基于AMESim的有轨电车液压制动单元建模与分析

舒高翔，王相波

(1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804；2.中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

基于AMESim的有轨电车液压制动单元建模与分析

舒高翔1，王相波2

(1.同济大学铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804；2.中国中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东 青岛 266111)

基于低地板有轨电车液压制动原理，参考用于长春轻轨低地板车制动系统，运用AMESim仿真软件，建立拖车液压制动单元模型，仿真分析关键元件的性能和制动系统的制动过程，并讨论了蓄能器参数对制动缸压力动态性能的影响。仿真结果从理论上验证了制动单元的可靠性，也通过参数化动态分析为国产化液压制动系统的设计、改进提供了依据。

液压制动单元；AMESim；仿真分析

0 前 言

制动性能是车辆的重要性能之一，良好的制动性能是现代有轨电车安全运行的重要保障。目前，现代有轨电车的制动系统主要由两种方式：空气制动系统和液压制动系统。相比空气制动系统，液压制动系统具有结构紧凑，系统安装所需空间小，工作压力高，能产生更大的制动减速度等优势，对于安装空间有限的低地板车辆来讲，尤其在70%和100%低地板有轨电车上得以广泛应用。

1 液压制动系统结构组成和工作原理

图1是一个典型的低地板有轨电车液压制动系统。该系统接收该系统接收列车控制单元的指令，通过系统中的制动控制单元把制动指令分别传达给各车的液压制动单元，再由液压制动单元输出合理的液压压力给基础制动装置，完成制动动作。

液压制动单元由各种电气、液压元件组成，是完成能量的传递、转换和压力控制的重要部件。液压制动单元主要分为动车液压制动单元和拖车液压制动单元。这里以拖车液压制动单元为例进行分析。拖车液压制动单元的组成包含电机、齿轮泵、溢流阀、过滤器、单向阀、压力开关、测试接头、蓄能器、卸荷阀、比例压力控制阀、二位二通电磁阀等。拖车液压制动单元用来和主动式制动夹钳一起使用，工作原理见图2。制动压力来源于电机带动齿轮泵建立起压力并通过过滤器及单向阀输送到蓄能器，再经过2位2通电磁阀V1和比例压力控制阀V2到底制动夹钳，而产生制动力。接到制动指令时，电磁阀V1失电，比例阀V2根据输入电流调整输出压力，压力传感器S2对输出压力进行监控，反馈给控制装置。当缓解时，比例阀V2失电，不向外输出压力，同时V1得电，防止泄露过多引起蓄能器压降过快。

图1 低地板有轨电车液压制动系统

图2 拖车液压制动单元

2 动态性能仿真

2.1 液压系统模型的建立

拖车液压单元中关键液压元件是电液比例减压阀，它的功能是降压和稳压，并提供压力随输入电信号变化的恒压源。液压单元所使用的三通比例减压阀依据从控制单元传来的电信号，通过电磁力与液压力的平衡来控制输出压力。

三通比例减压阀结构原理如图3。图中，P口接恒压源，A口接负载，T口通油箱，减压阀口处于常闭状态，阀芯左端面作为出口压力的测压面。比例电磁铁产生推力，阀芯向左移动，阀口全开，液压油由P口流入A口，出口压力作用在阀芯左端的小活塞上，当负载增加，出口压力增加，当出口压力产生的推力与电磁力达到平衡时，阀芯向右移动，关小阀口，使出口压力不再增加，实现对出口压力的控制。如果出口压力对阀芯的作用力大于电磁力，阀芯右移A口与T口相通，使A口压力下降，直到阀芯处于新的平衡位置。

根据比例减压阀的结构和工作原理,利用AMESim软件建立比例减压阀的仿真模型,如图3所示。该模型主要由比例电磁铁部分、弹簧活塞、环形槽活塞、质量块等组成。同时为了使总体模型结构紧凑利用AMESim超级元件功能完成对比例减压阀的封装。

图3 三通比例减压阀原理图

图4 比例减压阀模型

利用AMESim液压、机械、信号模型库，依据拖车液压制动单元的工作原理选取合适元件搭建模型，根据元件的数学模型和参数分析选择合适的数学模型，然后定义全局性液压参数，如制动液的体积模量、密度、动力粘度等，同时完成各个液压元件的关键尺寸和内部参数的定义。在简化液压系统部分辅助部件，建立拖车液压制动单元的AMESim模型如图5所示。

图5 拖车液压制动单元模型

2.2 仿真结果分析

(1)比例阀控制特性分析

在设置完AMESim模型中模块参数后以及P口输入恒压源为12 MPa，验证比例减压阀的控制特性。比例电磁铁的电磁力与比例压力阀输出口A压力变化如图所示，仿真时间为8 s，采样间隔为0.1 s，图6(a)为比例电磁铁输出力作为信号值加载，图6(b)为比例压力阀输出口A压力值，图6(c)仿真得到的电磁力-A压力特性曲线，由图6(b)、(c)中可以看出出口A压力随着电磁控制力的增大而增大，同时具有很好的线性度，达到了比例控制的预期目的。

图6 电磁力-压力特性曲线

(2)制动仿真分析

制动过程分为压力建立和压力输出两部分。在压力建立过程中，2位2通阀设置为失电状态，电机带动齿轮泵将液压油建立起压力，仿真时间为20 s，设置蓄能器初始压力为90 bar，系统从90 bar上升到120 bar在12 s左右。仿真过程见图7。由仿真结果可知，由于列车行驶速度较低，制动时间间隔较长，蓄能器容积为2.8 L，每次压力建立完成约可以提供7～15次制动动作，所以推荐选用低排量油泵或者电机以节约系统配置。

在液压单元接到制动指令，进入压力输出阶段，2位2通阀得电接通，比例阀根据电磁力大小调节输出压力，设置每隔5 s设定电磁力大小300 N、600 N、900 N、1 100 N，比例阀输出压力如图所示在0～70 bar逐渐增大，实现阶段制动。仿真过程如图8。当缓解时，2位2通阀断开，制动缸压力通过溢流口实现压力下降以实现缓解。设置电磁力大小400 N、800 N、500 N、100 N，比例阀输出压力先上升后下降，实现从制动到缓解过程，仿真过程如图9。仿真结果表明所建立的模型能够比较正确模拟制动过程，理论上验证了液压制动单元的可靠性。

图7 压力建立曲线

(3)动态性能分析

考虑到随着系统工作，蓄能器压力会随着制动次数增加而下降，利用AMESim批处理运行功能，设置蓄能器压力分别为120 bar、110 bar、100 bar进行仿真，仿真结果如图10(a)和10(b)。

图8 阶段制动曲线

图9 阶段制动缓解曲线

从仿真结果来看，尽管蓄能器压力下降，在工作状态允许范围内对比例阀输出的制动液压力基本没有影响，制动缸压力大小和制动响应速度基本一致。

图10 蓄能器压力对制动缸压力影响

3 结束语

通过运用AMESim软件对有轨电车拖车液压制动单元进行仿真，仿真结果表明，液压制动单元具有良好的控制精度和响应速度，制动功能基本符合设计要求。利用了AMESim的批处理功能设定模型元件的参数值,比较了一组不同设定值下的仿真结果，说明在蓄能器工作压力范围内，压力的下降不会影响制动能力，应用AMESim参数化设置对系统功能影响的研究方法对国产化液压制动系统的设计、改进及预测提供一种可靠的研究手段。

[1] 李红军.长春轻轨车辆的液压制动设计原理[J]. 城市轨道交通研究，2008，(5)：57-59.

[2] 赵春光，韩晓辉，樊贵新，等.低地板有轨电车制动技术现状[J].现代城市轨道交通，2014，(1):42-46.

[3] 付永领,祁晓野.AMESim系统建模和仿真从入门到精通[M].北京航空航天大学出版社,2006:100-149.

交通运输

Modeling and analyze the trolley-bus hydraulic braking unit based on AMESim

SHU Gao-xiang1, WANG Xiang-bo2

(1.Institute of Rail Transit of Tongji University, Shanghai 201804,China;2.CRRC Qingdao Sifang Co., Ltd., Qingdao 266111,China)

Build the hydraulic braking unit model to analyze the characteristic of the important cell and the braking process of braking system by using the AMESim simulation software based on the low-floor trolley-bus hydraulic braking principle after consulting the low-floor braking system used in light rail of Changchun. Then discuss the influence between the accumulator parameter and brake cylinder pressure dynamic performance. The simulation results verify the feasibility of braking unit, and provide the basis for the domestic hydraulic braking system design and its improvement through the parameter dynamic analysis.

hydraulic braking unit; AMESim; simulation analysis

2015-11-02

舒高翔(1988-)，男，江西德兴人，研究方向：列车制动与安全技术。

“十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAG12B01)。

U226

C

1008-3383(2016)02-0127-03