轨道交通车辆架控制动系统建模及防滑控制研究

张新永 高 珊 温从溪 孟庆栋 杜群威

轨道交通车辆架控制动系统建模及防滑控制研究

张新永 高 珊 温从溪 孟庆栋 杜群威

（中车唐山机车车辆有限公司，063035，唐山∥第一作者，高级工程师）

制动系统的性能对列车安全运行有重要的影响。在原理分析的基础上，利用AMESim仿真软件对EP2002制动系统气动阀单元（PVU）进行了建模，并通过常用制动和紧急制动仿真验证模型的正确性。在MATLAB/Simulink软件环境下搭建列车动力学模型，并编写防滑控制逻辑，与AMES－im气动阀模型进行联合仿真，验证防滑逻辑的有效性。从常用制动和紧急制动仿真结果可以得出，所搭建的EP2002的PVU与真实系统的反应一致，验证了PVU模型的正确性。从防滑控制仿真结果可以看出，所设计的防滑控制逻辑能够达到控制要求，在发生连续滑行时能够达到稳定的防滑效果，为实际列车制动系统的设计和故障的解决提供了有效的模型基础。

轨道交通车辆；架控制动系统；气动阀单元；防滑控制

地铁车辆具有载客量大、起动制动频繁的特点，为了保证列车安全运行需要地铁车辆具有良好的制动性能［1］。EP2002制动系统是现有地铁车辆上使用最多的制动系统，能完成常用制动、紧急制动、远程缓解、紧急冲动限制以及防滑保护等功能［2-3］。在列车制动时，若没有良好的制动和防滑控制，可能使施加在制动盘上的摩擦力超出轮轨之间的黏着引起滑行甚至抱死，导致列车的制动距离延长，造成轮对踏面的严重擦伤［4-5］。因此，研究EP2002制动系统的制动和防滑性能，对地铁车辆的安全运行有重要意义。

本文利用AMESim软件和MATLAB/Simulink软件对EP2002制动系统进行仿真。AMESim软件有丰富的气动库模型，在制动系统研究中应用广泛。国外的Faiveley公司以及Knorr公司利用AMESim软件对其制动系统以及制动系统中的阀门进行建模仿真。MATLAB/Simulink软件可高效灵活地构造出复杂的系统和控制逻辑。国内的一些铁路院校利用Visual C++、Matlab/Simulink以及AMESim等软件对动车组和地铁的制动系统进行仿真研究［6-8］。利用AMESim软件对EP2002制动系统气动阀单元进行建模仿真，施加常用制动和紧急制动信号验证模型响应与实际系统响应的一致性。同时在MATLAB/Simulink的环境下建立架控系统的列车动力学模型和防滑控制逻辑，与AMESim环境下的气动阀单元模型实现联合仿真，验证了防滑逻辑的有效性。仿真结果表明，建立的气动阀单元能够反映实际系统的特性，搭建的防滑控制逻辑能够保证稳定的防滑效果。

1 EP2002气动阀结构及制动运行原理

1.1 EP2002气动阀结构

EP2002阀门内部气路原理如图1所示。其中每个部分的功能如下：

一次调节器——由一个继电器阀负责将气动阀单元供应的压力调低到加载紧急制动压力水平，负责在电子称重系统失灵时提供一个机械的空车紧急制动压力。

二次调节器——其位于一次调节器的上部，负责将供应至制动气缸的最大压力限制在满载荷车辆紧急制动压力水平。

称重——负责给一次调节继电器阀提供参考压力。此参考压力与空气悬挂系统压力成比例。

制动缸压力调节——负责将一次调节器输出压力进一步调节至制动缸压力（BCP）所需的水平。车轮滑动保护（WSP）激活时，BCP调节部分还负责对制动气缸压力进行气动控制。

连接阀——使得BCP输出能够进行气动连接和分离。在常用与紧急制动期间，两个BCP输出被连接；在WSP激活期间，两根轴相互气动隔离，每根轴上的BCP通过BCP调节进行独立控制。

远程释放——EP2002系统允许从远程位置（如驾驶室）下达制动器释放指令。此设施的目标是防止列车停在较危险的深隧道中，但是紧急制动的优先级高于远程释放。

图1 EP2002阀门内部气路原理图

紧急冲动限制——按照不同要求对施加在制动器缸上的紧急制动压力速率进行配置。

电子装置控制的EP阀（电空转换阀）——接收控制器传过来的控制信号，对BCP调节部分的气动阀进行控制，实现充气、保持和排气的功能。

1.2 制动运行原理

制动运行原理如图2所示，制动供风风缸（BSR）压力进入气动阀单元，一方面将空气供应给一次调节器，一次调节的继电器阀根据称重EP阀门提供的参考压力对出口压力进行调节；另一方面通过二次调节器被限制在一定的数值以内，该数值为满载紧急制动压力，称重部分再根据空气悬挂系统压力将合适的参考压力提供给一次调节器，实现一次调节输出与车重相对应的压力且不超过满载紧急制动压力。在一次调节器的下面设置一个紧急冲动限制EP阀门，在紧急冲动开始施加时，该EP阀将气流切换到一个阻塞路径来限制紧急制动压力的施加速度。

图2 制动运行原理图

在紧急冲动阀门的下游，气流分为两路供给轴1和轴2，每路供气都通过SB/WSP的EP阀门进入制动缸。在紧急制动时，EP阀门处于失电状态。这些阀门的状态采用电子硬件连续监视来防止过度的WSP保持或者放气。两根轴通过连接EP阀实现气路连接，在紧急制动和常用制动时，两根轴上的制动缸压力输出连通；在防滑保护时，两根轴上的制动缸压力输出切断。

2 防滑控制工作原理

当检测到列车滑行时，首先切断两根轴之间的连接EP阀，按照防滑控制策略控制制动缸进行排风或者保压。目前防滑器采取的主要控制策略是根据速度差、减速度和滑移率3个量的阈值进行控制。可以采取单个判据，也可综合运用3个判据进行控制。

在MATLAB/Simulink软件中根据轮对的受力分析建立地铁空气制动动力学模型，施加制动力后计算出某轴速度与减速度，选择一个轴的速度作为基准轴速度vref，各轴速度vn（n=l，2）与基准轴速度的差值即为各轴速度差Δvn。

根据计算出的各轴速度、减速度、速度差对比滑行判据进行滑行的判断。当满足滑行判据时，防滑单元通过控制防滑阀进行防滑控制，否则退出滑行控制。

本文采取的防滑控制策略如表1所示。一旦判断出滑行，首先保压阀上电，切断制动缸进风通道；同时滑行轴排风阀开启50 ms后再关断，制动缸处于保压状态，并持续50 ms。保压期间防滑器继续进行滑行判断，若该轴停止滑行，则防滑器停止防滑控制；否则排风阀进行第二次排气50 ms，再保压50 ms，依次类推。在施加防滑控制时，当持续保持时间超过8 s或者持续排风时间超过4 s，关断防滑控制来保证制动能力。

表1 防滑控制策略

3 EP2002气动阀单元的建模及车轮防滑保护仿真

根据EP2002阀门的气路原理图（如图3所示）进行功能模块建模。常用制动和紧急制动的逻辑控制信号以及联合仿真时防滑逻辑控制信号如图4所示。通过施加控制信号来验证模型反应的正确性。在MATLAB/Simulink软件搭建的防滑控制系统、每轴的动力学模型和滑行判定控制如图5~图7所示。通过与AMESim软件的联合仿真来验证防滑控制逻辑的有效性。

图3 EP2002阀门的气路原理图

图4 联合仿真控制模块

图5 防滑控制系统

图6 每轴的动力学方程

图7 单轴的滑行判定控制

3.1 常用全制动和紧急制动仿真

通过常用全制动和紧急制动仿真来验证EP2002制动系统气动阀单元模型的正确性。制动工况以重车AW2模式进行仿真。首先触发常用制动指令后触发紧急制动指令，分别实现制动、保压和缓解3个过程。常用全制动和紧急制动下的制动缸压力曲线如图8所示。从图8中可以看出，紧急制动时制动缸压力更大，常用制动和紧急制动的制动缸压力的建立时间满足设计要求。

图8 常用制动和紧急制动时的制动缸压力

3.2 防滑控制系统仿真

在本文中防滑判据为：滑行条件Δv＞2 m/s，再黏着判据Δv＜0.2 m/s。

在紧急制动的工况下对模型进行仿真研究，在有防滑控制的条件下设定轮轴多次滑行。其中初始速度设定为80 km/h，以减速度β=1.32 m/s2进行减速，仿真时间设定为20 s，仿真步长设定为0.01 s。

设定轴2在第3 s时发生一个周期性的滑行现象，观察2个车轴速度和制动缸压力的变化趋势。在MATLAB/Simulink软件中车轴速度的仿真结果如图9和图10所示，在AMESim软件中的制动缸压力如图11和图12所示。

图9 基准速度与轴1速度对比

图10 基准速度与轴2速度对比

图11 轴1制动缸压力

图12 轴2制动缸压力

从图10和图12可以看出：轴2在第3 s发生滑行时，转动速度相对于基准轴的速度快速下降；由于加了防滑控制，进行阶段性排风使制动缸压力下降，轴2的速度逐渐上升，当满足黏着条件时，开始恢复紧急制动时的制动缸压力。在发生周期性滑行的过程中，防滑控制系统对每次滑行都能进行有效调整，使得轴2能够恢复黏着和制动力。从图9和图11可以看出，轴2在第3 s发生滑行时，连接阀断开，轴1制动缸压力不变；轴2结束滑行后连接阀连通，受到轴2制动缸压力下降的影响，轴1制动缸压力降低后迅速恢复紧急制动压力。通过在AMESim软件和MATLAB/Simulink软件中设定滑行工况，观测轴速变化情况、制动缸压力变化情况和充排气阀的动作，对进一步改善防滑控制系统的性能具有重要的意义。

4 结论

本文利用AMESim仿真软件对EP2002制动系统的气路部分进行仿真，施加常用制动和紧急制动控制信号来验证模型反应的正确性，利用MATLAB/Simulink软件搭建防滑控制系统与AMESim软件实现联合仿真，验证了防滑逻辑的有效性。通过仿真结果可以看出，搭建EP2002的PVU（气动阀单元）与真实系统的反应一致，设计的防滑逻辑能够满足实际系统的控制需求，可以应用于实际列车制动系统的设计和故障的解决。

［1］ 许桂红.地铁制动系统的研究与仿真［D］.成都：西南交通大学，2014.

［2］ 匡如华.EP2002制动系统及其在城轨车上的应用［J］.机车电传动，2009（5）：33.

［3］ 马喜成,龙倩倩.地铁车辆用EP2002制动控制系统［J］.机车电传动，2007（4）：38.

［4］ 李云峰.城轨车辆空气制动防滑控制方法［J］.铁道车辆,2011，49（12）：38.

［5］ 廖志坚.基于AMESim的动车组制动防滑系统仿真研究［D］.成都：西南交通大学，2012.

［6］ 胡薇，朱皓青，王宗明，等.基于AMESim的轨道交通车辆架控制动系统建模与仿真［J］.城市轨道交通研究，2015（1）：89.

［7］ 李亮.基于AMESim的动车组制动系统仿真研究［D］.成都：西南交通大学，2013.

［8］ 刘明勋,杨秀建.基于AMESim与Simulink联合仿真的车辆液压辅助制动系统研究［J］.液压与气动，2014（4）：45.

Modeling of Bogie Control Brake System in Railway Vehicle and Anti-slip Control

ZHANG Xinyong，GAO Shan，WEN Congxi，MENG Qingdong，DU Qunwei

The performance of brake system is very important for the safe operation of trains.On the basis of principle analysis，a pneumatic valve unit（PVU）model of EP2002 brake system is built up by using AMESim simulation software,the correctness of the model is verified through the simulation of service brake and emergency brake.Then a dynamics model of train is built in MATLAB/Simulink environment，the anti-slip control logic is compiled.To verify the validity of slip logic,co-simulation is conducted between AMESim and MATLAB/Simulink.The simulation results of service brake and emergency brake show that the PVU model of EP2002 reacts consistently with real systems，thus the correctness of PVU model is verified.Meanwhile,the simulation results of anti-slip control show that a stable performance of anti-slip has been achieved even in continuous slip condition，which means that the designed anti-slip control logic could meet the control requirements.The research provides an effective model for the actual braking system design and failure solution.

rail transit vehicle；bogie control brake system；pneumatic valve unit；anti-slip control

U270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.11.026

Author′s address CRRC Tangshan Co.，Ltd.，063035，Tangshan，China

2016-03-10）