地鐵車輛滑行控制方案對(duì)比分析

王艷伍 陳愛(ài)麗

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，710018，西安∥第一作者，工程師）

地鐵車輛滑行控制方案對(duì)比分析

王艷伍 陳愛(ài)麗

（西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，710018，西安∥第一作者，工程師）

地鐵車輛滑行控制是一種使滑行列車再粘著的控制方式。地鐵列車的制動(dòng)一般采用電制動(dòng)和空氣制動(dòng)兩種方式，而電制動(dòng)與空氣制動(dòng)有各自獨(dú)立的車輛滑行控制方案。結(jié)合西安地鐵1號(hào)線首列車型式試驗(yàn)，分析對(duì)比了兩種滑行控制方案的特點(diǎn)，至今未發(fā)現(xiàn)哪個(gè)方案的列車有發(fā)生擦輪等問(wèn)題。

地鐵車輛；電制動(dòng)；空氣制動(dòng)；滑行控制

First-author'saddressXi＇an Metro Co.，Ltd.，710018，Xi＇an，China

0 概述

地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)主要有動(dòng)力制動(dòng)（電制動(dòng)）和空氣制動(dòng)（機(jī)械制動(dòng)）兩種制動(dòng)方式。此兩種制動(dòng)方式都是利用輪軌間的粘著力的作用實(shí)現(xiàn)的。列車制動(dòng)原則是：優(yōu)先使用電制動(dòng)，不足部分由空氣制動(dòng)來(lái)補(bǔ)充；但緊急制動(dòng)為純空氣制動(dòng)。

按照輪軌粘著機(jī)理，輪軌之間的粘著是軌道交通車輛形成制動(dòng)力和牽引力的基礎(chǔ)。改善粘著條件，提高粘著利用率，可以充分發(fā)揮列車的牽引、制動(dòng)性能，同時(shí)還能有效防止滑行和空轉(zhuǎn)，減少列車和線路設(shè)備的損傷。

在地鐵列車制動(dòng)過(guò)程中，當(dāng)制動(dòng)力超過(guò)粘著力時(shí)車輪與鋼軌之間會(huì)發(fā)生滑行。當(dāng)滑行發(fā)生后，為了適應(yīng)實(shí)際輪軌的粘著狀況，應(yīng)減少制動(dòng)力。制動(dòng)力按照減速度差值以及速度與參考速度的差值來(lái)計(jì)算，并按此差值來(lái)調(diào)整制動(dòng)力。電制動(dòng)與空氣制動(dòng)有各自獨(dú)立的滑行控制，以保證最佳粘著狀況的利用。

西安地鐵1號(hào)線車輛為B2型車，由大連機(jī)車車輛有限責(zé)任公司集成（含克諾爾車輛設(shè)備（蘇州）有限公司的空氣制動(dòng)系統(tǒng)），牽引系統(tǒng)由株式會(huì)社日立制作所提供。列車采用3拖3動(dòng)編組方式，牽引系統(tǒng)采用車控方式，空氣制動(dòng)系統(tǒng)采用克諾爾EP2002架控制動(dòng)方式。西安地鐵1號(hào)線是日立牽引系統(tǒng)第一次與克諾爾EP2002空氣制動(dòng)系統(tǒng)相配合。因兩者在電-空滑行控制協(xié)調(diào)方面的控制理念不同，所以需對(duì)雙方的控制理念進(jìn)行理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證和運(yùn)行考核。

1 滑行檢測(cè)、控制與電空滑行控制的協(xié)調(diào)方案

電制動(dòng)與空氣制動(dòng)有各自獨(dú)立的防滑控制系統(tǒng)。以下簡(jiǎn)要介紹西安地鐵1號(hào)線電制動(dòng)（日立）的滑行檢測(cè)、控制方法，以及空氣制動(dòng)（克諾爾）的滑行檢測(cè)、控制方法。

1.1 電制動(dòng)的滑行控制

如圖1，當(dāng)滑行發(fā)生后，與之前的減速度值相比，列車速度變化率dfr/dt（fr為轉(zhuǎn)子頻率）突降至滑行檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)線處（一般為-11 Hz/s），牽引系統(tǒng)就會(huì)檢測(cè)出滑行發(fā)生，并進(jìn)行糾正。其具體步驟為：

1）滑行信號(hào)發(fā)生時(shí)的扭矩檢測(cè)（滑行開(kāi)始扭矩）；

2）滑行信號(hào)發(fā)生時(shí)扭矩縮減控制（Ⅰ階段）；

3）滑行狀態(tài)下的粘著力和輸出制動(dòng)扭矩的平衡點(diǎn)（再粘著開(kāi)始扭矩）；

4）在dfr/dt＜0時(shí)的扭矩縮減控制（Ⅱ階段）；

5）計(jì)算預(yù)定粘著力，預(yù)定粘著力=滑行開(kāi)始扭矩-再粘著開(kāi)始扭矩+再粘著開(kāi)始扭矩；

6）回歸到預(yù)定粘著力的扭矩控制；

7）制動(dòng)扭矩回歸到指令扭矩的扭矩控制（Ⅲ階段）。

圖1 牽引系統(tǒng)滑行控制過(guò)程

另外，牽引系統(tǒng)在整個(gè)滑行階段（Ⅰ+Ⅱ）會(huì)給空氣制動(dòng)系統(tǒng)一個(gè)滑行信號(hào)1。一般地鐵車輛牽引系統(tǒng)控制形式為車控，因此牽引系統(tǒng)滑行控制扭矩的縮減也是針對(duì)整車扭矩的滑行控制。

1.2 空氣制動(dòng)的滑行控制

克諾爾EP2002空氣制動(dòng)系統(tǒng)每根車軸上的速度傳感器用來(lái)監(jiān)控車軸轉(zhuǎn)速，并且在制動(dòng)內(nèi)網(wǎng)中的CAN（控制器局域網(wǎng)）總線單元內(nèi)的各個(gè)EP2002閥共享各車軸轉(zhuǎn)速信息（如圖2）。如果EP2002閥檢測(cè)到車輪滑動(dòng)，與牽引系統(tǒng)電氣制動(dòng)控制一樣，此時(shí)空氣制動(dòng)系統(tǒng)的WSP（wheel slide protection，車輪滑行保護(hù)）將控制制動(dòng)缸壓力（制動(dòng)扭矩）來(lái)校正車輪滑動(dòng)，并且每根車軸可以單獨(dú)進(jìn)行滑行控制。

圖2 制動(dòng)CAN總線單元

克諾爾EP2002空氣制動(dòng)系統(tǒng)防滑判斷條件為：

1）各軸之間速度差大于5%時(shí)系統(tǒng)進(jìn)入滑行控制準(zhǔn)備，速度差為15%～20%時(shí)進(jìn)行滑行控制。

2）或當(dāng)單軸減速度大于4.5 m/s2時(shí)進(jìn)行滑行控制。

1.3 電空滑行控制的協(xié)調(diào)

西安地鐵1號(hào)線車輛電-空混合計(jì)算由克諾爾EP2002空氣制動(dòng)系統(tǒng)承擔(dān)。電-空混合計(jì)算在以1動(dòng)車加1拖車為1個(gè)CAN總線單元的制動(dòng)內(nèi)網(wǎng)內(nèi)進(jìn)行，優(yōu)先使用拖車的空氣制動(dòng)，不足部分使用動(dòng)車的空氣制動(dòng)。基于電制動(dòng)優(yōu)先和充分利用電制動(dòng)的原則，在滑行控制過(guò)程中電制動(dòng)優(yōu)先進(jìn)行滑行控制。因此，電制動(dòng)與空氣制動(dòng)兩者之間滑行控制協(xié)調(diào)就很關(guān)鍵。當(dāng)電制動(dòng)在滑行控制（糾正）過(guò)程中，牽引控制單元（TCU）會(huì)給空氣制動(dòng)控制單元（EBCU）一個(gè)WSP滑行信號(hào)（如圖1的滑行信號(hào)和圖3的WSP信號(hào)）；空氣制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)凍結(jié)實(shí)際的電制動(dòng)力，以確保空氣制動(dòng)系統(tǒng)不會(huì)增加空氣制動(dòng)力來(lái)補(bǔ)償丟失的電制動(dòng)力。具體牽引控制單元與制動(dòng)控制單元的接口示意見(jiàn)圖3。

圖3 TCU與EBCU接口示意

在電-空滑行控制協(xié)調(diào)方面，日立與克諾爾有各自不同的方案：

方案一：克諾爾建議在滑行和再粘著階段均發(fā)出滑行信號(hào)（具體如圖1中的滑行信號(hào)2）。此過(guò)程空氣制動(dòng)不補(bǔ)充。當(dāng)電制動(dòng)糾正打滑超過(guò)3 s（WSP信號(hào)持續(xù)超過(guò)3 s），或者空氣制動(dòng)檢測(cè)到打滑并且時(shí)間超過(guò)1 s，制動(dòng)系統(tǒng)將會(huì)設(shè)置電制動(dòng)力信號(hào)為零和電制動(dòng)切除信號(hào)為1，以便切除電制動(dòng)并使此次制動(dòng)過(guò)程中將不再有電制動(dòng)力。此后由空氣制動(dòng)負(fù)責(zé)滑行的控制。

方案二：日立建議為了最大化利用電制動(dòng)，使WSP滑行信號(hào)僅在滑行階段發(fā)出（見(jiàn)圖1中的滑行信號(hào)1），且從滑行到再粘著點(diǎn)為止，發(fā)出的滑行信號(hào)為固定值230 ms（即WSP信號(hào)有效期限設(shè)為固定值）。在再粘著階段由空氣制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充，并且基于充分利用電制動(dòng)的原則，建議在電制動(dòng)滑行糾正的過(guò)程中一直不要切除電制動(dòng)。西安地鐵2號(hào)線運(yùn)營(yíng)列車已采用日立的建議方案。

理論上，克諾爾認(rèn)為：若將WSP信號(hào)有效期限設(shè)為固定的時(shí)間值，如果電制動(dòng)在小于固定時(shí)間

（230 ms）內(nèi)已糾正了滑行，因滑行信號(hào)仍為高電平，則空氣制動(dòng)仍被凍結(jié)；若在這期間電制動(dòng)性能出現(xiàn)下降導(dǎo)致電制動(dòng)力不足，則空氣制動(dòng)無(wú)法進(jìn)行補(bǔ)充，從而造成整車制動(dòng)力不足。

1.4 電空滑行控制與信號(hào)系統(tǒng)的聯(lián)系

ATI（自律分散系統(tǒng)，相當(dāng)于列車管理系統(tǒng)）綜合判斷VVVF（變壓-變頻）和空氣制動(dòng)系統(tǒng)輸出的滑行信號(hào)，將滑行控制信號(hào)輸出給信號(hào)系統(tǒng)，以方便列車自動(dòng)駕駛時(shí)司機(jī)的監(jiān)視。

發(fā)給車載信號(hào)系統(tǒng)OBCU（On-Board Control Unit，車載控制單元）的空轉(zhuǎn)/滑行（Slip/ Slide）的生成邏輯為：①當(dāng)VVVF發(fā)來(lái)的滑行信號(hào)或空氣制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)來(lái)的信號(hào)“Slide detected”保持1 s以上時(shí)，ATI向OBCU發(fā)送“空轉(zhuǎn)/滑行”信號(hào)。②當(dāng)VVVF發(fā)來(lái)的滑行信號(hào)為高電平或空氣制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)來(lái)的信號(hào)“Slide detected”保持5 s以上時(shí)，ATI向OBCU發(fā)送“嚴(yán)重空轉(zhuǎn)/嚴(yán)重滑行”信號(hào)。

總之，VVVF檢測(cè)到輕度滑行和嚴(yán)重滑行時(shí)均向ATI發(fā)送滑行信號(hào)，ATI再向OBCU發(fā)送滑行信息。另外對(duì)輕度滑行，ATI不做記錄。

2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了更好地對(duì)牽引和制動(dòng)供貨商各自的控制策略進(jìn)行比選，滑行控制試驗(yàn)在特定的條件下，對(duì)兩方案的控制效果進(jìn)行量化對(duì)比。

試驗(yàn)條件為：在西安地鐵2號(hào)線的正線上，速度V0=80 km/h，采取最大常用制動(dòng)（B7級(jí)），軌面狀態(tài)為灑洗滌劑水。

2.1 制動(dòng)距離對(duì)比

按照克諾爾的方案一，在滑行和再粘著全過(guò)程發(fā)滑行信號(hào)，且3 s切除電制動(dòng)，雷達(dá)測(cè)出制動(dòng)距離為296 m。按照日立的方案二，僅在滑行階段發(fā)出滑行信號(hào)，且不切除電制動(dòng)，測(cè)出的制動(dòng)距離為294 m。

2.2 縱向沖動(dòng)舒適性對(duì)比

對(duì)比兩種控制策略在同樣試驗(yàn)條件下測(cè)得的列車縱向減速度-時(shí)間曲線，如圖4所示。從圖4中可以看出，在0～6 s內(nèi)兩方案的舒適性相當(dāng)；在6～10 s內(nèi)，方案二的舒適性稍好于方案一（此時(shí)間段，方案一電制動(dòng)被切除，制動(dòng)力全由空氣制動(dòng)提供，方案二絕大多數(shù)為電空混合制動(dòng)和純空氣制動(dòng)的交替）；在10～20 s內(nèi)，方案一的舒適性稍好于方案二（此時(shí)間段，方案一仍為電制動(dòng)切除，方案二為電空混合制動(dòng)與純空氣制動(dòng)的交替）。

圖4 列車縱向減速度-時(shí)間曲線

3 結(jié)語(yǔ)

從滑行糾正的控制對(duì)比來(lái)看，在確保滿足沖動(dòng)限制（≤0.75 m/s2）的條件下，兩種方案的制動(dòng)距離有差別，但差別不大；從列車縱向振動(dòng)來(lái)看，克諾爾的電-空滑行控制協(xié)調(diào)方案一在乘客舒適性方面優(yōu)于日立的方案二。

鑒于日立的方案二在西安地鐵有業(yè)績(jī)，克諾爾的電-空滑行控制協(xié)調(diào)方案二在國(guó)內(nèi)也有不少的業(yè)績(jī)支持，因此西安地鐵1號(hào)線的現(xiàn)有列車一部分采用克諾爾的滑行控制軟件，另一部分采用日立的滑行控制軟件。經(jīng)過(guò)空載試運(yùn)行（累計(jì)運(yùn)行15萬(wàn)km）驗(yàn)證，截至目前還未發(fā)現(xiàn)哪種方案的列車有發(fā)生擦輪等問(wèn)題。為進(jìn)一步驗(yàn)證和比選兩方案，在試運(yùn)營(yíng)階段將持續(xù)進(jìn)行觀察。

［1］ 西安市地下鐵道有限公司，大連機(jī)車車輛有限責(zé)任公司，HITACHI.電-空滑行控制配合專題討論會(huì)會(huì)議紀(jì)要［C］.西安：西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，2012.

［2］ 西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，HITACHI.電氣牽引系統(tǒng)空轉(zhuǎn)/滑行控制報(bào)告［R］.西安：西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，2012.

［3］ 饒忠.列車牽引計(jì)算［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

［4］ 殳企平.城市軌道交通車輛制動(dòng)技術(shù)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2009.

［5］ 何宗華，汪松滋，何其光.城市軌道交通車輛運(yùn)用與維修［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007.

［6］ 張昱，劉釗，程海鷹.列車制動(dòng)“電-空”轉(zhuǎn)換的Bang-Bang與模糊PID復(fù)合控制［J］.城市軌道交通研究，2013（2）：76.

Comparative Analysis of Metro Vehicle Sliding Control Schemes

Wang Yanwu，Chen Aili

Metro vehicle sliding control is a kind of sliding train re-adhesion control mode.Normally，two kinds of sliding control modes are adopted：the electric braking and the air braking，each has independent train sliding control scheme.Combined with the first train test on Xi'an metro Line 1，the characters of each control scheme are compared，and no scoop wheel has been found in either scheme.

metro vehicle；electric braking；air braking；sliding control

2013-08-06）