有軌電車制動系統(tǒng)防滑控制優(yōu)化研究

孫環(huán)陽 吳明趙 薛 彬 朱鵬成 呂 豪

(南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設備有限公司，211899，南京∥第一作者，高級工程師)

在車輛制動過程中出現(xiàn)車輪滑行時，防滑控制系統(tǒng)可通過及時調(diào)整制動力避免車輪擦傷的風險，同時也可以最大程度地利用軌道的黏著條件，縮短制動距離。然而，由于輪軌黏著系數(shù)隨列車運行速度的提高而降低，使得列車高速運行時出現(xiàn)滑行的風險更大。

目前，防滑控制的研究多集中在速度較高的高速鐵路、動車組等領域，而對有軌電車制動系統(tǒng)防滑控制及實際運用等方面的研究較少。文獻［1-3］從滑行理論、控制算法及試驗效果等角度對列車防滑控制開展了廣泛的研究。文獻［4］基于模糊控制算法對液壓制動防滑器模型進行了仿真分析。有軌電車與公路交通車輛混行時，其設計制動減速度通常較大，黏著系數(shù)利用相對更高;相比其他鐵道車輛，其軌面條件更加復雜(如落葉、雜草和其他污質(zhì)等)，如果防滑控制性能不佳則更容易導致車輪擦傷、增加運營成本等問題。因此，有必要對有軌電車的防滑控制進行研究。

本文在對國內(nèi)某有軌電車制動系統(tǒng)的組成及防滑控制原理介紹的基礎上，結合其在正線防滑試驗中出現(xiàn)的問題，對有軌電車防滑控制的優(yōu)化方案及試驗效果展開了研究。

1 有軌電車制動系統(tǒng)的工作原理

該有軌電車采用2模塊、3轉向架的編組形式，見圖1。各轉向架配置獨立的、采用液壓制動方式的制動系統(tǒng)。

圖1 有軌電車編組Fig.1 Tram configuration

制動系統(tǒng)由EBCU(電子制動控制單元)、HBCU(液壓制動控制單元)、基礎制動裝置、蓄能器及速度傳感器等部件組成，見圖2。

圖2 有軌電車制動系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of tram braking system

EBCU作為制動系統(tǒng)的核心控制部件，具有制動指令接收、制動力計算、液壓力控制及防滑控制等功能。HBCU內(nèi)部集成了電機、泵、比例閥、壓力傳感器等液壓元件。EBCU控制HBCU內(nèi)的電機工作，電機驅(qū)動泵產(chǎn)生的壓力油輸送至蓄能器作為制動系統(tǒng)的壓力源。同時，HBCU內(nèi)的比例閥根據(jù)控制信號調(diào)節(jié)輸出液壓力至基礎制動裝置。基礎制動裝置包含制動夾鉗、制動盤和閘片，制動夾鉗采用彈簧儲能方式，即充壓緩解制動、減壓制動施加。

緩解制動時，EBCU控制比例閥使蓄能器內(nèi)壓力油經(jīng)比例閥向基礎制動裝置充壓，以減小或撤銷制動力;制動施加時，EBCU控制基礎制動裝置內(nèi)的壓力油經(jīng)比例閥流回至油箱，從而產(chǎn)生制動力。

制動系統(tǒng)以轉向架為單位進行防滑控制。在制動過程中，EBCU接收速度傳感器采集的4路車輪速度信號，并依據(jù)減速度(β)檢測、速度差(ΔV)檢測等方法來檢測滑行。β檢測是根據(jù)本車輪的減速度變化與閾值的關系來判斷車輪是否滑行。ΔV檢測是根據(jù)某車輪速度與基準軸速度的偏差是否超過閾值來判斷車輪的滑行狀態(tài)。EBCU在實測的4個車輪速度和預設的模擬軸速度中，選擇其中的最高值作為基準軸速度。設置模擬軸速度的目的是為了在全軸滑行時盡可能地獲取相對準確的列車運行速度，模擬軸速度是由上個計算周期的基準軸速度通過預設的模擬軸減速度推算得出［1］。

當EBCU檢測到車輪出現(xiàn)滑行時，立即控制比例閥增大輸出液壓力，從而減小轉向架的制動力，使滑行輪速度盡快恢復至列車運行速度;當檢測到滑行恢復后，控制比例閥減小輸出液壓力，盡快恢復轉向架制動力。車輪防滑控制示意見圖3。

圖3 有軌電車車輪防滑控制示意圖Fig.3 Diagram of tram wheel-slide-control

2 有軌電車防滑試驗

為驗證制動系統(tǒng)的防滑控制性能，有軌電車在正線上開展了防滑專項試驗。試驗時，Mc2端為試驗列車的主控端，在C轉向架的1輪和2輪前噴灑減摩液以模擬低黏著條件。試驗過程中，出現(xiàn)了低速區(qū)段誤檢滑行和低黏著下滑行輪速度跌落過多的現(xiàn)象。

2.1 低速區(qū)段誤檢滑行

在干軌條件下對有軌電車進行最大常用制動試驗時，各轉向架制動系統(tǒng)的EBCU在低速區(qū)段(約5 km/h)異常控制充壓緩解制動，見圖4中的制動缸壓力曲線。然而，通過采集設備實時監(jiān)測的各轉向架車輪速度來看，在整個制動停車過程中各車輪實際速度一致性較好，處于正常減速水平。因此，可初步判斷EBCU誤檢滑行，此時車輛執(zhí)行防滑控制，同時觸發(fā)車輛撒砂系統(tǒng)工作。

圖4 有軌電車最大常用制動試驗Fig.4 Test of tram maximum service brake

通過進一步分析其中1個轉向架實時采集的車輪滑行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):列車運行速度約從20 km/h開始，各車輪速度與EBCU設置的模擬軸速度逐漸發(fā)生偏離，見圖5。由于EBCU的基準軸速度取自模擬軸速度和各車輪速度中的最高值，而模擬軸速度均高于各車輪實際速度，導致EBCU始終將模擬軸速度作為基準軸速度。當車輛模擬軸速度為5 km/h左右時，EBCU檢測到各車輪速度與基準軸速度的偏差滿足ΔV的滑行檢測條件后執(zhí)行防滑控制。因此，可判斷該問題是由于設置的模擬軸減速度不合理所致。

圖5 有軌電車低速區(qū)段誤檢滑行試驗Fig.5 Tram false detection of sliding in low speed area

2.2 低黏著下滑行輪速度跌落過多

在濕軌條件下進行緊急制動防滑試驗時，由于軌道的黏著系數(shù)較低，滑行輪速度與其他正常車輪的速度偏離較大，即滑行輪速度跌落過多。當列車運行速度為40 km/h左右時，C3輪的速度快速跌落至10 km/h以下，見圖6。

圖6 有軌電車緊急制動防滑試驗Fig.6 Tram sliding test of emergency braking

另外，通過實時采集的A轉向架滑行數(shù)據(jù)亦發(fā)現(xiàn)了類似情況。當列車運行速度為30 km/h左右時，A2輪速度基本跌落至零，見圖7。

圖7 有軌電車A轉向架滑行試驗數(shù)據(jù)曲線Fig.7 Sliding test data curve of tram bogie A

通過進一步分析圖7中的滑行數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn):

1)當EBCU檢測出車輪滑行至制動缸壓力開始上升的時間較短，說明EBCU能較快地檢測出車輪滑行。

2)當EBCU檢測出2輪滑行并控制增大制動缸壓力直至2輪速度開始恢復歷時約0.7 s;在制動缸壓力上升的前半段，2輪的速度繼續(xù)下降并偏離列車運行速度。

3 有軌電車制動系統(tǒng)優(yōu)化方案及試驗驗證

3.1 模擬軸減速度設置的方案優(yōu)化

本車制動系統(tǒng)模擬軸減速度的設置參考了其他有軌電車，但實際上，各型有軌電車之間在車輛形式、制動減速度的設計、制動力的管理方式，以及運用環(huán)境條件上等均存在一定的差異，模擬軸減速度并不能完全通用。另外，通過整理不同載重條件下最大常用制動的實測減速度數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)基于基礎制動摩擦材料的特性，制動時車輛實際瞬時減速度與理論的設計減速度也存在一定的偏差。

因此，根據(jù)最大常用制動的實測減速度，結合實際運行線路信息，對該有軌電車制動系統(tǒng)模擬軸減速度的設置方案進行了優(yōu)化。制動系統(tǒng)優(yōu)化前后的最大常用模擬軸減速度、實測減速度和設計減速度對比見圖8。

圖8 模擬軸減速度設置方案優(yōu)化前后的最大常用模擬軸減速度、實測減速度和設計減速度對比圖Fig.8 Comparison chart of deceleration before and after the optimization of simulated shaft deceleration scheme

有軌電車模擬軸減速度設置方案優(yōu)化后，再次對其進行最大常用制動試驗(見圖9)。通過試驗發(fā)現(xiàn)，在有軌電車整個制動過程中EBCU控制正常，未再出現(xiàn)低速區(qū)段誤檢滑行的現(xiàn)象。

圖9 有軌電車最大常用制動試驗(模擬軸減速度設置方案優(yōu)化后)Fig.9 Tram test of maximum service braking(after simulated shaft decelation scheme optimization)

3.2 液壓控制方案優(yōu)化

液壓控制系統(tǒng)的響應時間屬于系統(tǒng)固有屬性，提高其響應時間比較困難。針對2.2節(jié)出現(xiàn)的滑行輪速度跌落過多的問題，為減小制動缸壓力增大過程中滑行輪速度繼續(xù)跌落，當EBCU檢測到車輪滑行后，適當提高制動缸壓力上升速率，由6 MPa/s增加至12 MPa/s。

液壓控制方案優(yōu)化后，通過試驗確認緊急制動的車輪防滑控制效果。圖10為采集的A轉向架滑行輪速度數(shù)據(jù)。由圖10可知，當EBCU檢測到4輪出現(xiàn)滑行并控制增大制動缸壓力至4輪的速度開始恢復歷時約0.3 s，期間制動缸壓力的上升速率相比優(yōu)化前得到極大提高，各滑行輪的速度均能快速恢復至列車運行速度。

圖10 有軌電車A轉向架滑行試驗數(shù)據(jù)曲線(液壓控制優(yōu)化后)Fig.10 Slip test data curve of tram bogie A(after hydraulic control optimization)

液壓控制方案優(yōu)化前后B轉向架和C轉向架滑行速度對比曲線，見圖6和圖11。由圖6和圖11可知，優(yōu)化后滑行輪速度跌落幅度縮小，防滑控制效果良好;后續(xù)開展的其他滑行試驗，也未再出現(xiàn)滑行輪速度跌落過多的現(xiàn)象。

圖11 有軌電車緊急制動防滑試驗(液壓控制優(yōu)化后)Fig.11 Tram emergency anti-slide braking test(after hydraulic control optimization)

4 結語

針對國內(nèi)某種類型有軌電車，模擬軸減速度設置的優(yōu)化方案可以有效解決防滑試驗過程中出現(xiàn)的低速區(qū)段誤檢滑行的問題;液壓控制優(yōu)化方案可提高充油速率，有效避免了防滑試驗過程中出現(xiàn)的滑行輪速度跌落過多的問題。該優(yōu)化方案可為其他類型有軌電車制動系統(tǒng)的設計和運用提供參考。