试析地铁列车空气制动系统仿真模型

张玮

摘 要：对于地铁列车来说，制动系统是其最重要的组成部分之一，该系统的质量好坏将直接决定地铁列车的制动性能。根据专家学者的专项研究，发现我们可以参考气体流动理论，采用计算机软件设计地铁列车的制动系统仿真模型，用以模拟列车的常用、紧急、阶段制动特点，计算出对应的各部分空气压力，并进行试验验证。

关键词：地铁列车；空气制动；仿真模型；AMESim软件

地铁列车中使用的制动系统是空气制动系统，该系统通常采用微机控制，通过直通电进行空气制动。地铁制动系统中包括下列几个主要的组成部分：制动指令发出与传输单元、BCU（制动控制）单元、基础单元以及供风单元。传统的列车空气制动系统对其进行制动特性检验时，往往采用的是实际试验方法。近年来，仿真模拟技术受到了更多的欢迎。国内外的专家学者们利用MATLAB软件和数值分析方法构建出了具体的数学模型，发明了全新的针对性气路仿真软件AMESim。下面我们对典型的制动系统进行AMESim仿真模拟，并进行相应的试验验证。

1.空气制动系统

地铁列车采用的制动系统通常为电空直通系统，是一种典型系统的的原理模型。整个系统中包括控制气路以及动力气路两大部分，其中，控制气路中有制动、缓解、紧急电磁阀以及空重车阀组成，通过控制各个电磁阀完成在中继阀上方预控不同压力的任务；动力气路中包括中继阀、副风缸、管道以及制动缸，中继阀可以通过打开和关闭制动缸控制气路，进而达到缓解和制动的基本作用。

当地铁列车收到司机室传来的常用制动指令时，BCU就可以根据具体的制动要求以及气压实时调整具体的压力输出，空气进入到制动缸以后制动缸中的活塞开始作用于闸片，进一步对踏面进行制动作用，通常这种制动发生在车速小于12km/h的低速过程中，整个制动过程中会有拖车动作。若是地铁列车收到紧急停车指令，那么BCU将会输出最大压力，进行摩擦制动。另外，停放制动通常用在防止遛坡事故中。所以，分析地铁列车的空气制动系统，主要分析重点应该是气制动回路。

2.仿真模型的构建

2.1基本原理

AMESim软件中有多个元件库，包括电子、液压、气动、控制、机械等等，根据标准气动元件的组合搭配，可以建立起相应的列车空气制动系统模型，并不需要相对复杂的数学方程。

模型构建的基本原理基于三个基本单元，包括容性、阻性以及感性单元。其中，容性单元中有着气体的容腔，模型传热期间其内部气体便会发生相应的动态变化，所以，容性单元的模拟模型是瞬时的。具体的压力变化如式（1）所示：

（1）

式中，p表示的是容腔中的气体产生的压力， 分别表示有气体质量、温度、体积变化导致的容腔气体产生压力。

阻性单元中不包含容腔，那么不涉及传热效应，气体压强和温度瞬间表示如式（2）所示：

（2）

式中，qm表示阻性单元的质量流量， 表示元件两端的压差，两者呈非线性关系。

感性单元则主要用于描述气体具体的宏观运动状态和惯性，管道中的气体运动特性可以通过伯努利方程表达。但是，通常情况下，气体具有的质量以及黏性都很低，惯性效应并不予以考虑。

2.2模型构建

空气制动系统比较复杂，系统中涉及到的紧急、制动、缓解电磁阀可以统一采用通用型电磁阀代替，但是中继阀以及空重车阀仍然需要进行二次开发模拟。采用AMESim软件，依据上文中的基本原理，可以构建出空气制动系统的基本模型。模型中包含了系统中涉及到的所有元件装置，信息流有气动和控制信息，气动信息由管路相连接，控制信息可以通过电磁阀控制。另外，f（x）表示的是空重车阀的输出信号，其变化与空气弹簧的压力值有关。

EP单元为控制阀，可以根据制动指令调节中继阀中的CV；空重车阀则表现出受到车辆载重的影响，CV压力的具体变化；中继阀的作用是将压缩空气的具体流量进行放大，可以等效为活塞缸，两边分别是制动缸产生压力以及CV压力。另外，对于该系统中的管路、风阀、防滑阀等元件，由于其容积变化相对较小，可以采用固定容积进行模拟。

3.结果验证分析

构建出仿真模型以后，便可以进行实际工况模拟，常见的工况包括常用制动、紧急制动以及阶段制动。设计常用制动压力CV为250kPa，时间为10s，将0-2s规定为缓解，2-6s规定为常用制动，6s以后则规定为再次缓解直到仿真结束，根据常用制动模拟仿真结果可以看出，CV压力的变化要快于制动缸压力响应速度。出现这种现象，是因为中继阀会受到结构中产生的背压，同时，在制动缓解时CV压力同样下降速度要快于制动缸的压力，二者之间出现的最大延时不大于0.5s。

紧急制动模拟时，将CV压力设计为500kPa，根据仿真结果发现CV压力变化与常用制动的变化趋势是相同的，但是制动缸的压力上升速度要大于常用制动工况。

阶段制动工况下，设计仿真时间为20s，发现0-2s为缓解，2-12s表示阶段制动，12s以后则是再次缓解直到仿真结束，结果显示该过程中，制动缸压力反应慢于CV压力。经对比分析，该结果和常用制动以及紧急制动的结果是相同的。

4.结语

地铁列车空气制动系统经过仿真模拟后，经试验验证，发现常用制动以及紧急制动的制动缸压力变化时间比仿真时间长1/10，满足系统的功能条件。制动结束以后，中继阀内部元件可以起到有效的阻尼租用，进而误差并不影响列车的正常使用。

参考文献：

[1]左建勇，王宗明，吴萌岭.地铁列车空气制动系统仿真模型[J].交通运输工程学报，2013（02）.

[2]伍智敏，任利惠，裴玉春，吴萌岭.地铁列车制动系统的中继阀性能仿真[J].城市轨道交通研究，2011（09）.

[3]许桂红.地铁制动系统的研究与仿真[D].西南交通大学，2014.