高速動車組制動防滑控制問題研究

趙楊坤，喬 峰

（長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

高速動車組制動防滑控制問題研究

趙楊坤，喬 峰

（長春軌道客車股份有限公司，吉林長春130062）

防滑控制系統(tǒng)是動車組列車的核心技術(shù)之一，在列車高速運(yùn)行時，防滑控制系統(tǒng)既能實(shí)現(xiàn)良好的滑行控制，又能充分利用輪軌之間的黏著，保證列車的制動距離盡可能縮短。介紹了動車組制動防滑控制的基本原理，滑行檢測方法，防滑控制方法，在惡劣天氣下存在的問題和解決方案，并對優(yōu)化后方案進(jìn)行了探討，提出新的改進(jìn)建議。

動車組制動防滑研究

動車組的制動力主要包括電制動和空氣制動，二者均為黏著制動，而對于黏著制動來說，在制動力的施加過程中由于輪軌間黏著條件的改變不可避免存在車輪滑行的問題。隨著車輛速度的提高，輪軌間的黏著系數(shù)在不斷降低，車輪滑行的幾率增加。車輪滑行帶來的不利影響主要有制動距離延長、輪對擦傷等問題。為了盡可能的減少滑行，動車組上裝設(shè)有電制動防滑裝置和空氣制動防滑裝置。主要針對動車組在運(yùn)營過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，并詳細(xì)分析了電制動防滑控制和空氣制動防滑控制存在的問題，并提出了優(yōu)化改進(jìn)建議。

1　動車組制動防滑控制原理

1.1電制動防滑控制原理

電制動防滑裝置通過安裝在牽引電機(jī)上的速度傳感器，對輪對轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行檢測，在滑行即將發(fā)生的短暫臨界階段將其檢測出，并及時動作，使作用在車輪上的制動力迅速降低至黏著力以下，以防止車輪滑行，恢復(fù)輪軌的黏著狀態(tài)。在黏著恢復(fù)以后，還要根據(jù)不同的情況保持或增加制動力。

由牽引控制單元對速度傳感器送來的脈沖頻率信號進(jìn)行計(jì)算比較，并根據(jù)事先規(guī)定的控制邏輯來判斷是否發(fā)生了滑行。目前，已有的防滑裝置在判斷滑行時，采用了許多判據(jù)，主要依據(jù)的是速度差、減速度、滑移率和減速度微分等，其中速度差和減速度采用的較為普遍。但無論采用哪一種判據(jù)，都應(yīng)把防滑與充分利用黏著作為主要目的。有時雖然兩種防滑器采用相同的判據(jù)，但效果卻不同，這主要是由于判據(jù)參數(shù)的選取和對制動力的控制過程不同造成的。

（1）速度差檢測

動車組在拖車設(shè)一根純拖軸，即在常用制動過程中，該軸不施加制動。TCU通過采集該軸的速度，獲得一個基準(zhǔn)速度。當(dāng)車輪的速度低于基準(zhǔn)速度某一設(shè)定值時，就判斷為滑行。

（2）減速度檢測

減速度檢測是根據(jù)車輪本身轉(zhuǎn)動速度減少的比例與預(yù)設(shè)值（單個軸的最大減速度）來判斷該軸是否滑行。由于預(yù)設(shè)值為單個軸的最大減速度，因此當(dāng)車軸出現(xiàn)輕微、持續(xù)滑行時，電制動防滑裝置有可能無法檢測到滑行，出現(xiàn)誤判。

1.2空氣制動防滑控制原理

空氣制動防滑裝置是通過安裝在每個軸端的速度傳感器，對輪對轉(zhuǎn)動速度進(jìn)行檢測，并將各輪對的轉(zhuǎn)動線速度與參考速度進(jìn)行比較得到相應(yīng)的速度差、滑移率。將各軸的減速度、速度差和滑移率分別與相應(yīng)的判據(jù)進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到有關(guān)的判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)時，主機(jī)立即控制防滑排風(fēng)閥動作，以實(shí)現(xiàn)制動缸保壓、排風(fēng)等動作，從而達(dá)到防止輪對滑行、并根據(jù)輪軌黏著變化而調(diào)節(jié)制動力的目的。當(dāng)輪對恢復(fù)轉(zhuǎn)動時，根據(jù)不同的加速度、速度差或滑移率可實(shí)現(xiàn)階段再充風(fēng)或一次再充風(fēng)。空氣制動防滑控制原理示意圖見圖1。

高速動車組防滑系統(tǒng)主要采用了兩類防滑判據(jù)，即減速度、速度差控制原理?，F(xiàn)將其工作過程和原理分述如下：

（1）減速度判據(jù)的控制原理

減速度判據(jù)是與其他輪對無關(guān)的獨(dú)立判據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。制動時，當(dāng)輪軌間黏著較差時，輪對連滾帶滑的特征明顯。此時，該輪對產(chǎn)生的減速度大于正常的減速度，致使該輪對的速度低于列車速度，當(dāng)該減速度繼續(xù)增加達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的第一個判據(jù)a1時，主機(jī)控制防滑排風(fēng)閥動作，使制動缸停止充風(fēng)而保壓（如果是在制動充風(fēng)過程中的話）。若輪軌間黏著狀態(tài)差，該輪對減速度達(dá)到第二個判據(jù)a2時，防滑器主機(jī)控制防滑排風(fēng)閥動作，使該輪對的制動缸階段排風(fēng)。由于制動缸排風(fēng)，制動力減小，該輪對的減速度逐漸減小。當(dāng)減速度減小到a3時，輪對即將開始恢復(fù)正常轉(zhuǎn)動，此時主機(jī)控制防滑排風(fēng)閥施行制動缸保壓。該輪對速度漸漸增加，當(dāng)輪對減速度a大于a4時，制動缸開始階段再充風(fēng)以恢復(fù)該輪對的制動力。這就是以減速度判據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)的控制原理。

（2）速度差判據(jù)的控制原理

蠕滑理論的試驗(yàn)研究表明，輪對速度與車輛速度存在一定速度差，此速度與車輛速度的百分比，稱為該輪對此時的滑移率。當(dāng)滑移率在5～15%之間時，輪軌間可獲得最佳黏著。高速動車組防滑裝置通過控制滑移而不發(fā)生滑行?？諝夥阑b置選定列車隔離軸速作為參照速度vr，將各輪對的真實(shí)速度v與vr進(jìn)行比較，當(dāng)vr與v差值大于等于Δv1時（第1個速度差判據(jù)），主機(jī)控制防滑排風(fēng)閥動作，實(shí)現(xiàn)制動時的充風(fēng)保壓（如果這時正在充風(fēng)的話）。如果黏著條件差，該輪對可能繼續(xù)減速，當(dāng)vr與v差值大于等于Δv2時（第2個速度差判據(jù)），主機(jī)控制防滑排風(fēng)閥動作使制動缸實(shí)現(xiàn)階段排風(fēng)。減速的輪對將逐漸恢復(fù)其轉(zhuǎn)動速度。逐漸恢復(fù)轉(zhuǎn)動的輪對，當(dāng)vr與v差值小于等于Δv3時（第3個速度差判據(jù)），主機(jī)控制防滑排風(fēng)閥動作，使制動缸實(shí)現(xiàn)階段再充風(fēng)，以恢復(fù)該輪對的制動力。這就是用速度差判據(jù)控制防滑過程的原理。

2　高速條件下防滑問題分析

2013～2014年我國高鐵線路上發(fā)生多起動車組輪對擦傷的故障。動車組出現(xiàn)輪對擦傷的天氣及軌面情況均比較惡劣，基本都發(fā)生在小雨、雪天、凌晨（動檢車次）等。針以G62次和優(yōu)化電制動方案后的DJ5719次擦傷故障為例，進(jìn)行問題研究。

2.1G62次動車組故障分析

2013年4月19日G62次動車組擔(dān)當(dāng)杭州站至濟(jì)南西站運(yùn)行交路，EC00車為主控端。21：24分動車組運(yùn)行在蚌埠南—徐州東站區(qū)間，HMI屏報故障代碼68C8（列車自動停止DNRA）、19D1（軸1不旋轉(zhuǎn)）、19D2（軸2不旋轉(zhuǎn)）、19D3（軸3不旋轉(zhuǎn)）、294D（輪對1不旋轉(zhuǎn)）、294E（輪對2不旋轉(zhuǎn)）、294F（輪對3不旋轉(zhuǎn)），同時列車輸出最大常用制動。天氣情況：雨雪天氣，東北風(fēng)3～4級；環(huán)境溫度3℃。

車輛回庫后，對牽引控制單元、制動控制單元、防滑閥等硬件進(jìn)行了詳細(xì)檢查，未發(fā)現(xiàn)任何問題，下載了中央控制單元、牽引控制單元、制動控制單元等故障記錄，發(fā)現(xiàn)故障記錄情況與實(shí)際情況相符，頭車1，2，3軸確實(shí)存在擦傷現(xiàn)象。經(jīng)過檢查MVB數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)在車輛出現(xiàn)嚴(yán)重滑行后，電制動力根據(jù)牽引控制單元的指令進(jìn)行了減載，但是并未完全切除電制動，仍保留7%電制動力。在電制動滑行控制下，動車組持續(xù)滑行60 s，最終導(dǎo)致了輪對擦傷，輪對擦傷經(jīng)過見圖2。

通過對列車速度、減速度、00車速度、00車減速度進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在故障發(fā)生時，線路的黏著條件非常惡劣，根據(jù)對比計(jì)算（a=μg，g重力加速度），實(shí)時黏著系數(shù)低于0.03。

圖2　G62次動車組擦傷經(jīng)過

針對上述情況，為何電制動在持續(xù)滑行的情況下，仍然保留5%的電制動力，而不是完全切除電制動，讓輪對速度恢復(fù)避免擦傷。經(jīng)過調(diào)查得知，牽引系統(tǒng)廠家為了充分利用黏著，縮短制動距離，根據(jù)既有經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為在5%的電制動力下不會引起輪對滑行，即黏著系數(shù)能夠滿足制動力的要求。其控制策略未考慮到動車組在惡劣氣候條件下高速運(yùn)行時，黏著系數(shù)會變得非常低，導(dǎo)致防滑控制算法達(dá)到極限，進(jìn)而導(dǎo)致輪對擦傷。通過討論后，對電制動防滑控制進(jìn)行了如下修改：

（1）將速度差控制的時間由4 s改為45 s；

速度差控制可精確獲悉車輪的滑行狀態(tài)以及速度差值，避免了減速度控制模式下的不精確性。

（2）當(dāng)檢測到軸速度偏移超過規(guī)定值（圖3中曲線所示），TCU將完全切除電制動，切除電制動后，若速度差小于黃色曲線，則制動力自動恢復(fù)。若45 s內(nèi)速度差持續(xù)大于圖中曲線，TCU防滑控制將轉(zhuǎn)換為減速度控制。

圖3　防滑改進(jìn)方案——軸速度差控制曲線

2.2DJ5719次動車組故障分析

2014年11月16日凌晨（小雨，室外溫度1℃），CRH380BG-5562動車組擔(dān)當(dāng)DJ5719次8車為占用端。列車運(yùn)行至盤錦——營口東區(qū)間時司機(jī)施加制動調(diào)速，06：31分HMI屏報故障代碼：19D4（軸4不旋轉(zhuǎn)）、68C8（運(yùn)行監(jiān)控強(qiáng)制制動），司機(jī)操縱列車停車，機(jī)械師下車檢查發(fā)現(xiàn)5車、7車4軸一側(cè)均有擦傷痕跡。7：03分車組限速80 km/h運(yùn)行至營口東站，經(jīng)詳細(xì)檢查發(fā)現(xiàn)5車3軸、4軸，7車4軸左右輪均有擦傷。7車BCU數(shù)據(jù)，06：31：21時報故障代碼1742（軸4不旋轉(zhuǎn)），05車BCU數(shù)據(jù)，06：31：29時報故障代碼1732（軸3不旋轉(zhuǎn)），06：31：30時報故障代碼1742（軸4不旋轉(zhuǎn)）

對5、7車防滑系統(tǒng)進(jìn)行自檢測試，各軸防滑排風(fēng)閥工作正常。5、7車的BCU1和BCU2同時報出了軸抱死的故障，由于BCU1、BCU2獨(dú)立進(jìn)行軸抱死檢測，因此可以判斷速度傳感器、相關(guān)板卡應(yīng)該正常，不存在故障。

動車組從06：15：51開始運(yùn)行后，從06：18：24開始，軌面黏著條件開始惡化，牽引工況下，TCU實(shí)際值與設(shè)定值相差較大，開始階段8車空轉(zhuǎn)較為嚴(yán)重，隨著列車速度的提升，軌面的黏著條件下降，6車逐漸開始出現(xiàn)空轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象一直持續(xù)到06：30：17，動車組轉(zhuǎn)入制動工況，詳見表1。

動車組轉(zhuǎn)入制動工況后，8車、6車在列車靜止前一直處于滑行狀態(tài)，極端情況下時，電制動力為0。06：30：28司機(jī)將制動手柄置于4級，4 s后7車、5車依次檢測到滑行，5車于06：30：39消除滑行，06：30：45司機(jī)將制動手柄置于3級，2 s后7車消除滑行。06：30：53司機(jī)將制動手柄置于5級，06：31：05置于6級，06：31：13置于7級，06：31：20置于8級。

表1　牽引工況下TCU設(shè)定值與實(shí)際值

06：31：07 7車4軸開始快速減速，06：31：16軸速降為0，7車4軸抱死。06：31：22 HMI上報出故障代碼68C8，列車自動施加最大常用制動。06：30：57～06：31：02期間7車4軸速度上升，說明防滑排風(fēng)閥工作正常。

06：31：16 5車3軸、4軸開始快速減速，06：31：24軸速降為0，5車3軸、4軸抱死。06：31：08～06：31：15期間5車3軸、4軸速度均上升，說明防滑排風(fēng)閥工作正常。

在低速階段，5車3軸、4軸恢復(fù)了旋轉(zhuǎn)，并與列車速度相同。

綜上所述，DJ5719輪對擦傷主要原因一是軌面黏著狀態(tài)較差；二是未進(jìn)行撒沙操作，改善軌面黏著狀態(tài)；三是在車輛處于滑行狀態(tài)時，增大制動級位。

2.3G62和DJ5719問題對比分析

通過對G62和DJ5719輪對擦傷問題分析可以看出，兩次故障有相同之處，也有不同之處。相同之處是擦傷的時候軌道黏著條件都非常差，司機(jī)沒有及時進(jìn)行撒沙操作。不同之處是G62由于電制動保留了5%，造成了頭車1、2、3軸輪對擦傷，而DJ5719在發(fā)生滑動以后完全切除了電制動，頭車沒有出現(xiàn)擦傷，但是在大級別制動情況下中間車出現(xiàn)了擦傷。

原方案中當(dāng)TCU檢測到滑行后，優(yōu)先采用速度差控制模式，4 s后轉(zhuǎn)為減速度控制模式。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重滑行時，電制動力減載量最大為設(shè)定值的95%，仍保留5%的制動力。優(yōu)化后方案當(dāng)TCU檢測到滑行后，優(yōu)先采用速度差控制模式，45 s后轉(zhuǎn)為減速度控制模式。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重滑行時，電制動力可減載為0。

通過DJ5719擦傷故障MVB數(shù)據(jù)分析，可以確認(rèn)動車T C U在進(jìn)行防滑控制時，電制動力的減載不會引起全列車制動力的重新分配，拖車不會分擔(dān)動車由于滑行控制而減少的制動力。但是由于電制動防滑控制軟件更改后，在電制動力減載為0時，司機(jī)容易判定為制動力不足而追加制動力，導(dǎo)致拖車制動缸壓力增加，進(jìn)而滑行的幾率加大。原方案中動車電制動力不會減為0，此時制動過程中，動車輪對會對軌面起到清潔的作用，在一定程度上能夠改善軌面的黏著狀態(tài)，使后續(xù)各軸降低滑行的幾率。

2.4后續(xù)解決方案建議

（1）當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重滑行時，可考慮適當(dāng)保留電制動力，既起到對軌面清潔的作用，又不會造成頭車輪對擦傷。具體電制動力保留多少還需通過進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證來確定。

（2）修改CCU軟件，當(dāng)動車組中單車存在空轉(zhuǎn)或滑行時，在顯示屏上提示司機(jī)，動車組出現(xiàn)空轉(zhuǎn)或滑行，應(yīng)盡可能提前采用小級別制動進(jìn)行調(diào)速，避免使用大級別制動，并進(jìn)行撒沙操作。

（3）動車增加自動撒沙功能，當(dāng)單車檢測到滑行時自動激活本車撒沙裝置進(jìn)行撒沙。

3　結(jié)束語

由于我國高鐵的運(yùn)營速度位于世界前列，且我國高鐵的運(yùn)用環(huán)境（氣候條件、環(huán)境條件、線路條件等）與國外均存在差異，因此已有的運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)并不能完全滿足我國高鐵的運(yùn)用需求，我國高鐵的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)仍然需要邊運(yùn)營邊積累，通過不斷積累運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)最終形成我國獨(dú)立的高鐵技術(shù)體系。

［1］ 陳偉，周軍，王新海，等.和諧號動車組制動防滑控制理論和試驗(yàn)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31（5）：32-38.

［2］彭俊彬.動車組牽引與制動［M］.北京：中國鐵道出版社，2009.

Research of High Speed EMU Braking Anti-skid Control Problems

ZHAO Yangkun，QIAO Feng
（Changchun Railway Vehicle Co.，Ltd，Changchun 130062 Jilin，China）

Anti-skid control system is one of the core technologies in EMU trains.During high-speed train running，anti-skid control system can achieve good sliding control，make full use of the adhesion between wheel and rail，and guarantee the braking distance of the train as far as possible to shorten the.This paper introduces the basic principle of EMU anti-skid braking control，skid detection method，anti-skid control method，and existing problems and solutions in adverse weather conditions.The optimized scheme is discussed，and new suggestions for improvement are put forward.

EMU；brake system；anti-skid；research

U266.37

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.07

1008-7842（2015）04-0031-04

4—）男，高級工程師（

2015—03—26）