò)在中繼閥的總風(fēng)入口R 上游設(shè)置縮孔的方式控制氣囊的充風(fēng)時(shí)間，氣動(dòng)控制原理如圖7 所示。

圖7 渦流制動(dòng)氣動(dòng)控制原理三

對(duì)渦流制動(dòng)供風(fēng)氣動(dòng)控制原理進(jìn)行仿真，仿真模型中增加了縮孔。分別設(shè)置縮孔通徑為4、6、8 mm 和無(wú)縮孔（10 mm），計(jì)算氣囊充風(fēng)時(shí)間。設(shè)定總風(fēng)風(fēng)源壓力為850 kPa，仿真充風(fēng)過(guò)程曲線如圖8 所示。

圖8 充風(fēng)過(guò)程曲線—仿真

記錄下述3 組充風(fēng)時(shí)間，仿真充風(fēng)時(shí)間如圖9所示，其數(shù)據(jù)見表4。

圖9 充風(fēng)時(shí)間—仿真

表4 充風(fēng)時(shí)間—仿真

（1）t4-氣囊壓力充至100 kPa 所用時(shí)間，此時(shí)線性渦流制動(dòng)裝置開始抬升。

（2）t5-氣囊壓力充至175 kPa 所用時(shí)間，此時(shí)線性渦流制動(dòng)裝置完全升起。

（3）t6-線性渦流制動(dòng)裝置抬升的動(dòng)作過(guò)程時(shí)間（t5-t4），描述裝置抬升過(guò)程的快慢。

從圖9 和表4 可以看出，氣路通徑越大則氣囊充風(fēng)越快，裝置抬升過(guò)程時(shí)間越短。氣路通徑4～10 mm 范圍內(nèi)的裝置完全升起時(shí)間（t5）為0.3～1.72 s，裝置抬升過(guò)程時(shí)間（t6）為0.15～1.2 s。具體的充風(fēng)氣路通徑應(yīng)依據(jù)線性渦流制動(dòng)裝置的抬升時(shí)間要求及對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的沖擊要求來(lái)明確。

綜上所述，經(jīng)過(guò)3 種渦流制動(dòng)氣動(dòng)控制方案的仿真分析，方案三的原理更適合渦流制動(dòng)系統(tǒng)供風(fēng)控制。

3 試驗(yàn)及仿真校核

為進(jìn)一步驗(yàn)證渦流制動(dòng)供風(fēng)控制氣動(dòng)原理的合理性及仿真結(jié)果，搭建渦流制動(dòng)系統(tǒng)地面聯(lián)調(diào)試驗(yàn)臺(tái)以進(jìn)行氣動(dòng)響應(yīng)時(shí)間的測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)包括風(fēng)源、風(fēng)缸、壓力采集設(shè)備、氣動(dòng)部件及線性渦流制動(dòng)裝置［5］。試驗(yàn)原理結(jié)合了上文所述的3 種設(shè)計(jì)方案，具體如圖10 所示。中繼閥通徑為10 mm；排風(fēng)閥通徑為14 mm；縮孔通徑可變。

圖10 渦流制動(dòng)供風(fēng)試驗(yàn)原理

3.1 排風(fēng)試驗(yàn)及仿真校核

分別通過(guò)中繼閥和排風(fēng)閥進(jìn)行排風(fēng)試驗(yàn)，試驗(yàn)排風(fēng)過(guò)程曲線如圖11 所示。依據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際試驗(yàn)條件及參數(shù)修正仿真模型，分別仿真中繼閥和排風(fēng)閥的排風(fēng)過(guò)程，仿真排風(fēng)過(guò)程曲線如圖12所示。記錄t1、t2 和t3 的時(shí)間，仿真排風(fēng)時(shí)間如圖13，其數(shù)據(jù)見表5。

圖11 排風(fēng)過(guò)程曲線—試驗(yàn)

圖12 排風(fēng)過(guò)程曲線—仿真

從圖13 和表5 可以看出試驗(yàn)和仿真結(jié)果相近。中繼閥排風(fēng)時(shí)間（t2）仿真結(jié)果為2.91 s，試驗(yàn)結(jié)果為3.01 s，無(wú)法滿足排風(fēng)響應(yīng)時(shí)間小于2.0 s的要求；排風(fēng)閥排風(fēng)時(shí)間（t2）仿真結(jié)果為2.09 s，試驗(yàn)結(jié)果為1.91 s，從試驗(yàn)結(jié)果看排風(fēng)閥排風(fēng)可以滿足響應(yīng)時(shí)間小于2.0 s 的要求。

圖13 排風(fēng)時(shí)間

表5 中繼閥和排風(fēng)閥的排風(fēng)時(shí)間—試驗(yàn)及仿真

中繼閥排風(fēng)試驗(yàn)中的裝置下落過(guò)程時(shí)間（t3）為1.07 s，排風(fēng)閥排風(fēng)試驗(yàn)中的裝置下落過(guò)程時(shí)間（t3）為0.86 s。試驗(yàn)中，線性渦流制動(dòng)裝置下落時(shí)均未對(duì)軸箱產(chǎn)生明顯沖擊，下落過(guò)程平緩。因此，建議選擇排風(fēng)閥排風(fēng)的氣動(dòng)控制方式，且通徑應(yīng)保證不低于14 mm。

3.2 充風(fēng)試驗(yàn)及仿真校核

分別設(shè)置縮孔的通徑為4、6、8 mm 和無(wú)縮孔（10 mm）進(jìn)行充風(fēng)試驗(yàn)，試驗(yàn)充風(fēng)過(guò)程曲線如圖14所示。依據(jù)試驗(yàn)臺(tái)的實(shí)際試驗(yàn)條件及參數(shù)修正仿真模型，分別仿真縮孔通徑為4、6、8 mm 和無(wú)縮孔（10 mm）的充風(fēng)過(guò)程，充風(fēng)過(guò)程曲線如圖15 所示。記錄t4、t5 和t6 的時(shí)間，仿真充風(fēng)時(shí)間如圖16 所示，其數(shù)據(jù)見表6。

圖14 充風(fēng)過(guò)程曲線—試驗(yàn)

圖15 充風(fēng)過(guò)程曲線—仿真

圖16 充風(fēng)時(shí)間

從圖16 和表6 可以看出試驗(yàn)和仿真結(jié)果相近。充風(fēng)通徑4～10 mm 范圍內(nèi)的線性渦流制動(dòng)裝置完全升起時(shí)間（t5）試驗(yàn)結(jié)果為0.44～1.97 s，裝置抬升過(guò)程時(shí)間（t6）試驗(yàn)結(jié)果為0.31～1.25 s。試驗(yàn)時(shí)，10 mm 和8 mm 通徑時(shí)線性渦流制動(dòng)裝置抬升過(guò)程對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的沖擊非常明顯；6 mm 通徑時(shí)沖擊有所緩和；4 mm 通徑時(shí)無(wú)明顯沖擊現(xiàn)象，裝置抬升平緩。線性渦流制動(dòng)裝置對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架的沖擊隨充風(fēng)通徑的增大而增大。因此，為保證線性渦流制動(dòng)裝置抬升過(guò)程平緩且不會(huì)對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架產(chǎn)生明顯沖擊，氣囊開始充風(fēng)至裝置完全抬起的時(shí)間不應(yīng)低于1.97 s，充風(fēng)通徑應(yīng)為4 mm。

表6 不同通徑的充風(fēng)時(shí)間—試驗(yàn)及仿真

4 結(jié) 論

渦流制動(dòng)施加時(shí)，為保證線性渦流制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，從氣囊開始排風(fēng)至線性渦流制動(dòng)裝置完全落下的時(shí)間應(yīng)小于2.0 s。

為滿足排風(fēng)時(shí)間小于2.0 s 的要求，建議采用排風(fēng)閥排風(fēng)的控制方式，排風(fēng)閥通徑不低于14 mm。渦流制動(dòng)裝置下落越快則對(duì)軸箱沖擊越大，因此在保證排風(fēng)響應(yīng)時(shí)間的前提下應(yīng)盡量延長(zhǎng)裝置下落過(guò)程時(shí)間。裝置下落過(guò)程時(shí)間隨排風(fēng)通徑增大而減小，排風(fēng)閥通徑為14 mm 時(shí)，線性渦流制動(dòng)裝置下落時(shí)未對(duì)軸箱產(chǎn)生明顯沖擊，裝置下落過(guò)程平緩。

渦流制動(dòng)緩解時(shí)，為避免線性渦流制動(dòng)裝置快速抬升對(duì)轉(zhuǎn)向架構(gòu)架造成沖擊，裝置抬升過(guò)程不應(yīng)過(guò)快。裝置抬升過(guò)程時(shí)間隨充風(fēng)通徑增大而減小，氣囊開始充風(fēng)至裝置完全抬起的時(shí)間不應(yīng)低于1.97 s，充風(fēng)通徑應(yīng)為4 mm。

研究結(jié)果表明，提出的供風(fēng)控制原理及響應(yīng)時(shí)間滿足線性渦流制動(dòng)的運(yùn)用要求。