高速列车制动系统的性能研究

安雪君

摘 要：随着高速动车组运行速度的提高，使用条件越来越苛刻和复杂。制动系统是列车制动安全的重要保证，研究制动系统的设计思想和试验方法是当务之急。我国对高速列车制动试验台的研究相对较少，现有的试验台在兼容性、实时仿真等方面还存在不足。针对这些问题，本文建立了动车组制动试验台，完成了高速动车组制动系统及关键部件的研制试验、性能试验和可靠性试验。同时，结合 Amesim 软件，对制动过程进行了仿真和预测，并利用断点对制动过程进行了分析，为试验后制动系统的分析、设计和改进提供了依据。

关键词： 高速列车 制动系统 性能研究

1. 高速列车制动系统概述

随着微控制技术的发展，微型计算机广泛应用于高速动车组直接电空制动系统的控制，可以充分合理地分配空气和再生制动力。基础制动器的闸瓦材料和制动结构也在不断创新。我国第六次提速后，高速列车速度已达到350km/h，列车运行条件更加复杂，这无疑对制动系统提出了更高的要求。因此，研究先进的设计理念和测试方法已迫在眉睫。为了降低试验成本和风险，试验台是最有效的设计和检验手段。我国旅客列车和货车制动试验台经过多年的自主研发，已逐渐成熟。然而，关于300km/h 以上高速动车组制动系统试验台的研究文献很少。另外，现有的高速列车制动试验台在兼容性和实时仿真方面还存在不足，难以满足实际需要。

制动系统是铁路车辆的必备系统，保证车辆运行可控速度覆盖设计最高速度至0速之间的范围，能够实现减速，在固定点停车，在坡道上保持恒定的车速，并防止车辆在坡道上静止时发生位移。制动系统还可实现自动动作，意味着每当发生列车脱节或紧急信号激活时，制动动作必须被触发。铁路车辆通常都配有压缩空气制动系统，特别是对于高速客车，空气制动系统配合电空制动系统可保证列车正常工作。空气制动系统原理简单，可靠性高。该系统可以在任何情况使用，制动动作是由减压指令决定的。空气分配阀根据制动管路内气压的变化，在每辆汽车上设置相应的气动接头，以提高/降低制动缸的压力。

2. 试验台的主要功能和组成分析

2 .1. 主要功能

该试验台操作简单，可进行气源控制试验、制动系统分级制动和分级释放试验、不同初速制动性能试验、不同初速紧急制动性能试验、空载制动调整性能试验、电空制动系统防滑控制试验、 ATP 控制制动性能试验等。另外，在实验管理系统中可以方便、直观地显示相应的采集信号数据。针对列车控制的特点，将制动试验台分为硬件和软件两部分。硬件主要包括控制台、空气电路相关设备、负载模拟器、驱动控制模拟器、数据服务器、电源系统和测试台。软件包括数据采集系统、分析系统和仿真系统。

2.2 . 硬件系统设计

控制台位于试验台的一侧，通过串行通信方式获取和监控车轴、制动盘温度、车速、制动盘、制动缸压力等信息。控制台包括两个部分: 一是数据采集和显示，用于测试数据和结果的采集、处理、存储和显示，它是软件部分的载体，主要是通信设备(IPC、 PCL818L 和 PCI1611U)。针对 RS232在工业环境中抗干扰能力差、传输速率低的特点，采用 RS485总线与底层紧密连接。另一种是数据采集装置，它由4个数据采集单元组成，用于采集试验数据。各测试点可根据实际测试条件灵活调整。

(1)空气管道监测单元: 由7个 MPM4730压力传感器、250ωmr 电阻器、 PCL818L 数据采集卡、交流电机、升降机等组成。压力传感器分别安装在4个制动缸、2个空气弹簧和 BCU 的空气出口处。压力信号由 PCL818L 转换为 A/D，传输到工控机，实时监控制动气管的状态。两个空气弹簧压力的独立负载可以通过交流电机驱动的电梯来实现。该装置可进行制动系统管路和压缩空气设备的气密性试验，空重车制动设备的性能试验及其它相关空气试验。

(2)压力监测单元: 由 bk-4c 压力传感器、压力变送器等组成。压力传感器分别安装在制动盘和制动缸的活塞杆上。制动盘片的压力信号由发射机放大，通过 PCL818L 转换成数据，传输到 ICP。此时，已经配置了 PCL818L 的所有捕获通道。为此，选用 PCI1611U 数据采集卡，通过 RS-485总线采集制动缸压力。该装置可进行制动系统的分级制动和缓冲试验、制动系统、制动盘片性能试验、粘着试验、传动效率试验等相关试验。

(3)温度监测单元: 包括 hs-100rs 非接触式红外温度计、热电偶、 IBF11-Z1-T1-P1-A4温度变送器、 ADAM4018等。Hs-100rs 通过其 rs-485接口采集轴温并传输数据。热电偶粘接在刹车片表面，获取刹车片的温度信号，然后通过温度变送器进行放大、集成和隔离成电信号。经 ADAM4018转换后，电信号数字化，通过 RS-485总线传输到 ICP。

(4)速度监测单元: 由 SWKP IG20磁电式速度测量传感器、 ADAM-4024、电机控制器、伺服电机等组成。ICP 将速度的数字值转换为模拟值，并通过 adam-4024传输到电机控制器。通过对伺服电机转速的控制，实现了试验中的速度控制，速度信号由 SWKP IG20采集，输出数字信号，分为两个通道，一个通过 RS485总线直接发送到防滑装置，另一个通过 RS485总线发送到工控机。本机可进行防滑试验。选用西门子300PLC 作为 EBCU 来处理防滑电磁阀、紧急电磁阀、制动电磁阀、释放电磁阀等相关电磁阀的开关。同时保留了I\O 点作为其它测试电器的接口，提高了电器的通用性。

在空气回路实验中，气源是试验台的专用气源。压缩空气由空气压缩机提供，建立了储气缸(ARS)和制动缸(BCS)。管道系统模拟了真实列车，包括主风管、列车管和制动管。作为制动控制的关键部件，BCU 由紧急阀、空载制动阀、继电阀、集成空气回路板、保护罩、压力变送器、压力测试接口、电子连接器等组成。

负载模拟器由两个空气弹簧、两个高度阀、一个差压阀和一个空气弹簧加载系统组成。空气弹簧加载部分由两台三相交流异步电动机驱动电梯，实现两个空气弹簧的分载。通过对提升机的控制，模拟列车车身两侧的载荷变化，进行高度阀和差压阀调节试验。高度阀用于补偿乘客重量、高度的变化，不受车辆和轨道振动冲击的影响，在同一转向架的2个空气弹簧连接线中间安装差压阀。当列车两侧空气弹簧不正常时，作为安全装置连接空气弹簧，防止列车车身过度倾斜。

控制控制器及转换装置，用于提供制动液位紧急按钮、强制释放、按键开关等。考虑到电压信号传输线路的多样性和复杂性，通过控制信号转换装置将其转换成数字信号并传输给 plc。采用三线制动法模拟驾驶员制动控制手柄的7个常用制动命令，如001为第一制动、010为第二制动等。

3. 系统软件设计

数据采集系统主要用于对数据进行标准化的分类和存储。本文基于 winxp 操作系统，使用 VB6.0开发了一个数据采集系统。MSComm 用于初始化波特率、对等检查、数据位和停止位，并配置通信地址和缓冲区。通过“输入”属性读取缓冲区后，通过 ADO 将数据写入 Access，实现自动、及时、准确的采集。

为了便于监控，在 IPC 中建立了 C/S体系结构服务器，并打开9100端口作为客户端连接端口。SocketServer 是为客户端连接而开发的，用 XML 传输数据包。

为了对制动系统进行研究和分析，本文采用 VB6.0开发了制动系统分析系统。通过与 Amesim 仿真模型的比较，得到了该过程的断点分析，为研究、开发、设计和调整提供了理论依据和建议。分析系统包括:

1. 参数设置: 初始化参数设置，如时间，预控压力，速度等；

2. 不同初速下的制动性能试验; 空重车调整性能试验; 电空制动系统防滑控制试验; ATP 控制制动性能试验等。

3. PLC 控制: 上传/下载数据; PLC 程序开发;

4. AMESim 分析: 使用 AMESim 接口在 VB 环境中开发 AMESim 分析模块，该模块可以方便地配置 AMESim。数学模型的模拟试验由气体和电路模型组织得更有效、更快，并对结果进行了分析。

5. 历史记录: 通过 Access 添加、删除、更改和搜索数据。

4. 结束语

针对高速列车制动系统试验台存在的不足，研制了一套高速列车制动系统试验台。对制动系统的要求进行了深入分析。系统分为硬件和软件两部分。在制动系统仿真方面，阐述了 Amesim 和 VB 的联合仿真原理，并进行了建模分析。测试结果表明，系统运行稳定，测试数据可靠。

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