印禎民

(上海地鐵維護保障有限公司車輛分公司 上海 200235)

0 引言

列車普遍采用的制動方式為黏著制動，即其制動力來自輪軌間的黏著力。低黏著(機油污染、降雪、降雨等)會導致車輪發(fā)生滑行，車輪滑行會造成車輪踏面擦傷[1]或過度磨損。近年來，國內(nèi)外針對防滑控制進行了大量研究。有的結(jié)合相關黏著控制理論和試驗數(shù)據(jù)，提出了以降低減速度檢測靈敏度、縮短滑行檢測后階段排氣時間和增加滑行恢復充氣控制條件為主的防滑控制方案[2]。有的針對減速度檢測過于靈敏、參考速度難以準確獲取的問題，提出了修正參考速度等相關措施優(yōu)化防滑設計[3]。有的為了更有效地利用輪軌間的黏著力，提出一種用BC壓力估算輪軌間切向力的方法[4]。目前對于制動防滑的多數(shù)研究都是以尋找黏著系數(shù)峰值點為主。鑒于此，本文進一步分析單軸制動力防滑控制優(yōu)化方法，并以列車級制動力分配為基礎研究列車級防滑控制技術，為防滑綜合優(yōu)化設計提供參考。

1 防滑控制原理

1.1 制動與滑行

制動時，電制動和摩擦制動對車輪形成制動力Fb，其減速度β=dv/dt=F/m(忽略平動外力Fr)[4]， 其中F為輪軌間切向力，使列車減速，如圖1所示。

當β>0，列車速度v逐漸減小至零，車輪為旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，F(xiàn)b和F綜合作用使車輪停止旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)減速度α=Rdw/dt。

制動過程中，α>0，車輪旋轉(zhuǎn)速度Rw速度逐漸減小至零。車輪未產(chǎn)生滑行(宏觀滑動)，則車輪旋轉(zhuǎn)速度Rw與列車速度v相等，車輪處于純滾動狀態(tài)；若Rw

圖1 滑行產(chǎn)生機理

1.2 防滑控制方法

如圖2所示，假設列車從一段干燥的軌面駛向較濕的軌面，干軌道處輪軌間利用黏著系數(shù)為a點，當進入到干軌與濕軌交接處時，車輪與列車的速度差Δv(假設干軌不滑行)還未形成，因此滑移率(蠕滑率)較前一刻不變，黏著會從a點瞬間直降至b點，此時不進行任何防滑動作，即制動力Fb不變，車輪旋轉(zhuǎn)減速度α也會瞬間增大，并引起車輪速度Rw下降，Δv逐漸擴大，滑移率相應遞增，軌面的可用黏著系數(shù)沿著滑移率特性曲線從b點朝峰值前進，當達到c點時，列車減速度β恢復正常值，未跨入“宏觀蠕滑區(qū)”產(chǎn)生宏觀滑行。如果車輪進入的是黏著條件更差的軌面，黏著系數(shù)會從a點瞬間直降至b′，α急劇增大，相同時間里Rw下降更多，Δv變化更快，滑移率很有可能已經(jīng)跨入“宏觀蠕滑區(qū)”產(chǎn)生宏觀滑行，即b′→c′[3]。

滑行檢測通常采用速度差與減速度檢測。速度差檢測原理為b′與c′間Δv超過標準(通常為10%～15%)，則認為已經(jīng)滑行。減速度檢測原理為a降低到b′的減速度α超過標準(通常為1.5～4 m/s2)，則認為已經(jīng)滑行。

圖2 防滑控制原理

2 單軸防滑控制優(yōu)化研究

設置防滑控制的目的是縮短制動距離和減輕車輪踏面損傷，但這是相互矛盾的。當優(yōu)先考慮減輕車輪踏面損傷，通過提高檢測滑行靈敏度，及時降低制動力，實現(xiàn)再黏著，會延長制動距離。為縮短制動距離，單純降低滑行檢測靈敏度、延遲降低制動力，將產(chǎn)生抱死風險。因此需綜合考慮檢測滑行靈敏度與降低制動力控制，縮短制動距離并防止車輪踏面損傷。

根據(jù)蠕滑理論，正常行車時，車輪處于0→A的蠕滑狀態(tài)。假如在A點時，開始降低制動力，則將很快恢復到0→A的狀態(tài)，可防止車輪抱死，此時在A和C之間還能有效地利用制動力(見圖3)。因此，在A點便開始降低制動力，將導致沒有最大程度的利用車輪蠕滑率。如果在A點時，通過自動再黏著，降低高速域的滑行檢測靈敏度，或降低滑行檢測時的排氣，允許一定滑行，將有可能利用A和C之間的蠕滑率自動使滑行恢復如圖4所示。

圖3 蠕滑理論

1)當前軸速與參考速度軸的速度變化(2)滑行軸對應的制動缸壓力變化圖4 自動再黏著

圖4所示為自動再黏著的控制方法，該方法通過自動再黏著，降低高速域的滑行檢測靈敏度，如適當?shù)卣{(diào)整速度差Δv或允許的軸減速度值，或降低滑行功能激活后的排氣時間，允許一定程度滑行的發(fā)生，以減少一定程度的制動力丟失，使車輛有條件利用A和C之間的蠕滑率自動使滑行軸狀態(tài)恢復正常。

3 列車級防滑控制概念

通常某軸一旦發(fā)生滑行，在短時間內(nèi)同一軸會發(fā)生多次滑行，利用列車級防滑控制能夠有效地防止再次滑行，按照各車滑行程度，減少滑行車輛制動力，將該部分制動力增加到不滑行的車輛上，并且不降低整個編組列車的制動力，以保證制動距離如圖5所示。

圖5 列車級防滑控制

列車制動時，往往動車容易滑行，為減少動車在輪軌黏著不利的條件下(如雨雪天)的滑行，可采用列車級防滑控制概念，將制動力分配模式切換為等黏著分配。如圖6所示，假設電制動所需的輪軌黏著為0.13，而若當前輪軌黏著為0.1，則所有動車將產(chǎn)生滑行。此時，制動系統(tǒng)檢測到滑行超過一定時間，將制動力分配由“優(yōu)先利用電制動”切換為“等黏著分配”方式，動車電制動減少，拖車摩擦制動增加，各車所需的輪軌黏著只有0.086，小于當前輪軌黏著，不易產(chǎn)生滑行。

圖6 等黏著分配示意圖

4 基于滑行概率控制制動力分配

經(jīng)統(tǒng)計，正常運營時，六節(jié)編組(4動2拖形式)列車產(chǎn)生滑行的車輛主要分布在前進方向的前兩輛車(T1車和M2車)，且均發(fā)生在T1車和M2車一位端轉(zhuǎn)向架一軸和二軸，T1車1軸和2軸的滑行次數(shù)分別為2次和1次，M2車1軸和2軸的滑行次數(shù)分別為12次和16次，顯然M2車的滑行次數(shù)要遠高于T1的滑行次數(shù)。

制動試驗時，制動工況包括緊急制動、快速制動和常用制動，通過實施18次防滑試驗，滑行較多地分布在前進方向前四列車，分別是T1、M2、M3和M4車，其中T1車的1軸、2軸、3軸和4軸滑行次數(shù)依次為97次、110次、9次和128次，M2車4根軸滑行次數(shù)依次為41次、35次、10次和12次，M3車的4根軸滑行次數(shù)依次為17次、20次、7次和7次，M4車的4根軸滑行次數(shù)依次為1次、1次、0次和0次。由數(shù)據(jù)可知，制動試驗工況下，滑行最嚴重車是T1，后續(xù)列車依次減弱，且同一輛車的4根軸均出現(xiàn)不同程度的滑行。

對上述數(shù)據(jù)分析可知，制動力發(fā)揮情況如下：

(1)頭車，黏著界限按濕軌條件黏著系數(shù)取值，當所需的制動力超過黏著界限而滑行時，實際所發(fā)揮的制動力約為“濕軌黏著系數(shù)×0.9”。

(2)第2輛車，黏著界限按“(濕軌黏著系數(shù)和干軌黏著系數(shù))/2”取值，當所需的制動力超過黏著界限而滑行時，實際所發(fā)揮的制動力約為“(濕軌黏著系數(shù)和干軌黏著系數(shù))/2×0.9”。

(3)第3輛及后方車輛，黏著界限按干軌黏著系數(shù)的0.8倍取值，當所需的制動力超過黏著界限而滑行時，實際所發(fā)揮的制動力約為“干軌黏著系數(shù)×0.8×0.9”。

為了有效地利用前后車輛實際黏著條件不同的狀態(tài)，減輕前進方向車輛的制動力，增加后方車輛的制動力，減速度承擔比例(以六編組車輛為例)可按照92%(T1/M1)、100%(M3/M4)、108%(M 5/T 6)選取。

假如當前制動處于等黏著分配模式，列車慣性質(zhì)量為360 t，減速度為1 m/s2，則各車制動力(假設各車車重相同)如圖7所示。未滑行時，制動力分配為各車均施加60 kN；為減少前進車輛滑行概率，1車和2車制動力施加為55.2 kN，3車和4車制動力施加60 kN，5車和6車制動力施加64.8 kN。

圖7 基于滑行概率控制制動力分配

5 基于滑行程度動態(tài)控制制動力分配

針對滑行程度的控制需要明確滑行時速度差與滑移率，當滑行軸與列車速度的差值越大，或者滑移率越大，則滑行越深。高速時，適合采用滑移率表示滑行程度。但低速時，由于基準軸速度較小，可能導致滑移率較大，而滑行程度并不大，故適合采用速度差表示滑行程度。

采用速度差和滑移率定義滑行程度η，如表1所示。

表1 滑行程度η定義

列車級制動力分配時，η在0～100%范圍時，設定制動力為原制動力的80%～100%。對于120～250 m/h速度區(qū)域檢測到λ大于0.02時，以及120 km/h以下檢測到速度差大于5 km/h時，因η>0而進行列車級制動力再分配，可抑制滑行。

6 結(jié)束語

基于蠕滑理論，單軸防滑控制可通過自動再黏著，降低高速域的滑行檢測靈敏度，保證制動距離。

基于滑行概率，可通過不同車輛間制動力分配，減少常用制動時列車發(fā)生滑行的概率，特別是前進方向前幾輛車滑行。

基于滑行程度，通過降低高滑行程度車輛制動力并增加低滑行程度車輛制動力的列車級防滑控制，可以提前抑制滑行。

基于滑行概率與滑行程度的列車級防滑控制，能更好地抑制滑行，并不損失整列車制動力，列車編組越長，作用效果將越明顯，文中列出的設計參數(shù)可根據(jù)具體列車情況進行調(diào)整。