濕軌可保證緊急制動率值對信號系統安全制動距離的影響

劉婧婧 曲 睿

(廣州地鐵集團有限公司,510310,廣州∥第一作者,工程師)

濕軌可保證緊急制動率值對信號系統安全制動距離的影響

劉婧婧 曲 睿

(廣州地鐵集團有限公司,510310,廣州∥第一作者,工程師)

安全制動距離是信號系統控制行車的核心所在。簡述了安全制動距離的影響因素,并借助動力學模型,分解至關鍵性指標。選擇目前爭議較大、影響較深的濕軌可保證緊急制動率值展開進一步探討,提出了濕軌情況下粘著系數的合理取值建議。

地鐵; 信號系統; 列車安全制動距離; 可保證緊急制動率值; 粘著系數

Author′s address Guangzhou Metro Group Co.,Ltd.,510310,Guangzhou,China

安全制動距離是城市軌道交通(以下簡為“城軌”)信號ATC(列車自動控制)系統控制列車行駛、保護行車安全的重要性能參數指標。隨著城軌行業的發展,更高的運行效率、更快的列車速度、更靈活的調整策略逐漸成為未來信號系統所急需面對的問題。而更短的安全制動距離則是解決上述問題的關鍵所在。本文簡述安全制動距離計算的一般影響因素,并著重對濕軌可保證緊急制動率(Guarantee Emergency Brake Rate,簡為GEBR)的取值以及其重要影響因素粘著系數進行分析。

1 安全制動距離

信號ATC系統在控制列車行駛時的普遍做法是：建立相應的列車運行安全制動距離(SBD)模型,再結合系統閉塞設計原則,最終編制出可實時計算出當前運行曲線的程序。

SBD模型的建立需要車載ATP(列車自動防護)設備反應時間、失控加速時間、惰行時間、緊急制動施加時間、全減速時間等5個基本因素，如圖1所示。

(1) 車載ATP設備反應時間(階段A)。列車正常行駛過程中,一旦實際運行曲線超越ATP超速檢測曲線,車載ATP將立刻啟動緊急制動。在車載系統最不利的響應時間及最大測速誤差的情況下,列車將有可能超越緊急制動觸發曲線的最大速度。

(2) 失控加速時間(階段B)。此階段列車將繼續保持持續加速,直至列車牽引系統對信號系統發出的緊急制動命令作出響應并切除牽引。

(3) 惰行時間(階段C)。此階段牽引已切除,而制動尚未開始建立,列車將完全依靠坡度和曲線的影響來加速與減速,并假定以所獲得的最大速度滑行。

(4) 緊急制動施加時間(階段D)。此階段列車制動將逐漸施加,制動率由零增加至最小的可保證緊急制動率。

(5) 全減速時間(階段E)。此階段列車將以可保證的緊急制動率持續減速直至車速為零。

2 制動距離計算式及GEBR的說明

根據運動學公式推導出制動距離計算式為:

(1)

式中:

S——列車制動距離,m;

v0——全減速起動速度,m/s;

i——線路縱向坡度4分數,下坡為“+”,上坡為“-”;

a——平均制動率，m/s2;

γ——潮濕軌面與干燥軌面粘著系數比;

圖1 安全制動模型

g′——受車輪轉動慣量影響的車輛重力加速度,m/s2;

Δi曲——平面圓曲線的單位曲線阻力,N/N;

r阻——列車單位阻力,N/kN;

f風——列車單位風阻力,N/kN。

由式(1)可以清晰看出,在外部環境普遍清晰可預估的前提下,a成為制動距離計算的關鍵。這里的a就是GEBR,一般是指列車在平直軌道可獲得的最小緊急制動率。

廣州地鐵目前所采用的GEBR為已定條件下的計算數值。具體計算條件如下:

(1) 在AW(空載)0～AW3(超載)載荷;

(2) 干燥平直軌道;

(3) 列車速度由125km/h緊急制動至0km/h;

(4) 計算用制動粘著系數為0.14;

(5) 損失2個轉向架制動力;

(6) 選擇載荷非均勻分布或AW3兩種載荷情況中最惡劣工況;

(7) 考慮各種輪徑(770～840mm)情況下最惡劣工況;

(8) 減速度為等效減速度(不考慮空走時間和建壓時間)。

綜合考慮上述條件,選取廣州地鐵9號線為例,能保證0.85m/s2的緊急制動等效減速度。

然而對于高架線路,由于露天環境下雨水等外在影響因素太多,制動粘著系數難以明確,進而影響了GEBR的確定。

3 濕軌粘著系數及其影響因素

制動粘著系數是地鐵列車制動設計的重要依據,當車輪在鋼軌上滾動時,輪軌在相互接觸的部位發生彈性形變,形成橢圓形的接觸區。通常把輪軌間最大切向作用力標作粘著力(FH),把粘著力(FH)與鋼軌對車輪的法向反力(正壓力FA)之比值標作粘著系數。粘著系數示意圖如圖2所示。圖中,FBR為制動力,Fk為與鋼軌平行的正壓力(制動壓力)，mA為車輪質量，dR為車輪直徑，g為重力加速度，μH為當前利用粘著系數,μk為制動系數。

圖2 粘著系數示意圖

若列車發生打滑,則實際粘著系數小于利用粘著系數,列車制動力將無法正常發揮,此種特殊情況本文暫不討論。正常情況下,實際粘著系數均大于利用粘著系數。粘著系數主要與以下因素有關:

(1) 軌面狀況。軌道是否有水對粘著系數的影響非常之大,多方研究表明,軌面有水后,粘著系數將降低30%以上,如在小雨情況下,粘著系數降低更甚。此外,油污、含水成分的鐵銹、落葉,以及部分區域可能存在的降雪等情況,都會使粘著系數發生不同程度的下降。

(2) 速度。試驗實測數據表明,隨著速度的增加,粘著系數受速度的影響逐漸減小。國外多年試驗所得的不同軌面條件下的粘著系數分布如圖3所示。

圖3 不同工況的粘著系數分布

由圖3可以看出,相同速度下,干軌、濕軌、濕滑軌的粘著系數依次降低。列車靜止時,干軌、濕軌、濕滑軌的粘著系數分別為0.22～0.275、0.145～0.22、0.11～0.145;當列車速度達到80 km/h后,三種軌面的粘著系數分別為0.14～0.18、0.08～0.14、0.06～0.08;當列車速度達到100 km/h后,三種軌面的粘著系數分別為0.135～0.175、0.075～0.135、0.055～0.075。以上數據表明,粘著系數受軌面的干濕程度影響很大,而列車的運行速度對粘著系數也有一定的影響。

4 結語

(1) 粘著系數直接影響地鐵列車的制動性能,

也左右著GEBR的選取,進而影響整個安全制動模型。因而,選取恰當的粘著系數，在車輛與信號接口設計過程中的重要地位不言而喻。

(2) 濕軌情況下的粘著系數,因外在環境因素的不可預估性,較干軌粘著系數更難確定。目前國內普遍的做法是：通過試驗實測以選取最小值，再輔以適當余量獲得。但不同的試驗環境并不能夠完全準確模擬現場實際運營環境,更加完善的手段還有待進一步探討。

(3) 良好的軌道線路維護以及增加列車清掃制動(如灑沙裝置)等附加功能可有效改善粘著條件。對于室外高架線路,在雨雪等惡劣天氣下,地鐵列車也應執行應急緊急運營模式,適當降速或加大發車間隔。特別是小雨初期,粘著系數突降,各系統需作出相應反應。

(4) 更大的粘著意味著更大的GEBR,帶來的則是更短的制動距離,隨之而來的則是更靈活的系統調整能力,更加強大的列車追蹤性能。與此同時,應清楚地認識到,地鐵設計安全至上,切不可因效率而失了安全,給乘客的人身安全帶來潛在危險。

[1] 王俊,王開云,劉建新.雨雪天氣的粘著系數對機車安全性能影響分析[J].重慶理工大學學報(自然科學版),2013,27(9):17.

[2] 王偉波,段繼超.低粘著下的地鐵車輛緊急制動率問題初探[J].技術與市場,2014,21(5):63.

[3] 邵嘉聲.影響ATC系統安全制動距離因素的探討[J].鐵道通信信號,2005,41(8):13.

Impact of Wet Rail GEBR Value on Safety Breaking Distance of Signal System

LIU Qianqian, QU Rui

The safety breaking distance is the core of signal system in controlling the vehicle.The effective factors of safety breaking distance are introduced, which are refined to key indicators by using the kinetics model. Due to its deeper influence, the debatable wet rail GEBR value is select and discussed in depth, the rational adhesion coefficient in wet rail condition is proposed to ensure the emergency breaking rate.

metro; signal system; safety braking distance; GEBR (guarantee emergency brake rate) value; adhesion coefficient

U 260.13+8

10.16037/j.1007-869x.2016.07.033

2016-03-08)