基于防滑效率提升的架控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配的優(yōu)化設(shè)計(jì)

孫憲紅，婁寧峰，劉凱蘭，委玉佳

(中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

制動(dòng)系統(tǒng)是列車(chē)最重要的系統(tǒng)之一，其主要功能是保證列車(chē)可以按要求完成減速，并安全停車(chē)，城軌車(chē)輛及動(dòng)車(chē)組大多采用基于微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)控制方法的不同又可以分為車(chē)控方式與架控方式，其中架控方式因其可實(shí)現(xiàn)對(duì)各轉(zhuǎn)向架的單獨(dú)制動(dòng)控制，具有控制精度高、響應(yīng)速度快、故障時(shí)損失制動(dòng)力少等優(yōu)點(diǎn)，被更加廣泛應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外各項(xiàng)目車(chē)輛上。

采用架控制動(dòng)系統(tǒng)的車(chē)輛，通常會(huì)在每車(chē)配置2個(gè)制動(dòng)控制裝置(G閥和S閥)，全列車(chē)的制動(dòng)控制裝置(G閥和S閥)組成多個(gè)CAN網(wǎng)單元。具有網(wǎng)關(guān)功能的G閥，可接收車(chē)輛制動(dòng)指令并向車(chē)輛輸出制動(dòng)狀態(tài)反饋信息，而僅有制動(dòng)控制功能的S閥，則通過(guò)內(nèi)部CAN總線接收G閥制動(dòng)指令，完成制動(dòng)控制。基于架控制動(dòng)系統(tǒng)的配置特點(diǎn)，架控制動(dòng)系統(tǒng)車(chē)輛的制動(dòng)力分配及管理基本都在同一CAN單元內(nèi)進(jìn)行，目前常見(jiàn)的制動(dòng)力分配模式有“等減速度”分配模式、“等磨耗”分配模式等。

“等減速度”分配模式是根據(jù)各車(chē)重量，按比例在各車(chē)施加制動(dòng)，以保證施加制動(dòng)后各車(chē)減速度相同。此種方式的優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)沖擊小、輪軌粘著利用率高，但其具有較為明顯的缺點(diǎn)：由于其根據(jù)車(chē)重按等減速度進(jìn)行制動(dòng)力分配，沒(méi)有充分考慮動(dòng)力車(chē)可施加電制動(dòng)的影響，造成動(dòng)力車(chē)電制動(dòng)利用率低，同時(shí)拖車(chē)需要經(jīng)常施加空氣制動(dòng)，其閘片磨耗較大，車(chē)輛維護(hù)性差，維護(hù)成本高，不符合車(chē)輛運(yùn)營(yíng)低能耗需求。

目前城軌車(chē)輛及動(dòng)車(chē)組項(xiàng)目大多采用“等磨耗”分配模式進(jìn)行車(chē)輛制動(dòng)力管理，即：電制動(dòng)與空氣制動(dòng)協(xié)調(diào)配合時(shí)，電制動(dòng)優(yōu)先投入，當(dāng)電制動(dòng)力不足時(shí)，在各轉(zhuǎn)向架平均補(bǔ)充空氣制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各轉(zhuǎn)向架閘片磨耗相等。此模式具有電制動(dòng)利用率高、車(chē)輛運(yùn)營(yíng)可維護(hù)性好、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。

但此種制動(dòng)力分配方式也存在一個(gè)弊端，受電制動(dòng)優(yōu)先原則的影響，在車(chē)輛施加制動(dòng)時(shí)，動(dòng)力車(chē)相比拖車(chē)需要承擔(dān)更大的制動(dòng)力，即動(dòng)力車(chē)需要更高的輪軌粘著來(lái)滿(mǎn)足制動(dòng)力的粘著需求，在低輪軌粘著條件下，此種制動(dòng)力分配方式相對(duì)“等減速度”分配方式更容易發(fā)生滑行，且滑行主要發(fā)生在車(chē)輛動(dòng)力車(chē)上，造成車(chē)輛對(duì)輪軌粘著利用率不足，影響整車(chē)防滑控制效率。車(chē)輛由于制動(dòng)距離延長(zhǎng)，甚至?xí)l(fā)生擦輪故障，影響行車(chē)安全。

基于以上分析，本文從某型動(dòng)車(chē)組運(yùn)行過(guò)程中的動(dòng)力車(chē)擦輪故障案例著手進(jìn)行研究，提出一種涉及制動(dòng)力分配方案、防滑控制參考速度計(jì)算等方面的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，以提升架控制動(dòng)系統(tǒng)“等磨耗”制動(dòng)力分配模式的車(chē)輛防滑效率，降低車(chē)輛擦輪風(fēng)險(xiǎn)。

2 某型動(dòng)車(chē)組擦輪案例分析

某型動(dòng)車(chē)組為2動(dòng)2拖的四編組車(chē)輛，采用架控制動(dòng)系統(tǒng)，根據(jù)編組形式劃分為2個(gè)CAN單元，在每個(gè)CAN單元內(nèi)采用“等磨耗”原則進(jìn)行制動(dòng)力分配及管理，其列車(chē)編組及制動(dòng)系統(tǒng)配置方案如圖1所示。

圖1 某型項(xiàng)目列車(chē)編組圖

車(chē)輛運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，在低粘著、長(zhǎng)坡道施加常用全制動(dòng)時(shí)，動(dòng)力車(chē)發(fā)生了多次滑行并最終因滑行控制失效，造成多個(gè)動(dòng)力車(chē)轉(zhuǎn)向架輪對(duì)抱死擦輪的故障。選取發(fā)生擦輪故障的一個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架(M4車(chē)1架)和同一CAN單元內(nèi)的一個(gè)拖車(chē)轉(zhuǎn)向架(T3車(chē)1架)進(jìn)行防滑數(shù)據(jù)分析，如圖2所示。

1—常用制動(dòng)指令-81端口;2—基準(zhǔn)軸速度(參考速度)-481端口;3—1軸速度值-481端口;4—2軸速度值-481端口;5—拖車(chē)基準(zhǔn)軸速度(參考速度)-481端口。

車(chē)輛在同一CAN單元內(nèi)采用“等磨耗”原則進(jìn)行制動(dòng)力分配，在制動(dòng)前期(07:01:44—07:02:25)車(chē)輛施加小極位制動(dòng)時(shí)，在“電制動(dòng)優(yōu)先”控制策略下，動(dòng)力車(chē)施加電制動(dòng)，由于電制動(dòng)力較大，造成在低粘著條件下制動(dòng)力超過(guò)粘著力，發(fā)生了3次滑行，而此時(shí)拖車(chē)未施加空氣制動(dòng)，沒(méi)有出現(xiàn)滑行現(xiàn)象。

在后期司機(jī)追加制動(dòng)到常用全制動(dòng)(07:02:25—07:03:11)，由于電制動(dòng)力大幅提升，而此時(shí)由于輪軌粘著較小，電制動(dòng)產(chǎn)生深度滑行，動(dòng)力車(chē)制切除了電制動(dòng)投入，車(chē)輛根據(jù)“等磨耗”原則平均施加空氣制動(dòng)力，此時(shí)粘著仍然很低，各節(jié)車(chē)輛空氣制動(dòng)滑行激活。

故障發(fā)生時(shí)段車(chē)輛以Mc4車(chē)作為頭車(chē)運(yùn)行，軌道粘著條件較差，防滑系統(tǒng)控制邏輯中，沒(méi)有考慮車(chē)輛較低粘著運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生連續(xù)滑行的極端情況，各轉(zhuǎn)向架防滑控制參考速度計(jì)算方法為：選本架2根軸速中較大的軸速作為本架防滑控制的參考速度，當(dāng)出現(xiàn)2軸均發(fā)生滑行時(shí)采用模擬參考速度，且在車(chē)輛連續(xù)滑行控制過(guò)程中，防滑系統(tǒng)僅能進(jìn)行一次對(duì)地測(cè)速，即：對(duì)滑行軸的防滑閥進(jìn)行排風(fēng)動(dòng)作以恢復(fù)實(shí)際軸速(07:02：30—07:02:35)，此時(shí)防滑控制糾正有效，滑行短暫恢復(fù)。但由于Mc4車(chē)作為頭車(chē)運(yùn)行，其輪軌粘著恢復(fù)相對(duì)較差，當(dāng)對(duì)其2軸進(jìn)行一次對(duì)地測(cè)速糾正后，又再次出現(xiàn)了連續(xù)深度滑行，防滑系統(tǒng)無(wú)法再次對(duì)地測(cè)速，此時(shí)本轉(zhuǎn)向架的防滑參考速度只能采用本架的模擬參考速度進(jìn)行控制，使得防滑系統(tǒng)參考速度(圖2中481端口)與車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行速度(圖2中484端口)偏差較大，即本轉(zhuǎn)向架防滑參考速度失真，最終導(dǎo)致防滑控制失效，發(fā)生輪對(duì)抱死的擦輪故障；而T3車(chē)1架由于粘著恢復(fù)較好，防滑系統(tǒng)在一次對(duì)地測(cè)速過(guò)程中已糾正滑行，因此未出現(xiàn)抱軸現(xiàn)象。

1—常用制動(dòng)指令-81端口;2—基準(zhǔn)軸速度(參考速度)-481端口;3—1軸速度值-481端口;4—軸速度值-481端口。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案

為解決上述故障并消除“等磨耗”制動(dòng)力管理模式的弊端，提出以下優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

3.1 優(yōu)化制動(dòng)力分配方案

參考CRH1型動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)力分配方式[1]，對(duì)某型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)力分配模式進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，在原來(lái)“等磨耗”制動(dòng)力分配的基礎(chǔ)上，增加“等減速度”模式，具體方案為：正常情況下車(chē)輛采用“等磨耗”進(jìn)行制動(dòng)力分配，但是當(dāng)車(chē)輛處于低速運(yùn)行或電制動(dòng)滑行時(shí)，車(chē)輛將轉(zhuǎn)入“等減速度”模式進(jìn)行制動(dòng)力分配，此時(shí)車(chē)輛根據(jù)制動(dòng)極位需求按各車(chē)的重量進(jìn)行制動(dòng)力分配，使各車(chē)的減速度保持一致，以最大限度的利用輪軌粘著。

優(yōu)化后的制動(dòng)力分配方案車(chē)輛正常情況下仍按“等磨耗”原則進(jìn)行制動(dòng)力分配，保留了“等磨耗”分配原則的電制動(dòng)利用率高、各車(chē)閘片磨耗均衡、車(chē)輛可維護(hù)性好的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)在低粘著情況下動(dòng)力車(chē)電制動(dòng)滑行激活時(shí)，自動(dòng)轉(zhuǎn)入“等減速度”模式，可以有效避免原來(lái)“等磨耗”模式下的動(dòng)力車(chē)由于電制動(dòng)優(yōu)先施加時(shí)造成的需要承擔(dān)較大制動(dòng)力的情況，降低了車(chē)輛發(fā)生滑行的概率，提高了車(chē)輛輪軌粘著的利用率。

3.2 優(yōu)化防滑參考速度計(jì)算方法

從上述分析可知，某型動(dòng)車(chē)組此次動(dòng)力車(chē)擦輪故障，除受“等磨耗”原則制動(dòng)力分配方案影響外，還有一個(gè)關(guān)鍵的原因是：防滑參考速度的計(jì)算方法存在一些缺點(diǎn)，當(dāng)發(fā)生連續(xù)深度滑行時(shí)，防滑系統(tǒng)不能進(jìn)行多次對(duì)地測(cè)速，且參考速度的計(jì)算僅與本架2根軸速相關(guān)，沒(méi)有參考其他轉(zhuǎn)向架的軸速進(jìn)行控制，防滑參考速度的準(zhǔn)確性無(wú)法保證。

為避免類(lèi)似故障的發(fā)生，對(duì)防滑系統(tǒng)參考速度的計(jì)算方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，具體方案為：當(dāng)本架滑行參考速度與本CAN單元內(nèi)最高的架參考速度差值較大時(shí)，則本架參考速度切換為本CAN單元內(nèi)最高的架參考速度，當(dāng)兩者之間的速度差達(dá)到規(guī)定范圍時(shí)，則切換回自身計(jì)算的參考速度值，同時(shí)在連續(xù)防滑控制過(guò)程中，可多次制定防滑閥排風(fēng)的對(duì)地測(cè)速以恢復(fù)實(shí)際軸速，提升防滑參考速度計(jì)算的準(zhǔn)確性，可有效避免因參考速度失真而引起防滑控制失效的情況。

4 方案實(shí)施及驗(yàn)證

在某型項(xiàng)目車(chē)輛按上述方案實(shí)施優(yōu)化后，再次進(jìn)行了車(chē)輛防滑功能驗(yàn)證試驗(yàn)：在濕滑軌道下，對(duì)車(chē)輛施加最大常用制動(dòng)，記錄各轉(zhuǎn)向架防滑數(shù)據(jù)，同一個(gè)CAN單元內(nèi)的T3車(chē)與M4車(chē)各轉(zhuǎn)向架防滑數(shù)據(jù)分析如圖4所示。

從圖4中可直觀地看出，車(chē)輛實(shí)施設(shè)計(jì)優(yōu)化后，在低輪軌粘著施加常用制動(dòng)停車(chē)時(shí)，各轉(zhuǎn)向架防滑控制效果良好，同一CAN單元內(nèi)各架防滑參考速度相差較小，且在制動(dòng)過(guò)程中動(dòng)力車(chē)轉(zhuǎn)向架滑行次數(shù)及滑行程度均得到明顯改善，本優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的實(shí)施對(duì)車(chē)輛防滑控制的提升有一定的效果。

圖4 優(yōu)化后各轉(zhuǎn)向架防滑數(shù)據(jù)

為進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案對(duì)車(chē)輛防滑效率的提升效果，對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化實(shí)施前后車(chē)輛低粘著條件施加常用全制動(dòng)時(shí)的防滑效率進(jìn)行計(jì)算[2]。使用初始滑行時(shí)的減速度作為理論可利用最大粘著時(shí)實(shí)現(xiàn)的減速度，同時(shí)假設(shè)減速度為線性變化，計(jì)算車(chē)輛在防滑激活的時(shí)間里可能的最短停車(chē)距離S理論，得出防滑效率(n)的簡(jiǎn)易計(jì)算公式如下：

(1)

其中：S實(shí)際為車(chē)輛在防滑控制過(guò)程中的實(shí)際制動(dòng)距離；V1為車(chē)輛防滑開(kāi)始時(shí)的初始車(chē)速；a1為防滑激活時(shí)的減速度。

在車(chē)輛優(yōu)化設(shè)計(jì)方案實(shí)施前，在廠內(nèi)進(jìn)行的低輪軌粘著、低運(yùn)行速度施加常用全制動(dòng)的滑行數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，根據(jù)公式(1)計(jì)算車(chē)輛優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)施前后的防滑效率，證明通過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案的實(shí)施，在同等運(yùn)行條件下車(chē)輛防滑效率提升了14.7%，即此優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)提升車(chē)輛防滑效率具有明顯效果。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析架控制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)力分配方案的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合某型動(dòng)車(chē)組項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)擦輪案例的故障分析，提出一種針對(duì)架控制動(dòng)系統(tǒng)采用等磨耗制動(dòng)力分配方案的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證及數(shù)據(jù)計(jì)算證明了本優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)車(chē)輛防滑效率的提升具有明顯效果。目前，某型動(dòng)車(chē)組實(shí)施本優(yōu)化設(shè)計(jì)方案后投入運(yùn)營(yíng)一年多再未發(fā)生擦輪故障。本優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的實(shí)施效果對(duì)其他類(lèi)似項(xiàng)目車(chē)輛的制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有極大的參考意義。