城軌車輛防滑防空轉控制淺析

隋 燕，孫宗先

（南車青島四方機車車輛股份有限公司技術中心，山東青島 266111）

0 引言

隨著世界鐵路運輸的發展，高速和重載成為城軌車輛設計的重要方向。這就對城軌車輛制動系統的發展提出了更高的要求，其中最為關鍵的問題是如何進一步提高防滑控制系統的性能，以便在制動時，既能防止車輪擦傷，又能充分利用粘著，得到較短的制動距離。

防滑防空轉控制是由牽引系統控制單元完成對牽引電機的控制過程，通過在牽引模式下改變牽引力，在制動模式下改變電制動力。其用于在不利的軌道條件下提高加速和減速性能。牽引系統空轉/滑行保護具有以下任務：（1）充分利用輪軌粘著力；（2）防止牽引時驅動軸的空轉以及制動時驅動軸的滑行；（3）減少車輪和軌道的磨耗。空轉/滑行保護連續監控列車速度和驅動軸的旋轉速度。如果有差值，牽引力自動減少以滿足輪軌粘著力。如果軌道條件變好，摩擦系數變高，那么牽引力將按照一定的斜率（可調節）提高到輪軌粘著力。空轉/滑行保護的持續時間由牽引控制單元監控。

防滑防空轉的目的：其一是在減少的黏著條件下提供最好的牽引力，其黏著系數為α（α=F/mg，其中F是瞬時牽引力，m是車輛黏著重量，g是重力常數，黏著重量為所有動軸的軸重和）；其二是限制牽引力的參考值確保動軸的車輪不要失去控制滑行，不要超過最大允許的轉差率。在牽引控制單元中可以在三個防滑防空轉控制子系統中選擇，其一，優化防滑—防空轉控制；其二，防滑—防空轉保護；其三，Δν控制。其中，優化的防滑—防空轉控制是到目前為止最常用的系統。

1 防滑防空轉控制

1.1 概要

圖1 工作環境中防滑控制系統的簡化

防滑防空轉控制檢測的是車輛動軸的速度。它探測到車輪在牽引模式下的空轉和動態制動模式下的滑行。當車輪的空轉或滑行被探測到后，減小牽引變流控制中的牽引力參考值直到空轉或滑行停止。防滑防空轉的目的是當軌道和車輪之間的黏著系統達不到所要求的牽引力時，獲得盡可能高的牽引力；并且減少牽引力參考值以使得驅動軸上的車輪不會在牽引狀態下發生不可控制的空轉，在電制動時不會鎖死，不超過最大的允許空轉速度。圖1為工作環境中防滑控制系統的簡化。

1.2 基本原理

基本原理參見圖2。考慮一個具有PI 控制器的控制系統，這個控制系統的目的是調整相對于參考值的空轉速度。

圖2 基本原理

在短的運行間隔中Fref是由牽引力和空轉速度（一條F-ΔV線）之間的線性關系決定的。PI控制器的放大與F-ΔV 線的斜率相對應。積分部分沿線移動直到F-ΔV 線和黏著曲線的交叉點與空轉速度參考ΔVref相符。

優化的防滑防控轉控制系統就是從這一簡單系統發展起來的，如圖3所示。F-ΔV線被限制在一個有限的間隔內并且控制系統的積分部分被一個尋求最大可能牽引力的系統所代替。

防滑防空轉控制系統可以是兩個狀態中的一個。

（1）監控：Fref曲線的第1 部分。

由于黏著很高以至于可以獲得所要求的牽引力。防滑防空轉控制在Fref.out=Fref.in時不起作用，但它隨時處在準備狀態，以便在必要時減少Fref.out。

圖3 優化的防滑防空轉控制系統

（2）激活：Fref曲線的第2部分。

防滑防空轉控制必須減少牽引力（Fref.out＜Fref.in），是為了防止太大的空轉速度，當優化的防滑防空轉處于激活狀態時，空轉指示被設定。

1.3 監控狀態

在監控狀態下Fref.out=Fref.in，即防滑防空轉控制不減少Fref，如果防控轉速度限制被超過或空轉速度增長很快。此時可以認為車輪發生空轉，Fref.out相應下降并且防滑防空轉控制系統改變到激活狀態，如圖4所示。

圖4 當ΔV>ΔVa時，狀態變為激活狀態

1.4 激活狀態

在激活狀態中防滑防空轉控制系統減少了牽引力的參考值，Fref.out＜Fref.in，F-ΔV線（曲線傾斜部分）不停地尋找著最大的可能的牽引力。當牽引力Fref.in可以獲得時，空轉停止并且防滑防空轉系統返回監控狀態，如圖5所示。

圖5 當Fref.out=Fref.in時這個狀態變為監控

這個最優化的過程在兩個方向中的任意一個方向上慢慢改變ΔVb。只要Fref.out在增長，則在同一方向上的移動就將繼續。當它減少時，移動方向就改變。在Fref.out上可能有小的但很快的變化。由于這些改變可能會引起許多不希望的方向的改變，因此只有在合適時間段中的Fref.out平均值被考慮（例如：1秒）。如圖6所示。

圖6 在Fref.in減少或黏著增加以后，系統又變為監控狀態

2 結語

防滑防空轉是城軌車輛不可缺少的控制方式，好的控制方法不僅能有效防止滑行的產生，還能在提高制動效率的基礎上，充分利用輪軌間粘著，縮短制動距離。因此，為適應我國城市軌道交通發展的需要，防滑兼輪軌粘著利用，必將提高制動性能的發揮。