制動防滑控制系統失效分析及應對措施

楊 洋，張鶴飛，亢 磊，李 松

（1 中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心, 長春 130062；2 長春職業技術學院 汽車學院,長春 130062）

現代軌道車輛仍然朝著提高速度和增加承載能力的方向發展，這對車輪和軌道的黏著條件提出了苛刻的要求，需要更高的輪軌黏著系數來支撐制動力以避免車輪發生滑行，防滑控制系統的主要作用就是防止車輪在任何情況下發生滑行。制動防滑系統（WSP）的主要功能和目標是“在所有預定的運行條件下，通過控制防滑閥保持、減少或恢復制動力來最大限度地利用可用黏著，以防止車輪因黏著力低而抱死或發生不可控制的滑行”。WSP 不僅用來防止車輪抱死，而且通過增加黏著系數，在黏著條件變差的情況下減少制動距離。

制動力的大小取決于輪軌間的黏著系數，然而黏著系數是隨著輪軌間相對滑動速度（或滑移率）呈高度非線性變化的。車輛的軸重及運行速度會顯著地影響輪軌間的黏著系數，黏著系數也會受到天氣、環境、季節、軌面污染物等因素的影響。因此，當車輪制動力大于輪軌所能提供的黏著力時，車輪與軌道會發生滑動摩擦，制動距離將會延長，此時防滑系統應在充分利用黏著的基礎上盡快恢復車輪的滑行狀態，防止車輪抱死導致的車輪擦傷及制動距離延長。

1 輪軌間的黏著特性

軌道車輛的牽引過程和制動過程都要依靠輪軌間的黏著力，黏著力是牽引力和制動力的來源。當車輪的制動力超過黏著力時，車輪將發生滑行，嚴重時將發生車輪抱死。在車輛的制動過程中，輪軌間的最大切線力就是黏著力。

由于車輪和軌道都不是完全剛性的，車輪的巨大壓力將導致車輪和軌道之間存在一個彈性接觸變形區域。當車輛移動時，車輪和軌道始終存在彈性變形，在輪軌接觸面的彈性形變區為橢圓形，如圖1 所示。輪軌接觸面可以分為2 個區域，接觸區前部分處于壓應力狀態稱之為黏著區域，接觸區后部分處于拉應力狀態稱之為蠕滑區域。當輪軌間的切線力增加時，黏著區域的面積將減小，而滑行區域的面積將增加，如果最終只剩下滑行區域則車輪發生抱死現象。

圖1 輪軌接觸區

黏著表述的是黏著系數和滑移率之間的關系，也是防滑控制系統研究的基礎。大量學者的研究表明，線路狀況、氣候條件、軌道污染、車輛的性能參數等因素都會影響黏著特性［1-4］。黏著系數和滑移率之間的關系如圖2 所示。從圖中可以看出，黏著特性曲線與滑移率之間為非線性關系。圖中連續的曲線指的是黏著的損失，即滑移的增量；而虛線曲線指相對的黏著恢復，即滑移的減量。A 點前面的區域是微滑動區，之后是宏觀滑動區。在宏觀滑動區之外是軸抱死區。

圖2 典型黏著系數與滑移率關系曲線

在微滑動區內，黏著系數隨著滑移率的增加達到圖2 中的峰值點，隨后蠕滑區變大而黏著區變小，黏著系數下降。但隨著滑移率繼續變大，滑行進入到宏觀滑行穩定區，此時由于輪軌間的接觸區變大，黏著系數隨著黏著區面積增大而增大，直到B 點出現又一個峰值。防滑系統的目的就是保持制動過程中車輪滑行率能夠穩定在B 點附近。然而，如果滑移率繼續增大，輪軌接觸面幾乎全部進入滑行區，黏著力急劇下降，最終形成軸抱死滑行［5］。

2 防滑控制系統

2.1 防滑控制系統組成

防滑控制系統（WSP）由以下元件組成：速度傳感器、WSP 控制器和防滑閥。帶盤式制動的兩軸轉向架WSP 系統框圖如圖3 所示。每個車軸配置1 個速度傳感器及測速齒輪，防滑閥安裝在車體底架上并盡可能靠近制動缸的位置，WSP 控制器集成在制動控制單元中。

圖3 制動防滑控制系統組成框圖

對于架控控制的制動系統，WSP 控制器是按照每根軸單獨作用的，通過測速齒輪和速度傳感器單獨計算每根車軸的軸速。每個WSP 控制器也會計算列車的參考速度，車輛參考速度的計算有可能是不精確的，特別是當2 個軸都滑行了較長時間。為了防止這種情況，WSP 控制器會通過對比其他WSP 計算出的速度來修正自己計算的參考速度，最后通過對比修正的車輛參考速度和車軸軸速得出滑移率和速度差。

當檢測到滑動時，WSP 控制器控制防滑排風閥對應的制動缸一次排風或階段性排風或保持壓力不變，以降低或保持瞬時低黏著條件下的制動力，待黏著恢復后，根據車軸軸速的恢復情況再對相應的制動缸進行一次充風或階段充風，增加制動力以提供車輛的有效制動。

由于高速動車及城市軌道客車在常用制動時多采用電制動優先而空氣制動補償的電空復合制動模式，除空氣制動系統需要控制防滑外，牽引系統同樣需要通過牽引控制單元控制電制動防滑。牽引控制單元TCU 在進行電制動防滑控制時，通過速度傳感器對各軸的減速度和速度差進行檢測，當判斷出車輪滑行時，則迅速減少車軸的電制動力來防止車輪滑行。但當進入到深入滑行時，牽引系統會切除電制動，此時防滑完全由制動系統接管。

2.2 防滑控制系統滑行判據

高速動車組主要采用減速度和速度差復合控制原理，由防滑控制系統對速度傳感器發送的脈沖信號進行計算比較，并根據內部的控制邏輯來判斷是否發生了滑行。另外參考速度的計算也是判斷滑行與否的關鍵參數。在制動模式下，參考速度跟隨轉速最高的軸速，但是會被平直干燥軌道上的最大減速度以及與WSP 控制器內部算法相符的斜率來限制。如果制動控制單元控制的所有軸的減速度都小于這些限制值，參考速度將跟隨軸速，但當所有軸都抱死，防滑系統則不能檢測到滑行。

3 防滑失效導致的踏面擦傷

中國高速列車的發展趨勢是提高速度和載荷，然而隨著速度的提高，輪對與鋼軌之間的黏著系數降低，特別是在雨雪條件下，車輪滑行事件的概率增加。近年來我國高鐵線路上發生過多起動車組車輪踏面擦傷的故障，車輪踏面擦傷的天氣和軌面狀況均比較惡劣，基本都發生在小雨、小雪、溫度較低或者落葉較多的環境下。

京滬線380 系列列車的車輪抱死事件如圖4 所示。當抱死的車輪沿軌道滑動時，車輪踏面上會產生嚴重的擦傷，車輪與踏面接觸的區域被磨成平面，車輪平面的深度可以達到3.5 mm。車輪踏面的損壞不僅可能是車輪抱死造成的，而且還可能是速度差過大造成的。如車輛速度與車輪周向速度差超過30 km/h 以上同樣可以造成擦傷。

造成車輪磨平的原因是車輪高速滑行引起溫度急劇升高，同時車輪外層又被快速冷卻，導致車輪融化并形成馬氏體鋼。馬氏體是一種鋼的形式，堅固且脆，容易出現裂紋和碎裂。它首先在車輪表面發展，然后擴散到車輪材料中，最終導致車輪踏面材料損失。

京滬線發生滑行事故的380 系列列車的速度和軸速曲線如圖5 所示，從曲線數據可以看出，制動施加后，頭車速度迅速降低，頭車4 個車軸的速度明顯低于列車速度，在制動施加80 s 后，4 個車軸均發生抱死，隨后防滑功能激活，車輪速度開始恢復，但除了軸4 外，其他3 個軸完全抱死。可以清晰地發現在列車運行過程中相當長的一段時間內輪軌黏著相當的低。產生如此低輪軌黏著的主要原因是極端天氣條件下造成的凍雨和軌面覆冰。

圖5 列車及各車軸速度

制動過程中電制動力和摩擦制動力的施加情況如圖6 所示，從曲線數據可以看出，在前92 s 內僅有電制動被激活，這時摩擦制動沒有施加，92 s后電制動被切除，摩擦制動單獨施加。因此，列車整個制動過程可以分為具有不同特點的2 個階段。其中第1 階段由電制動主導，牽引控制單元（TCU）主要負責滑行控制。在第2 階段，電制動力被切除，僅有摩擦制動單獨施加，在這一階段，制動控制單元（BCU）負責滑行控制。

圖6 電制動及摩擦制動施加情況

3.1 第1 階段: 電制動激活

在第1 階段，列車采取優先使用電制動的原則，在減速初段只有電制動被激活，在最初的幾秒鐘內，4 根軸的軸速均跟隨列車的速度，在這個階段防滑系統檢查每根軸的軸速并和列車速度相比較，在速度300 km/h 左右時，4 根軸的速度是同步的，在軸速從275 km/h 減 速到12 km/h 的60 s 時 間內，軸的平均減速度大于1.2 m/s2，此時參考速度大部分跟隨軸速，在軸瞬時減速度大于1.6 m/s2，制動系統檢測到數次車輪發生滑行。最終，在軸速降低到大約10 km/h 時，司機緩解了制動，導致車軸速度再次加速，這一階段車軸并沒有發生抱死。

在第1 階段，電制動激活并在頭車產生了很大的制動力，相對拖車軸速，頭車軸速在此階段下降到很低的程度。

在只有電制動力的制動階段，電制動力實際值和設定值的對比情況如圖7 所示，可以看出在最初的幾秒電制動力就出現了明顯的降低，這說明牽引控制單元發現了滑行，同時激活了滑行控制，實際的電制動力一直保持在設定值的20%以下，牽引控制單元一直在試圖控制滑行。

圖7 實際電制動力和設置電制動力

在電制動控制防滑時制動控制系統發出的電制動減載需求如圖8 所示。在常用制動施加過程中，TCU 在以下時段收到了4 次來自BCU 的制動減載請求，時間從40 s 到43 s，從54 s 到57 s，從64 s 到68 s，從80 s 到91 s。其中藍色曲線顯示BCU 發出的電制動力減載信號。

圖8 BCU 減載電制動力請求

3.2 第2 階段：摩擦制動施加

當司機緩解制動，所有軸速都開始回升，然而由于極端的天氣條件，頭車只有第4 軸回升到了220 km/h，而 第3 軸 只 有100 km/h，第2 軸 只 有60 km/h，第1 軸的速度則低于50 km/h。此時TCU檢測到4 根軸速度差異較大，切斷了主斷路器，此時電制動力不再施加，在主斷跳開后，頭車沒有了牽引供電，因此也不再產生電制動。制動系統產生純空氣制動使列車減速，在這個階段頭車的1、2、3 軸被抱死持續超過60 s。

在第2 階段，制動系統接管了防滑功能并開始調整軸速，但是在第1 階段BCU 發出電制動力減載的信號時，TCU 仍然保留了20%的電制動力，導致滑行深度不斷增加，最后防滑功能鎖閉，導致車輪嚴重擦傷。

4 結 論

由于第1 階段TCU 防滑功能激活，并按照速度差的控制模式監控滑行，由于在4 s 的時間段內實際電制動力較低，TCU 認為參考速度信號是不可靠的，并在4 s 后轉為減速度控制模式，然而減速度控制模式不與列車速度進行比較，而是限制單軸的最大減速。由于惡劣天氣導致軌面只能提供極低的黏著，WSP 控制器算法達到了極限并切換到減速度控制模式，但連續非常低的黏著系數，這種減速度控制方式不能防止第1 軸的速度偏離列車速度。

問題的根本原因是輪軌之間的黏著力長時間處在極低的水平。因此，為了改善這種情況，應增加自動撒沙功能，當單車檢測到滑行時，自動激活本車撒沙裝置進行撒沙。