AMESim软件在轨道交通车辆制动课程教学中的应用

常 宁 黄尊地

五邑大学轨道交通学院 广东江门 529020

轨道交通车辆制动课程是轨道交通车辆工程专业本科学生必修的专业核心课之一，也是轨道交通行业工程人员需要具备的基础知识。轨道交通车辆制动课程存在虚拟性较强、所涉及的制动装置中阀类零部件内部结构复杂等问题，应用传统的教学模式，只是通过单纯的PPT、二维的图片及语言描述，学生很难清楚地理解其零部件结构和工作原理，学习兴趣不高，不利于开展后续的学习任务。

本文从轨道交通车辆制动课程体系的角度出发，借助AMESim仿真软件作为教学工具，在教学过程中，通过软件仿真与理论学习相结合的方法，利用AMESim软件图形化的建模方式和可视化的结果分析，使得抽象的概念形象化、静态的内容动态化，加强了学生对制动系统结构原理和性能的理解，提高了学生软件应用能力和自主思考能力。

1 AMESim仿真软件及其应用

AMESim软件(Advanced Modeling Environment for Performing Simulations of Engineering Systems)是由法国Imagine公司开发的一种工程系统高级建模和仿真平台软件[1]。该软件有很多不同类型的元件库，其中包括机械库(Mechanical)、仿真库(Simulation)和信号控制库(Signal，Control)3个标准库，此外还有液压库(Hydraulic)和气动库(pneumatic)等一些可选库。这些元件库里面的元件都是用简单而又标准的图示来表示，用户可以通过识别不同的元件来建立所需要的物理模型，无须编写任何程序代码。在整个仿真过程中，仿真系统通过直观的图形界面展示出来，可以创建和运行多物理场仿真模型，再进行相对应的参数设置，以分析复杂的系统特性，仿真结果可以显示为动画或者曲线图[2]。

目前，很多用户都通过AMESim软件来建模仿真，在机械类、船舶、车辆和航空航天等复杂学科领域已经得到了广泛的使用[3]。现阶段将AMESim软件应用于液压传动教学方面已有实践，但轨道交通方面的应用还不多见。

2 具体教学案例分析

动车组运行速度提高对列车制动能力、运行平稳性等有了更高的要求。所以，动车组是一个能提供强大制动能力并能更好利用黏着的复合制动系统。因此，动车组制动系统是轨道交通车辆制动课程教学中的一项重点内容，也是学生反映较难理解的知识点之一。

目前，国产动车组所采用的制动系统是一种电气指令微机控制的直通式电空制动系统[4]。本节以KBGM制动系统中的空气制动系统为例，对组成空气制动系统的各个阀类零件进行结构原理分析，采用AMEsim仿真软件，对各个阀进行建模仿真；在此基础上，建立单车纯空气制动系统，进而研究常用制动和紧急制动过程中空气制动力以及各个阀体的动作变化情况。通过这一教学方式，学生在掌握AMESim软件的基础上，可以更加清楚各个阀的结构、工作原理及输出特性，对单车制动系统也有了更深刻的理解。

2.1 制动系统主要结构及工作原理

KBGM制动系统采用电制动优先，“电+空”联合的制动方式，虽然电制动具有诸多优势，但目前空气制动对于高速动车组来说仍然不可缺少[5]。

空气制动系统由制动供风系统、制动控制系统和制动执行系统三部分组成。制动控制系统由电气制动控制单元和空气制动控制单元组成。空气制动控制单元由EP阀、中继阀、称重阀、紧急电磁阀和双向阀等组成[6]，电气指令微机控制的直通式空电复合制动控制系统原理如图1所示。

图1　制动系统原理图

空气制动控制单元控制原理：EP阀接收制动控制单元BCU的电信号，将其转换为预控制压力输出，经紧急电磁阀、双向阀进入称重阀，称重阀根据车辆负载输出最大预控制压力到达中继阀，最后通过中继阀将压力空气送至制动缸，形成空气制动力。

2.2 阀类元件的AMEsim建模

通过理论讲解、图片展示和视频学习，学生对阀类元件工作原理、特性有了初步的了解，但这种理解常常趋于表面。在教学过程中，利用AMEsim软件引导学生对EP阀、限压阀、称重阀、中继阀、紧急阀进行建模，模型如图2所示。建模过程不是一蹴而就的，学生需要经过反复修改，对阀类元件的结构、每部分结构功能有清楚的认识，才能建立准确的AMEsim仿真模型。

图2　阀类元件仿真模型

在完成制动系统上述各元件仿真模型的基础上，利用软件中的超级元件功能将其封装，并和其他辅助元件连接起来，运用空气制动控制单元控制原理，建立完整单车空气制动系统仿真模型，如图3所示。

图3　单车制动系统仿真模型

2.3 空气制动系统的AMEsim仿真分析

为了加深学生对阀类元件及空气制动系统的工作特性的理解，利用AMEsim软件对各个阀类元件进行仿真，如图4所示。分析各阀类元件的特性、不同参数对特性的影响。对单车空气制动系统进行仿真，分析其在不同制动模式下单车空气制动系统制动力的变化情况。

图4　阀类元件特性曲线

当该仿真测试模型建好之后，设置其基本参数，对每个阀类元件进行特性分析，确认其仿真模型正确，并能够满足性能要求。

图5　称重阀特性曲线

图6　单车空气制动系统制动缸输出压力曲线

以称重阀为例，当预控制压力1为900 KPa，空气弹簧压力为时600 KPa，预控制压力能够在0.1 s左右迅速上升并稳定在满足快速响应、减压的要求，如图4a所示。设定预控制压力1在100 KPa～900 KPa之间变化，模拟车辆载重变化，当空气弹簧压力取300 KPa和600 KPa时，输出压力均随着输入的压力的变化而变化，并且达到稳定值后保持不变，且稳定值随着空气弹簧压力的变化而变化，如图5所示。

对于单车空气制动系统而言，从制动缸的输出压力曲线可以看出，制动缸输出压力与中继阀的输出压力基本同步，由于中继阀具有快速稳定的压力空气输出，让制动缸同样拥有快速稳定的压力输出，图6所示，此单车AMEsim仿真模型符合常用制动要求。

以上，我们完成了模拟式微机控制直通电空制动系统中空气制动系统各元件、单车空气制动系统的模拟仿真和特性分析。除此之外，在学生学习过程中，还可以对该制动系统中的电控制单元、防滑系统、供气系统等进行相应的仿真分析。举一反三，巩固学习效果的同时对相关的制动系统有了整体的把握。

通过建模仿真分析，学生不仅能巩固所学的原理知识，同时利用软件建模，更加深了对工作原理的理解。在建模过程中，也可以发现学习中忽略的内容，起到查漏补缺的作用。在仿真分析中，学生可以更加直观地认识到输出压力随输入压力变化的变化过程。

在授课过程中应用AMESim软件辅助教学，具有以下优势。

(1)根据阀的结构特点，构建仿真模型—激发学生学习兴趣，培养工程意识，让教学更直观，帮助学生对阀的结构有更加清晰的认识。

(2)根据阀的工作原理，设定仿真参数—提高学生自学能力及创新能力，帮助学生对阀的性能有更加深入的理解。

(3)基于任务型的教学，学生自主完成模型的搭建、参数的选择等工作，调动了学生的积极性与探索欲，促进学生主动学习，激发学生创新意识。

将AMESim仿真软件的应用与实物结合，明白各类阀元件的基本结构、工作原理，进一步了解制动系统在实际使用过程中的动态特性。达到促进学生对抽象知识的理解和掌握、激发学习兴趣的目的。将AMESim软件利用在制动课堂中，克服了传统教学中理论和实践脱节的问题，让课堂变得更生动，加深了学生对制动装置的认识，为后续整个制动系统学习打下基础。

3 AMESim仿真软件在轨道交通制动课程教学中的优势

4 结语

本文讨论了在轨道交通车辆制动课程中引入AMESim仿真软件辅助教学的优势、作用，并结合具体教学案例—KBGM制动系统空气制动部分进行了阐述。结果表明，通过AMESim软件构建阀类模型，使阀类的工作原理及阀的特性更直观清楚地展现出来，在学生对阀性能的理解、对单车制动系统以及整车制动系统的理解及应用上起到了很好的帮助作用，促进学生积极主动思考，提高学生学习兴趣，也更加符合学校培养应用型人才的要求。