试析地铁列车空气制动系统仿真模型.docx

试析地铁列车空气制动系统仿真模型摘要：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12