高速列車防滑控制仿真方法研究

劉同新,王 鵬,杜振振,孫全濤,趙 欣

(1.中車制動系統有限公司,山東 青島 266031;2.西安市軌道交通集團有限公司 運營分公司,陜西 西安 710016;3.山東電力建設第三工程有限公司,山東 青島 266100)

防滑系統是高速列車制動系統的關鍵部件之一,其性能直接關系到列車運行的安全性?，F有高速列車防滑性能主要通過線路試驗進行驗證。線路試驗成本高,耗時長,且實施條件有限,往往較難達到試驗效果。另外,線路試驗可重復性差,也不便于進行新型防滑裝置及防滑控制算法的研究。通過仿真方法驗證防滑系統防滑控制性能,可避免線路試驗的限制。

國外在該防滑控制仿真技術領域已進行了相關研究,并且在BS EN 15595:2009《鐵路設施 制動 輪架保護》 及UIC 541-05:2005《制動機部件制造規程車輪防滑裝置》等權威標準中對軌道車輛防滑控制仿真試驗設備進行了介紹及限定,并且規定了簡單的仿真試驗方法。

1 高速列車防滑系統

高速列車防滑系統由防滑控制單元、防滑排風閥、速度傳感器及測速齒輪等組成,高速列車防滑系統能夠減小車輛制動過程中因為輪軌黏著減小而發生的過度滑行,防止車輪抱死,避免車輪擦傷,并且通過控制輪對滑移來保證輪軌黏著,獲得較短的制動距離。

傳統防滑控制試驗均須在專用線路進行,仿真方法僅僅局限于初步的功能邏輯驗證,并且仿真方法及仿真環境簡單,并不能較為真實地驗證防滑控制效果,無法用于替代線路試驗。

2 防滑控制仿真方法

應用高效的專用仿真軟件,在借鑒先進輪軌接觸理論基礎上,搭建高速列車縱向動力學模型庫及系統模型,應用穩定可靠的實時仿真系統,集成高速列車防滑控制仿真環境,完成高速列車空氣制動防滑試驗驗證,成為防滑控制仿真的有效方法。

圖1為應用AMEsim軟件搭建列車空氣制動系統、防滑閥等氣動部件模型。應用Simulink搭建列車電制動力模型,應用SimulationX軟件搭建列車動力學模型,充分利用了AMEsim、Simulink、Simula-tionX等仿真軟件在氣動部件建模、數學建模及系統動力學建模的優勢。

圖1 高速列車防滑控制仿真環境原理框圖

上述模型均進行實時化后運行于基于NI VeriStand的實時仿真機中,各模型之間通過定義的變量接口進行數據交互,協調運行,集成了高速列車防滑控制仿真環境。

2.1 高速列車動力學模型庫

防滑控制主要關注列車縱向運動軸速信息,因此根據列車基本物理結構的邏輯關系,應用SimulationX軟件,采用功能性模型的形式,搭建列車動力學模型庫,基于模型庫搭建了單車子系統模型,并且建立了8編組列車動力學模型。

列車動力學模型庫包括輪軌接觸模型庫、軸重計算模型庫、單車縱向運動模型庫、空氣制動力模型庫、車鉤及緩沖器模型庫。

子系統庫包含:動車單車子系統模型、拖車單車子系統模型。

2.1.1 輪軌接觸模型

動力學模型的關鍵為輪軌接觸模型,基于Polach.O 教授的輪軌接觸原理,搭建輪軌接觸模型(圖2)。

圖2 輪軌接觸模型結構

根據高速列車防滑控制的運行需求,通過設置輪軌接觸模型的參數,可以進行干軌、濕軌、油污及低黏著等不同工況下的防滑控制仿真試驗。圖3為輪軌接觸模型參數配置。

圖3 輪軌接觸模型參數配置

2.1.2 車鉤及緩沖器模型

基于半永久車鉤基本原理,搭建功能型緩沖器模型,用于模擬其靜態和動態特性。

緩沖器靜態特性參數可從靜態特性試驗數據中獲取。

緩沖器的動態特性需從油氣緩沖器的功能原理進行分析。油氣緩沖器的動態特性主要是阻尼力,而阻尼力的主要影響因素是油氣緩沖器內部的節流閥(節流孔),從而可以開展相應的理論分析。

活塞缸的油壓與作用力的關系為:

F=P·S

(1)

式中:S為橫面積。

節流方程為:

(2)

式中:Q為流量;Cq為系數;A為節流閥開口通徑;ΔP為閥進口壓力差;ρ為油液密度。

流量與速度的關系為:

Q=v·S

(3)

式中:v為緩沖器兩端流速差。

由式(1)～(3)可得,作用力與緩沖器兩端速度差的函數關系為:

F=f(v2)

(4)

因此,在功能型緩沖器模型中把動態阻尼力描述為緩沖器兩端速度差二次方的函數,函數中的系數可通過緩沖器動態試驗測試數據來標定。

在緩沖器模型中,動態阻尼力的參數可通過SimulationX動態參數進行設置,并根據試驗數據對緩沖器的靜態、動態特性均標定,標定結果如圖4所示。

圖4 車鉤及緩沖器靜態及動態特性驗證仿真結果

2.1.3 軸重計算模型

根據平面力系的力平衡和力矩平衡,如圖5所示,可以建立如下方程組:

圖5 軸重計算原理

Fa·h=G·Lf-Fnr(Lr+Lf)

(5)

Fa·h=-G·Lr+Fnf(Lr+Lf)

(6)

式中:Fa為列車慣性力,h為重心高度,G為重力,Lf為重心距前轉向架中心距離,Lr為重心距后轉向架中心距離,Fnr為后軸重,Fnf為前軸重。

根據上述方程組,即可求出與慣性力有關的前后軸重。

2.1.4 單車縱向運動模型

單車縱向運動模型主要包含質量模型、惰行阻力、軸重計算模型、機械摩擦模型及若干信號庫模塊,如圖6所示。

圖6 一維縱向動力學模型結構圖

列車縱向運動模型中,坡度的設置方式有兩種:一是直接設置坡度角;二是使用表格描述地形,然后使用模型根據地形表格自動計算的坡度角,如圖7所示。

圖7 表格描述地形示意圖

2.1.5 空氣制動力模型

空氣制動力的施加主要靠制動夾鉗實現,空氣制動力建模基于SimulationX軟件,通過在TypeDesigner中建立制動力矩方程來實現(圖8)。

圖8 動車制動模塊軟件實現

2.1.6 電制動力模型

電制動力模型應用Simulink軟件搭建?；贑RH380B型動車組電制動力曲線,并且進行實際數據標定,模擬電制動力的輸出控制。

如圖9所示,模型輸入主要有電制動請求百分比、車速、車廂號、電制動衰減百分比,并且配合電制動切除信號、電制動變化限制等參數。輸出主要有電制動力實際值。

圖9 電制動力建模

2.2 動力學模型集成

2.2.1 動力學模型集成

基于上述模型庫,搭建單車及列車級的動力學模型,分別如圖10、圖11所示。

圖10 單車動力學模型

圖11 8輛編組動車組動力學模型

2.2.2 動力學模型標定

根據高速輪軌關系試驗數據以及實車防滑試驗數據,進行動力學模型標定,獲取試驗過程中黏著相關數據。

為了對比仿真結果和試驗數據,采用開環仿真對比和閉環仿真對比兩種方式,分別對干軌和濕軌兩種工況進行標定。

在開環系統仿真模型中,對拖車動力學模型施加實際試驗數據中制動壓力,對比輪速和車速,評估仿真精度,如圖12所示,分別為制動初速度為160 km/h、250 km/h、300 km/h、380 km/h的干軌制動試驗及仿真數據曲線,可知在不同速度級別下,每一時刻仿真車速同真實試驗數據誤差不超過5%。

圖12 干軌制動試驗及仿真數據曲線

在閉環系統仿真模型中,建立簡單閉環策略,控制施加于動力學模型的制動力與實際試驗制動壓力一致,對比仿真輪速與實際輪速,評估仿真精度。

如圖13～15所示,制動初速度分別為160、250、300 km/h的濕軌防滑試驗及仿真數據曲線,可知在不同速度級別下,制動缸壓力變化趨勢基本同實際試驗數據一致,不同時刻仿真輪速同真實試驗數據誤差不超過5%。

圖13 制動初速度為160 km/h的濕軌防滑試驗及仿真數據曲線

圖14 制動初速度為250 km/h的濕軌防滑試驗及仿真數據曲線

圖15 制動初速度為300 km/h的濕軌防滑試驗及仿真數據曲線

2.3 制動模塊模型

根據空氣制動系統氣路原理,結合防滑系統應用需求,搭建制動系統制動模塊模型如圖16所示。制動模塊模型接收來自EBCU的控制信號,施加相應的空氣制動力,模擬列車不同制動工況。制動模塊模型根據CRH380B型動車試驗數據進行不同制動級別制動壓力、制動響應時間等數據標定如圖17～圖18所示。保證與現車試驗數據一致。

圖16 制動系統制動模塊模型

圖17 防滑閥階段充排風仿真曲線

圖18 制動模塊壓力控制仿真曲線

2.4 防滑控制仿真試驗環境

將高速列車動力學模型、制動模塊模型及電制動力模型進行實時化,然后集成到基于NI VeriStand的實時仿真機中,如圖19所示,進行模型參數配置,不同模型變量關聯以及仿真模型管理等,建立防滑控制仿真試驗環境。

圖19 防滑控制仿真試驗環境控制界面

3 高速列車防滑系統仿真試驗

基于高速列車防滑系統仿真試驗環境,進行了時速380 km/h、300 km/h制動初速度純空氣緊急制動防滑試驗以及時速300 km/h制動初速度電空復合緊急制動試驗,經過上述試驗,驗證了防滑控制仿真試驗環境仿真能力。

圖20、21分別為模擬列車加速至300 km/h、380 km/h,施加純空氣緊急制動,輪軌接觸條件為低黏著的仿真試驗結果。

圖20 300 km/h純空氣緊急制動防滑試驗

圖21 380 km/h 純空氣緊急制動防滑試驗

圖22、23分別為模擬列車加速至300 km/h,施加電空復合緊急制動,輪軌接觸條件為低黏著的仿真試驗結果。

圖22 300 km/h電空復合緊急制動防滑試驗曲線

圖23 300 km/h電空復合緊急制動防滑試驗臺監控曲線

由防滑試驗曲線結果可知:

在列車速度大于30 km/h且小于100 km/h時,滑行軸均在5%～25%的滑移率范圍內滑行;車速大于100 km/h時,滑行軸速度差控制在10～40 km/h內。

車速小于30 km/h時,速度差控制在較小范圍內,避免輪對滑行抱死;進而驗證了防滑既有控制策略,低速時,防滑系統響應更靈敏,避免輪對抱死擦傷。高速時,防滑系統允許一定深度的滑行,充分利用黏著,保證制動距離。

仿真試驗中均未發生輪對抱死現象。低黏著條件下制動距離較干軌的制動距離延長不超過15%。

上述速度差以及防滑試驗制動距離的延長均滿足UIC 541-05:2016及TB/T 3009—2019標準中不同速度段最大滑行速度差限制以及防滑試驗制動距離的相關要求。

通過系列仿真試驗表明,基于動力學模型搭建的高速列車防滑控制仿真試驗環境能夠有效地應用于高速列車的防滑控制仿真試驗驗證,達到驗證防滑控制效果,優化控制邏輯的目的,并且能夠取代部分線路。

4 結論

防滑系統試驗大都采用線路試驗方式,具有成本高、耗時長、重復性差、線路條件有限等限制因素。利用半實物仿真試驗環境替代傳統線路試驗,能夠有效地進行部分防滑試驗的實施以及新型防滑控制方法的驗證。

應用AMEsim、Simulink、SimulationX等高效的建模工具,基于先進輪軌接觸理論,搭建高速列車縱向動力學模型,集成高速列車防滑控制仿真試驗環境,基于該仿真環境進行了高速列車防滑系統仿真試驗,成為一套有效的防滑控制仿真方法。

通過系列高速防滑試驗,驗證了防滑仿真試驗環境以及仿真方法的有效性。