齊政亮， 周 軍， 曹宏發(fā)

(1 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

制動系統(tǒng)直接影響列車制動距離，關(guān)乎到車輛的行車安全，是列車安全運(yùn)營的重要前提。目前，制動系統(tǒng)依據(jù)其作用效果，有車控制動系統(tǒng)和架控制動系統(tǒng)兩種型式。車控系統(tǒng)作用于單輛車，架控系統(tǒng)作用于單個轉(zhuǎn)向架[1-2]。對于此兩種制動系統(tǒng)，車輪防滑保護(hù)WSP(Wheel Slide Protection)都具有不可或缺的作用，其不僅能夠在輪軌黏著突然降低時通過減少制動力的方式以防止車輪出現(xiàn)擦傷甚至抱死，而且能最大程度地利用可用黏著以使制動距離達(dá)到最短[3-4]。相對于車控制動系統(tǒng)分別具有制動閥和防滑閥，架控制動系統(tǒng)將制動閥和防滑閥合二為一，無獨(dú)立防滑閥，雖減少了零部件，但對WSP提出新的要求，此時如何有效地實施防滑保護(hù)控制，將關(guān)乎到架控制動系統(tǒng)的運(yùn)行安全[3]。

在全面分析北京縱橫機(jī)電科技有限公司的DK15架控制動系統(tǒng)平臺功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，吸收中國標(biāo)準(zhǔn)動車組制動系統(tǒng)(車控系統(tǒng))防滑保護(hù)控制的開發(fā)和運(yùn)用經(jīng)驗，設(shè)計了一種架控制動系統(tǒng)空氣防滑控制策略。該控制策略能有效抑制輪對滑行，防止車輪出現(xiàn)擦傷甚至抱死，并能充分利用黏著以使制動距離達(dá)到最短，仿真試驗臺測試和實車型式試驗的結(jié)果已驗證了該控制策略完全滿足架控制動系統(tǒng)對防滑控制的要求。

1 架控制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

DK15架控制動系統(tǒng)由兩部分組成：空氣制動控制單元(Pneumatic Braking Control Unit，PBCU)和電子制動控制單元(Electronic Braking Control Unit，EBCU)，如圖1所示(上部為EBCU，下部為PBCU)。PB-CU的信號載體是空氣壓力，EBCU的信號載體是電，包括電壓、電流、總線通信等，二者協(xié)同完成制動控制[3]。

圖1 DK15架控制動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1.1 空氣制動控制單元PBCU

空氣制動控制單元PBCU，如圖2所示，主要由空重車調(diào)整模塊、遠(yuǎn)程緩解模塊、制動控制模塊、連通模塊以及傳感器和壓力測點(diǎn)模塊等5部分組成[3]。其中，制動控制模塊由兩組結(jié)構(gòu)和功能都完全相同的制動閥組成，按不同制動指令控制得到相應(yīng)的目標(biāo)制動缸壓力，還用于在滑行激活時對單軸制動缸壓力進(jìn)行獨(dú)立控制。連通模塊由電磁閥A4和氣動閥B5構(gòu)成，用于在氣路上連通或隔斷兩軸制動缸的壓力輸出；滑行激活時，需要隔斷兩軸制動缸壓力，實現(xiàn)單軸獨(dú)立防滑控制。

1.2 電子制動控制單元EBCU

電子制動控制單元EBCU，是為了滿足制動系統(tǒng)控制功能需求而設(shè)計開發(fā)的一種嵌入式電子控制單元。其具有多種形式的外部信號接口，可實現(xiàn)與PBCU、車輛、ATP等的信息交互：通過模擬量輸入接口采集空氣壓力信號，通過頻率量輸入接口采集車軸轉(zhuǎn)速，通過數(shù)字量輸入接口采集列車線指令，通過功率PWM輸出接口驅(qū)動電磁閥動作，通過繼電器接口向車輛反饋制動系統(tǒng)狀態(tài)。如圖3所示[3]。

圖2 DK15的PBCU氣路圖

圖3 DK15的EBCU接口示意圖

2 架控制動系統(tǒng)防滑控制功能

2.1 功能概述

從系統(tǒng)功能需求分析，在車控制動系統(tǒng)中，防滑閥(WSP閥)和制動閥(EP閥)相互獨(dú)立；滑行未激活時，防滑閥始終保持為充風(fēng)狀態(tài)。而架控制動系統(tǒng)將WSP閥和EP閥合二為一，無獨(dú)立WSP閥，結(jié)構(gòu)更加緊湊、功能更加集成[3]。結(jié)構(gòu)影響控制，因此，架控制動系統(tǒng)防滑控制具有如下特點(diǎn)：

(1)當(dāng)滑行未激活時，防滑保護(hù)控制功能不起作用， EBCU正常制動功能控制EP/WSP閥進(jìn)行充風(fēng)、排風(fēng)、保壓等動作，使缸壓達(dá)到目標(biāo)壓力值；

(2)當(dāng)滑行激活時，防滑保護(hù)控制功能起作用，EBCU依據(jù)滑行判斷邏輯，首先斷開連通閥，然后控制相應(yīng)軸的EP/WSP閥進(jìn)行單軸保壓、排風(fēng)、充風(fēng)等動作。當(dāng)滑行恢復(fù)后，必須將軸缸壓恢復(fù)至實時缸壓目標(biāo)值，而不是使防滑閥處于充風(fēng)狀態(tài)(持續(xù)充風(fēng)會將缸壓充到緊急預(yù)控壓力，從而造成車輛處于緊急制動狀態(tài))。對于未滑行軸，則需實時控制該軸缸壓達(dá)到缸壓目標(biāo)值。

2.2 防滑控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

架控防滑控制系統(tǒng)主要由集成在EBCU中的防滑控制器、防滑閥(與制動閥為同一套閥)、連通閥、速度傳感器、壓力傳感器等組成[5-6]。防滑控制器實時采集速度傳感器脈沖信號、壓力傳感器信號及車輛速度等，并計算出1、2軸速度和1、2軸缸壓，如圖4所示。防滑控制器根據(jù)1、2軸速度計算出軸加減速度，利用滑行判據(jù)[7]準(zhǔn)確判斷出1、2軸所處滑行狀態(tài)，當(dāng)任一軸滑行激活時，控制斷開連通閥以實現(xiàn)軸獨(dú)立防滑控制。當(dāng)判斷任一軸處于滑行恢復(fù)期，則需結(jié)合該軸壓力傳感器將該軸缸壓恢復(fù)到缸壓目標(biāo)值。

圖4 DK15架控防滑控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 滑行判斷原理

目前現(xiàn)有的防滑控制系統(tǒng)分別選用了多種條件的不同組合構(gòu)成判據(jù)進(jìn)行"滑行"的判斷，主要條件有速度差、減速度、減速度微分、滑移率等，判據(jù)不盡相同，但最終目的都是為了“在不造成車輪擦輪的情況下，充分利用輪軌間黏著”。文中設(shè)計的架控制動系統(tǒng)防滑控制策略吸收了中國標(biāo)準(zhǔn)動車組制動系統(tǒng)防滑控制開發(fā)和運(yùn)用經(jīng)驗，設(shè)計了一種由速度差和減速度共同構(gòu)成復(fù)合矩陣的滑行判斷策略[7]。根據(jù)不同的速度差和減速度，判斷軸滑行狀態(tài)有“全排(即持續(xù)排風(fēng))”、“階排(即脈沖式排風(fēng))”、“保壓”、“階充(即脈沖式充風(fēng))”、“全充(即持續(xù)充風(fēng))”等[7]。

但相對于車控制動系統(tǒng)，架控制動系統(tǒng)在速度恢復(fù)期，則必須結(jié)合該軸缸壓狀態(tài)、缸壓目標(biāo)值進(jìn)行閉環(huán)控制，即滑行恢復(fù)后，需將各軸缸壓恢復(fù)到缸壓目標(biāo)值，這樣才能保證制動力不會出現(xiàn)過大或不足[8]。

2.4 防滑控制設(shè)計

基于以上分析，架控制動系統(tǒng)的防滑控制器實時采集1、2軸速度及車輛速度，根據(jù)滑行判斷原理，判定各軸所處的滑行狀態(tài)。當(dāng)車輪處于滑行加劇期或穩(wěn)定期，即“階排”、“全排”、“保壓”狀態(tài)時，防滑控制器直接控制連通閥斷開、對應(yīng)軸的防滑閥進(jìn)行動作，以減少制動力或保持制動力；當(dāng)車輪處于滑行恢復(fù)期，即“階充”、“全充”狀態(tài)時，防滑控制器需結(jié)合該軸缸壓、缸壓目標(biāo)值進(jìn)行閉環(huán)控制，以防止壓力充到緊急預(yù)控壓力。如圖5所示。

圖5 防滑控制設(shè)計

在滑行恢復(fù)控制過程中，需要綜合考慮實時缸壓目標(biāo)值、實時缸壓大小、缸壓傳感器故障狀態(tài)，如圖6所示。主要有以下考慮：

(1)當(dāng)僅有一軸出現(xiàn)滑行時，需要根據(jù)缸壓目標(biāo)值實時將未滑行軸的缸壓控制到目標(biāo)值，這樣才不會造成制動力損失；

(2)若在“階充”、“全充”狀態(tài)時，恰好該軸缸壓傳感器出現(xiàn)故障，此時無法進(jìn)行閉環(huán)控制，需將其控制在保壓狀態(tài)，等待滑行恢復(fù)。

3 測試驗證

為了檢驗文中設(shè)計的架控制動系統(tǒng)空氣防滑控制策略是否滿足要求，功能測試需在仿真測試試驗臺和實車上進(jìn)行全面驗證。實測結(jié)果表明，該控制策略不僅能夠有效地進(jìn)行車輪防滑保護(hù)，而且在滑行恢復(fù)后能夠快速地將各軸缸壓控制到缸壓目標(biāo)值，滿足了架控系統(tǒng)對防滑控制的要求。

3.1 仿真測試試驗臺

動車組制動系統(tǒng)軟件集成測試平臺主要用于對列車單車或多車的EBCU進(jìn)行制動過程仿真和參數(shù)測試，進(jìn)一步實現(xiàn)對EBCU嵌入式軟件的測試驗證。整個仿真測試過程由仿真回路和仿真節(jié)點(diǎn)組成。為了虛擬實現(xiàn)列車制動環(huán)境、模擬EBCU外圍執(zhí)行器件和制動系統(tǒng)的智能測試等應(yīng)用需求，該平臺主要由列車通訊回路、EBCU負(fù)載回路和仿真設(shè)備通訊回路組成。列車通訊回路主要指列車制動環(huán)境模擬設(shè)備(主仿真節(jié)點(diǎn))和單車的制動系統(tǒng)(EBCU節(jié)點(diǎn))以及TCU、CCU等其他列車信息節(jié)點(diǎn)的通訊回路。EBCU負(fù)載回路主要指單車制動環(huán)境模擬設(shè)備板卡(負(fù)載仿真節(jié)點(diǎn))和單車制動系統(tǒng)(EBCU節(jié)點(diǎn))板卡之間的信號交聯(lián)。仿真設(shè)備通訊回路主要指測試服務(wù)系統(tǒng)(測試計算機(jī))與主仿真節(jié)點(diǎn)、負(fù)載仿真節(jié)點(diǎn)之間的通訊回路[3]。

圖6 滑行恢復(fù)控制設(shè)計

3.2 仿真驗證

通過軟件集成測試試驗臺模擬車輪滑行、缸壓目標(biāo)值變化、缸壓傳感器故障狀態(tài)等以全面測試防滑保護(hù)和缸壓恢復(fù)的情況，如表1所示。

表1 防滑保護(hù)和缸壓恢復(fù)測試驗證

測試結(jié)果表明，該防滑控制策略滿足設(shè)計要求。

3.3 實車試驗

文中設(shè)計的架控制動系統(tǒng)空氣防滑控制策略已在長株潭城際動車組和溫州市域動車組項目中得到了批量應(yīng)用，如圖7所示為溫州市域動車組和架控制動控制系統(tǒng)。

圖7 溫州市域動車組和架控制動控制系統(tǒng)

溫州市域動車組在東郊環(huán)鐵進(jìn)行了現(xiàn)車防滑型式試驗，以80 km/h純空氣最大常用制動防滑試驗為例，如圖8所示。當(dāng)發(fā)生滑行時，防滑控制系統(tǒng)能夠有效地抑制輪對滑行，使輪對速度得以快速恢復(fù)；當(dāng)黏著改善，輪對滑行恢復(fù)時，防滑控制系統(tǒng)控制制動缸壓力迅速恢復(fù)到缸壓目標(biāo)值。防滑試驗過程中，未出現(xiàn)軸抱死現(xiàn)象，試驗結(jié)果滿足速度差和制動距離標(biāo)準(zhǔn)要求，驗證了該控制策略的有效性和可靠性。

圖8 溫州市域動車組80 km/h最大常用制動防滑試驗

4 結(jié) 論

在全面分析DK15架控制動系統(tǒng)平臺功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，吸收中國標(biāo)準(zhǔn)動車組制動系統(tǒng)防滑控制開發(fā)和運(yùn)用經(jīng)驗，設(shè)計了一種架控制動系統(tǒng)空氣防滑控制策略。在測試試驗臺和實車上的試驗結(jié)果表明，該控制策略能夠有效抑制輪對滑行，防止車輪擦傷，并能充分利用黏著以縮短制動距離，滿足了架控制動系統(tǒng)對防滑控制的要求，為自主設(shè)計架控制動系統(tǒng)的規(guī)模應(yīng)用提供了理論支撐和技術(shù)保障。