轨道车辆液压盘式制动系统的动态特性研究*

董 丽，孙海燕，马玉华

0 引言

随着制动技术的发展，防抱死盘式制动器在轨道运输装备中得到越来越广泛的应用[1]。一般地，液压盘式制动器主要包括钳盘式制动器和全盘式制动器两种。其中，钳盘式制动器的摩擦面积仅占制动盘的一小部分，其轮缸成对布置，可避免中心轴受弯矩。当有较大的制动力矩时，可以利用多组轮缸组合使用，当制动盘温升较高时可设置通风孔。本文针对具有防抱死[2]功能的液压滑动钳盘式制动器的制动特性进行研究，基于液压工作原理，计算和分析不同液压管路条件下的制动特性。该种制动器仅在制动盘的内侧设有轮缸，制动轮缸冷却条件好，制动液不易受热汽化，具有重要的研究意义。

1 液压盘式制动仿真模型的建立

1.1 制动器安装与布局

一般地，制动系统按照制动形式可分为粘着制动[3]和非粘着制动两种类型。粘着制动原理为将制动力矩施加至轮轴，从而限制轮轴转动，实现制动降速，理想条件下要求制动过程中车轮与轨道之间无滑动摩擦，即通过粘着力的方式实现制动效果；非粘着制动的原理为将制动力矩施加至轨道，即制动过程中，闸片与轨道之间是始终接触的，属于滑动摩擦。

图1 制动盘安装示意图

盘式制动器包括两套制动钳总成，设计为对称布置，如图1所示。在执行制动操作时，制动钳上的闸片在液压推力的作用下与制动盘之间将产生摩擦制动力矩，其制动力矩的线性度良好。制动力矩在减速器的作用下，将传递至车轮轴，从而通过轮轨之间的粘着摩擦使得运输装备减速或者停车。在两套制动钳总成的作用下，轮轴只会受到制动扭矩，有利于提高各个零部件的使用寿命。

1.2 仿真模型的定义

为了研究不同液压条件下，制动器的动态特性，本文基于防抱死制动系统工作原理，利用AMESim[4]搭建仿真模型。在该仿真模型中，主要使用了积分、微分，以及函数模块等。在该模型底部右侧的两条虚线分别用来接收来自制动盘的制动扭矩信号和向控制器发送蠕滑率信号。在该系统中，还有两个模块的输出信号被封死，即积分和微分模块，积分模块的功能是对车速进行积分，求得机车的行驶距离，微分模块的功能是对车轮转速进行微分，以求得车轮的角加速度，这两个数据的求取便于后期的分析。

（1）压力调节单元模型

AMESim系统为液压系统的建模提供了非常丰富的模型，可直接在液压库中选取所需模块搭建仿真模型，非常方便实用。此处，在搭建防抱死制动系统的压力调节单元仿真模型如图2所示，忽略油液、温度等干扰问题。在压力调节单元中，核心部件是制动主缸、轮缸、高速开关阀、油泵和低压蓄能器。在建立仿真模型时，使用分段式信号源来提供制动主缸所受的踏板力。制动轮缸由液压缸模块、弹簧模块、接触式弹簧-阻尼模块等组成，弹簧模块表示复位弹簧，弹簧-阻尼接触模块表示制动时闸片与制动盘间的接触作用；常开式电磁阀和常闭式电磁阀由两个开关阀模块来表示；制动时，主缸内的高压油液经常开式高速开关电磁阀进入轮缸内，轮缸活塞左移，使接触式弹簧-阻尼模块间产生接触力，即制动盘所受压力，该接触力经增益模块转换为制动扭矩信号，送达单轮车辆模型中，此处，为简化仿真，将制动盘与闸片间的摩擦系数设置为一常数。电动马达、常开式高速开关电磁阀和常闭式高速开关电磁阀上的三条虚线连接至控制器模块，受控制器模块所发出的指令控制，达到调节制动力矩的目的。

图2 压力调节单元模型

（2）控制器模型

因为防抱死系统最为理想的控制方式便是通过调节车轮蠕滑率[5]来提高轮轨粘着系数利用率，所以，在建立控制器模型时，只考虑蠕滑率的影响。当蠕滑率处于设定的蠕滑率范围内时，控制器发出控制指令，轮缸实现保压；当蠕滑率超出设定的蠕滑率范围时，控制器发出控制指令，使得常开式高速开关电磁阀关闭，常闭式电磁阀打开，电动马达启动，轮缸内的油液被排入主缸内，实现轮缸的减压；当蠕滑率在设定的蠕滑率范围之下时，执行增压操作[6]。在建立控制器仿真模型时，使用信号库中的FCT函数模块，并由DMUX模块发送至两个高速开关电磁阀和电动马达，实现制动轮缸的压力调节。在各个模型基础上，得出整体的模型如图3所示。防抱死系统的压力调节单元工作频率很高，后轮制动器的制动管路距离压力调节单元比较远，管路因素对系统响应有着重要的影响。

图3 防抱死制动系统整体仿真模型

2 不同管路条件下制动特性分析

2.1 管路模型的定义

制动钳轮缸与压力调节单元的常开式电磁阀和常闭式电磁阀相连，ABS控制系统发出高频控制指令控制两电磁阀的开闭，进而实现制动轮缸的充、放油操作，以达到制动轮缸内压力的调节。由于制动钳距离防抱死系统的压力调节单元较远，必须使用较长的管路进行连接，而制动油液并非理想液体，它具有可压缩性，而且在传输中会有管道阻力的存在，这些因素都会导致系统的响应延迟。采用一个三位三通电磁阀模块代替压力调节单元中的常开式电磁阀和常闭式电磁阀；使用一恒压源模块作为动力源；使用阶段信号控制高速开关阀的启闭；右侧液压缸代表制动轮缸，弹簧和弹簧阻尼接触模块代表闸片与制动盘间的接触。该系统制动油液属性由油滴模块来指定。

2.2 结果分析

通常情况下，系统对单位阶跃输入信号的响应可表示出其工作性能，主要是由于阶跃信号比较易于获取。在工程实际中，许多输入信号与阶跃输入信号相类似，况且，阶跃输入信号往往是最不利的情况。所以，在该模型中，使用阶跃信号来控制电磁阀的动作，阶跃信号由阶跃信号源模块产生，该信号源产生的阶跃信号可以在0.001s内由0升到给定值。

设定信号在0～0.1 s内输出0，表示电磁阀保持关闭，轮缸保压；在0.1～0.2 s内输出1，表示电磁阀P-A路导通，轮缸增压；在0.2～0.3 s内输出-1，表示电磁阀A-T路导通，使轮缸压强降低。仿真模型中假设闸片与制动盘接触，在管路长度分别为0 m、1 m、2 m、3 m条件下进行分析，忽略自身的弹性影响以及电磁阀内油液的弹性作用，在0.3 s内求解出管道长度对轮缸压力响应的影响如图4所示。

由图4可以看出，当管道长度的变长时，轮缸的压力响应时间也会延长；当管道长度为0 m（理想情况）时，由于不考虑电磁阀内油液的弹性作用，轮缸压力变化情况与控制信号一致。这是因为，在0.1 s阶跃信号控制电磁阀P-A路导通，高压油液瞬间排入轮缸，导致轮缸的压力响应变慢；对于0.2 s的卸荷过程来说，由于电磁阀有一定的节流作用，在卸荷时，管道中也会存在油压，对于较长的管道来说，相同压力下，其内油液的压缩变形较大[7]，系统响应也就越慢。

图4 管道长度对轮缸压力响应的影响

相同壁厚情况下，不同弹性模量的材料对液压系统的响应所产生的影响有较大差异。此处，选择四种不同材料的管道进行仿真。控制信号在0～0.1 s和0.2～0.3 s内输出0，表示电磁阀处于关闭状态，轮缸保压；在0.1～0.2 s内输出1，表示电磁阀P-A路导通，轮缸增压；在0.3～0.5 s内输出-1，表示电磁阀A-T路导通，轮缸减压。设置仿真时间0.5 s进行计算，管道材料对轮缸压力响应的影响如图5所示。

图5 管道材料对轮缸压力响应的影响

图5 中可以看出，在0.1 s阶跃信号控制电磁阀P-A路导通，高压油液瞬间排入轮缸，对于刚度较大的管道来说，其产生的弹性变形较小，管道存储的油液少，轮缸压力响应也就越迅速；而对于刚度较小的管道来说，其产生的弹性变形比较大，管道存储的油液多，轮缸压力响应也就越迟缓。对于0.3 s的卸荷过程来说，由于电磁阀有一定的节流作用，在卸荷时，管道中也会存在油压。在该图中还应注意，对于弹性模量在104MPa以上的管道，其响应速度基本相同。

2.3 制动系统布局优化

根据以上分析结果可知，管路越长、材料刚度越小，轮缸压力响应也就越慢。所以，为提高防抱死系统的控制精度，在布置防抱死系统的压力调节单元时，应尽可能地靠近制动钳，以减少管道内油液的影响；对于管道材料来说，可以选用钢制管道，或增强型的橡胶管道。如图6所示，表示的是改进后的制动系统布置方案。

改进后，将防抱死制动系统布置在两制动盘中间，压力调节单元距制动钳的距离在0.5m内，电磁阀与轮缸间的制动管路比改进前缩短近两米，这有助于提高轮缸压力的响应速度，缩短了压力调节单元与制动钳之间的制动管路，而制动主缸与压力调节单元之间的管路却增长了。在防抱死系统中，制动主缸相当于恒压源（假设司机所施加的踏板力恒定），其主要负责对该系统提供一个压力，并不参与制动轮缸的压力调节，制动管路对其影响较小。

图6 制动系统安装布置优化方案图

3 结论

液压盘式制动器具有安装、维护方便、制动力矩可靠、散热性能良好等优点，在轨道车辆中有着良好的应用效果。文中通过AMESim系统建立液压盘式制动器的液压仿真模型，得出液压管路的不同对缸压力响应的影响。研究结果表明，在液压系统设计时，可通过降低管路长度、增大材料刚度的方法提升制动压力响应速度。同时，采用结构布局优化方法，将防抱死制动系统设置于制动盘中间，更利于液压回路的流动效率的提升。