地鐵列車空轉(zhuǎn)打滑對(duì)信號(hào)系統(tǒng)控車性能的影響及處理措施

梁 宇 張成國(guó) 湯梨園 趙宏偉

(卡斯柯信號(hào)有限公司， 200436， 上海∥第一作者， 高級(jí)工程師)

地鐵正朝著安全、高效、環(huán)保和舒適的方向快速發(fā)展，不斷促使信號(hào)與車輛等各專業(yè)密切配合、協(xié)同前進(jìn)。信號(hào)系統(tǒng)對(duì)于復(fù)雜條件下列車的控車性能要求越來(lái)越高，尤其是涉及行車安全的場(chǎng)景需要提前預(yù)判。列車空轉(zhuǎn)滑行易導(dǎo)致車輪踏面擦傷，如不控制損傷區(qū)域會(huì)持續(xù)惡化，造成傳動(dòng)裝置和走行部件的損壞[1]；同時(shí)車輪和鋼軌都會(huì)形成磨損產(chǎn)生強(qiáng)烈的、有沖擊性的噪聲，引起列車車身的劇烈振動(dòng)，使得乘客乘坐舒適度下降[2]。列車空轉(zhuǎn)打滑特別嚴(yán)重時(shí)，還會(huì)使得線路失穩(wěn)、列車降速、脹軌、出現(xiàn)冒進(jìn)信號(hào)等事故。因此，信號(hào)系統(tǒng)對(duì)于列車空轉(zhuǎn)打滑的研究特別重要。

本文以雨雪天氣條件下冰雪或浮銹、油污覆蓋軌道等因素導(dǎo)致地鐵列車出現(xiàn)空轉(zhuǎn)打滑作為典型案例，從信號(hào)系統(tǒng)的角度出發(fā)，討論列車空轉(zhuǎn)打滑的判定與處理措施。

1 空轉(zhuǎn)打滑力學(xué)模型與判定

列車牽引力大于輪軌間的最大靜摩擦力時(shí)，輪軌間的接觸狀態(tài)為懸空。當(dāng)車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)速度超過(guò)列車運(yùn)行速度時(shí)，列車就發(fā)生了“空轉(zhuǎn)”現(xiàn)象[2]。當(dāng)列車制動(dòng)力大于輪軌間的黏著力時(shí)，列車輪對(duì)處于滑行狀態(tài)。在車輪不轉(zhuǎn)動(dòng)的情況下且被列車強(qiáng)行拖運(yùn)一段距離，即列車車輪速度的計(jì)算值小于列車實(shí)際運(yùn)行速度時(shí)，列車發(fā)生“打滑”現(xiàn)象[3]。

1.1 列車空轉(zhuǎn)打滑力學(xué)模型的建立

在列車自重作用下，輪軌的接觸面會(huì)發(fā)生彈性變形。其中，一部分彈性形變反作用轉(zhuǎn)換為切向力FT，即黏著力；另一部分彈性形變僅影響法向力。驅(qū)動(dòng)輪所受的切向力推動(dòng)輪子沿著軌道運(yùn)行，稱為蠕滑[4]。在列車加速和減速過(guò)程中，黏著力與法向力FN的比值，稱為黏著系數(shù)。通過(guò)計(jì)算，得到打滑率λ：

λ=(ν-ωγ)/ν

(1)

式中：

ω——角速度；

γ——半徑；

ν——列車實(shí)際速度。

圖1為列車打滑率-黏著力關(guān)系曲線。由圖1可見(jiàn)，隨著FT增大，接觸面的滑動(dòng)區(qū)增加及黏著區(qū)減小，導(dǎo)致車輪出現(xiàn)滾動(dòng)和滑行，直至出現(xiàn)純滑行現(xiàn)象。為最大程度利用輪軌黏著來(lái)得到列車最大的驅(qū)動(dòng)力，信號(hào)系統(tǒng)需將打滑率控制在黏著峰頂附近，在打滑區(qū)內(nèi)，遠(yuǎn)離非穩(wěn)定區(qū)[5]。

注：λkp為打滑分界點(diǎn)； FT，max為黏著力最大值。圖1 列車打滑率-黏著力關(guān)系曲線

根據(jù)GM(通用汽車公司)開(kāi)展的中低速列車在不同軌道上的運(yùn)行試驗(yàn)，得出黏著特性數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明，在濕軌表面最大黏著出現(xiàn)在打滑率約為15%時(shí)。歐洲鐵路研究所的研究報(bào)告顯示，當(dāng)配置防滑系統(tǒng)的車輛打滑率約為15%時(shí)，黏著系數(shù)達(dá)到最大值。地鐵車輛大多采用典型值15%作為最大打滑率。

1.2 列車空轉(zhuǎn)打滑的判定方法

列車在運(yùn)行過(guò)程中充分利用黏著的同時(shí)，如何精確判定列車空轉(zhuǎn)打滑至關(guān)重要。目前，列車空轉(zhuǎn)打滑的判斷方法主要有速度差、加減速度、滑移率、減速度微分等方法，且上述方法中大多以固定的閾值為標(biāo)準(zhǔn)作為檢測(cè)方法[6]。其中較為常用的空轉(zhuǎn)滑行檢測(cè)方法有加(減)速度檢測(cè)法、速度差檢測(cè)法和滑行率檢測(cè)法[7]，具體見(jiàn)表1。

表1 列車空轉(zhuǎn)打滑檢測(cè)方法統(tǒng)計(jì)表

2 列車空轉(zhuǎn)打滑對(duì)于信號(hào)系統(tǒng)的影響

在地鐵線路上鋪設(shè)定位應(yīng)答器，列車經(jīng)過(guò)定位應(yīng)答器時(shí)會(huì)被觸發(fā)從而產(chǎn)生報(bào)文，車載信標(biāo)天線通過(guò)獲取的報(bào)文得到列車的絕對(duì)位置。列車實(shí)時(shí)定位計(jì)算需要考慮打滑，打滑率不僅影響信標(biāo)布置，更重要的是影響保障制動(dòng)率和定位誤差。

2.1 列車空轉(zhuǎn)打滑對(duì)保障制動(dòng)率的影響

保障制動(dòng)率是信號(hào)系統(tǒng)重要的輸入?yún)?shù)，它是列車在預(yù)計(jì)可能出現(xiàn)的環(huán)境條件下和最不利的制動(dòng)設(shè)備故障模式下，在軌道水平切向上能夠?qū)崿F(xiàn)的最小緊急制動(dòng)率[7]。列車發(fā)生打滑時(shí)，車輛的制動(dòng)能力下降，緊急制動(dòng)率隨之降低。此時(shí)需調(diào)整信號(hào)側(cè)對(duì)應(yīng)的控車策略和緊急制動(dòng)曲線，目的在于使列車平緩變速時(shí)保持安全間隔，同時(shí)避免車速過(guò)高或者防護(hù)距離不足等引起的緊急制動(dòng)。

因此,對(duì)于保障制動(dòng)率，信號(hào)系統(tǒng)需要車輛的防滑系統(tǒng)配合，合理利用輪軌黏著，降低實(shí)際的保障制動(dòng)率，使其值與理論值相貼近，避免列車打滑時(shí)保障制動(dòng)率偏離過(guò)大。同時(shí)針對(duì)保障制動(dòng)率，信號(hào)系統(tǒng)可根據(jù)列車位置及電子地圖定義的干軌與濕軌分別進(jìn)行取值。例如，雨雪霜凍軌道條件極易導(dǎo)致列車空轉(zhuǎn)打滑，因此，列車在露天區(qū)域及其鄰近區(qū)域的軌道建議使用濕軌保障制動(dòng)率值，而地下區(qū)域的軌道則使用干軌保障制動(dòng)率值。

2.2 列車空轉(zhuǎn)打滑對(duì)定位誤差的影響

信號(hào)系統(tǒng)采用的光電傳感器通常安裝于車軸上，發(fā)送器持續(xù)發(fā)光，編碼盤(pán)的光柵隨車軸同步轉(zhuǎn)動(dòng)，接收器通過(guò)將感應(yīng)投過(guò)光柵的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)到對(duì)列車的定位計(jì)算。每個(gè)齒輪脈沖內(nèi)列車的走行距離dcog[9]為：

dcog=(πD)/N

(2)

式中：

D——車輪直徑；

N——車輪旋轉(zhuǎn)1周時(shí)，速度傳感器產(chǎn)生的脈沖數(shù)。

定義車輛最大輪徑為Dmax、最小輪徑為Dmin，則相應(yīng)輪徑單個(gè)齒輪脈沖走行的最大距離為dcog,max，最小距離為dcog,min。由于輪徑變化導(dǎo)致列車位置不確定，定義輪對(duì)校準(zhǔn)不確定比率RCal為:

RCal=dcog,max/dcog,min-1

(3)

當(dāng)列車經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)信標(biāo)且校準(zhǔn)條件滿足后，信號(hào)系統(tǒng)導(dǎo)出編碼里程計(jì)的校準(zhǔn)常數(shù)，該值將作為標(biāo)準(zhǔn)車輪長(zhǎng)度，并應(yīng)用于列車車輪定位的計(jì)算。否則，CC(車載控制器)系統(tǒng)采用車輪輪徑最大值參與列車定位計(jì)算。車輪正常運(yùn)行距離S為:

S=(πDX)/n

(4)

式中：

X——編碼里程計(jì)讀取的脈沖總數(shù)；

n——車輪圈數(shù)，與脈沖數(shù)有關(guān)。

2.2.1 列車加速運(yùn)行時(shí)的定位誤差

列車加速運(yùn)行時(shí)，S的計(jì)算需要考慮列車發(fā)生打滑時(shí)的最大運(yùn)行距離。最不利條件下，列車運(yùn)行的最大距離需考慮列車最大運(yùn)行滑移補(bǔ)償和校準(zhǔn)不確定值。列車加速時(shí)，編碼里程計(jì)安裝在制動(dòng)軸上，不考慮列車空轉(zhuǎn)，同時(shí)加速過(guò)程也不會(huì)出現(xiàn)打滑，因此滑移補(bǔ)償貢獻(xiàn)為0，即列車加速時(shí)未打滑。列車加速時(shí)的最大定位誤差SAcc計(jì)算需考慮校準(zhǔn)不確定率，則：

SAcc=S(1+RCal)

(5)

2.2.2 列車減速運(yùn)行時(shí)的定位誤差

信號(hào)系統(tǒng)通常將編碼里程計(jì)設(shè)置在車輛制動(dòng)軸上，故列車減速運(yùn)行時(shí)滑移補(bǔ)償不為零。列車減速運(yùn)行時(shí)，在最不利的條件下，列車發(fā)生打滑時(shí)的最大運(yùn)行距離與其正常運(yùn)行距離有一定的差值，該差值需考慮列車打滑及校準(zhǔn)不確定值。通過(guò)打滑率、打滑校準(zhǔn)及車輪校準(zhǔn)不確定率，得到列車減速時(shí)的最大定位誤差SDec。

SDec=S[λ(1+RCal)+RCal]+S

(6)

上述對(duì)于列車加速和減速時(shí)SDec的精確控制直接關(guān)系到行車安全。因此，信號(hào)系統(tǒng)應(yīng)避免因定位誤差導(dǎo)致的列車超出定位范圍而觸發(fā)緊急制動(dòng)等危險(xiǎn)場(chǎng)景。

3 列車空轉(zhuǎn)打滑仿真分析

以成都地鐵17號(hào)線黃石站—市五醫(yī)院站高架區(qū)間為依托，采用MATLAB軟件建模，對(duì)列車空轉(zhuǎn)打滑進(jìn)行仿真分析。仿真中采用列車運(yùn)行速度較大的配套的軌道參數(shù)和車輛參數(shù)，如下：

1) 軌道參數(shù)：軌道最大ATO速度為140 km/h，但是考慮到道岔扣件限速，最大ATP速度需為130 km/h； 12#道岔直向限速160 km /h、側(cè)向限速50 km /h，9#道岔直向限速120 km /h、側(cè)向限速35 km /h，站臺(tái)限速85 km /h；站臺(tái)道岔區(qū)及折返區(qū)坡度為29‰，站間最大坡度為5‰。

2) 車輛參數(shù)：車長(zhǎng)187.23 m，旋轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)為8.8%，空轉(zhuǎn)/打滑系數(shù)為15%，牽引切斷時(shí)間為0.3 s，制動(dòng)施加時(shí)間為1.8 s，最大牽引加速度為1.18 m/s2，最大減速度為-1.2 m/s2，緊急保障制動(dòng)率為1 m/s2。

3.1 打滑率對(duì)列車運(yùn)行的影響

對(duì)不同打滑率下，列車在黃石站、市五醫(yī)院站及其高架區(qū)間的運(yùn)行進(jìn)行仿真分析。

根據(jù)列車安全制動(dòng)模型[10]，結(jié)合圖2，可以得出：緊急保障制動(dòng)率不變的條件下，打滑率越小，ATO控制列車運(yùn)行越平穩(wěn)；在降速制動(dòng)時(shí)，列車也不需要提前減速；ATO控車速度更接近最大ATP速度時(shí)，行車效率得以提高。打滑率過(guò)大會(huì)導(dǎo)致列車提前降速來(lái)應(yīng)對(duì)制動(dòng)，行車效率較低。因此建議軌道和車輛盡可能降低打滑率，這有利于信號(hào)系統(tǒng)平穩(wěn)控制車速，從而提高運(yùn)營(yíng)效率。

注：0～80 m時(shí)線路坡度為0； 80～1 060 m時(shí)線路坡度為-29‰； 1 060～1 360 m時(shí)線路坡度為-3.2‰； 1 360～2 220 m時(shí)線路坡度為-17‰； 2 220～2 620 m時(shí)線路坡度為+25‰； 2 620～2 965 m時(shí)線路坡度為0； 圖3、圖4同。

3.2 保障制動(dòng)率對(duì)列車運(yùn)行的影響

打滑率為15%，保障制動(dòng)率分別為0.88、0.78、0.70的條件下，列車空轉(zhuǎn)打滑仿真結(jié)果，如圖3所示。

由圖3可見(jiàn)，打滑率一定的條件下，緊急保障制動(dòng)率越大，表明車輛的制動(dòng)能力越好，同時(shí)信號(hào)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的控車速度亦得到了提高。由此可見(jiàn)，列車緊急保障制動(dòng)率的提高，有利于信號(hào)系統(tǒng)控制車速，在一定程度上亦可提高運(yùn)營(yíng)效率。

圖3 不同保障制動(dòng)率時(shí)列車運(yùn)行速度-距離關(guān)系曲線

3.3 保障制動(dòng)率和打滑率對(duì)列車運(yùn)行的影響

根據(jù)仿真建模，對(duì)比分析列車打滑控制較差與控制正常的情況，見(jiàn)圖4。

圖4 不同打滑率時(shí)列車運(yùn)行速度-距離關(guān)系曲線

由圖4可見(jiàn)，列車打滑嚴(yán)重且制動(dòng)能力較差，使得信號(hào)系統(tǒng)控車速度降低，影響了行車效率，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致前后車追蹤間隔失控。

計(jì)算列車運(yùn)行距離時(shí)，信號(hào)系統(tǒng)如檢測(cè)到打滑，會(huì)進(jìn)行空轉(zhuǎn)打滑的補(bǔ)償。當(dāng)CC(車載控制器)檢測(cè)到列車出現(xiàn)空轉(zhuǎn)打滑持續(xù)一段時(shí)間后，CC將判斷列車丟失定位并觸發(fā)EB。空轉(zhuǎn)打滑現(xiàn)象是車輛狀況和軌道條件等因素綜合產(chǎn)生的，影響信號(hào)定位誤差計(jì)算補(bǔ)償及空滑狀態(tài)下的控車策略。

4 結(jié)語(yǔ)

1) 列車空轉(zhuǎn)打滑現(xiàn)象的控制是目前車輛和信號(hào)專業(yè)的難點(diǎn)，直接關(guān)系到列車的安全控制和運(yùn)行效率。預(yù)先識(shí)別容易打滑區(qū)域，提高保障制動(dòng)率，降低列車空轉(zhuǎn)打滑發(fā)生的概率，更加有利于信號(hào)系統(tǒng)控車。

2) 建議后續(xù)信號(hào)系統(tǒng)可根據(jù)列車是否打滑來(lái)調(diào)整保障制動(dòng)率，與車輛、軌道等專業(yè)配合盡量避免長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)打滑的場(chǎng)景。