地铁车辆液压制动系统试验研究

徐广增 罗超群

摘 要：针对地铁车辆液压制动系统，设计了基于PLC架构的液压制动系统试验装置。在车辆通电前即可对液压制动系统各部件进行控制及状态检测，不仅满足制动系统注油排气需求，还可单独对制动系统进行试验。在车辆通电后对制动系统电磁阀状态、制动压力等参数进行在线检测，可方便的查找系统故障。

关键词：液压制动 在线检测

0.引言

随着我国轨道交通的迅猛发展，各类车型的推陈出新同时也加速了各类测试设备的更新换代。目前我国采用液压制动系统主要为低地板列车，其他类型列车均采用空气制动系统[1-2]，而各低地板列车液压制动系统试验检测设备均由各系统供应商提供，无法通用。

现对地铁车辆液压制动系统试验内容进行研究，开发一套通用的液压制动系统试验装置，通过制动系统中液压泵、比例阀、电磁阀以及压力传感器等信号的控制及反馈信号采集，结合车辆制动系统试验，进一步完善车辆制动系统调试方法。

1.液压制动系统原理介绍

液压制动系统主要由微机制动控制单元、液压控制单元、蓄能器、基础制动单元、辅助缓解装置、液压管路、液压油、磁轨制动等组成。液压制动系统与空气制动系统施加缓解过程相反，制动缸压力升高时制动缓解，压力下降时通过弹簧作用制动施加。

液压控制单元为制动系统主要的执行单元，图1为其典型原理。液压泵提供制动系统压力油，比例阀控制其输出压力以施加或缓解制动，通过压力传感器提供反馈信号进行调节，当系统压力过载时，安全阀打开泄压限制系统最高压力，起到安全保护的作用。S口接蓄能器，液压油充入蓄能器，当蓄能器的压力达到标准后，液压泵停止工作，制动缓解时通过蓄能器供给压力，当蓄能器压力下降，液压泵再次工作。也有部分车型未设置蓄能器，液压泵在通电后一直工作，通过比例阀旁路液压油来调整输出压力，但各种车型液压制动主要工作原理相类似。

2.液压制动系统试验装置结构

基于对液压控制单元原理的研究，开发液压制动试验装置，按照各项试验流程，采集压力传感器信号及电磁阀状态，控制液压制动单元动作，同时检测判断试验结果。

液压制动系统试验装置分为下位机硬件控制单元及上位机人机界面。采用西门子SMART 200 PLC作为控制模块完成设备的逻辑和运动控制以及液压制动系统各部件运行时电压、电流、压力以及压力开关状态等电参数的采集[4]。通过基于Microsoft Visual 2008开发的液压制动系统试验软件[5]实时显示液压制动系统各部件的运行状态，同时下发控制指令至PLC，对液压制动系统进行控制。

系统拓扑如图2所示，上位机为通用笔记本电脑，安装自行研发的液压制动系统试验软件，下位机控制单元包括电源模块、PLC主机及相应输入输出模块，分别控制继电器、接触器、PWM等信号输出以及传感器信号采集等，通过连接器与液压制动单元相连。

3.液压制动系统试验

通过上述试验装置对車辆液压制动系统进行试验，下面以车辆试验中的液压泵电机试验、保压试验以及电液比例阀的控制试验为例阐述试验方法。

3.1液压泵电机试验

试验流程见图3，通过试验装置控制液压泵电机启动，同时不断检测蓄能器压力变化[6]，使用外接传感器采集蓄能器端压力，若蓄能器压力低于设定值，则控制液压泵启动泵油，直至系统压力满足设定值。液压泵电机电源采用可编程电源供电，同时设有分流器对电机电流进行检测，过流过压时自动保护。

3.2保压试验

为了检查制动单元的压力保持性能，在上述液压泵启动试验后，通过传感器检测系统压力，一般要求30min内压力下降程度不足以触发液压泵启动。使用液压制动试验装置可自动记录压力曲线及保压时间，无需调试人员值守，自动判断试验结果。

3.3电液比例阀控制

液压制动力的大小是通过液压单元内部比例阀控制的，通过控制电液比例阀将蓄能器内部压力释放至制动缸或将制动缸内压力释放值油箱中，实现制动施加或缓解。

依据电液比例阀机构控制器特点[7]其控制方式设计2种方式：电流控制、PWM控制。由于电液比例阀阀芯的移动时间存在滞后，需对滞后时间进行补偿。因此在对比例阀控制时需对其进行PID调节以补偿液压系统中阀的实际滞后时间的影响[8]。

比例阀PID调节程序如下：

经过参数调整，某车型比例阀控制电流以及输出压力曲线结果如图4所示，首先逐渐增大比例阀电流使得使制动缸压力（图中A口压力）上升，然后在逐渐减小比例阀电流使得制动缸压力下降，比例阀电流与比例阀输出压力线性关系良好，证明本试验装置可满足液压制动试验需求。

3.4制动系统在线监测

除进行液压制动试验外，还可在车辆动态试验过程中在线监测液压制动单元。如图5所示，车辆正常运行过程中通过车辆端控制制动系统，液压制动控制装置采集制动单元内液压泵、电磁阀等状态信息，可快速查找处理动调过程中出现的制动系统故障。

4.结语

通过对液压制动系统研究，设计了通用的地铁液压制动系统试验装置，实现车辆液压制动系统控制与执行单元的在线监测，优化了试验流程及试验方法，提高了调试自动化水平及试验质量，结合现车验证效果良好。

参考文献：

[1] 李红军. 长春轻轨车辆液压制动设计原理[J]. 城市轨道交通研究，2008.5：57-59

[2] 应之丁，张锷，姜敏. 低地板轻轨车辆制动技术分析[J]. 城市轨道交通研究，2006.6：64-67

[3] 曹国利，曾宪华，刘睿. 国产低地板轻轨车辆制动系统方案[J]. 中国城市轨道交通关键技术论坛暨中国，2012：111-114.

[4] 张燕. 电气控制与PLC[M]. 北京：科学出版社，2005.7：123-124.

[5] John Sharp. MicrosoftVisualC#2008从入门到精通[M]. 北京：清华大学出版社，2009.1.

[6] 张增猛. 基于压差控制的蓄能器压力调节方法及其AMESim仿真[J]. 机床与液压，2007.6：99-101

[7] 李光彬，张雪梅，赵光. 基于PWM控制技术的电液比例阀特性的研究[A]. 北京：中国设备工程，2007.6：22-23.

[8] 刘国平，齐大伟，夏五星，胡瑢华. 电液比例阀不完全微分PID控制算法设计[B]. 仪表技术与传感器，20013.6：105-107.