劉同新,王 鵬,杜振振,孫全濤,趙 欣
(1.中車制動系統(tǒng)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(shè)第三工程有限公司,山東 青島 266100)
防滑系統(tǒng)是高速列車制動系統(tǒng)的關(guān)鍵部件之一,其性能直接關(guān)系到列車運行的安全性。現(xiàn)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(fù)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(tǒng)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(shù)領(lǐng)域已進行了相關(guān)研究,并且在BS EN 15595:2009《鐵路設(shè)施 制動 輪架保護》 及UIC 541-05:2005《制動機部件制造規(guī)程車輪防滑裝置》等權(quán)威標(biāo)準(zhǔn)中對軌道車輛防滑控制仿真試驗設(shè)備進行了介紹及限定,并且規(guī)定了簡單的仿真試驗方法。
高速列車防滑系統(tǒng)由防滑控制單元、防滑排風(fēng)閥、速度傳感器及測速齒輪等組成,高速列車防滑系統(tǒng)能夠減小車輛制動過程中因為輪軌黏著減小而發(fā)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(tǒng)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(huán)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。
應(yīng)用高效的專用仿真軟件,在借鑒先進輪軌接觸理論基礎(chǔ)上,搭建高速列車縱向動力學(xué)模型庫及系統(tǒng)模型,應(yīng)用穩(wěn)定可靠的實時仿真系統(tǒng),集成高速列車防滑控制仿真環(huán)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(yīng)用AMEsim軟件搭建列車空氣制動系統(tǒng)、防滑閥等氣動部件模型。應(yīng)用Simulink搭建列車電制動力模型,應(yīng)用SimulationX軟件搭建列車動力學(xué)模型,充分利用了AMEsim、Simulink、Simula-tionX等仿真軟件在氣動部件建模、數(shù)學(xué)建模及系統(tǒng)動力學(xué)建模的優(yōu)勢。
圖1 高速列車防滑控制仿真環(huán)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(shù)據(jù)交互,協(xié)調(diào)運行,集成了高速列車防滑控制仿真環(huán)境。
2.1 高速列車動力學(xué)模型庫
防滑控制主要關(guān)注列車縱向運動軸速信息,因此根據(jù)列車基本物理結(jié)構(gòu)的邏輯關(guān)系,應(yīng)用SimulationX軟件,采用功能性模型的形式,搭建列車動力學(xué)模型庫,基于模型庫搭建了單車子系統(tǒng)模型,并且建立了8編組列車動力學(xué)模型。
列車動力學(xué)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(tǒng)庫包含:動車單車子系統(tǒng)模型、拖車單車子系統(tǒng)模型。
2.1.1 輪軌接觸模型
動力學(xué)模型的關(guān)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(jié)構(gòu)
根據(jù)高速列車防滑控制的運行需求,通過設(shè)置輪軌接觸模型的參數(shù),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(shù)配置。
圖3 輪軌接觸模型參數(shù)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(tài)和動態(tài)特性。
緩沖器靜態(tài)特性參數(shù)可從靜態(tài)特性試驗數(shù)據(jù)中獲取。
緩沖器的動態(tài)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(tài)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(nèi)部的節(jié)流閥(節(jié)流孔),從而可以開展相應(yīng)的理論分析。
活塞缸的油壓與作用力的關(guān)系為:
F=P·S
(1)
式中:S為橫面積。
節(jié)流方程為:
(2)
式中:Q為流量;Cq為系數(shù);A為節(jié)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(guān)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(shù)關(guān)系為:
F=f(v2)
(4)
因此,在功能型緩沖器模型中把動態(tài)阻尼力描述為緩沖器兩端速度差二次方的函數(shù),函數(shù)中的系數(shù)可通過緩沖器動態(tài)試驗測試數(shù)據(jù)來標(biāo)定。
在緩沖器模型中,動態(tài)阻尼力的參數(shù)可通過SimulationX動態(tài)參數(shù)進行設(shè)置,并根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對緩沖器的靜態(tài)、動態(tài)特性均標(biāo)定,標(biāo)定結(jié)果如圖4所示。
圖4 車鉤及緩沖器靜態(tài)及動態(tài)特性驗證仿真結(jié)果
2.1.3 軸重計算模型
根據(jù)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(zhuǎn)向架中心距離,Lr為重心距后轉(zhuǎn)向架中心距離,Fnr為后軸重,Fnf為前軸重。
根據(jù)上述方程組,即可求出與慣性力有關(guān)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(zhì)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(xué)模型結(jié)構(gòu)圖
列車縱向運動模型中,坡度的設(shè)置方式有兩種:一是直接設(shè)置坡度角;二是使用表格描述地形,然后使用模型根據(jù)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(xiàn),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(xiàn)(圖8)。
圖8 動車制動模塊軟件實現(xiàn)
2.1.6 電制動力模型
電制動力模型應(yīng)用Simulink軟件搭建。基于CRH380B型動車組電制動力曲線,并且進行實際數(shù)據(jù)標(biāo)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(shù)。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(xué)模型集成
2.2.1 動力學(xué)模型集成
基于上述模型庫,搭建單車及列車級的動力學(xué)模型,分別如圖10、圖11所示。
圖10 單車動力學(xué)模型
圖11 8輛編組動車組動力學(xué)模型
2.2.2 動力學(xué)模型標(biāo)定
根據(jù)高速輪軌關(guān)系試驗數(shù)據(jù)以及實車防滑試驗數(shù)據(jù),進行動力學(xué)模型標(biāo)定,獲取試驗過程中黏著相關(guān)數(shù)據(jù)。
為了對比仿真結(jié)果和試驗數(shù)據(jù),采用開環(huán)仿真對比和閉環(huán)仿真對比兩種方式,分別對干軌和濕軌兩種工況進行標(biāo)定。
在開環(huán)系統(tǒng)仿真模型中,對拖車動力學(xué)模型施加實際試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)誤差不超過5%。
圖12 干軌制動試驗及仿真數(shù)據(jù)曲線
在閉環(huán)系統(tǒng)仿真模型中,建立簡單閉環(huán)策略,控制施加于動力學(xué)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)一致,不同時刻仿真輪速同真實試驗數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)曲線
圖14 制動初速度為250 km/h的濕軌防滑試驗及仿真數(shù)據(jù)曲線
圖15 制動初速度為300 km/h的濕軌防滑試驗及仿真數(shù)據(jù)曲線
2.3 制動模塊模型
根據(jù)空氣制動系統(tǒng)氣路原理,結(jié)合防滑系統(tǒng)應(yīng)用需求,搭建制動系統(tǒng)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(yīng)的空氣制動力,模擬列車不同制動工況。制動模塊模型根據(jù)CRH380B型動車試驗數(shù)據(jù)進行不同制動級別制動壓力、制動響應(yīng)時間等數(shù)據(jù)標(biāo)定如圖17～圖18所示。保證與現(xiàn)車試驗數(shù)據(jù)一致。
圖16 制動系統(tǒng)制動模塊模型
圖17 防滑閥階段充排風(fēng)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(huán)境
將高速列車動力學(xué)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(shù)配置,不同模型變量關(guān)聯(lián)以及仿真模型管理等,建立防滑控制仿真試驗環(huán)境。
圖19 防滑控制仿真試驗環(huán)境控制界面
基于高速列車防滑系統(tǒng)仿真試驗環(huán)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(fù)合緊急制動試驗,經(jīng)過上述試驗,驗證了防滑控制仿真試驗環(huán)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(jié)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(fù)合緊急制動,輪軌接觸條件為低黏著的仿真試驗結(jié)果。
圖22 300 km/h電空復(fù)合緊急制動防滑試驗曲線
圖23 300 km/h電空復(fù)合緊急制動防滑試驗臺監(jiān)控曲線
由防滑試驗曲線結(jié)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(nèi)滑行;車速大于100 km/h時,滑行軸速度差控制在10～40 km/h內(nèi)。
車速小于30 km/h時,速度差控制在較小范圍內(nèi),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(tǒng)響應(yīng)更靈敏,避免輪對抱死擦傷。高速時,防滑系統(tǒng)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(fā)生輪對抱死現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)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(guān)要求。
通過系列仿真試驗表明,基于動力學(xué)模型搭建的高速列車防滑控制仿真試驗環(huán)境能夠有效地應(yīng)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(yōu)化控制邏輯的目的,并且能夠取代部分線路。
防滑系統(tǒng)試驗大都采用線路試驗方式,具有成本高、耗時長、重復(fù)性差、線路條件有限等限制因素。利用半實物仿真試驗環(huán)境替代傳統(tǒng)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(yīng)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(xué)模型,集成高速列車防滑控制仿真試驗環(huán)境,基于該仿真環(huán)境進行了高速列車防滑系統(tǒng)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(huán)境以及仿真方法的有效性。
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