地铁紧急制动故障特征仿真范文

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《交通运输工程学报》2015年第五期

紧急制动是地铁列车安全运行的根本保障，紧急制动触发源于列车紧急制动环路，通过制动控制单元中的紧急制动气路实现，压缩空气通过紧急电磁阀、空重车阀等部件驱动基础制动装置动作，因此，监测紧急制动气路关键部件即紧急电磁阀故障非常重要。目前，关于紧急电磁阀的在线故障监测手段较为单一，往往在触发紧急制动后再进行故障排查，造成列车运行效率低下等问题，有必要研究快速定位与分析紧急制动故障的有效途径，关键是制动系统建模。Pugi等将制动系统分成3个元件库，采用MATLAB／Simulink建模，3个元件库包括基本元件库（管路、腔体与节流孔等）、复杂元件库（制动缸、制动阀与分配阀等）与车辆元件库（头车、拖车与信号车等），其中复杂元件库中的制动阀模型和分配阀模型用基本元件库里的基本元件通过MATLAB／Simulink中的状态流图和有限状态机来建立，建模过程复杂，工作量大，也不考虑气体与固体传热的影响；Cantone等基于试验数据进行建模，没有考虑司控室制动阀与分配阀的实际机械结构，而是将其视为“黑箱”，利用试验数据拟合函数进行建模，通用性不强；Acarman等建立了重载汽车的空气制动系统模型，用一阶滤波器来模拟由管长和管内摩擦引起的压力损失变化，侧重分析管路对制动性能的影响；Taghzadeh等建立了On／Off阀的详细模型；Messina等建立了由2个二位三通On／Off阀和1个气缸组成的气动系统模型，模型包含电磁子模型、机械子模型与流体子模型，解决了控制信号与气动信号的联合建模；魏伟等主要针对货车制动系统建立了列车管的一维非等熵气体流动数学模型，采用了特征线法进行求解，属于解析性建模方法，较复杂。以上建模旨在研究制动系统性能与制动单元的参数匹配问题，较少同时运用控制信号、气动信号与机械参数针对故障特征分析进行建模。

故障再现仿真是研究结构化复杂机电系统动态情况下发生故障的一个重要手段，曹宏发等基于解析模型进行故障再现，即在给定的控制系统中给定输入向量和输出向量，及时发现系统故障以避免可能出现的风险；Niu等利用键合图理论对制动系统列车管压力控制模块开展动态建模和故障仿真，通过增加测量参数不确定性因素并添加虚拟传感器元件，进行了故障再现仿真；黄志武等根据键合图模型的因果路径关系推导系统的解析冗余关系，仿真获得系统故障特征矩阵，再通过系统观测特征与故障特征的比较实现系统的故障监测与再现。这些研究在有效分离故障方面均有一定优势，但模型复杂，适应范围受限。为了实现鲁棒的故障监测与再现，本文基于AMESim软件，综合运用控制、气动与机械参数针对故障特征分析进行建模，分析了紧急制动故障特征，提出了面向典型参数的故障再现分析方法。

1紧急制动故障

1．1紧急制动环路与工作原理图1为6节编组地铁列车的紧急制动环路，贯穿整个列车，触发紧急制动条件包括：司机手柄手动操作、乘务员开关手动操作、列车管压力过低自动动作与列车自动运行系统（ATO）检测到超速、列车分离、制动力不足时均会自动动作。一旦紧急制动触发，压缩空气将通过制动控制单元（BCU）控制制动缸压力变化，实施紧急制动。图2为BCU工作原理，主要包括电空转换阀（EP阀）、紧急电磁阀、空重车阀、中继阀与压力传感器等，这些零部件集成在一块气路板上，其中EP阀包括缓解阀与制动阀，EP阀产生的预控压力与制动指令相适应。紧急电磁阀结构等效于二位三通电磁阀，正常情况下得电且允许EP阀经过空重车阀，与中继阀连通。当紧急电磁阀失电时，来自制动风缸的压缩空气直接通过空重车阀与中继阀产生紧急制动。空重车阀根据空气弹簧车辆载重信息限制其后端的最高空气压力，预调的压缩空气进入中继阀的容积室后经流量放大作用至制动缸，最终实现基础制动单元的制动力控制。

1．2紧急制动故障从紧急制动环路工作过程来看，紧急电磁阀常得电的状态直接影响其使用寿命，也是紧急电磁阀故障的主要来源，其表现形式有：紧急制动指令发出后制动系统不能正常施加紧急制动与在没有紧急制动指令时制动系统施加紧急制动。根据图2BCU工作原理可知紧急电磁阀是否动作直接影响中继阀容积室压力变化，因此，中继阀容积室压力可以表征紧急电磁阀故障状态，而制动指令和中继阀容积室压力可通过制动系统检测得到。3类紧急电磁阀故障为：第1类，在紧急制动工况下，紧急电磁阀失电时，1s后监测中继阀容积室压力，如果小于150kPa，说明紧急电磁阀故障，正常紧急制动时中继阀容积室压力为300～500kPa；第2类，在非紧急制动况下，且无常用、快速制动时，1s后监测中继阀容积室压力，如果大于100kPa，说明紧急电磁阀发生故障，即在没有任何制动指令情况下施加了紧急制动，正常情况下的中继阀容积室压力应小于100kPa；第3类，在非紧急制动工况下，且有常用、快速制动时，1s后监测中继阀容积室压力，如果高于目标值50kPa以上，说明紧急电磁阀故障，这主要是由于紧急电磁阀失电等原因，即正常制动时错误施加了紧急制动。

1．3故障诊断流程从故障分析可知：判断紧急电磁阀是否故障的依据主要是制动指令和中继阀容积室压力。根据制动指令判定是否处于紧急制动工况，根据中继阀容积室（CV）压力判定紧急电磁阀实际动作，综合以上2个信号作为紧急电磁阀故障诊断的依据，建立紧急电磁阀故障诊断流程见图3。

2故障再现与验证

2．1建立仿真模型AMESim软件集成了多种气动元件库，构成地铁列车制动系统的各类控制阀可通过标准气动元件二次开发完成，建模原理基于软件定义的3类基本气动单元：容性单元、阻性单元和感性单元。容性单元内部有气体容腔，模型中考虑传热，容腔内部气体的压强、温度与密度等状态变量由相应的微分方程描述，容性单元模型是瞬态模型。容腔内气体的压力变化取决于质量流量、热传导和容积变化。感性单元模型描述了气体的宏观运动规律，反映了气体的惯性效应。气体在管道内的运动特性可用伯努利方程式描述，由于气体质量和黏性很小，建模中不考虑气体惯性效应。地铁列车气制动系统是一个典型的复杂气动系统，其中EP阀等可采用通用的电磁阀模拟，中继阀与空重车阀等则需要通过二次开发建立模型。运用AMESim软件建立的气制动系统仿真模型见图4，模型包含控制信号、空重车调整阀、中继阀、紧急电磁阀、风缸、防滑阀与制动缸等，信息流包含相互独立的气动信息和控制信息，其中气动信息通过气动元件之间的管路相连，控制信息通过等效气动元件的电磁阀控制端输入，f（x）表示空重车阀输出随空气弹簧压力变化特性，x为对应空重车阀输出的电磁阀控制信息，y为反馈压力。图5为图4中紧急电磁阀的细化模型，由AMESim软件标准模块，基于软件定义的3类气动单元：容性单元、阻性单元和感性单元通过信息流传递组合而成。图6为6节车辆编组的列车级模型，每节车辆上包含一组空气制动系统仿真模型，车辆间以车钩相连，用弹簧与阻尼器等效简化。当某节车辆紧急制动发生故障时，对其他车辆或整列车的影响体现在加速度与车钩力上。模型中TC1为头车，M1～M4为中间车辆，TC2为尾车。

2．2仿真结果分析

2．2．1第1类故障图7为1节车辆紧急电磁阀失电时，故障状态与正常状态下中继阀容积室压力变化仿真曲线，当发生第1类紧急电磁阀故障时，中继阀容积室压力有明显变化，从正常的500kPa降至150kPa以下，说明可以根据中继阀容积室压力变化判断紧急电磁阀故障，与前述故障特征相符。图8为一列车中，当M2车辆发生紧急制动第1类故障时，车辆之间的车钩力变化仿真曲线。可以看出，当M2车辆发生第1类紧急电磁阀故障时，M3－M4车辆间的车钩力由正常的80kN增大到约100kN，M2－M3车辆间的车钩力则降低至40kN，车辆间纵向力变化剧烈。

2．2．2第2类故障第2类故障实质是在没有紧急制动指令的情况下触发了紧急制动，仿真中通过模拟常用制动工况下施加紧急制动进行分析。常用制动时紧急电磁阀处于得电状态，通过分析中继阀容积室压力变化曲线间接确定紧急电磁阀故障状态。图9为第2类故障仿真结果，当列车没有施加任何制动指令，包括紧急、常用与快速制动时，中继阀容积室压力超过100kPa，说明紧急电磁阀发生故障，导致CV压力出现异常升高。在正常情况下，由于未施加制动，CV压力为0。

2．2．3第3类故障图10为第3类故障仿真结果，在没有施加紧急制动的情况下，常用制动时中继阀容积室压力应为200～300kPa，而发生故障时中继阀容积室压力约为500kPa，超过标准值50kPa以上，说明系统错误地施加了紧急制动。

2．3试验验证为验证仿真结果，在制动系统气路控制试验台上进行了紧急制动故障再现模拟。图11为试验台，由试验台控制中心、基础制动单元、风源模块、气路被测部件BECU、BCU与紧急电磁阀等组成，可以对气路被测部件BCU中各个部件的性能进行测试，也可实现紧急电磁阀的故障模拟。图12为试验控制界面。针对紧急电磁阀第1类故障进行模拟试验，即在紧急制动工况下，当紧急电磁阀失电时，1s后测得中继阀容积室压力应小于150kPa，试验方法如下。（1）触发紧急制动信号，测试中继阀容积室压力变化情况。（2）断开气路被测部件BCU的紧急电磁阀信号线，触发紧急制动信号，测试中继阀容积室压力变化情况。紧急阀状态判定标准如下。（1）紧急电磁阀正常：中继阀容积室实际压力与目标压力一致。（2）紧急电磁阀故障：中继阀容积室压力小于150kPa。图13为试验结果，紧急电磁阀故障状态与紧急制动信号均为0、1逻辑信号，为了便于区分不同信号的变化，将紧急电磁阀故障状态与紧急制动信号分别放大150倍与170倍。从试验结果可以得出如下结论。（1）在第100．5s时触发紧急制动信号，根据设定参数计算得到CV目标压力为300kPa，正常情况下CV实际压力变化约1．1s后上升至300kPa。（2）当人为断开紧急电磁阀信号线，在第100．5s时触发紧急制动信号，紧急制动状态控制BCU紧急电磁阀失电，模拟第1类故障，CV实际压力为0，中继阀容积室压力达不到预定值，即车辆无法动作，反映紧急制动。一旦出现这类紧急电磁阀故障，就会引起车辆间车钩力的异常变化等问题。根据图3设定的故障判断方法，在紧急制动信号失电后的3s内连续判断以确认发生紧急电磁阀故障，即在第103s时紧急电磁阀故障状态翻转。（3）试验结果表明切断紧急电磁阀的信号以模拟第1类故障，2．6s后紧急电磁阀故障被识别，与仿真结果一致。同样基于该试验台可以进行紧急电磁阀第2、3类故障模拟试验。

3结语

根据地铁列车紧急制动环路工作原理与紧急制动气动系统特点，基于AMESim仿真方法，建立了制动系统与列车制动仿真模型，运用故障再现仿真方法对紧急电磁阀故障进行了模拟，并通过气路控制试验台进行了紧急制动故障再现模拟与验证。结果表明：基于AMESim建立的制动系统与列车制动模型可用于紧急制动故障的模拟，为研究紧急制动故障特征规律提供了参考；提出的基于制动指令与中继阀容积室压力为特征的紧急制动故障分类与分析方法的可行性；通过人为切断紧急制动信号模拟第1类紧急电磁阀故障的试验，对比验证了正常情况与故障情况的紧急电磁阀故障特征识别，研究成果可用于制动系统在途故障监测与制动系统服役安全跟踪。

作者：左建勇 韩飞 胡薇 单位：同济大学 铁道与城市轨道交通研究院 法国国立高等工程技术大学校机械工程学院