自動運行模式下城際軌道交通列車進站滑行沖標(biāo)分析

陳 旭

(交控科技股份有限公司， 100070， 北京∥工程師)

城際軌道交通列車大多運行在高架線路上，其最高運行速度可達100～120 km/h。若城際軌道交通線路周邊的環(huán)境條件惡劣，開放的軌道運行環(huán)境容易造成輪軌間黏著的降低，給列車的高速運行帶來安全風(fēng)險。本文針對某城際軌道交通列車(最高運行速度為120 km/h)在ATO(列車自動運行)模式下進站時發(fā)生滑行并沖出站臺的現(xiàn)象進行詳細分析，找出發(fā)生該問題的根本原因，并提出相應(yīng)的建議措施。

1 列車制動系統(tǒng)配置

案例列車為3節(jié)編組，采用CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))單元，配置架空制動系統(tǒng)。如圖1所示，在列車兩端2節(jié)車輛的第1個轉(zhuǎn)向架上配置網(wǎng)關(guān)閥，其余轉(zhuǎn)向架上配置智能閥，在每根車軸配置1個速度傳感器。網(wǎng)關(guān)閥之間通過列車總線連接，并與車輛網(wǎng)絡(luò)進行通信；網(wǎng)關(guān)閥與智能閥、智能閥與智能閥之間用CAN 總線互相連接。

圖1 列車制動系統(tǒng)CAN單元配置示意圖Fig.1 Schematic diagram of train braking system CAN unit configuration

當(dāng)列車處于制動狀態(tài)時，如果施加在車輪上的制動力大于輪軌間黏著所能承受的最大力，車輪將會滑行。此時可通過滑行軸與參考軸的速度差或滑行軸的減速度大小來判斷列車是否已處于滑行狀態(tài)，并據(jù)此決定列車的空氣制動防滑保護是否需要被激活。

案例列車采用EP2002制動系統(tǒng)。該制動系統(tǒng)防滑保護控制的邏輯是：當(dāng)車輪處于滑行狀態(tài)時，如果能將滑行軸的速度和參考軸的速度差控制在一定的合理區(qū)間內(nèi)，空氣制動力可以充分利用輪軌間的黏著。同時，該車輪防滑保護系統(tǒng)擁有防滑硬件監(jiān)控計時器，具備監(jiān)管防滑軟件動作的功能，此計時器可以防止排氣閥長時間排氣或保壓閥長時間保持不動作[1]。在正常情況下，僅需通過該防滑控制軟件就能完成防滑保護動作。具體的防滑控制策略及評判標(biāo)準(zhǔn)在文獻[2-5]中有詳細的闡述。

2 列車進站滑行沖標(biāo)分析及建議措施

2.1 列車進站時滑行沖標(biāo)問題分析及試驗驗證

本文針對案例列車在露天高架線路且有小雨條件下，以ATO模式進站時產(chǎn)生滑行并沖出站臺區(qū)域的現(xiàn)象(本現(xiàn)象只有1個固定站臺上出現(xiàn))進行分析，以找出列車滑行的根本原因。

小雨天氣下軌道潮濕，由此造成輪軌間黏著系數(shù)降低。當(dāng)施加的制動力大于實際低黏著能承受的最大制動力時，列車發(fā)生滑行并觸發(fā)防滑保護系統(tǒng)動作。相關(guān)系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)顯示：在啟動防滑控制約20 s后列車開始嚴重滑行，造成滑行軸的軸速度和列車速度不匹配，進而導(dǎo)致ATO系統(tǒng)的OPG(里程脈沖發(fā)生器)采集到的公里數(shù)據(jù)與列車雷達采集到的公里數(shù)據(jù)不一致，由此，ATO系統(tǒng)據(jù)此判定列車位置丟失，并觸發(fā)緊急制動。列車在緊急制動作用下停車，而在低黏著條件下施加更大的制動力(即緊急制動力)必然導(dǎo)致制動距離的加大，最終導(dǎo)致列車沖出站臺約20 m。

由列車運行記錄數(shù)據(jù)和信號系統(tǒng)中記錄的列車運行數(shù)據(jù)可知，列車通常在進站前300 m左右、速度約為90 km/h時開始制動，由此可計算出此時列車需要施加1.152 m/s2的等效減速度，方可滿足進站停車需求。而本項目在設(shè)計之初確定的100%制動級位的全常用制動等效減速度為1.090 m/s2，列車在到站前300 m開始制動，其所施加的制動力已經(jīng)超過列車全常用制動能力范圍，因此在輪軌間低黏著時必然會發(fā)生滑行現(xiàn)象。

通過上述分析，將列車進站前由ATO模式轉(zhuǎn)為司機手動駕駛，并進行了相關(guān)驗證。試驗過程中記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 車輪擦傷歸因分析

針對上述司機手動駕駛列車進站時在部分試驗中出現(xiàn)的車輪擦傷現(xiàn)象(見圖2)進行詳細分析，同時查看EVR(事件記錄儀)相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，找出具體原因。

基于上述分析過程，ATO模式轉(zhuǎn)為手動駕駛模式后，制動系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)顯示在列車滑行過程中滑行軸和參考軸速度差在約5 s時間內(nèi)越來越大，防滑保護系統(tǒng)由此及時控制各軸的制動缸壓力[1]。此過程中，制動缸壓力已經(jīng)排空，但是滑行軸軸速依然未能恢復(fù)到參考軸軸速的控制范圍內(nèi)。如圖3所示，防滑過程中某些軸制動缸壓力為0的時間超過了4 s(即出現(xiàn)防滑超時)，對應(yīng)軸的軸速亦未恢復(fù)到列車參考軸速度的控制范圍內(nèi)。為了確保行車安全，需要切除軟件防滑功能并開始施加制動力，而此時輪軌黏著仍處于較低水平，在施加制動力后滑行軸的軸速急劇降到0，個別輪對出現(xiàn)抱死的狀態(tài)(即軸速為0且有制動力施加)。但是此時列車依舊有一定的運行速度，滑行軸車輪輪周就不可避免地在軌道面上平移滑動，進而導(dǎo)致車輪踏面擦傷[7-8]。由此可知，上述車輪擦傷是滑行軸防滑動作超時后引起的常規(guī)現(xiàn)象。

表1 手動駕駛模式下列車進站的試驗數(shù)據(jù)Tab.1 Test Data during train entering station in manual driving mode

a) 左側(cè)車輪擦傷

b) 右側(cè)車輪擦傷圖2 列車在手動駕駛模式下進站時發(fā)生車輪擦傷Fig.2 Wheel abrasion occurred upon train entering station in manual driving mode

綜上所述，在有毛毛細雨或雨霧等天氣條件不好的情況下列車就會出現(xiàn)滑行，繼而產(chǎn)生軸速度與列車速度的差異。按照信號ATP設(shè)計邏輯，此時應(yīng)施加緊急制動。在防滑保護系統(tǒng)動作過程中，變化的軸速度與列車速度之間存在較大差距是正常的。而對于列車在ATP 保護模式下因防滑動作導(dǎo)致緊急制動的情況，需要信號系統(tǒng)重新評估其設(shè)計的初始邏輯是否合適。

圖3 車輪踏面擦傷時EVR記錄數(shù)據(jù)界面截圖

2.3 建議的整改措施

1) 目前出現(xiàn)滑行及沖標(biāo)集中在1個站點，列車在此站點存在請求制動施加時間點偏晚或需求制動減速度偏大的情況。ATO 系統(tǒng)在進行列車進站停車計算時沒有考慮列車出現(xiàn)滑行(即實際列車減速度相對于期望值偏低)的情況，因此發(fā)生列車進站沖標(biāo)現(xiàn)象。需要信號系統(tǒng)將該站點與其他站點在進站停車過程的制動級位差異進行對比，并適當(dāng)調(diào)整該站點的停車控制速度曲線。

2) 從目前情況及其他項目的經(jīng)驗看，如果ATO 設(shè)計或者實際運行時期望列車以較高的制動減速度進站停車，在輪軌黏著受到天氣影響不能提供其所要求的制動減速度時，列車就會出現(xiàn)滑行甚至沖標(biāo)。此外，若列車在低黏著條件下發(fā)生嚴重打滑，此時再請求大極位的制動需求(如緊急制動)，并不能使列車在有效距離內(nèi)停車。因此，露天線路在軌道條件不好時(如受雨、雪、霜、霧等天氣影響)，如果不能改變輪軌黏著狀態(tài)，則建議采取人工駕駛、限速運行、進站前施加小制動級位(即提前制動)等措施[9-10]來滿足列車運行要求。

3 結(jié)語

軌道交通車輛在制動過程中出現(xiàn)滑行屬正常情況，滑行時有專門的防滑保護系統(tǒng)進行控制，以確保列車運行安全。但是如果在低黏著條件下，在防滑控制超時后就有發(fā)生車輪擦傷的風(fēng)險。本文對于某城際軌道交通列車在雨天運行進站停車時滑行沖出站臺區(qū)域的現(xiàn)象進行詳細分析，并對提出的相關(guān)建議進行試驗驗證。在輪軌黏著較差的情況下，列車沖標(biāo)現(xiàn)象依舊發(fā)生，且偶有車輪擦傷現(xiàn)象發(fā)生。針對上述現(xiàn)象，建議信號系統(tǒng)優(yōu)化其控制策略或運營部門調(diào)整運營圖，使列車能夠在頻繁發(fā)生滑行的站點提前實施小級位制動。