基于臺架試驗的高速動車組防滑控制特性研究

周 軍

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所, 北京 100081；2.北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

目前，高速動車組仍以黏著制動為主，即通過車輪與鋼軌接觸斑之間的黏著-蠕滑來傳遞制動力。因此輪軌界面黏著特性是影響動車組制動的最直接也是最主要的因素[1]。輪軌界面黏著是一個動態隨機變量，受到很多復雜因素的影響，它會隨地點、時間和環境因素的不同而改變。因此，列車在實際運營中在不同的外部環境下相同的制動力矩，其黏著的最佳值在位置和量值上是經常變化的[2]，一般需要配備防滑控制系統來控制這種變化。車輪防滑保護(Wheel Slide Protection，WSP)是一種先進的運行控制和監控系統，防止由于輪軌間黏著系數降低而導致的輪對擦傷，并充分利用黏著以縮短不利黏著條件下的制動距離，在確保動車組安全運行方面有重大的作用。

防滑系統是列車制動系統的關鍵組成部分，其功能和性能直接關系到制動系統甚至整個列車的安全，必須對其經過充分的功能驗證和性能檢驗[3]。防滑控制系統的宗旨和目標是在輪對發生滑行時盡可能避免輪對擦傷，并有效利用輪軌間黏著以縮短列車制動距離，二者缺一不可，這也是評價防滑系統優劣的重要技術指標。

本文在深入分析輪軌黏著機理的基礎上，在不利條件下充分利用黏著的原理，設計了分層遞階的防滑控制方法和多模式黏著切換的控制新策略。基于鐵科院1∶1高速輪軌關系試驗臺，開展高速動車組防滑系統在不同試驗速度級別、不同黏著條件下的防滑試驗，探析防滑控制特性、黏著-蠕滑關系，并驗證防滑系統的功能和性能以及防滑控制策略的有效性和可靠性。

1 黏著機理

1.1 輪軌接觸和蠕滑

相關研究結果表明，輪軌接觸的力傳遞方式有三種，分別為黏附、滑動和滾動[4]，見圖1。vR為輪對切向速度，vT為車輛速度。

圖1 輪軌接觸時的力傳遞形式

黏附狀態下，輪對的切向速度vR和沿軌道車輛速度vT都為零，即列車處于靜止狀態。

滑動狀態有2種情況：若僅是輪對切向速度vR為零，則為打滑；若僅是列車運動速度vT為零，則為空轉。

滾動狀態是指切向速度vR和沿軌道車輛速度vT具有速度差，即：vT-vR=Δv，也分為2種情況,純滾動和蠕滑滾動。

圖2 輪軌滾動示意

圖2為輪軌滾動狀態示意圖。圖2中，v為列車速度；ω為輪對角速度；R為車輪半徑；N為正向壓力；f為切向力，且f<(μ×N)，μ為輪軌黏著系數。

Δv=v-ωR

( 1 )

ε=Δv/v

( 2 )

式中：Δv為輪軌在接觸點o的相對滑移速度；ε為車輪絕對滑行，其百分比即為蠕滑率(滑移率)λ。

(1) 純滾動狀態

此時，v=ωR,Δv=0，則f=0，ε=0，此狀態下不能傳遞制動力或牽引力。

(2) 蠕滑滾動狀態

既當車輪在軌道上滾動時，由于輪軌之間發生彈性變形，使其沿列車運行方向分成兩部分。前部為黏附區，后部為滑動區，此時：

若v>ωR，Δv>0，則f<0 (反向)，ε>0，制動狀態；若v<ωR,Δv<0，則f>0 (正向)，ε<0，牽引狀態。

1.2 黏著

在輪對轉動過程中，當施加制動時，在制動缸壓力的作用下，制動夾鉗夾緊制動盤并產生垂直壓力K，同時產生閘片作用于制動盤的正向滑動摩擦力K·φ。由于車輪緊壓在鋼軌上，所以閘片滑動摩擦力對輪心的摩擦力矩在輪軌接觸點又產生鋼軌反作用于車輪的切向靜摩擦力B，這個力就是由制動系統引起的與列車運行方向相反的制動力Fb[5]。輪軌黏著制動過程見圖3，參數說明如表1所示。

圖3 輪軌黏著制動過程示意

表1 輪軌黏著參數說明

在輪軌間保持靜摩擦和忽略車輪轉動慣性I的情況下，制動力Fb為

Fb=B=K×φ×rb/rw

( 3 )

然而在實際情況下，鋼軌和車輪在高壓力的作用下都會產生少許變形，輪軌間實際上是橢圓形的面接觸，而并非是點接觸，導致動車組在運行過程中不可避免地發生各種各樣的振動和沖擊。此外，由于車輪踏面是近似圓錐形的，導致車輪在鋼軌上滾動的同時，必定伴隨著輪軌間微量的橫向和縱向的滑動。由此可知，輪軌接觸面并不是純粹的靜摩擦狀態，而是一種靜中有微動或滾中有微滑的狀態。在鐵路牽引和制動理論中，把上述狀態稱為黏著狀態[6-7]，把黏著狀態下輪軌間的最大切向摩擦力稱為黏著力Fa，把黏著力與車輪鋼軌間垂直載荷之比定義為黏著系數μ。

1.3 蠕滑與黏著的關系

黏著系數與蠕滑的關系一般采用Kalker曲線來表示[8]，見圖4。

圖4 Kalker理論黏著曲線

該曲線包括三個工作區間：正常運行區、穩態運行區和非穩態運行區。在正常運行區，蠕滑率在0.5%～1.5%處，其黏著系數達到峰值μmax1，但由于通過這個區的時間很短，并且難以檢測與控制，故也稱之為假穩定區。而真正的黏著利用與控制是在穩態運行區, 蠕滑率為5%～20%(法國10%～25%，日本10%以內)，黏著系數達到第二個峰值μmax2。當超過臨界蠕滑率λs時，則進入非穩態運行區，此時輪對有發生抱死的可能。Kalker曲線是理論曲線，實際通過測量和統計得到的黏著系數曲線不包括正常運行區。

1.4 輪軌黏著動態過程分析

1.4.1 閘片摩擦力和摩擦力矩

閘片摩擦力計算過程如下：

制動缸力為

( 4 )

式中：Fz為制動缸力，kN；Pc為制動缸壓力，kPa；Ak為活塞表面積，cm2；Fg為彈簧回復力，kN。

每個制動缸的閘片壓力為

FAz=Fz×i×ηe

( 5 )

式中：FAz為每個制動缸的閘片壓力，kN；i為總的傳動杠桿比；ηe為傳動效率。

每軸的閘片壓力為

FAg=nz×FAz

( 6 )

式中：FAg為每軸的閘片壓力；nz為每軸的制動夾鉗數量。

每軸的閘片總摩擦力為

FBe=mue×FAg

( 7 )

式中：FBe為每軸的閘片總摩擦力，kN；mue為閘片和制動盤間的摩擦系數。

得到閘片摩擦力后，即可得到摩擦力矩(也稱制動力矩)為

Tb=FBe×rb

( 8 )

式中：Tb為摩擦制動力矩,kN·m；rb為制動半徑,m。

1.4.2 黏著力和黏著力矩

可利用黏著力Faa和可利用黏著系數μaa的關系為

Faa=μaa×W

( 9 )

式中：μaa≤μ。

黏著力矩(也稱為車輪轉矩)為

Ta=Faa×rw

(10)

1.4.3 輪軌黏著動態過程

當制動施加后，制動缸壓力逐漸上升，進而閘片摩擦力和摩擦力矩也隨之增大，輪對速度開始下降，輪對速度和車輛速度之差也逐漸增大，蠕滑率和黏著系數增大。由圖4可知，在蠕滑率達到最大黏著值之前，黏著系數隨蠕滑率的增大呈非線性增加，此時可以認為制動力矩和車輪轉矩是同步增長的，則制動過程處于黏著曲線的穩態運行區。如果此時繼續增大制動力矩，當蠕滑率超過某一值時，黏著系數不增反降，車輪轉矩也隨之減小，導致與制動力矩的差也急劇增大，最終使輪對速度快速降低直至輪對抱死。

在車輛制動過程中，輪對轉矩和制動力矩的動態特性為

(11)

即

(12)

此外，從力傳遞的方面來看，當輪軌間切向作用力B超過黏著力Fa時，輪軌間的接觸點將發生相對滑動，此時切向作用力將變成滑動摩擦力。由于滑動摩擦系數與黏著系數相比要小得多，導致切向作用力突然迅速變小。在閘片摩擦力矩的強大作用下，車輪轉速將急劇下降，直至停止轉動，已停轉的車輪在鋼軌上滑行，然而列車速度此時并未明顯降低，導致車輪踏面發生局部擦傷。因此，在通常情況下，制動力Fb不應大于黏著力Fa，即制動力受輪軌黏著的限制[9]。

2 防滑控制系統

2.1 結構與功能

動車組防滑控制系統是依據國際防滑標準UIC 541-05—2016的技術要求，結合我國鐵路實際輪軌黏著特性及動車組運用環境而設計研制的，主要由防滑控制器、速度傳感器及防滑排風閥等組成，見圖5。

圖5 動車組防滑控制系統結構

目前，國內外已有的防滑系統在判斷“滑行”時，采用了許多判據，主要依據的是速度差、減速度、滑移率、減速度微分等，其中速度差和減速度采用的較為普遍。本防滑系統采用速度差、減速度相結合的防滑控制方法。控制單元計算本車速度傳感器采集的軸速度、軸減速度和車輛速度，根據各軸速度與車輛速度之間的滑差和各軸減速度的變化來判斷滑行狀態。當輪軌間黏著條件較差，輪對產生滑行時，控制單元立即控制防滑閥動作來調節制動力從而抑制滑行，防止車輛輪對擦傷，并充分利用黏著以縮短不利黏著條件下的制動距離[10-11]。防滑控制系統除了具有空氣制動防滑外，還具有電制動防滑，本文不考慮電制動防滑，只涉及空氣制動防滑。

2.2 防滑控制系統應用現狀

目前，我國既有高速動車組制動防滑系統主要從國外引進(德國Knorr、法國Faiveley和日本Nabaco等)，防滑控制技術由外方掌握，運用維護中參數的調整還受外方限制。此外，國外防滑系統的控制參數和控制策略是依據該國黏著機理的研究成果設計的，其適用于該國輪軌黏著特性。由于我國的鐵路運用環境和輪軌黏著特性都與國外有明顯差異，導致我國既有動車組在前期運行期間均出現了不同程度的輪對擦傷事故，這意味著國外防滑系統的控制參數和控制策略并不完全適用于我國的輪軌黏著特性。因此，可充分利用自身的經驗和國內市場，研究適合我國高速動車組實際運行條件的防滑控制技術，發展具有自主知識產權的核心技術，提高我國軌道車輛裝備的技術水平。

2.3 防滑控制新策略

2.3.1 分層遞階控制方法

為了解決當前我國既有高速動車組防滑系統在運用過程中所面臨的問題，研究適用于我國實際輪軌黏著特性的防滑控制策略，在2.1節中傳統防滑控制方法的基礎上，依據前述的黏著-蠕滑控制機理，設計了一種基于分層遞階模式的防滑控制方法，將整個滑行控制過程分為兩個階段并采用不同的滑行控制策略。在滑行初始階段，防滑系統依據黏著-蠕滑的關系，有目的地維持一定的滑差來改善輪軌黏著系數，實現了在輪軌間存在著變化的微量滑動條件下也能獲得最佳黏著。當滑差較大進入嚴重滑行階段時，防滑系統快速抑制輪對滑行并恢復軸速。本防滑系統所采用的分層遞階模式的黏著-蠕滑控制方法，改善了惡劣條件下的輪軌黏著，實現了充分利用輪軌黏著以縮短制動距離的目的。

2.3.2 多模式黏著切換策略

輪軌黏著受到很多復雜因素的影響，會隨時間、地點和環境因素的不同而發生變化，因此輪軌黏著的最佳值在位置和量值上經常是變化的，防滑系統應能自動追蹤黏著狀態而發揮其控制作用。本防滑控制系統采用了一種自適應追蹤輪軌黏著狀態的多模式黏著切換策略，見圖6。

圖6 多模式黏著切換策略

根據輪軌黏著狀態的不同(如，水、油/樹葉)，采用不同的最優黏著控制方法，解決了不同黏著狀態下車輪的黏著-滑行控制問題，提高了防滑控制系統對我國鐵路復雜運用環境和輪軌黏著特性的適應性。

3 防滑臺架試驗驗證

為了驗證防滑控制系統的功能和性能，以及本文所提出的分層遞階和多模式黏著切換策略的有效性和可靠性，基于高速輪軌關系試驗臺進行了防滑控制試驗。

3.1 試驗基本要求

基于中國鐵道科學研究院集團有限公司1∶1高速輪軌關系試驗臺[12]，設置與高速動車組現車一致的試驗環境(比如，軸重、總風壓力、制動壓力等)，模擬動車組拖車單軸在濕軌(普通黏著-灑水、中低黏著-噴灑減摩液、超低黏著-噴灑防凍液)工況下的防滑試驗。試驗速度范圍為120～300 km/h，施加純空氣緊急制動。

通過防滑試驗，驗證防滑控制系統的功能和性能以及防滑控制策略有效性和可靠性，并探析防滑控制特性、黏著系數與滑移率(滑差)的關系。

3.2 防滑試驗及數據分析

根據3.1節的試驗基本要求，完成了相應速度等級的防滑試驗，以初速度200、250、300 km/h防滑試驗為例，普通黏著-噴灑水、中低黏著-噴灑減磨液、超低黏著-噴灑防凍液，試驗工況結果分別見圖7～圖9。

圖7 普通濕軌防滑試驗工況結果

圖8 中低黏著防滑試驗工況結果

圖9 超低黏著防滑試驗工況結果

3.3 試驗結果分析

(1) 通過上述防滑試驗結果可以看出，防滑系統能根據不同的輪軌介質條件自適應地追蹤最佳黏著狀態，提高了黏著利用率。既抑制了輪對滑行防止輪對擦傷，又改善了輪軌可用黏著，縮短了制動距離。試驗過程中無輪對擦傷，且制動距離和滑差滿足標準要求，驗證了本文所提出的分層遞階防滑控制方法和多模式黏著切換策略的有效性和可靠性。

(2) 普通濕軌(水)條件下，在200 km/h以下初速制動工況下，滑差在10～20 km/h之間時，其黏著系數為最佳，通過防滑閥動作來維持上述范圍的滑差，可以獲得較高的制動缸壓力；在250 km/h和300 km/h初速制動工況下，速度在200 km/h以上時，為了獲得最佳黏著需要維持較高的滑差，滑差在30～40 km/h時，300 km/h初速度制動工況最大滑差甚至超過了40 km/h左右。最佳黏著對應的滑移率約為10%。

(3) 中低黏著(減磨液)條件下，滑差在10～20 km/h時，其黏著系數為最佳，與制動初速度關系不大。最佳黏著對應的滑移率約為5%。

(4) 超低黏著(防凍液)條件下，滑差在10～20 km/h時，其黏著系數為最佳，與制動初速度關系不大。最佳黏著對應的滑移率約為7%。

4 結論

本文在深入分析輪軌黏著機理的基礎上，為了適應我國復雜的鐵路運營環境和不同的輪軌黏著條件，依據蠕滑-黏著控制機理，設計了分層遞階和多模式黏著切換的防滑控制策略，基于高速輪軌關系試驗臺防滑試驗，得出如下結論：

(1)本文采用分層遞階的防滑控制方法，通過有目的地維持一定的滑差可以改善輪軌黏著，提高制動力，縮短制動距離。

(2)普通濕軌(水)條件下，200 km/h以上初速度制動工況，為了獲得最佳黏著需要維持較高的滑差，滑差在30～40 km/h時，最大滑差甚至超過了40 km/h。

(3)中低黏著(減磨液)和超低黏著(防凍液)條件下，滑差在10～20 km/h時，其黏著系數為最佳，與制動初速度關系不大。

(4)本文采用的多模式黏著切換策略，可以自適應地追蹤不同的輪軌黏著狀態，根據低黏著和極低黏著的不同，尋找不同的最優黏著控制區域(滑差)。

(5)防滑試驗的結果也驗證了防滑控制系統的有效性和可靠性，為今后自主化防滑控制系統的推廣應用奠定了技術支持和理論基礎。