高速动车组制动系统建模与仿真分析

张新永，尹 方，曲秋芬，杨永勤，谢春杰，孟庆栋

（唐山轨道客车有限责任公司 产品研发中心，河北唐山063035）

铁路制动系统有着悠久的发展历程，早期的制动系统设计一直采用试验的方法对其结构、控制和性能等方面进行研究和改进。但是在现代列车高速及重载运输的发展趋势下，空气制动系统也越来越复杂，传统的试验方式已经不能满足现状要求，同时也会耗费大量的人力和物力。此外，试验获得的制动性能结果也存在离散性，于是人们开始寻求更好的方法来模拟研究，作为部分取代试验或作为试验的补充。计算机技术的快速发展，气体流动理论的日趋成熟，为铁路制动系统数值模拟研究创造了良好的条件。数值模拟研究不仅能模拟试验工作，还能从整个空气制动系统的角度来研究参数对制动性能的影响，同时还可以进行空气制动性能预测。

1 制动系统工作原理

高速动车组制动系统主要由基础制动装置、空气悬挂控制装置、司机控制装置、制动控制系统（即控制单元BCU）、风源系统、风缸、列车管路等部分组成。对于制动系统而言，列车分两个相同制动单元，每个制动单元有4节车，因此以一个制动单元为例，如图1所示。

图1 高速列车制动系统组成部分

动车组制动系统采用减速度控制，对于不同质量的车辆，制动时需要的制动力不同。车重判定通过检测转向架上的空气弹簧压力实现。由中继阀产生的制动压缩空气经过管路和防滑排风阀最终作用在制动缸活塞上，同时推动缸筒和活塞向相反的方向运动，经过杠杆的传递，并最终通过闸片和制动盘夹紧摩擦产生所需的制动力，完成制动作用。

紧急制动时，预控制压力不受常用制动阀控制，来自总风管的压缩空气直接经紧急电磁阀到达空重车阀，预控制压力只受空重车调整阀控制，使之与空气弹簧的压力即载荷情况相适合。

当救援和回送时，需要启动备用制动。备用制动时，通过司机室中的备用制动手柄控制列车管的充排风，控制分配阀产生制动预控压力经过双向阀到达中继阀，产生制动缸压力。

依据制动系统工作原理可对制动部件分别进行建模，再将其连接最终形成制动系统模型，进行仿真计算。

2 高速动车组制动系统建模与仿真分析

2.1 仿真计算原理分析

计算采用软件LMS Imagine.Lab AMESim，基于基本元素的建模理念，将制动系统中制动控制单元、单元制动器等复杂的气动部件分解为各种不同的基本结构单元，如节流孔、活塞、容腔、质量块等，再按照一定的逻辑关系将对应的模块组合在一起，即可构建对应的部件子模型，将以上子模型综合起来，即可得到完整的制动系统仿真模型。

本文通过选取一些典型的工况，如常用制动的施加和缓解、紧急制动的施加和缓解等进行分析，对高速动车组制动系统的性能特征进行仿真分析，如控制灵敏度、制动缸压力精确度、制动输出力、响应时间等。

2.2 整列车制动系统建模分析

将搭建的制动系统重要元件封装后连接在一起，组成了头车制动系统模型，如图2所示。

图2 头车制动系统

搭建完成单节列车制动系统的前提下，根据整列车的原理图，搭建整列车（8节）制动系统。

（1）整列常用制动分析

常用制动时，7级常用制动持续用到了4级，分别是200，300，400，700kPa，持续时间分别为6，7，5，7s。经过中继阀计算，得到相对应的压力分别为160，230，310和420kPa。制动缸的压力和制动力如图3和图4所示。由于动车和拖车的制动缸活塞面积不同，产生的制动力不同。

图3 常用制动时Cv控制压力和制动压力

（2）整列紧急制动分析

紧急制动时，只需要将空电转换阀上面的电磁阀打开，使得列车管压力之间通往空重车阀。此时无论空电转换阀是否起作用，制动系统先导控制压力完全由空重车阀调定。动车制动力达到了53kN，拖车制动力达到了33kN，如图5所示。

图4 常用制动时拖车制动力和动车制动力

（3）整列备用制动分析

当空电转换阀和紧急制动都有故障时，这时需要采用备用制动。备用制动工作时，列车管需要迅速排风，列车管压力迅速下降，这时DV阀迅速开启，风缸R和风缸Cv连通，控制阀将现有风缸的压力转化为制动先导压力。这时先导压力由控制阀和连接在控制阀两端的风缸来控制。得到相应的控制压力480kPa，制动压力为370kPa，动车制动力和拖车制动力分别为45kN和27kN，如图6和图7所示。

图5 紧急制动时拖车制动力和动车制动力

图6 备用制动时Cv控制压力和制动压力

3 结束语

图7 备用制动时动车制动力和拖车制动力

本文对高速动车组型高速列车制动系统，基于LMS Imagine.Lab AMESim建模过程进行了详细的介绍。

按照高速动车组高速列车制动系统的原理图搭建了列车的制动系统，分别进行了常用制动、紧急制动和备用制动3种工况进行了仿真分析。仿真结果与制动系统的现车试验数据基本吻合，可用于指导今后对于类似高速动车组的制动系统，或者是高速动车组的制动系统中功能相似的元件开展仿真分析，提高列车制动系统的接口性能研究。大大缩短车辆产品的开发周期，降低制造成本。

［1］付永领，齐海涛.LMS Imagine.Lab AMESim系统建模和仿真实例教程［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

［2］付永领，祁晓野.LMS Imagine.Lab AMESim系统建模和仿真参考手册［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2011.

［3］张 荚，龚礼华.现代计算机仿真技术［J］.达县师范高等专科学校学报，2000，10（2）：64-66.