城市軌道交通車(chē)輛防滑保護(hù)控制技術(shù)

張興旺 劉佳玲 閆曉庚 劉 政

(中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心,063035,唐山)

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的加快,城市軌道交通(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“城軌”)依靠其準(zhǔn)點(diǎn)運(yùn)行、快捷可靠等特點(diǎn),逐漸成為市民出行的首選公共交通方式。城軌車(chē)輛運(yùn)行站間距短,起動(dòng)加速度和制動(dòng)減速度較大[1],對(duì)輪軌黏著的要求比較嚴(yán)苛。

目前,城軌車(chē)輛的制動(dòng)仍以黏著制動(dòng)為主。對(duì)于黏著制動(dòng)而言,在制動(dòng)過(guò)程中會(huì)不可避免地帶來(lái)車(chē)輪滑行的問(wèn)題。目前,城軌的發(fā)展方向主要為列車(chē)運(yùn)行速度更高,運(yùn)行線(xiàn)路由地下轉(zhuǎn)向地面、高架等。在這種發(fā)展大背景下,當(dāng)遇上雨雪天氣,軌道表面的可利用黏著力有所降低,列車(chē)在制動(dòng)時(shí)的車(chē)輪滑行幾率將會(huì)進(jìn)一步有所增大。這不僅會(huì)大大延長(zhǎng)列車(chē)制動(dòng)距離,更為嚴(yán)重的是,若制動(dòng)力過(guò)大會(huì)導(dǎo)致車(chē)輪抱死,造成車(chē)輪踏面擦傷,引起車(chē)輛振動(dòng)或蛇行運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象,危及行車(chē)安全[2]。

針對(duì)城市軌道交通車(chē)輛的特點(diǎn),本文從防滑保護(hù)控制原理的角度出發(fā),介紹了目前城市軌道交通車(chē)輛電制動(dòng)防滑與空氣制動(dòng)防滑的控制原理,對(duì)電制動(dòng)和空氣制動(dòng)的防滑控制策略進(jìn)行了優(yōu)化。本文研究可為不同線(xiàn)路的城市軌道交通車(chē)輛防滑控制設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 黏著理論介紹

當(dāng)城軌車(chē)輛在鋼軌上運(yùn)動(dòng)時(shí),在車(chē)輪載重G的作用下,輪軌接觸部位會(huì)產(chǎn)生彈性變形,形成橢圓形的接觸區(qū)。輪軌接觸面的兩側(cè)部分產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng),車(chē)輪相對(duì)于軌道出現(xiàn)輕微的滑動(dòng),稱(chēng)為蠕滑。在輪軌接觸區(qū)的前部為黏附區(qū),后部為滑動(dòng)區(qū)。

當(dāng)車(chē)輪沿軌道滾動(dòng)時(shí),輪軌接觸處既非靜止也非滑動(dòng),而是靜中有微動(dòng)或滾中有微滑的狀態(tài)。在接觸面出現(xiàn)切向相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下,車(chē)輛才能施加制動(dòng)力。將沿車(chē)縱向傳遞的制動(dòng)力與法向力之比定義為黏著系數(shù)。這種在輪軌間接觸部分伴隨蠕動(dòng)所傳遞的力即稱(chēng)為黏著力F[3]。輪軌黏著狀態(tài)及受力示意圖如圖1所示。

a) 輪軌黏著狀態(tài)

當(dāng)列車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中施加制動(dòng)時(shí),車(chē)輪上所施加的制動(dòng)力矩會(huì)產(chǎn)生切向力,并隨著蠕滑率的增加而增加,通常在此狀態(tài)的力為可利用的黏著力。在某一蠕滑率下,切向力達(dá)到最大值,此后蠕滑率隨著制動(dòng)力矩的增加而急劇增加,黏著系數(shù)急劇降低,導(dǎo)致制動(dòng)時(shí)車(chē)輪打滑。輪軌間的黏著系數(shù)隨著蠕滑率的增大而增大,當(dāng)蠕滑率達(dá)到一定值時(shí),黏著系數(shù)具有最大值,此后黏著系數(shù)隨著蠕滑率的增加而急劇下降[4]。

2 防滑控制介紹

城軌車(chē)輛多采用動(dòng)力分散模式,黏著利用率高。對(duì)于電制動(dòng)方式,動(dòng)力分散模式對(duì)于制動(dòng)黏著的利用是有利的。對(duì)于空氣制動(dòng)方式,由于基礎(chǔ)制動(dòng)裝置本來(lái)就分布在各轉(zhuǎn)向架上,在黏著問(wèn)題上的主要矛盾是考慮高速行車(chē)和不良軌面狀態(tài)下黏著系數(shù)的降低問(wèn)題。

因此對(duì)于城軌車(chē)輛而言,無(wú)論是電制動(dòng)還是空氣制動(dòng),按照黏著特性來(lái)控制制動(dòng)力是極為重要的。如果黏著力控制不當(dāng),就會(huì)在黏著力低于制動(dòng)力時(shí)發(fā)生滑行現(xiàn)象。因此,城軌車(chē)輛需配備防滑保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行防滑控制。

2.1 黏著利用控制

由黏著理論可知,黏著系數(shù)隨蠕滑率的增加變化曲線(xiàn)是存在拐點(diǎn)的,若能將蠕滑率保持在拐點(diǎn)附近,就能獲得較大的黏著系數(shù)。文獻(xiàn)[5]的研究結(jié)果表明,當(dāng)車(chē)輪滑行時(shí),采用控制蠕滑率的防滑控制方法,將蠕滑率控制在10%～20%的范圍,這樣不僅能在低黏著條件下獲得較高的黏著系數(shù),還有一定的踏面清掃作用,起到改善和提高黏著系數(shù)的作用。

對(duì)于黏著利用的控制,主要從以下方面考慮:

1) 盡早判別滑行極限值的出現(xiàn)時(shí)機(jī),可靠地避免滑行現(xiàn)象。在出現(xiàn)諸如軌面狀態(tài)變化的情況下,應(yīng)當(dāng)要求制動(dòng)力迅速自動(dòng)與之相適應(yīng),保證在列車(chē)制動(dòng)運(yùn)行中,始終以最大黏著力工作而不超過(guò)黏著極限值。

2) 在列車(chē)制動(dòng)運(yùn)行過(guò)程中,應(yīng)充分利用黏著力,但不超過(guò)黏著最大值,防止進(jìn)入黏著特性的不穩(wěn)定區(qū)域。

3) 盡可能減少車(chē)輪和鋼軌的摩擦,特別需要防止出現(xiàn)車(chē)輪與機(jī)車(chē)構(gòu)架之間產(chǎn)生顫振現(xiàn)象而損壞轉(zhuǎn)向架設(shè)備。

制動(dòng)防滑控制系統(tǒng)是確保行車(chē)安全的重要部件,其能防止城軌車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中發(fā)生滑行,使車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中達(dá)到最佳利用黏著。

2.2 防滑系統(tǒng)組成

城軌車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中多采用電制動(dòng)和空氣制動(dòng)混合的方式完成制動(dòng)過(guò)程。電制動(dòng)和空氣制動(dòng)的防滑控制分別由牽引控制單元和制動(dòng)控制單元完成。電制動(dòng)的防滑系統(tǒng)采用車(chē)控方式,主要通過(guò)牽引控制單元檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速,同時(shí)綜合列車(chē)的運(yùn)行速度進(jìn)行車(chē)輛滑行的判斷與防滑控制[6]。

空氣制動(dòng)防滑保護(hù)系統(tǒng)采用軸控控制方式,包括測(cè)速齒輪、速度傳感器、防滑電子控制單元和防滑閥等。防滑電子控制單元和防滑閥均集成于制動(dòng)控制單元,通過(guò)安裝于每根軸上的速度傳感器來(lái)監(jiān)控軸速,軸速信息共享于制動(dòng)網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)的各制動(dòng)控制單元。空氣制動(dòng)防滑保護(hù)系統(tǒng)組成示意圖如圖2所示。

圖2 空氣制動(dòng)防滑保護(hù)系統(tǒng)組成示意圖

2.3 防滑控制分類(lèi)

當(dāng)列車(chē)運(yùn)行線(xiàn)路輪軌黏著條件不佳時(shí),車(chē)輛在制動(dòng)工況下的制動(dòng)力超過(guò)車(chē)輪與鋼軌間的黏著力后,列車(chē)輪對(duì)與鋼軌之間會(huì)處于滑行狀態(tài)。當(dāng)城軌車(chē)輛檢測(cè)到滑行狀態(tài)后,防滑保護(hù)系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行防滑保護(hù)控制。防滑保護(hù)控制的主要目標(biāo)是通過(guò)降低制動(dòng)力來(lái)匹配軌道能夠提供的黏著力,減少或避免有可能進(jìn)一步惡化而導(dǎo)致車(chē)輪踏面的擦傷。

2.3.1 電制動(dòng)防滑控制

在電制動(dòng)工況下,牽引控制單元的黏著利用控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電機(jī)速度、電機(jī)轉(zhuǎn)矩等信息的實(shí)時(shí)采集、分析和處理,結(jié)合由車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)給出的電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令和控制單元生成的制動(dòng)特性包絡(luò)線(xiàn),綜合得出電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令,向電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出合適的電機(jī)轉(zhuǎn)矩給定值,使得城軌車(chē)輛能利用當(dāng)前線(xiàn)路的輪軌間最大黏著系數(shù)運(yùn)行,從而獲得最大黏著利用率。

當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)發(fā)生滑行,黏著利用控制系統(tǒng)通過(guò)輪對(duì)減速度、蠕滑速度等信號(hào)進(jìn)行電制動(dòng)滑行判斷,并快速實(shí)時(shí)地控制調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)矩指令,降低電制動(dòng)力,以抑制輪對(duì)滑行。通過(guò)蠕滑控制,牽引控制單元將電制動(dòng)力動(dòng)態(tài)地控制在最大黏著力附近。電制動(dòng)防滑控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。在電制動(dòng)防滑控制過(guò)程中,若輸出力小于給定力超過(guò)設(shè)定時(shí)間,則認(rèn)定電制動(dòng)的控制失效并切除電制動(dòng)力。

圖3 電制動(dòng)防滑控制結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.2 空氣制動(dòng)防滑控制

在空氣制動(dòng)工況下,空氣制動(dòng)系統(tǒng)控制單元通過(guò)安裝于每根車(chē)軸上的速度傳感器來(lái)監(jiān)控軸速。根據(jù)車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)給出的制動(dòng)指令,結(jié)合外部空氣彈簧的壓力信息,由載荷控制單元負(fù)責(zé)當(dāng)前載荷下的最大制動(dòng)力輸出。制動(dòng)控制板控制下游氣動(dòng)閥動(dòng)作,對(duì)制動(dòng)壓力進(jìn)行快速調(diào)節(jié),最終輸出對(duì)應(yīng)不同載重的制動(dòng)缸壓力,以保證在充分利用輪軌黏著條件下發(fā)揮最大的制動(dòng)力。

當(dāng)車(chē)輛制動(dòng)發(fā)生滑行,制動(dòng)控制板主要以蠕滑速度和減速度為判據(jù)進(jìn)行滑行檢測(cè),控制板快速地作用于充氣閥和排氣閥,通過(guò)排氣閥和充氣閥的循環(huán)排氣、保壓和充氣過(guò)程來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)缸壓力,校正該車(chē)軸的輪對(duì)滑行,從而達(dá)到防滑保護(hù)作用[2]。空氣制動(dòng)防滑控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。在空氣制動(dòng)防滑控制過(guò)程中,若長(zhǎng)時(shí)間排氣或保持不動(dòng)作超過(guò)設(shè)定時(shí)間,則認(rèn)定空氣制動(dòng)的控制失效,并退出防滑控制模式。

圖4 空氣制動(dòng)防滑控制結(jié)構(gòu)示意圖

2.3.3 電空混合制動(dòng)防滑控制

城軌車(chē)輛優(yōu)先使用動(dòng)車(chē)上的電制動(dòng)力作為主要的制動(dòng)力,當(dāng)電制動(dòng)力不能滿(mǎn)足列車(chē)制動(dòng)需求的情況下,空氣制動(dòng)力將進(jìn)行補(bǔ)充。防滑控制設(shè)計(jì)主要依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是UIC 541-05:2016《車(chē)輪滑行保護(hù)裝置》,其中主要對(duì)自動(dòng)式空氣制動(dòng)防滑控制器的功能進(jìn)行了定義,而對(duì)于城軌車(chē)輛的電空混合制動(dòng)防滑控制并沒(méi)有明確規(guī)定。

目前,城軌車(chē)輛電空混合制動(dòng)的防滑控制邏輯是通過(guò)不斷的試驗(yàn)驗(yàn)證逐漸固化的。當(dāng)電空混合制動(dòng)時(shí),動(dòng)車(chē)的防滑主要是電制動(dòng)防滑。當(dāng)牽引系統(tǒng)檢測(cè)到電制動(dòng)滑行時(shí),將電制動(dòng)滑行信息發(fā)送給空氣制動(dòng)系統(tǒng)。空氣制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)鎖定當(dāng)前的電制動(dòng)力,以防止電制動(dòng)在進(jìn)行防滑控制時(shí)空氣制動(dòng)的自動(dòng)補(bǔ)充,這樣可以有利于動(dòng)車(chē)軸的黏著恢復(fù),避免制動(dòng)滑行加重。若電制動(dòng)滑行信號(hào)持續(xù)超過(guò)2～4 s,默認(rèn)電制動(dòng)防滑控制失效,則將切除電制動(dòng)而投入空氣制動(dòng),由空氣制動(dòng)實(shí)施防滑控制,以保證制動(dòng)距離和防止輪對(duì)擦傷。拖車(chē)車(chē)軸則通過(guò)正常的空氣制動(dòng)方式進(jìn)行防滑控制。電空混合制動(dòng)防滑控制結(jié)構(gòu)示意圖如圖5所示。

圖5 電空混合制動(dòng)防滑控制結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)黏著利用理論,從制動(dòng)力分配的角度考慮,當(dāng)檢測(cè)到電制動(dòng)滑行時(shí)可優(yōu)先將空氣制動(dòng)分配在拖車(chē)上,從而充分利用拖車(chē)的黏著作用。這樣既能減少后期動(dòng)車(chē)上一旦有空氣制動(dòng)時(shí)對(duì)電制動(dòng)滑行控制帶來(lái)的影響,也可以避免由于空氣制動(dòng)的補(bǔ)充造成的動(dòng)車(chē)滑行,降低滑行概率。

以地鐵列車(chē)4節(jié)編組(兩動(dòng)兩拖)為例,在運(yùn)行過(guò)程中列車(chē)處于制動(dòng)工況時(shí),正常狀態(tài)下,當(dāng)電制動(dòng)力總和不能滿(mǎn)足整車(chē)所需的總制動(dòng)力時(shí),剩余制動(dòng)力由空氣制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充,空氣制動(dòng)力平均分配到每輛車(chē)上直到兩輛動(dòng)車(chē)的制動(dòng)力達(dá)到輪軌間的黏著極限。如果在制動(dòng)過(guò)程中,一輛動(dòng)車(chē)施加電制動(dòng)力時(shí)發(fā)生滑行,并且防滑控制失效后,該輛動(dòng)車(chē)的電制動(dòng)力被切除,此時(shí)該輛動(dòng)車(chē)會(huì)被視為拖車(chē)處理,切除電制動(dòng)力后損失的制動(dòng)力由空氣制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充,且空氣制動(dòng)力平均分配到其他三輛拖車(chē)上。

3 輪軸抱死介紹

目前,我國(guó)城軌車(chē)輛空氣制動(dòng)系統(tǒng)控制單元的防滑閥多采用高速通斷電磁閥,控制單軸防滑排氣(從100%制動(dòng)缸壓力至37%制動(dòng)缸壓力)時(shí)間約為270～400 ms,響應(yīng)時(shí)間迅速。當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度大于30 km/h的列車(chē)不會(huì)出現(xiàn)輪軸抱死現(xiàn)象;當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度小于30 km/h時(shí),輪軸抱死的持續(xù)時(shí)間也不會(huì)超過(guò)400 ms。當(dāng)城軌列車(chē)的運(yùn)行線(xiàn)路輪軌間黏著條件不佳時(shí),空氣制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行防滑保護(hù)時(shí)會(huì)對(duì)制動(dòng)缸持續(xù)排風(fēng)。為避免因持續(xù)進(jìn)行滑行控制導(dǎo)致的制動(dòng)力損失問(wèn)題,在制動(dòng)控制單元中需設(shè)置防滑監(jiān)控模塊。當(dāng)硬件監(jiān)視器檢測(cè)到排氣閥連續(xù)排風(fēng)時(shí)間超過(guò)4 s或充氣閥持續(xù)保壓時(shí)間超過(guò)8 s,就會(huì)切除本軸空氣制動(dòng)的防滑控制。當(dāng)制動(dòng)力超過(guò)車(chē)輪與鋼軌間的黏著力后,輪對(duì)由沿鋼軌滾動(dòng)變?yōu)榕c鋼軌相對(duì)滑動(dòng)。一旦輪軸抱死,將導(dǎo)致車(chē)輪和鋼軌的強(qiáng)烈摩擦。列車(chē)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)檐?chē)輪與鋼軌的摩擦熱能,使車(chē)輪踏面與軌面局部產(chǎn)生材料相變,嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)袆冸x掉塊現(xiàn)象,造成輪軌接觸面擦傷。

當(dāng)車(chē)輪滑動(dòng)通過(guò)曲線(xiàn)時(shí),抱死的車(chē)輪依靠曲線(xiàn)外軌的橫向力進(jìn)行偏轉(zhuǎn),輪緣與鋼軌始終貼靠,還會(huì)造成輪緣磨耗速度加快,影響車(chē)輪通過(guò)曲線(xiàn)和道岔的安全性。所以列車(chē)前進(jìn)方向的導(dǎo)輪抱死時(shí),如要滑動(dòng)通過(guò)小半徑曲線(xiàn)段,應(yīng)嚴(yán)格控制列車(chē)的運(yùn)行速度[7]。

輪軸抱死會(huì)帶來(lái)較大的振動(dòng)沖擊。車(chē)輪擦傷后若長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,會(huì)對(duì)走行部造成損傷。為了更好地對(duì)列車(chē)運(yùn)行及輪軸狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè),提出了輪軸抱死檢測(cè)概念。城軌車(chē)輛輪軸抱死檢測(cè)是基于軸速差進(jìn)行綜合判斷的。以某線(xiàn)路地鐵車(chē)輛的輪軸抱死檢測(cè)為例:當(dāng)列車(chē)運(yùn)行速度超過(guò)10 km/h時(shí),列車(chē)制動(dòng)發(fā)生滑行現(xiàn)象,若滑行軸的速度降低至3 km/h以下且此狀態(tài)保持5 s以上時(shí),判斷為該輪軸抱死。抱死信息能夠顯示在車(chē)輛人機(jī)界面。

城軌車(chē)輛在發(fā)生輪軸抱死故障后,為了減少輪緣磨耗,保證車(chē)輪防脫軌的安全性,同時(shí)考慮車(chē)輪與軌面的損傷及可修復(fù)性,列車(chē)拖行速度一般選為15 km/h以下。

需要注意是,輪軸抱死檢測(cè)與防滑保護(hù)系統(tǒng)是相互獨(dú)立的系統(tǒng),不管有沒(méi)有輪軸抱死檢測(cè),防滑保護(hù)系統(tǒng)都能正常工作。另外,當(dāng)車(chē)輛軸端速度傳感器發(fā)生故障,會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)所采集的軸速信息失準(zhǔn),極易造成制動(dòng)系統(tǒng)判定車(chē)軸抱死,并且錯(cuò)誤上報(bào)車(chē)軸抱死故障信息。車(chē)軸抱死故障的發(fā)生,往往伴隨著地鐵列車(chē)停站清客檢查,嚴(yán)重影響地鐵列車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)秩序。

4 結(jié)語(yǔ)

城軌車(chē)輛的防滑保護(hù)系統(tǒng)是保證列車(chē)安全運(yùn)行的重要系統(tǒng)之一,防滑控制邏輯的正確性是保證列車(chē)防滑系統(tǒng)正常工作的前提。經(jīng)過(guò)多年的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)累積與實(shí)踐驗(yàn)證,城軌車(chē)輛防滑保護(hù)控制技術(shù)已經(jīng)趨于成熟。牽引系統(tǒng)的電制動(dòng)防滑和空氣制動(dòng)系統(tǒng)的空氣制動(dòng)防滑均以蠕滑率和減速度為判據(jù)進(jìn)行滑行檢測(cè)。通過(guò)對(duì)制動(dòng)力的調(diào)整實(shí)現(xiàn)對(duì)輪軌間的黏著利用率最大化,盡量避免輪軸抱死和車(chē)輪擦傷現(xiàn)象的發(fā)生。在電空混合制動(dòng)的防滑控制方面,需根據(jù)不同系統(tǒng)的特性及滑行判據(jù)的差異,采用合理的防滑控制接口方案,以確保系統(tǒng)間防滑功能的正確配合。電空混合制動(dòng)的防滑控制已在多個(gè)城軌線(xiàn)路中成功應(yīng)用。

防滑保護(hù)系統(tǒng)能將列車(chē)的當(dāng)前制動(dòng)力與當(dāng)前輪軌黏著調(diào)整為接近水平,在防滑控制過(guò)程中產(chǎn)生一定的輪軌間清潔作用,通過(guò)車(chē)輪與軌道間的相對(duì)滑動(dòng)在一定程度內(nèi)改善輪軌黏著,但卻不能實(shí)質(zhì)性地改變輪軌間的黏著狀態(tài),特別是低黏著狀態(tài)。因此,若要縮短列車(chē)滑行狀態(tài)下的制動(dòng)距離,需要與其他增黏措施結(jié)合使用。