基于轴控的城轨列车制动系统的可靠性设计

・１１４・　《测控技术￣２ｏ１３年第３２卷第２期　基于轴控的城轨列车制动系统的可靠性设计　赵文文　，姚恩涛　，游有鹏　，王（１．南京航空航天大学自动化学院，江苏南京辉　２１００１６）　２１００１６；２．南京航空航天大学机电学院，江苏南京摘要：压电比例阀是一种新型气动阀，轴控是以列车单轴作为基本控制对象。为提高系统的可靠性，从　系统架构出发，分析了轴控制动系统的冗余设计方案；以制动单元为对象，建立了车控制动单元和轴控　制动单元的广义随机Ｐｅｔｒｉ网（ＧＳＰＮ）的可靠性模型，对两个系统稳态的可靠性进行了对比，为制动系统　的进一步完善提供了可靠的数学模型。　关键词：压电比例阀；制动系统可靠性；广义随机Ｐｅｔｒｉ网　中图分类号：Ｕ２６　文献标识码：Ａ　文章编号：１０００—８８２９（２０１３）０２一Ｏｌ１４—０４　Ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｃｉｔｙ　Ｒａｉｌ　Ｔｒａｉｎ　Ｂｒａｋｅ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ａｘｉｓ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ＺＨＡＯ　Ｗｅｎ．ｗｅｎ　，ＹＡＯ　Ｅｎ—ｔａｏ　，ＹＯＵ　Ｙｏｕ．ｐｅｎｇ　，ＷＡＮＧ　Ｈｕｉ　（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｍｉｎｇ　２１００１６，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｍｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ａｅｒｏｎａｕｔｉｃｓ＆Ａｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｍｉｎｇ　２１００１６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｒＩ１ｌｅ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｉｒｃ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｖａｌｖｅ　ｉｓ　ａ　ｎｅｗ　ｔｙｐｅ　ｏｆ　ｐｎｅｕｍａｔｉｃ　ｖａｌｖｅ．ａｘｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｒｅｇａｒｄｓ　ｔｈｅ　ｓｉｎｇｌｅ　ａｘｌｅ　ａｓ　ｔｈｅ　ｂａｓｉｃ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｏｂｉｅｃｔ．Ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ．ｔｈｅ　ｒｅｄｕｎｄａｎｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ａｘｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂｒａｋｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｂｒａｋｅ　ｕｎｉｔ，ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ａｎｄ　ａｘｌｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｂｒａｋｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ　ｓｔｏｃｈａｓｔｉｃ　Ｐｅｔｒｉ　ｎｅｔｆ　ＧＳＰＮ１　ｉＳ　ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ｓｔｅａｄｉｎｅｓｓ　ｉｓ　ｃｏｍｐａｒｅｄ，ｗｈｉｃｈ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｒｅｌｉａｂｌｅ　ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌ　ｍｏｄｅｌ　ｔｏ　ｉｍｐｒｏｖｅ　ｔｈｅ　ｂｒａｋｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｉｃ　ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ　ｖａｌｖｅ；ｂｒａｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ；ＧＳＰＮ　制动系统是城轨车辆的重要组成部分，列车制动　系统的稳定、可靠、正确运行是列车行车安全的重要保　障。现场数据表明，制动系统故障占整车故障的较大　比例，同时，其故障部件也较为复杂…，因此研究制动　单元的可靠性显得极为重要。本文在轴控制动单元框　架上，采用了压电阀作为气压控制部件，对车控和轴控　两种制动架构进行了广义随机Ｐｅｔｒｉ网的可靠性建模　和分析。　能与结构参数直接关系到电／气转换性能的优劣。压　电双晶片的工作原理主要是基于压电陶瓷（ＰＺＴ）的逆　压电效应。给处理过的压电陶瓷施加一个外加电场，　那么将导致其内部正负电荷中心变化，最终引起压电　陶瓷发生变形　Ｊ。双晶片结构是将两片压电片双面　对称粘贴在一块弹性梁上，一端夹持，一端自由，如图　１所示。根据理论公式推导，压电晶片弯曲变形公式　为　。　一　１压电比例阀　１．１压电比例阀的工作原理　“一垒　８Ｅｈ。＋１２Ｅｈ　ｈ　＋６Ｅｈ￣ｈ＋Ｅｏｈ：　…　、　压电双晶片是压电比例阀的核心元件，其材料性　收稿日期：２０１２—０５—０３　式中，Ｅ、　分别为压电晶片、等效梁的弹性模量；ｄ为　压电常数；　。为电极厚度；ｈ为压电晶片厚度；Ｖ为驱　动电压。　压电比例阀整体结构如图２所示，主要由上下两　部分组成，即压电式电气转换单元和主阀。压电式电　气转换单元也称为先导阀，主要实现电／气转换功　能　Ｊ。先导控制压力进入主阀上腔后，首先推动上、　下阀芯一起向下运动，连通进气口和出气口，实现压力　基金项目：江苏省科技支撑计划资助项目（ＢＥ２０１０１９１）　作者简介：赵文文（１９８７一），女，江苏连云港人，硕士研究生，主　要研究方向为计算机测控；姚恩涛（１９６５一），男，教授，主要研　究方向为计算机测控和传感器技术。　基于轴控的城轨列车制动系统的可靠性设计　输出。通过控制先导阀输出压力的变化，控制了锥面　密封带的不同开度，实现对阀输出压力的比例控制。　当输出压力大于所要求的控制值时，上阀芯控制腔气　体从排气口排至大气，从而实现降低出气口输出压力　的目的。　图１　在驱动电压作用下的压电双晶片变形　压电式电气转换单元　麓．。关蚜广一工　一　工岍辑一　图２压电比例阀结构示意图　相对于电磁式比例阀，压电式比例阀使用寿命达　到百万次级别，响应速度为毫秒级以下，可工作在电磁　干扰严重的场合，且使用压电比例阀的响应速度快，在　气路的设计中省略了排风阀，简化了制动的气路结构。　２轴控制动系统的冗余设计　在轴控系统中，由于压电主控单元担负着对制动　力的主调控责任，所以一旦出现故障，必然导致该轴上　的制动力出现较大损失。为了进一步提高系统的可靠　性，本系统在气路单元中专门设置了冗余切换单元。　所谓“冗余设计”，是通过增加系统复杂度的方法，用　额外的硬件、软件、信息等冗余方式来掩盖故障造成的　影响，使得系统中即使某一部分出故障，但整个系统仍　能正常工作，从而提高系统可靠性的设计方法　。　本系统冗余设计采用了硬件冗余方法，该单元主　・１１５・　要由压电阀和切换阀构成，如图３所示。当Ａ、Ｂ轴的　压电主控单元即两个中继阀都工作正常时，Ａ、Ｂ两轴　双重工作。当有一个出现故障时，制动控制系统将会　及时诊断这一故障，启动切换阀，由另一根轴的制动控　制系统担负起同一转向架的两根车轴的制动控制任　务，实现冗余保护功能，避免本转向架的制动力损失。　本系统应用硬件冗余技术，当系统部件出现永久性故　障时，切除故障模块来重新组合，从而达到隔离故障的　目的。　Ａ轴制动缸　开关阀Ａ　切换阀Ａ　开关阀Ｂ　切换阀Ｂ　Ｂ轴制动缸　图３轴控制动单元　３　基于广义随机Ｐｅｔｒｉ网的可靠性分析　．卜关　　现有制动系统的方式分为３种：车控式、架控式和　轴控式。车控式制动系统以整个车厢为基本单元来进　行控制　］，即一个制动微机控制单元同时控制一节车　厢的４个轴。架控式制动系统以车辆的转向架为单位　来进行控制　Ｊ，即一个制动微机控制单元控制一个转　向架，对每节车的两个转向架进行独立的控制。而本　文研究的轴控式制动系统是以车辆的车轴为控制单　元，可以独立地接收和解析制动指令信号，对本轴的制　动力进行精确控制。　下面根据广义随机Ｐｅｔｒｉ网原理，对车控制动单元　和轴控制动单元进行故障逻辑关系建模，利用ＳＰＮＰ　仿真软件进行分析得出可靠性指标并进行对比。　３．１车控制动单元　车控制动单元如图４所示，制动控制输入气源有　两条气路，常用制动气路和紧急制动气路，通过主中继　阀控制输出压力。常用制动经过减压阀后，通过两组　电磁阀进行控制和微调，通过主中继阀控制输出压　力　。紧急制动经过减压阀通过电磁阀到中继阀直　接制动，与常用制动不在一个气路中，其中实线框中为　常用制动气路，虚线框为紧急制动气路。　从以上分析可知：８个阀门从故障逻辑关系上看　为或门关系，即只要有一个阀门故障，则整个系统失　效。为便于分析系统的可靠性特征，做出以下假定　：　①系统中的阀及制动系统只有正常或失效两种　状态；　②各个阀之间的状态相互独立，即不考虑元件之　一，・ｌ１６・　《测控技术））２０１３年第３２卷第２期　表１图５模型中的库所、变迁含义表　库所Ｐ　Ｐ　含义　变迁　含义　第ｉ个阀故障　间的相关性；　③各个阀失效后立即维修；　④系统失效时，未失效的元件将停止工作，在停　止工作期间不会发生失效。　建立车控制动单元的ＧＳＰＮ模型如图５所示，各　库所及变迁含义如表１所示，ｉ＝１，…，８。设各个阀的　故障间隔时间和维修时间服从指数分布。　ｉＩ减压阀６　第ｉ个阀的正常状态　Ｐ，　第ｉ个阀的故障状态　Ｐ０　Ｐ　车控制动单元故障单元数　车控制动单元工作正常　第ｉ个阀修复　系统发生故障　Ｐ，　车控制动单元失效状态　系统修复　该模型的原理为：开始时，８个阀门都处于正常状　态。若在某一时刻，阀门１发生故障，变迁　激发，阀　１　１竺　！ｌ　ｌ电磁阀７　门１进入故障状态，同时变迁　激发，Ｐ　中的标识消　失，尸，中出现一个标识，表示车控制动单元发生故障。　由于禁止弧的存在且Ｐ，中存在一个标识，其他阀停止　工作，在阀门１的修复过程中不会发生故障。经过某　延时后　激发，阀门１恢复正常工作，Ｐ　出现一个　标识，同时变迁　激发，Ｐ，中的标识消失，标志制动　一图４车控制动单元　单元故障修复。　３．２轴控制动单元　对图３的轴控制动单元建立轴控制动单元的　ＧＳＰＮ模型如图６所示，各库所及变迁含义如表２所　示。设各个阀的故障间隔时间和维修时间服从指数分　布。　该模型的原理为：轴控制动单元分为中继阀子单　元和切换阀子单元。开始时，４个阀门都处于正常状　态。若在某一时刻，中继阀Ａ发生故障，变迁　激　发，中继阀Ａ进入故障状态，Ｐ。。中有一个状态标志，　尸　中的标识减少一个，但此时　并不激发；当中继阀　图５车控制动单元的ＧＳＰＮ模型　Ｂ也发生故障时，Ｐ　中出现标识，标识中继阀子单元　出现故障，则整个轴控制动单元失效。中继阀子单元　的两个中继阀在逻辑上为并联关系，只有两个阀同时　出现故障，轴控制动单元才会失效；而切换阀子单元的　两个切换阀在逻辑上为串联关系，只要有一个故障，则　切换阀子单元故障，轴控制动单元失效。　图６轴控单元的ＧＳＰＮ模型　基于轴控的城轨列车制动系统的可靠性设计　・１１７・　避衽表２图６模型中的库所、变迁含义表　霹所Ｐ　含义　变迁　含义　Ｐ０　轴控制动系统的故障状态　ｌ　中继阀Ａ故障　Ｐ　１　中继阀Ａ的正常状态　中继阀Ａ修复　Ｐ，１中继阀Ａ的故障状态　中继阀Ｂ故障　Ｐ　中继阀Ｂ的正常状态　中继阀Ｂ修复　Ｐ，２中继阀Ｂ的故障状态　切换阀Ａ故障　Ｐｄ切换阀Ａ的正常状态　切换阀Ａ修复　Ｐ，３切换阀Ａ的故障状态　切换阀Ｂ故障　Ｐ　切换阀Ｂ的正常状态　ｚ　切换阀Ｂ修复　｜Ｐ，４切换阀Ｂ的故障状态　中继阀子单元故障　Ｐ　－　中继阀子单元的故障状态　中继阀子单元修复　切换阀子单元的故障状态　切换阀子单元故障　Ｐ。１　中继阀子单元的故障个数　切换阀子单元修复　Ｐ　切换阀子单元的故障个数　Ｐ　中继阀子单元正常工作单元数　Ｐ　切换阀子单元正常状态　给出变迁具体的实施速率值：两种制动系统每个　阀的故障率均为０．００１／ｈ，修复率均为０．０４／ｈ。在不　考虑阀的影响下，分析制动单元气路对可靠性的影响。　利用ＳＰＮＰ　６．０仿真软件分析单元的可靠度，则两种制　动单元的故障率随时间的变化如图７所示。车控单元　的稳态故障率为０．１６２，轴控单元的稳态故障率为　０．０４８，对于元件都服从指数分布的情况，系统的稳态　故障率和可靠度是基本恒定的，这是符合指数分布元　件所组成的系统的特点的　。由以上分析可以看出，　轴控制动单元与传统的车控制动单元在气路和设计上　相比，在不考虑各种阀的影响下，轴控制动的可靠性更　高、安全性更大。　时Ｎ／ｈ　图７车控制动单元和轴控制动单元的故障率大小　４　结束语　本文将新型气动阀压电阀应用到轴控制动系统　中，并将冗余技术应用到轴控系统中，提高了系统的可　靠性。利用广义随机Ｐｅｔｒｉ网对两种不同制动方式进　行建模和仿真，得出可靠性指标，为轴控制动系统的完　善提供了数据。　参考文献：　［１］　周莉茗．城市轨道交通车辆制动系统安全分析方法研究　［Ｄ］．北京：北京交通大学，２０１１：１—２．　［２］　黄爱芹．压电式电一气转换器控制系统及其可靠性研究　［Ｄ］．大连：大连理工大学，２００６．　［３］Ｒｉｃｈｔｅｒ　Ｍ，Ｌｉｎｎｅｍａｎｎ　Ｒ，Ｗｏｉａｓ　Ｐ．Ｒｏｂｕｓｔ　ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｇａｓ　ａｎｄ　ｌｉｑｕｉｄ　ｍｉｃｒｏｐｕｍｐｓ［Ｊ］．Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ａ：Ｐｈｙｓｉｃａｌ，　１９９８，６８（１／２／３）：４８０—４８６．　［４］　李东明，孙宝元，王伟，等．一种压电阀结构设计与实验研　究［Ｊ］．液压与气动，２００７（５）：７５－７７．　［５］李海泉，李刚．系统可靠性分析与设计［Ｍ］．北京：科学出　版社，２００３：２２９—２５２．　［６］张建柏，彭辉水，倪大成，等．高速列车制动技术综述［Ｊ］．　机车电传动，２０１１（４）：ｌ一４．　［７］Ｆａｉｖｅｌｅｙ　Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ．法维莱制动系统技术说明书［ｚ］．　２００７．　［８］　王圣金，苏春，许映秋．基于Ｐｅｔｒｉ网和蒙特卡洛仿真的液　压系统可靠性研究［Ｊ］．机械科学与技术，２００６（１Ｏ）：　ｌ２０７．　［９］　张安莉．基于随机Ｐｅｔｒｉ网的航空电子综合化系统可靠性　建模与分析［Ｄ］．西安：西北工业大学，２００６：５５—５８．　口　（上接第１１３页）　３　结束语　应用该方法，最大优点为实用性强；同时解决了旋　转变压器的驱动和解码两个问题，硬件电路简单、可　靠，整个硬件电路总设计价格不高。在舵机试验台、汽　车等强震动、恶劣环境下有广泛应用。　参考文献：　［１］罗德荣，周成，黄科元，等．基于ＡＤ２Ｓ１２００的旋变接口电路　设计及信号处理［Ｊ］．电力电子技术，２００８，４２（８）：６８—７０．　李耀海，胡广艳，郝瑞祥，等．基于ＡＵ６８０２Ｎ１的旋转变压　器信号接口电路的设计和应用［Ｊ］．电子设计应用，２００６，　４ｏ（２）：１１０—１１４．　吴红星，洪俊杰，李立毅．基于旋转变压器的电动机转子　位置检测的研究［Ｊ］．微电机，２００８，４１（１）：１－３，９．　薛山，温旭辉，徐志捷，基于ＡＤ２Ｓ９０的数字旋转变压器　［Ｊ］．电工技术，２００３（９）：１０２—１０４．　李孟源．测试技术基础［Ｍ］．西安：西安电子科技大学出　版社，２００６．　胡广书．数字信号处理：理论、算法与实现［Ｍ］．北京：清　华大学出版社，２００３．　口