郭 強，車 超，趙揚宇，馬昭鈺

（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國家工程實驗室，吉林長春 130113；2. 以色列特拉維夫大學(xué)工程學(xué)院，以色列特拉維夫）

0 引言

近年來，公共交通領(lǐng)域發(fā)展迅速，以高速動車組、城市地鐵、輕軌、有軌電車等為代表的軌道交通方式在公共交通中所占比例越來越大。軌道車輛的制動系統(tǒng)是影響列車安全運行的主要系統(tǒng)之一。當(dāng)出現(xiàn)雨雪天氣時，軌道表面的可利用黏著降低，列車在制動時會出現(xiàn)滑行的現(xiàn)象，直接影響制動系統(tǒng)的性能。如果車輛出現(xiàn)防滑現(xiàn)象而不減小制動力，車輪抱死，就容易造成擦輪，而車輪一旦擦傷，會出現(xiàn)列車質(zhì)心偏移，引起車輛振動或蛇行運動現(xiàn)象，給列車運行安全造成極大的隱患。

1998 年德國 ICE1 型高速列車由于車輪打滑發(fā)生脫軌事故，造成 100 多人死亡，多人受傷。因此，無論是動車組還是城市軌道交通車輛都會安裝防滑系統(tǒng)，車輛在出廠前會進行防滑試驗來驗證防滑系統(tǒng)的性能。

1 蠕滑理論

當(dāng)車輪相對于鋼軌向前運動時，如果黏著力不足，車輪就會產(chǎn)生滑行；如果黏著力足夠，車輪就會滾動向前。當(dāng)輪軌為彈性體、車輪與鋼軌之間有正壓力和切向力時，對應(yīng)質(zhì)點間發(fā)生對應(yīng)變形，會產(chǎn)生蠕滑現(xiàn)象[1]。根據(jù)蠕滑理論，輪軌接觸面一般分為黏著區(qū)和滑動區(qū)。當(dāng)蠕滑率小于 0.2% 時，車輪會產(chǎn)生微量的滑移，此時處于正常運行區(qū)域，隨著蠕滑率上升，逐漸產(chǎn)生輕度滑移；當(dāng)蠕滑率在 1%～25% 之間時，處于穩(wěn)定滑移區(qū)；蠕滑率達到 35% 時，車輪已經(jīng)處于滑行的臨界值；一旦大于 35%，車輪打滑。實際車輪蠕滑率的曲線需要通過試驗獲取，因為蠕滑率和黏著系數(shù)的關(guān)系與車輪和鋼軌的材質(zhì)、天氣溫濕度、接觸面積等諸多因素相關(guān)。

當(dāng)列車出現(xiàn)滑行時，需要降低制動力，包括電制動力和機械制動力?；鞋F(xiàn)象消除后，制動力再恢復(fù)到原來的值，直到列車停止。但如果制動力下降過多或恢復(fù)過慢，會導(dǎo)致制動減速度過低，制動距離加長，因此，需要防滑行裝置有較高的靈敏度。

2 防滑系統(tǒng)組成及工作原理

防滑系統(tǒng)采用的是微控式防滑[2]，由速度傳感器、滑行檢測器以及電磁閥組成[3]。工作過程是速度傳感器檢測車速，將速度信號傳送給滑行檢測器，當(dāng)滑行檢測器檢測到列車產(chǎn)生滑行時（一般當(dāng)車速和軸速的差值達到閾值時判定為滑行）發(fā)出滑行控制指令，指令同時作用于牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)減少電制動力，制動系統(tǒng)則作用于充氣閥和排氣閥，通過排氣閥和充氣閥循環(huán)的排氣和充氣過程來減少空氣制動力并在滑行結(jié)束后恢復(fù)制動力，直到滑行控制指令消除。因此，防滑控制采用閉環(huán)控制算法，既保證了滑行被快速消除，又能使列車的制動減速度和制動距離在合理的范圍內(nèi)。

3 防滑試驗效果評估

3.1 防滑試驗

根據(jù)國際標(biāo)準 IEC 61133-2016《鐵路應(yīng)用 - 機車車輛 - 制造完成后和投入運營前機車車輛的測試》，在投入運營前需要對鐵道車輛進行車輪滑動保護（WSP，Wheel Slid Protection）系統(tǒng)試驗。TB/T 3009-2011《鐵道客車及動車組防滑裝置》要求對新造鐵道客車及動車組的防滑器進行試驗。根據(jù)標(biāo)準 CZJS/T 0007-2015《城市軌道交通車輛空氣制動防滑系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》，中國城市軌道交通車輛也需要對防滑系統(tǒng)進行試驗，同時確定了城市軌道交通車輛防滑系統(tǒng)的技術(shù)要求和裝車試驗方法等內(nèi)容[4]。

防滑試驗的常用方法是在車內(nèi)放置水桶，桶內(nèi)放置含有脂肪酸的清洗劑或表面活性劑和水的混合溶液[5]。從可執(zhí)行的角度考慮，一般使用洗潔精和水的混合溶液，用1根水管將桶中的溶液引到車輪的前端，如圖 1所示。

圖1 防滑試驗裝置

試驗時，打開水泵，將混合溶液抽出并噴灑在車輪前端的鋼軌表面，由于洗潔精（或肥皂水）中含有有機溶劑，可以降低鋼軌表面的黏著，人為制造出車輪滑行?；旌先芤旱呐渲票壤曉囼炐枨蠖ǎ液弯撥壡闆r、車重等影響因素有關(guān)。一般來說，在混合溶液中的洗潔精未達到飽和的情況下，洗潔精所占比例越大，車輪產(chǎn)生滑行情況越嚴重。

3.2 防滑試驗效果評估

3.2.1 UIC-541-05《車輪滑動保護裝置》效果評估

UIC-541-05 標(biāo)準由國際鐵路聯(lián)盟制定，對 WSP 的系統(tǒng)功能特性和試驗的判斷標(biāo)準進行了詳細說明，評估步驟如下。

（1）判斷最小黏著 τa＜0.08。如果不滿足該標(biāo)準，說明不滿足防滑試驗觸發(fā)的條件，則試驗無效。最小黏著 τa的計算方法是當(dāng)?shù)?1 個輪對發(fā)生滑行的時刻，前后0.2 s 的平均減速度為 a，τa= a/g，g 為重力加速度，取值9.8 m/s2。

（2）判定輪對最小滑行。判定方法是軸速小于90% 車速的時間所占總時間的比例要大于規(guī)定值。其中總時間的定義是列車開始制動到車速達到 60 km/h 所用的總時間。初速度為 120 km/h 的試驗，該比例要求大于35%。初速度為 160 km/h 的試驗，要求大于 20%。當(dāng)列車一半以上輪對滿足最小滑行，說明該次試驗的試驗過程有效。

（3）試驗是否通過的最終判定指標(biāo)是列車的制動距離。例如：列車在 120 km/h 的濕軌下施加快速制動，要求制動距離小于 700 m。

綜上所述，UIC-541-05 評估標(biāo)準不僅給出了試驗是否通過的判斷指標(biāo)，同時判斷了列車是否產(chǎn)生有效滑行，從而全面評估列車 WSP 的性能。

3.2.2 《城市軌道交通車輛空氣制動防滑系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》評估標(biāo)準

該標(biāo)準針對城市軌道交通車輛，對防滑試驗的評估方式借鑒了 UIC-541-05 標(biāo)準，具體判定標(biāo)準如下。

（1）首先判定車輛是否產(chǎn)生有效滑行，當(dāng)?shù)?1 輛車初始滑行時間前后各 0.2 s 內(nèi)的平均減速度在 0.8 m/s2至 0.6 m/s2之間時為有效滑行。

（2）車輛的初始速度超過 30 km/h 的試驗中，所有車輪都不能抱死；速度低于 30 km/h 時，車輪抱死的持續(xù)時間不應(yīng)超過 0.4 s。

（3）列車瞬時速度大于 80 km/h 時，不應(yīng)出現(xiàn)持續(xù) 3 s 以上滑行率大于 25% 的情況；瞬時速度在 80 km/h和 30 km/h 之間時，不應(yīng)出現(xiàn)持續(xù) 3 s 以上滑行率大于20% 的情況。滑行率定義為車速和軸速之間的差與車速的比值。

第 1 條判定標(biāo)準借鑒了 UIC-541-05 的滑行有效判定條件。第 2 條判定標(biāo)準針對城市軌道交通車輛的速度等級，考慮了不同速度下車輪抱死可能造成車輪擦傷的情況，同時考核防滑系統(tǒng)的反應(yīng)速度。第 3 條判定標(biāo)準主要考核防滑系統(tǒng)工作后多久能夠恢復(fù)制動力。前文已經(jīng)提過，防滑系統(tǒng)不僅要有較快的反應(yīng)，同時消除滑行后的制動力也要能盡快恢復(fù)，這樣才能保證制動距離。

3.2.3 防滑效率

很多制動系統(tǒng)的生產(chǎn)廠家針對城市軌道交通車輛，提出了以“防滑效率”來判定防滑系統(tǒng)性能的方法。例如：德國的 KNORR 集團，其防滑效率的計算方法是分別測試出列車在干燥軌道和濕潤軌道滑行過程中的制動減速度變化曲線，橫軸是時間變量，將制動減速度對時間積分，也就是求出曲線對橫軸的面積。干燥軌道條件下算出理想的面積 S1，濕潤軌道條件下測試的面積為 S2。防滑效率定義為 S2與 S1的比值（以下稱“濕軌干軌法”）。

類似的使用濕軌和干軌條件下試驗數(shù)據(jù)的比值來評估列車性能的還有法國的 ALSTOM 公司，計算方法是車輪不發(fā)生擦傷的條件下，防滑效率定義為車輪速度對時間的積分除以干軌下無滑動時軸速對時間的積分。

這 2 種計算方法在實際操作時均存在一定缺陷，即需要干軌和濕軌條件下 2 次試驗時的外界條件完全一致，包括環(huán)境溫濕度、軌面狀態(tài)等。且由于濕潤軌道試驗時制動距離變大，試驗的時間和列車運行的距離比干燥軌道試驗的運行距離要長，所以，2 次試驗的制動距離和減速度在時間軸上無法完全對應(yīng)。

為了解決上述問題并便于試驗和數(shù)據(jù)分析，國內(nèi)的一些制動系統(tǒng)制造商在借鑒了國外的防滑系統(tǒng)性能判定方式的基礎(chǔ)上，針對不同車輛的制動系統(tǒng)特點，提出利用軸速對時間積分除以整車速度對時間積分的比值來計算防滑效率的方法（以下稱“軸速車速法”）。但是這種計算方法的缺陷在于當(dāng)多個車軸發(fā)生滑行時，整車的減速度也會受到影響。因此，該方法計算出的防滑效率要比濕軌干軌法計算出的防滑效率略高。

綜上所述，所有標(biāo)準的判定思路都首先考慮了試驗是否滿足基本條件，即列車出現(xiàn)的滑行是否有效并且滑行是否被快速消除，在此基礎(chǔ)上，進一步對制動系統(tǒng)的性能進行分析，包括對制動距離或減速度的要求等。由此可見，防滑系統(tǒng)不僅要能盡快消除列車的滑行，避免車輪擦傷，同時要保證制動性能，使制動減速度和制動距離在合理的范圍內(nèi)。

4 防滑試驗分析

為了詳細分析上述評定標(biāo)準，本文選取了上海地鐵某號線車輛的其中 1 根軸進行防滑試驗，并對數(shù)據(jù)進行分析。利用牽引制動檢測平臺[6]進行試驗，截取其中的1 段試驗數(shù)據(jù)，如圖 2 所示。

圖2 滑行數(shù)據(jù)曲線

圖2 中黑色曲線是車輛速度，紅色曲線是車軸轉(zhuǎn)動的線速度（簡稱“軸速”），列車從第 17 s 達到最大速度 100 km/h 后施加緊急制動進行減速，該軸在第 18 s 發(fā)生第 1 次滑行，軸速迅速下降，觸發(fā)防滑保護，防滑消除后軸速在 22 s 恢復(fù)到與車速一致。之后，繼續(xù)噴灑混合溶液，該軸又發(fā)生了 3 次滑行。綠線是瞬時加速度值，17 s 以前，加速度大于 0 m/s2，該軸處于緩慢加速狀態(tài)，該軸開始減速后，加速度小于零。且制動過程中出現(xiàn)滑行而使制動力減小后，瞬間加速度的絕對值減小。制動力恢復(fù)后，加速度絕對值變大。

首先根據(jù) UIC-541-05 標(biāo)準的分析方法，該軸第 1 次發(fā)生滑行時，前后各 0.2 s 的瞬時加速度取平均值為0.73 m/s2。計算出最小黏著為 0.074，滿足小于 0.08 的要求，所以，觸發(fā)的滑行判定為有效滑行。其次，計算輪對最小滑行。列車從第 1 次滑行到速度降低至 60 km/h時，共用時間 8.55 s。其中，車速降低至 60 km/h 之前的軸速小于 90% 車速的總時間為 3.01 s，在總時間中所占比例為 35.2%。但該標(biāo)準適用于初速度為 120 km/h 和160 km/h的防滑試驗，且要求一半以上輪對發(fā)生有效滑行，而本車輛的最高運行速度為 110 km/h，并且只關(guān)注了 1 根軸的滑行情況，因此，計算出的輪對最小滑行僅作參考。

其次，按照《城市軌道交通車輛空氣制動防滑系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》分析，列車車輪的抱死時間和列車滑移率都滿足要求。

按照濕軌干軌法將制動減速度對時間進行積分的方法進行分析，如圖 3 所示，對時間橫軸進行積分后計算出防滑效率約為 89.7%。

按照軸速車速法計算防滑效率的判定方法，分別計算車速和軸速對時間軸的積分面積，其比值（即防滑效率）約為 93%，如圖 4 所示。

圖3 干軌理想減速度和滑行下的減速度

圖4 車速和軸速對比

5 總結(jié)

軌道交通車輛的防滑系統(tǒng)是保證列車安全運行的重要系統(tǒng)之一，對防滑系統(tǒng)進行試驗驗證是評估車輛性能的重要步驟。本文介紹了車輛滑行的基本原理和防滑系統(tǒng)的組成，并重點分析了防滑系統(tǒng)性能的主要判定標(biāo)準和分析過程。以上海某號線項目車輛為例，根據(jù)測量出的試驗數(shù)據(jù)，分別用UIC-541-05標(biāo)準、《城市軌道交通車輛空氣制動防滑系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》、濕軌干軌法、軸速車速法分析防滑系統(tǒng)的性能，結(jié)果表明其防滑系統(tǒng)的性能較好，出現(xiàn)滑行時能夠快速地減小制動力，滑行消除后能夠靈敏地增加制動力。同時，從分析防滑過程可知，UIC-541-05的判定標(biāo)準最為復(fù)雜和嚴格。

[1]方少安. 列車防滑控制與不利黏著時制動力計算[J].鐵道車輛，2011，49（1）：30-31，39.

[2]陳鶴楠. 自適應(yīng)容錯控制在高速列車防滑及橫向姿態(tài)調(diào)節(jié)中的應(yīng)用[D]. 北京：北京交通大學(xué)，2012.

[3]王旭如，莫鈞，苗勇. 防滑器部件試驗臺計算機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J]. 鐵道機車車輛，2000（1）：40-42.

[4]趙亞輝. 列車防滑控制的研究[D]. 上海：同濟大學(xué)，2002.

[5]Wood J A, Mazur R J. Electronic adhesion adaptive wheel slide protection arrangement function∶ U.S.Patent 4,941,099[P]. 1990-07-10.

[6]李紹博，馬昭鈺，張士宇，等. 城鐵車輛牽引制動系統(tǒng)試驗檢測平臺設(shè)計[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(fā)，2016，35（31）：61-63.