一种列车空气制动系统EP阀的故障注入方法及注入器

一种列车空气制动系统ep阀的故障注入方法及注入器
技术领域
1.本发明涉及故障注入技术领域，尤其涉及一种列车空气制动系统ep阀故障注入方法及注入器。


背景技术：

2.随着经济的发展和社会科技水平的进步，列车开始朝着速度快、容量大、安全性高的方向稳步发展，现在列车的速度越来越快，为了保证列车在高速行驶状态下的安全，确保列车在行驶的过程中能够稳定制动，就需要更可靠的制动性能，目前列车的制动系统大多采用电空复合制动方式，而ep阀作为空气制动系统中的关键部件，能够将制动电信号指令转换成相应的制动压力指令，若ep阀出现故障，则会导致制动系统空气制动力不足、制动无法缓解，从而发生闸瓦损坏、踏面擦伤、列车无法平稳停下等情况，但由于ep阀的结构复杂，导致故障机理难以确定，同时ep阀的成本较高，对ep阀的研究也相对较少，目前对ep阀故障检修和诊断等技术的研究难以得到可靠的验证数据和模拟环境的支持。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种列车空气制动系统ep阀故障注入方法及注入器，以解决现有技术中存在的问题。
4.为了实现上述目的，本发明通过如下的技术方案来实现：
5.第一方面，本发明提供一种列车空气制动系统ep阀的故障注入方法，包括：
6.根据列车空气制动系统原理搭建制动系统仿真模型，所述制动系统仿真模型包括ep阀正常模型；
7.设定ep阀的故障类型、故障注入位置和故障程度，并根据所述故障类型、所述故障注入位置和所述故障程度以及所述ep阀正常模型生成ep阀故障模型；
8.基于预设注入方式和所述ep阀故障模型生成故障信息，所述预设注入方式包括指定故障注入方式和随机故障注入方式；
9.基于所述故障信息执行故障注入。
10.第二方面，本技术实施例提供一种列车空气制动系统ep阀的故障注入器，包括：用户设定界面、故障注入控制单元以及ep阀模型库，所述用户设定界面分别与所述故障注入控制单元以及ep阀模型库连接；
11.所述用户设定界面用于根据列车空气制动系统原理搭建制动系统仿真模型，所述制动系统仿真模型包括ep阀正常模型；设定ep阀的故障类型、故障注入位置和故障程度，并根据所述故障类型、所述故障注入位置和所述故障程度以及所述ep阀正常模型生成ep阀故障模型；基于预设注入方式和所述ep阀故障模型生成故障信息，所述预设注入方式包括指定故障注入方式和随机故障注入方式；
12.所述故障注入控制单元用于基于所述故障信息执行故障注入；
13.所述ep阀模型库用于存储所述ep阀故障模型。
14.有益效果：
15.本发明提供的列车空气制动系统ep阀故障注入方法，通过搭建制动系统仿真模型和ep阀正常模型，并根据研究需求生成ep阀故障模型，通过ep阀故障模型与ep阀正常模型的替换来实现对ep阀故障的模拟和研究，从而将ep阀故障模型注入制动系统仿真模型中，便于通过对注入了ep阀故障模型的制动系统故障模型进行研究来得到ep阀故障时列车空气制动系统的各种数据。
附图说明
16.图1为本发明优选实施例的列车空气制动系统ep阀的故障注入方法的流程图之一；
17.图2为本发明优选实施例的列车空气制动系统ep阀的故障注入方法的流程图之二；
18.图3为本发明优选实施例的空气制动系统的结构示意图；
19.图4为本发明优选实施例的空气制动系统中ep阀的结构示意图；
20.图5为本发明优选实施例的列车空气制动系统ep阀的故障注入器结构示意图；
21.图6为本发明优选实施例的在gui中搭建的ep阀故障注入器的用户指定故障注入设定界面示意图；
22.图7为本发明优选实施例在gui中搭建的ep阀故障注入器的用户指定故障注入的结果示意图；
23.图8为本发明优选实施例在gui中搭建的ep阀故障注入器的用户随机故障注入设定界面示意图；
24.图9为本发明优选实施例在gui中搭建的ep阀故障注入器的用户随机故障注入的结果示意图。
具体实施方式
25.下面对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
27.请参见图1-图2，本技术实施例提供一种列车空气制动系统ep阀的故障注入方法，包括：
28.根据列车空气制动系统原理搭建制动系统仿真模型，制动系统仿真模型包括ep阀正常模型；
29.其中，可以将正常模型记为m0。
30.设定ep阀的故障类型、故障注入位置和故障程度，并根据故障类型、故障注入位置和故障程度以及ep阀正常模型生成ep阀故障模型；
31.其中，可以将ep阀故障模型记为mi(i＝1，2，...，n)，存入ep阀模型库。
32.基于预设注入方式和ep阀故障模型生成故障信息，预设注入方式包括指定故障注入方式和随机故障注入方式；
33.基于故障信息执行故障注入。
34.需要说明的是，本实施例中对于故障模型的生成，是通过搭建合适的仿真模型来模拟现实中发生的故障。
35.上述的列车空气制动系统ep阀的故障注入方法，通过搭建制动系统仿真模型和ep阀正常模型，并根据设定的ep阀故障类型、故障注入位置和故障程度生成ep阀故障模型，故障类型、故障注入位置和故障程度能够根据研究要求的不同进行手动输入式的指定故障注入方式和随机生成式的随机故障注入方式，再通过ep阀故障模型与ep阀正常模型的替换来实现对ep阀故障的模拟和研究，从而将ep阀故障模型注入制动系统仿真模型中，便可通过对注入了ep阀故障模型的制动系统故障模型进行研究来得到ep阀故障时列车空气制动系统的各种数据。
36.请参见图3和图4，本技术实施例提供的列车空气制动系统ep阀的故障注入方法，所述故障类型是根据ep阀的电磁阀关系确定的，所述故障类型包括弹簧损坏故障、电磁阀泄漏故障或者ep阀管道堵塞故障。
37.首先，需要说明的是，对ep阀在应用中可能发生的故障进行模拟时，需掌握ep阀的机理，从而探究实际应用中可能发生的ep阀故障与其机理参数的关系，此实施例中以ep阀的进气阀为例，对ep阀的电磁阀关系进行推导，进气阀出口压强满足如下关系式：
[0038][0039]
式中，p表示进气阀出口压强，f0表示弹簧预紧力，f
jet
表示气流力，f
bcu
表示制动控制单元信号等量转化后的力，f
prs
表示阀芯上下压力差，表示阀芯的位移的二阶导数，m表示阀芯质量，d
spool
表示阀芯的轴径，d
rod
表示阀芯的杆径；
[0040]
同时，式中还满足如下关系式：
[0041]fk
＝k(x x
s0
)；
[0042][0043]
式中，fk表示弹簧弹力，k表示弹簧刚度，x表示阀芯的位移，x
s0
表示零位移时弹簧的压缩量，p
prs
表示阀芯上下的压强差，d
p
表示活塞直径，dr表示杆径；
[0044]
根据气体的连续方程，经开关电磁阀流出的压缩空气流经节流孔的瞬态质量流量满足如下关系式：
[0045][0046]
式中，a表示限制面积，表示瞬态质量流量，cq表示流量系数，cm表示质量流量参
数，pi表示进口处压强，r
gas
表示空气气体常数，t
air
表示进口处温度；
[0047]
将进气阀出口压强关系式中得到的数据代入进口处压强，可得进气阀输出空气流经节流孔的瞬态质量流量；同理可求得排气阀输出空气流经节流孔的瞬态质量流量。
[0048]
预控容积室的位置处于进气阀之后、排气阀之前，预控容积室净总流量满足如下关系式：
[0049][0050]
并根据理想气体状态方程可知，输出压力满足如下关系式：
[0051][0052]
式中，表示预控容积室净总流量，表示流入预控容积室总流量，表示流出预控容积室总流量，v
ch
表示预控容积室容积，p
ch
表示输出压力；
[0053]
经过上述推导，可得弹簧压力和压缩空气流经节流孔的瞬态质量流量等因素都会影响输出压力，通过进气阀出口压强关系式可得，弹簧损坏故障可通过弹簧刚度进行描述，通过节流孔的瞬态质量流量关系式可得，设计气体流量变化的故障可以用限制面积或限制直径进行描述，从而为ep故障模型的建立提供理论基础。
[0054]
具体而言，设定不同类型的故障时，可以通过如下方式实现：
[0055]
第一方面，对于ep阀中的进气阀和排气阀中的气动活塞弹簧特性衰退或损坏故障(弹簧损坏故障)，通过修改弹簧的刚度系数以模拟弹簧的损坏程度。
[0056]
第二方面，对于ep阀中的电磁阀泄露故障，根据故障注入点的位置的不同，分为两种情况。
[0057]
情况1：电磁阀阀芯存在结构缺陷或疲劳磨损，并出现间隙配合偏差等问题，会导致电磁阀泄露故障。此时在开关电磁阀的进气口和排气口之间用一个新添的管道模拟泄露，并用一个节流孔模拟泄露面积。
[0058]
情况2：电磁阀接口处的密封垫会随着长时间的使用形成不可逆的密封性能退化，最终导致电磁阀向大气中泄露。此时在开关电磁阀的排气口后用一个新添的管道模拟泄露，并用一个节流孔模拟泄露面积。
[0059]
第三方面，对于ep阀管道堵塞故障，其成因有多种。比如，开关电磁阀的螺堵容易生锈，铁锈会堵塞内径细小的管道；也可能是阀芯顶部胶垫老化，部分胶垫碎屑脱落，导致通道堵塞等。此时，通过修改管道的直径以模拟管道的堵塞程度。
[0060]
可选的，在所述故障类型为弹簧损坏故障的情况下，所述故障注入位置包括进气阀内的弹簧或者排气阀内的弹簧，所述故障模型满足如下关系式：
[0061]
f(
·
)k＝ak×
k；
[0062]
式中，f(
·
)k表示依据不同对象不同弹簧的刚度变化特点生成的特定故障程度信号，k表示特定弹簧刚度，ak表示弹簧损坏的故障程度。
[0063]
可选的，在所述故障类型为电磁阀泄漏故障的情况下，所述故障注入位置包括开关电磁阀的进气口和排气口之间的位置，或者，开关电磁阀的排气口的出口位置，所述故障模型满足如下关系式：
[0064]
f(
·
)o＝ao×
o；
[0065]
式中，f(
·
)o表示根据不同泄露位置的不同泄露程度生成的特定故障程度信号，o表示限制面积，ao表示管道泄露的故障程度。
[0066]
可选的，在所述故障类型为ep阀管道堵塞故障的情况下，所述故障注入位置包括进气阀和排气阀之间的管道位置，或者，通往制动缸的管道位置，所述故障模型满足如下关系式：
[0067]
f(
·
)d＝ad×
d；
[0068]
式中，f(
·
)d表示根据不同堵塞位置的不同堵塞程度生成的特定故障程度信号，d表示管道直径，ad表示管道堵塞的故障程度。
[0069]
可选的，在预设注入方式包括随机故障注入方式的情况下，所述基于预设注入方式和所述ep阀故障模型生成故障信息，包括：
[0070]
将随机故障划分为三层，分别为第一层、第二层以及第三层，其中，所述第一层与故障类型对应，第二层与故障注入位置对应，第三层与故障程度对应；
[0071]
在第一层中模拟故障类型对应的第一概率分布，基于所述第一概率分布随机生成目标故障类型；
[0072]
结合所述目标故障类型，在第二层中模拟故障注入位置对应的第二概率分布，基于所述第二概率分布随机生成目标故障注入位置；
[0073]
结合所述目标故障注入位置，在第三层中模拟故障程度对应的第三概率分布，并基于所述第三概率分布随机生成目标故障程度；
[0074]
基于所述目标故障类型、所述目标故障注入位置和所述目标故障程度确定随机故障注入信息。
[0075]
这样，指定故障注入可以针对性地模拟特定的故障，而随机故障注入能够更为贴切地模拟ep阀发生故障这一真实场景，为后续的故障检测、测试评估提供多样的试验环境。
[0076]
可选的，所述第一概率分布、所述第二概率分布以及所述第三概率分布满足如下关系：
[0077]
所述第一概率分布、所述第二概率分布、所述第三概率分布相同；或者，
[0078]
所述第一概率分布、所述第二概率分布、所述第三概率分布互不相同；或者，
[0079]
所述第一概率分布与所述第二概率分布相同，且所述第一概率分布与所述第三概率分布不同；或者，
[0080]
所述第一概率分布与所述第三概率分布相同，且所述第一概率分布与所述第二概率分布不同；或者，
[0081]
所述第二概率分布与所述第三概率分布相同，且所述第一概率分布与所述第二概率分布不同。
[0082]
本方法预设注入方式分为指定故障注入方式和随机故障注入方式两种，来满足不同的研究需求，在进行指定故障注入方式时，故障信息通过数据输入的方式进行注入；在进行随机故障注入方式时，则需要根据故障概率分布随机故障信息，通过分层的方式将故障信息划分为三层对应故障类型、故障注入位置和故障程度，并分别服从均匀分布u(a，b)、正态分布n(μ，σ2)、卡方分布χ2(ξ)中的一种；
[0083]
对于服从均匀分布u(a，b)的情形，其中，a、b为分别为随机变量的下边界和上边界，建立y分布为y～u(0，1)，则均匀分布可简易变换，用a (b-a)y进行表示，之后，从上述模
拟的分布中随机生成一种；这样，虽然概率分布各种各样，无法统一描述，但可以通过简易变换减少运算量。
[0084]
对于服从正态分布n(μ，σ2)的情形，其中，μ为概率分布的均值，σ2为概率分布的方差，建立y分布为y～n(0，1)，则正态分布可简易变换，用μ σy进行表示，之后，从上述模拟的分布中随机生成一种；
[0085]
对于服从卡方分布χ2(ξ)的情形，其中，ξ为该概率分布的自由度，建立yi～n(0，1)，i＝1，2，...，ξ，则卡方分布简易变换后可用进行表示。之后，从上述模拟的分布中随机生成一种；其余随机情况详情可通过特定故障符合的概率分布进行描述，此处不再一一穷举。
[0086]
综上，首先根据列车空气制动系统的原理和组成，搭建仿真模型。仿真模型中的ep阀作为正常模型，记为m0，是后续生成故障模型的基础；然后，针对ep阀，根据其不同的故障情形，使用不同的故障模拟方式进行模型搭建。再根据特定的故障注入位置、特定的故障程度，生成特定的故障模型，每种故障模型记为mi(i＝1，2...n)；n为第n种模型，之后，根据用户的不同需求，提供指定故障注入和随机故障注入两种故障注入方式；指定故障注入是根据用户输入获取故障指定故障信息，而随机故障注入是根据故障的概率分布随机生成故障信息；最后根据获取到的特定故障信息，将正常模型切换为特定故障模型，完成ep阀故障注入。可以为ep阀故障的检测和诊断等技术研究提供真实可靠的验证数据和模拟环境。
[0087]
请参见图5，本技术实施例还提供一种列车空气制动系统ep阀的故障注入器，包括：用户设定界面、故障注入控制单元以及ep阀模型库，所述用户设定界面分别与所述故障注入控制单元以及ep阀模型库连接；
[0088]
所述用户设定界面用于根据列车空气制动系统原理搭建制动系统仿真模型，所述制动系统仿真模型包括ep阀正常模型；设定ep阀的故障类型、故障注入位置和故障程度，并根据所述故障类型、所述故障注入位置和所述故障程度以及所述ep阀正常模型生成ep阀故障模型；基于预设注入方式和所述ep阀故障模型生成故障信息，所述预设注入方式包括指定故障注入方式和随机故障注入方式；
[0089]
所述故障注入控制单元用于基于所述故障信息执行故障注入；
[0090]
所述ep阀模型库用于存储所述ep阀故障模型。
[0091]
在一示例中，用户设定界面：此界面在matlab的gui中搭建，其作用是令用户通过界面上的选择下拉菜单和滑动条设定ep阀的故障注入信息。用户可以在此界面选择性地注入指定故障或者随机故障。用户在注入指定故障时，需要设置故障参数，包括故障类型、故障注入位置以及相应的故障程度参数；而在注入随机故障时，则无需自行设置故障参数。
[0092]
故障注入控制单元：其作用是将用户设定的故障注入信息传递给simulink中的各模块，包括预加载模块、随机故障生成模块、模型切换模块。预加载模块根据特定故障参数信号预先加载特定的故障模型，并将其余故障模型置于断开状态，节省仿真资源；随机故障生成模块只有在接收到随机故障控制信号后工作，根据各故障参数的概率分布随机生成故障参数；模型切换模块根据模型切换控制信号进行模型切换，完成从ep阀正常模型到各个故障模型的切换。
[0093]
ep阀模型库：上述生成的ep阀正常模型和各种类型的多个ep阀故障模型，都在
amesim软件搭建并存放，形成ep阀模型库，供模型切换使用。
[0094]
现以故障类型为电磁阀泄露，故障注入位置为电磁阀的进气口和排气口之间，电磁阀泄露程度为20％的故障为例进行指定故障注入。
[0095]
如图6-图7所示：首先，用户在用户设定界面上将故障注入方式选为指定故障注入，然后按上述故障信息进行参数设置。具体操作如下：通过选择下拉菜单，将故障类型设置为电磁阀泄露；将故障注入位置设置为位置
①
；拉动滑动条将电磁阀泄露程度设置为20％。
[0096]
然后，故障注入控制单元会根据用户设定的故障信息，预加载模型库中与上述电磁阀泄露故障对应的故障模型，并将其他故障模型置于断开状态；模型切换模块根据模型切换控制信号后进行模型切换；在接收到模型切换信号后，将开关从正常模型切换到对应的上述故障模型处，完成电磁阀故障的注入；最终得到图7所示的指定故障信号显示结果图。
[0097]
再以一次随机故障注入为例，如图8-图9所示：用户在用户设定界面上将故障注入方式选为随机故障注入与此同时，界面下方的指定故障参数设置都会自动变为缺省值，当用户按下start按键后，故障注入控制单元中的随机故障生成模块开始自动生成随机故障，具体过程分为三层。
[0098]
在第一层中模拟故障类型符合的概率分布。其概率分布可以是适合实例的任何分布，在本实例中，将故障类型视为符合均匀分布，即每种故障类型发生的概率一样，概率均为1/3。之后，在上述概率分布下对故障类型进行随机生成，从三种故障类型中选出一种；
[0099]
在此基础上进入第二层，模拟故障注入位置的概率分布。其概率分布可以是适合实例的任何分布，在本实例中，将故障注入位置视为符合均匀分布，即每个位置发生故障的概率一样，概率均为1/2。然后，在上述概率分布下对故障注入位置进行随机生成，从两种故障注入位置中选出一种；
[0100]
最后进入第三层，模拟故障程度的概率分布。其概率分布可以是适合实例的任何分布，在本实例中，将故障程度视为符合正态分布，即认为发现轻微故障的概率要大于重大故障的概率。三种故障类型的故障程度都符合正态分布i＝1，2，3，其中μi为三种故障类型对应的故障程度概率分布的均值，为三种故障类型对应的故障程度概率分布的方差。令yi～n(0，1)，则三种故障类型对应的故障程度概率分布均可用μi σiy进行模拟。之后，从上述模拟的概率分布中随机生成一种故障程度。
[0101]
故障注入控制单元中的随机故障生成模块作为随机故障注入的故障信息来源，随机生成了故障类型、故障注入位置以及故障程度，组成随机故障注入的故障信息，为后续的特定故障注入提供了故障信息。然后，故障注入控制单元会根据随机故障生成模块随机生成的故障信息，预加载模型库中与上述故障对应的故障模型，并将其他故障模型置于断开状态；模型切换模块根据模型切换控制信号后进行模型切换；在接收到模型切换信号后，将开关从正常模型切换到对应的上述故障模型处，完成随机故障的注入；最终得到图7所示的指定故障信号显示结果图。
[0102]
在又一示例中，根据列车空气制动系统原理搭建制动系统仿真模型，通过用户设定界面选定预设注入方式来确定故障信息的注入方法，当选定预设注入方式为指定故障注入方式时，可通过用户设定界面设定ep阀的故障类型、故障注入位置和故障程度，并将设定
好的故障类型、故障注入位置和故障程度基于ep阀正常模型生成ep阀故障模型，再通过故障注入控制单元中的模型切换模块将ep阀故障模型注入制动系统仿真模型中即可；当选定预设注入方式为随机故障注入方式时，便会通过故障注入控制单元中的随机故障生成模块随机生成相应的故障类型、故障注入位置和故障程度，并基于随机生成的故障类型、故障注入位置和故障程度以及ep阀正常模型生成相应的ep阀故障模型，再通过故障注入控制单元中的模型切换模块将ep阀故障模型注入制动系统仿真模型中即可；上述过程中生成的ep阀故障模型都能够存储在ep阀模型库中供后续研究随时调用。
[0103]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。