城市軌道交通車輛防滑保護控制技術

張興旺 劉佳玲 閆曉庚 劉 政

(中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心,063035,唐山)

隨著我國城市化進程的加快,城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)依靠其準點運行、快捷可靠等特點,逐漸成為市民出行的首選公共交通方式。城軌車輛運行站間距短,起動加速度和制動減速度較大[1],對輪軌黏著的要求比較嚴苛。

目前,城軌車輛的制動仍以黏著制動為主。對于黏著制動而言,在制動過程中會不可避免地帶來車輪滑行的問題。目前,城軌的發展方向主要為列車運行速度更高,運行線路由地下轉向地面、高架等。在這種發展大背景下,當遇上雨雪天氣,軌道表面的可利用黏著力有所降低,列車在制動時的車輪滑行幾率將會進一步有所增大。這不僅會大大延長列車制動距離,更為嚴重的是,若制動力過大會導致車輪抱死,造成車輪踏面擦傷,引起車輛振動或蛇行運動現象,危及行車安全[2]。

針對城市軌道交通車輛的特點,本文從防滑保護控制原理的角度出發,介紹了目前城市軌道交通車輛電制動防滑與空氣制動防滑的控制原理,對電制動和空氣制動的防滑控制策略進行了優化。本文研究可為不同線路的城市軌道交通車輛防滑控制設計提供借鑒。

1 黏著理論介紹

當城軌車輛在鋼軌上運動時,在車輪載重G的作用下,輪軌接觸部位會產生彈性變形,形成橢圓形的接觸區。輪軌接觸面的兩側部分產生相對運動,車輪相對于軌道出現輕微的滑動,稱為蠕滑。在輪軌接觸區的前部為黏附區,后部為滑動區。

當車輪沿軌道滾動時,輪軌接觸處既非靜止也非滑動,而是靜中有微動或滾中有微滑的狀態。在接觸面出現切向相對運動的情況下,車輛才能施加制動力。將沿車縱向傳遞的制動力與法向力之比定義為黏著系數。這種在輪軌間接觸部分伴隨蠕動所傳遞的力即稱為黏著力F[3]。輪軌黏著狀態及受力示意圖如圖1所示。

a) 輪軌黏著狀態

當列車在運行過程中施加制動時,車輪上所施加的制動力矩會產生切向力,并隨著蠕滑率的增加而增加,通常在此狀態的力為可利用的黏著力。在某一蠕滑率下,切向力達到最大值,此后蠕滑率隨著制動力矩的增加而急劇增加,黏著系數急劇降低,導致制動時車輪打滑。輪軌間的黏著系數隨著蠕滑率的增大而增大,當蠕滑率達到一定值時,黏著系數具有最大值,此后黏著系數隨著蠕滑率的增加而急劇下降[4]。

2 防滑控制介紹

城軌車輛多采用動力分散模式,黏著利用率高。對于電制動方式,動力分散模式對于制動黏著的利用是有利的。對于空氣制動方式,由于基礎制動裝置本來就分布在各轉向架上,在黏著問題上的主要矛盾是考慮高速行車和不良軌面狀態下黏著系數的降低問題。

因此對于城軌車輛而言,無論是電制動還是空氣制動,按照黏著特性來控制制動力是極為重要的。如果黏著力控制不當,就會在黏著力低于制動力時發生滑行現象。因此,城軌車輛需配備防滑保護系統進行防滑控制。

2.1 黏著利用控制

由黏著理論可知,黏著系數隨蠕滑率的增加變化曲線是存在拐點的,若能將蠕滑率保持在拐點附近,就能獲得較大的黏著系數。文獻[5]的研究結果表明,當車輪滑行時,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,還有一定的踏面清掃作用,起到改善和提高黏著系數的作用。

對于黏著利用的控制,主要從以下方面考慮:

1) 盡早判別滑行極限值的出現時機,可靠地避免滑行現象。在出現諸如軌面狀態變化的情況下,應當要求制動力迅速自動與之相適應,保證在列車制動運行中,始終以最大黏著力工作而不超過黏著極限值。

2) 在列車制動運行過程中,應充分利用黏著力,但不超過黏著最大值,防止進入黏著特性的不穩定區域。

3) 盡可能減少車輪和鋼軌的摩擦,特別需要防止出現車輪與機車構架之間產生顫振現象而損壞轉向架設備。

制動防滑控制系統是確保行車安全的重要部件,其能防止城軌車輛在制動過程中發生滑行,使車輛在制動過程中達到最佳利用黏著。

2.2 防滑系統組成

城軌車輛在運行過程中多采用電制動和空氣制動混合的方式完成制動過程。電制動和空氣制動的防滑控制分別由牽引控制單元和制動控制單元完成。電制動的防滑系統采用車控方式,主要通過牽引控制單元檢測電機轉速,同時綜合列車的運行速度進行車輛滑行的判斷與防滑控制[6]。

空氣制動防滑保護系統采用軸控控制方式,包括測速齒輪、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控制單元,通過安裝于每根軸上的速度傳感器來監控軸速,軸速信息共享于制動網絡單元內的各制動控制單元?？諝庵苿臃阑Ｗo系統組成示意圖如圖2所示。

圖2 空氣制動防滑保護系統組成示意圖

2.3 防滑控制分類

當列車運行線路輪軌黏著條件不佳時,車輛在制動工況下的制動力超過車輪與鋼軌間的黏著力后,列車輪對與鋼軌之間會處于滑行狀態。當城軌車輛檢測到滑行狀態后,防滑保護系統會自動進行防滑保護控制。防滑保護控制的主要目標是通過降低制動力來匹配軌道能夠提供的黏著力,減少或避免有可能進一步惡化而導致車輪踏面的擦傷。

2.3.1 電制動防滑控制

在電制動工況下,牽引控制單元的黏著利用控制系統通過對電機速度、電機轉矩等信息的實時采集、分析和處理,結合由車輛網絡系統給出的電機轉矩指令和控制單元生成的制動特性包絡線,綜合得出電機轉矩指令,向電機控制系統發出合適的電機轉矩給定值,使得城軌車輛能利用當前線路的輪軌間最大黏著系數運行,從而獲得最大黏著利用率。

當車輛制動發生滑行,黏著利用控制系統通過輪對減速度、蠕滑速度等信號進行電制動滑行判斷,并快速實時地控制調整電機轉矩指令,降低電制動力,以抑制輪對滑行。通過蠕滑控制,牽引控制單元將電制動力動態地控制在最大黏著力附近。電制動防滑控制結構示意圖如圖3所示。在電制動防滑控制過程中,若輸出力小于給定力超過設定時間,則認定電制動的控制失效并切除電制動力。

圖3 電制動防滑控制結構示意圖

2.3.2 空氣制動防滑控制

在空氣制動工況下,空氣制動系統控制單元通過安裝于每根車軸上的速度傳感器來監控軸速。根據車輛網絡系統給出的制動指令,結合外部空氣彈簧的壓力信息,由載荷控制單元負責當前載荷下的最大制動力輸出。制動控制板控制下游氣動閥動作,對制動壓力進行快速調節,最終輸出對應不同載重的制動缸壓力,以保證在充分利用輪軌黏著條件下發揮最大的制動力。

當車輛制動發生滑行,制動控制板主要以蠕滑速度和減速度為判據進行滑行檢測,控制板快速地作用于充氣閥和排氣閥,通過排氣閥和充氣閥的循環排氣、保壓和充氣過程來調節制動缸壓力,校正該車軸的輪對滑行,從而達到防滑保護作用[2]?？諝庵苿臃阑刂平Y構示意圖如圖4所示。在空氣制動防滑控制過程中,若長時間排氣或保持不動作超過設定時間,則認定空氣制動的控制失效,并退出防滑控制模式。

圖4 空氣制動防滑控制結構示意圖

2.3.3 電空混合制動防滑控制

城軌車輛優先使用動車上的電制動力作為主要的制動力,當電制動力不能滿足列車制動需求的情況下,空氣制動力將進行補充。防滑控制設計主要依據的標準是UIC 541-05:2016《車輪滑行保護裝置》,其中主要對自動式空氣制動防滑控制器的功能進行了定義,而對于城軌車輛的電空混合制動防滑控制并沒有明確規定。

目前,城軌車輛電空混合制動的防滑控制邏輯是通過不斷的試驗驗證逐漸固化的。當電空混合制動時,動車的防滑主要是電制動防滑。當牽引系統檢測到電制動滑行時,將電制動滑行信息發送給空氣制動系統?？諝庵苿酉到y會鎖定當前的電制動力,以防止電制動在進行防滑控制時空氣制動的自動補充,這樣可以有利于動車軸的黏著恢復,避免制動滑行加重。若電制動滑行信號持續超過2～4 s,默認電制動防滑控制失效,則將切除電制動而投入空氣制動,由空氣制動實施防滑控制,以保證制動距離和防止輪對擦傷。拖車車軸則通過正常的空氣制動方式進行防滑控制。電空混合制動防滑控制結構示意圖如圖5所示。

圖5 電空混合制動防滑控制結構示意圖

根據黏著利用理論,從制動力分配的角度考慮,當檢測到電制動滑行時可優先將空氣制動分配在拖車上,從而充分利用拖車的黏著作用。這樣既能減少后期動車上一旦有空氣制動時對電制動滑行控制帶來的影響,也可以避免由于空氣制動的補充造成的動車滑行,降低滑行概率。

以地鐵列車4節編組(兩動兩拖)為例,在運行過程中列車處于制動工況時,正常狀態下,當電制動力總和不能滿足整車所需的總制動力時,剩余制動力由空氣制動力進行補充,空氣制動力平均分配到每輛車上直到兩輛動車的制動力達到輪軌間的黏著極限。如果在制動過程中,一輛動車施加電制動力時發生滑行,并且防滑控制失效后,該輛動車的電制動力被切除,此時該輛動車會被視為拖車處理,切除電制動力后損失的制動力由空氣制動力進行補充,且空氣制動力平均分配到其他三輛拖車上。

3 輪軸抱死介紹

目前,我國城軌車輛空氣制動系統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%制動缸壓力至37%制動缸壓力)時間約為270～400 ms,響應時間迅速。當列車運行速度大于30 km/h的列車不會出現輪軸抱死現象;當列車運行速度小于30 km/h時,輪軸抱死的持續時間也不會超過400 ms。當城軌列車的運行線路輪軌間黏著條件不佳時,空氣制動系統進行防滑保護時會對制動缸持續排風。為避免因持續進行滑行控制導致的制動力損失問題,在制動控制單元中需設置防滑監控模塊。當硬件監視器檢測到排氣閥連續排風時間超過4 s或充氣閥持續保壓時間超過8 s,就會切除本軸空氣制動的防滑控制。當制動力超過車輪與鋼軌間的黏著力后,輪對由沿鋼軌滾動變為與鋼軌相對滑動。一旦輪軸抱死,將導致車輪和鋼軌的強烈摩擦。列車的動能轉變為車輪與鋼軌的摩擦熱能,使車輪踏面與軌面局部產生材料相變,嚴重時甚至會有剝離掉塊現象,造成輪軌接觸面擦傷。

當車輪滑動通過曲線時,抱死的車輪依靠曲線外軌的橫向力進行偏轉,輪緣與鋼軌始終貼靠,還會造成輪緣磨耗速度加快,影響車輪通過曲線和道岔的安全性。所以列車前進方向的導輪抱死時,如要滑動通過小半徑曲線段,應嚴格控制列車的運行速度[7]。

輪軸抱死會帶來較大的振動沖擊。車輪擦傷后若長時間運行,會對走行部造成損傷。為了更好地對列車運行及輪軸狀態進行監測,提出了輪軸抱死檢測概念。城軌車輛輪軸抱死檢測是基于軸速差進行綜合判斷的。以某線路地鐵車輛的輪軸抱死檢測為例:當列車運行速度超過10 km/h時,列車制動發生滑行現象,若滑行軸的速度降低至3 km/h以下且此狀態保持5 s以上時,判斷為該輪軸抱死。抱死信息能夠顯示在車輛人機界面。

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

需要注意是,輪軸抱死檢測與防滑保護系統是相互獨立的系統,不管有沒有輪軸抱死檢測,防滑保護系統都能正常工作。另外,當車輛軸端速度傳感器發生故障,會導致系統所采集的軸速信息失準,極易造成制動系統判定車軸抱死,并且錯誤上報車軸抱死故障信息。車軸抱死故障的發生,往往伴隨著地鐵列車停站清客檢查,嚴重影響地鐵列車的正常運營秩序。

4 結語

城軌車輛的防滑保護系統是保證列車安全運行的重要系統之一,防滑控制邏輯的正確性是保證列車防滑系統正常工作的前提。經過多年的運行經驗累積與實踐驗證,城軌車輛防滑保護控制技術已經趨于成熟。牽引系統的電制動防滑和空氣制動系統的空氣制動防滑均以蠕滑率和減速度為判據進行滑行檢測。通過對制動力的調整實現對輪軌間的黏著利用率最大化,盡量避免輪軸抱死和車輪擦傷現象的發生。在電空混合制動的防滑控制方面,需根據不同系統的特性及滑行判據的差異,采用合理的防滑控制接口方案,以確保系統間防滑功能的正確配合。電空混合制動的防滑控制已在多個城軌線路中成功應用。

防滑保護系統能將列車的當前制動力與當前輪軌黏著調整為接近水平,在防滑控制過程中產生一定的輪軌間清潔作用,通過車輪與軌道間的相對滑動在一定程度內改善輪軌黏著,但卻不能實質性地改變輪軌間的黏著狀態,特別是低黏著狀態。因此,若要縮短列車滑行狀態下的制動距離,需要與其他增黏措施結合使用。