羅飛平， 孫環(huán)陽(yáng)， 王 群， 張磊， 舒浩然

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

制動(dòng)控制作為高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù)，合理的進(jìn)行制動(dòng)力控制和制動(dòng)力管理是保證動(dòng)車組制動(dòng)作用的關(guān)鍵。動(dòng)車組制動(dòng)力控制通常分為均衡制動(dòng)控制模式和電制動(dòng)優(yōu)先控制模式， 制動(dòng)力管理通常分為列車制動(dòng)管理、編組管理和自律管理。 本文對(duì)制動(dòng)控制模式和制動(dòng)管理方式進(jìn)行了詳細(xì)分析，并從減少滑行、減少閘片磨耗、閘片磨耗均衡性、實(shí)際減速度準(zhǔn)確控制、多級(jí)或無(wú)級(jí)緊急制動(dòng)控制等角度提出了動(dòng)車組制動(dòng)控制的研究方向。

1 制動(dòng)控制模式

1.1 常用制動(dòng)控制模式

動(dòng)車組常用制動(dòng)控制模式通常分為均衡制動(dòng)控制和電制動(dòng)優(yōu)先控制[1]。

1.1.1 均衡制動(dòng)控制模式

均衡制動(dòng)控制實(shí)施方法是， 各車輛承擔(dān)自身的所需制動(dòng)力，動(dòng)車優(yōu)先使用電制動(dòng)力，不足的部分采用空氣制動(dòng)力，拖車采用空氣制動(dòng)力。 當(dāng)動(dòng)車電制動(dòng)故障時(shí)，采用空氣制動(dòng)承擔(dān)，見圖1。

均衡制動(dòng)控制有手動(dòng)觸發(fā)和自動(dòng)觸發(fā)兩種方式。 手動(dòng)觸發(fā)： 當(dāng)列車在雨雪等輪軌黏著條件不良的情況下運(yùn)行時(shí)， 可通過(guò)司機(jī)室按鈕將常用制動(dòng)轉(zhuǎn)換為均衡控制方式。 自動(dòng)觸發(fā)：當(dāng)常用制動(dòng)且速度低于一定速度時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入均衡控制方式。

圖1 均衡制動(dòng)控制模式

均衡制動(dòng)控制模式的優(yōu)點(diǎn)是可保證各車減速度一致，從而有效地降低滑行；其缺點(diǎn)是，動(dòng)車的電制動(dòng)不能最大程度的有效利用（電制動(dòng)能力通常能承擔(dān)本動(dòng)車制動(dòng)力需求還有富余）。

1.1.2 電制動(dòng)優(yōu)先控制模式

電制優(yōu)先控制實(shí)施方法是， 動(dòng)車的電制動(dòng)力達(dá)到最大值之前，優(yōu)先使用各動(dòng)車的電制動(dòng)，電制動(dòng)不足部分由拖車和動(dòng)車的空氣制動(dòng)承擔(dān)。 當(dāng)動(dòng)車電制動(dòng)故障或不足時(shí)，動(dòng)車角色轉(zhuǎn)為拖車。

其優(yōu)點(diǎn)是可最大程度的利用電制動(dòng)， 從而減少閘片磨耗。 其缺點(diǎn)是，動(dòng)車承擔(dān)的制動(dòng)力較多，可能會(huì)導(dǎo)致動(dòng)車容易滑行。

電制動(dòng)不足情況下的空氣制動(dòng)補(bǔ)充， 具體可分為以下幾種分配方法。

第一種: 拖車先補(bǔ)充空氣制動(dòng)力至本拖車制動(dòng)力需求， 不足部分由動(dòng)車補(bǔ)充空氣制動(dòng)力至本動(dòng)車制動(dòng)力需求，見圖2。

圖2 電制動(dòng)優(yōu)先控制模式方法1

第二種: 拖車先補(bǔ)充至空氣制動(dòng)能力的一定百分比（該百分比可根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)），不足部分按照拖車、動(dòng)車剩余空氣制動(dòng)能力的比例進(jìn)行補(bǔ)償 （該空氣制動(dòng)能力綜合考慮車重比和基礎(chǔ)制動(dòng)功率比），見圖3。

圖3 電制動(dòng)優(yōu)先控制模式方法2

第三種：在不超過(guò)黏著極限的情況下，動(dòng)車和拖車按空氣制動(dòng)能力的比例進(jìn)行補(bǔ)償（該空氣制動(dòng)能力綜合考慮車重比和制動(dòng)盤比）或平均補(bǔ)償；動(dòng)車達(dá)到黏著極限后制動(dòng)力不再增加，不足部分由拖車空氣制動(dòng)補(bǔ)償，見圖4。

圖4 電制動(dòng)優(yōu)先控制模式方法3

可以看出， 第一種方法能一定程度減少大制動(dòng)級(jí)別下動(dòng)車滑行，但該方法下拖車的閘片磨耗將比動(dòng)車大；第三種方法能使拖車與動(dòng)車閘片磨耗盡可能相同， 但該方法下動(dòng)車更容易滑行； 第二種方法可以通過(guò)調(diào)節(jié)拖車先補(bǔ)充至空氣制動(dòng)能力的百分比數(shù)值， 實(shí)現(xiàn)不同空氣制動(dòng)力分配效果， 在百分比為一定值的情況下分配效果基本上和第一種方法相同，在百分比為0%情況下分配效果基本上和第三種方法相同。

1.2 緊急制動(dòng)控制模式

緊急制動(dòng)通常分為緊急制動(dòng)EB（含電制動(dòng)）和緊急制動(dòng)UB（純空氣制動(dòng)）。

緊急制動(dòng)EB 采用均衡控制方式。 主要原因?yàn)殡娭苿?dòng)無(wú)較多的富余，同時(shí)可保證各車減速度一致，從而有效地降低滑行。

緊急制動(dòng)UB 通過(guò)緊急電磁閥直接控制， 與微機(jī)控制中的速度-黏著控制不同，通過(guò)調(diào)壓閥或空重車閥輸出緊急制動(dòng)UB 預(yù)控壓力，為防止黏著限制，動(dòng)車與拖車在不同速度點(diǎn)將制動(dòng)缸輸出壓力調(diào)節(jié)為低壓力，見圖5。

圖5 緊急制動(dòng)UB 空氣施加

2 制動(dòng)管理方式

列車制動(dòng)力管理方式通常分為整車管理、編組管理、自律管理。

2.1 整車管理

一般將司機(jī)室激活的車輛作為列車級(jí)管理單元，以頭尾車作為單元級(jí)管理單元。 列車級(jí)管理單元通過(guò)單元級(jí)管理單元收集全列車可用電制動(dòng)和可用氣制動(dòng)信息，按照上述制動(dòng)控制模式分配整車電制動(dòng)和氣制動(dòng)的制動(dòng)命令。 各車制動(dòng)控制系統(tǒng)通過(guò)單元級(jí)管理單元接收到制動(dòng)命令后按照述制動(dòng)控制模式計(jì)算本車需施加的電制動(dòng)和氣制動(dòng)力值。

整車管理的優(yōu)點(diǎn)主要有， 整車電制動(dòng)可以在全列車范圍最大程度利用； 一個(gè)車電制動(dòng)故障時(shí)可以由其它車電制動(dòng)來(lái)優(yōu)先補(bǔ)充；一個(gè)車空氣制動(dòng)故障時(shí)，在不超過(guò)黏著限制條件下，可以由其它車空氣制動(dòng)來(lái)補(bǔ)充。

2.2 編組管理

動(dòng)車組通常以1 動(dòng)1 拖或2 動(dòng)1 拖為1 個(gè)制動(dòng)控制單元。單元內(nèi)動(dòng)車計(jì)算編組內(nèi)所需制動(dòng)力，當(dāng)電制動(dòng)足夠時(shí)，向拖車發(fā)送減算指令表示電制動(dòng)富余值，拖車計(jì)算本車制動(dòng)力需求減去該富余值得到本車空氣制動(dòng)力需求。

編組管理的優(yōu)點(diǎn)是制動(dòng)接口簡(jiǎn)單可靠；對(duì)網(wǎng)絡(luò)依賴性低。

2.3 自律管理

在網(wǎng)絡(luò)掉線或緊急牽引模式時(shí)，通常采用自律管理。自律管理的前提條件是各車均能獲取制動(dòng)指令， 網(wǎng)絡(luò)掉線車輛根據(jù)制動(dòng)指令控制本車制動(dòng)施加。

自律管理的優(yōu)點(diǎn)主要是保證單車網(wǎng)絡(luò)掉線時(shí)仍能進(jìn)行制動(dòng)控制。

3 制動(dòng)控制研究方向探討

3.1 減少滑行

在制動(dòng)力大于黏著力時(shí)，車輪就可能出現(xiàn)滑行。通?？刂苹械默F(xiàn)有措施主要有兩種，一種是降低制動(dòng)力，一種是增加黏著。下面從制動(dòng)控制優(yōu)化的角度考慮，進(jìn)一步分析減少發(fā)生滑行概率的方法。

由1.1.2 節(jié)可知， 對(duì)于采用電制動(dòng)優(yōu)先控制模式，常用制動(dòng)時(shí)，動(dòng)車的制動(dòng)力經(jīng)常比拖車的制動(dòng)力大，經(jīng)常造成動(dòng)車更容易滑行。

常用制動(dòng)時(shí)，從制動(dòng)控制角度出發(fā)，可以考慮動(dòng)車一定程度滑行時(shí)（如1 個(gè)以上動(dòng)車滑行且無(wú)拖車滑行），本次制動(dòng)過(guò)程中， 將由動(dòng)車優(yōu)先承擔(dān)制動(dòng)力轉(zhuǎn)換為各車均承擔(dān)制動(dòng)力，即由電制動(dòng)優(yōu)先控制模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換為均衡控制模式。

對(duì)于動(dòng)車優(yōu)先滑行的情況， 由于將動(dòng)車的制動(dòng)力調(diào)整一部分到拖車承擔(dān)，不同于防滑控制直接減少制動(dòng)力，因此采用該制動(dòng)力控制方式相對(duì)防滑控制可以最大程度的減少制動(dòng)力的降低。

3.2 減少閘片磨耗

通常設(shè)計(jì)上減少閘片磨耗的手段主要為提高電制動(dòng)覆蓋級(jí)位（與制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)）、降低電制動(dòng)退出點(diǎn)（與制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)）、避免單車施加制動(dòng)（與制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)）、降低軸重、 恒速控車僅采用電制動(dòng)、ATO 控車/手動(dòng)控車盡量采用低級(jí)位調(diào)速或停車等措施。

下面從提高電制動(dòng)覆蓋級(jí)位、降低電制動(dòng)退出點(diǎn)、避免單車施加制動(dòng)的角度考慮，進(jìn)一步分析減少閘片磨耗的方法。

3.2.1 電制動(dòng)覆蓋級(jí)位

假設(shè)車輛編組采用4 動(dòng)4 拖方式， 電制動(dòng)能覆蓋整車常用制動(dòng)4 級(jí)減速度曲線，當(dāng)制動(dòng)級(jí)位高于4 級(jí)時(shí)，才需要補(bǔ)充空氣制動(dòng)力。

通常動(dòng)車組采用4 級(jí)及以下級(jí)位停車， 可以最大程度的減少閘片磨耗，見圖6。

圖6 電制動(dòng)覆蓋曲線

3.2.2 降低電制動(dòng)退出點(diǎn)

可以考慮降低電制動(dòng)退出點(diǎn)，電制動(dòng)退出的越晚，閘片磨耗更低，但對(duì)制動(dòng)控制的要求越高，即保證動(dòng)力制動(dòng)和空氣制動(dòng)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)化，防止列車沖擊。

動(dòng)力制動(dòng)和空氣制動(dòng)能否實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)化， 主要取決于2 種制動(dòng)力變化的同步性、同速率，以及轉(zhuǎn)換過(guò)程中總制動(dòng)力與制動(dòng)需求是否相吻合[2]。

具體實(shí)施方法為，牽引系統(tǒng)TCU 提前提供電制動(dòng)力消退命令，TCU 在發(fā)出該命令延時(shí)一定時(shí)間后將電制動(dòng)力按固定斜率曲線下降，制動(dòng)系統(tǒng)BCU 接收到電制動(dòng)消退命令后， 按固定斜率曲線上升來(lái)實(shí)現(xiàn)電空混合的平順配合轉(zhuǎn)換。 對(duì)于由BCU 控制的電制動(dòng)退出，電制動(dòng)消退點(diǎn)、電制動(dòng)退出斜率、空氣制動(dòng)上升斜率可由BCU 統(tǒng)一控制。但是，如果實(shí)際電制動(dòng)退出斜率和空氣制動(dòng)上升斜率與固定斜率不一致時(shí)，將對(duì)停車沖擊和精度產(chǎn)生影響，BCU 可以考慮采用實(shí)際電制動(dòng)信號(hào)并結(jié)合空氣制動(dòng)上升延時(shí)性對(duì)空氣制動(dòng)控制進(jìn)行修正，見圖7。

圖7 電制動(dòng)退出過(guò)程

3.2.3 避免單車施加制動(dòng)

當(dāng)單車施加制動(dòng)，其它車未施加制動(dòng)時(shí)，全列車的能量將都由該車的基礎(chǔ)制動(dòng)消耗， 將可能造成該車制動(dòng)盤和閘片損壞。因此，需考慮單車施加制動(dòng)觸發(fā)全列制動(dòng)施加的方式。 如單車意外施加緊急制動(dòng)UB 時(shí)可自動(dòng)觸發(fā)全列緊急制動(dòng)EB，列車控制系統(tǒng)檢測(cè)到單車制動(dòng)施加時(shí)觸發(fā)全列最大常用制動(dòng)施加。

3.3 閘片磨耗均衡性

閘片磨耗均衡性受到的影響太多，司機(jī)操作習(xí)慣、線路情況、閘片特性等，需要長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)積累。 部分動(dòng)車組中拖車閘片磨耗量大于動(dòng)車[3]，部分動(dòng)車組動(dòng)車閘片磨耗量大于拖車。

造成上述情況的原因?yàn)椋?拖車閘片磨耗量大于動(dòng)車動(dòng)車組電制動(dòng)覆蓋制動(dòng)等級(jí)相對(duì)較低， 正常停車時(shí)高速時(shí)可能需要在拖車補(bǔ)充空氣制動(dòng)力， 因此拖車承擔(dān)的閘片磨耗要大于動(dòng)車。 動(dòng)車閘片磨耗量大于拖車動(dòng)車組電制動(dòng)覆蓋制動(dòng)等級(jí)相對(duì)較高， 正常停車高速時(shí)往往不需要補(bǔ)充空氣制動(dòng)， 僅在低速時(shí)采用均衡模式補(bǔ)充空氣制動(dòng)力，由于動(dòng)車制動(dòng)缸配置相對(duì)拖車配置較少，因此拖車承擔(dān)的閘片磨耗要小于動(dòng)車。

為了使各車閘片磨耗均衡，可以參照1.1.2 節(jié)中第二種分配方式， 調(diào)整拖車補(bǔ)充百分比來(lái)調(diào)節(jié)拖車與動(dòng)車不同的磨耗量。

3.4 減速度準(zhǔn)確控制

在動(dòng)車組整車控制中， 通常要求實(shí)際減速度曲線不低于設(shè)計(jì)減速度曲線（平直道無(wú)滑行），而實(shí)際試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)兩條曲線無(wú)法準(zhǔn)確貼合， 其原因主要為實(shí)際閘片摩擦系數(shù)與制動(dòng)控制用摩擦系數(shù)存在較大偏差[4]。

由于實(shí)際摩擦系數(shù)受影響的因素較多及實(shí)際中的控制難度問(wèn)題，實(shí)際摩擦系數(shù)通常是一個(gè)變化值，即使通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)得到的摩擦系數(shù)也可能與現(xiàn)車運(yùn)用情況不同，可從下面兩個(gè)角度進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)實(shí)際減速度精確控制，大大提高制動(dòng)距離的精度和可靠性，保證不同載荷、不同摩擦材料下保持穩(wěn)定的制動(dòng)距離。

（1）通過(guò)整車試驗(yàn)獲得到的實(shí)際減速度，對(duì)制動(dòng)控制用摩擦系數(shù)進(jìn)行修正，使實(shí)際減速度盡量貼合設(shè)計(jì)減速度。

（2）采用減速度閉環(huán)控制技術(shù)，在不加裝加減速度傳感器的前提條件下， 基于在線參數(shù)估計(jì)的自適應(yīng)控制方法，通過(guò)對(duì)閘片摩擦系數(shù)、坡道坡度、載重等擾動(dòng)進(jìn)行估計(jì)，然后用估計(jì)出的參數(shù)進(jìn)行制動(dòng)力的計(jì)算，可以顯著減小實(shí)際減速度與目標(biāo)減速度的偏差[5]。在加裝加減速度傳感器時(shí)，通過(guò)檢測(cè)整車實(shí)際減速度調(diào)節(jié)整車制動(dòng)力需求，減小實(shí)際減速度與目標(biāo)減速度的偏差。

3.5 多級(jí)或無(wú)級(jí)緊急制動(dòng)控制

高速動(dòng)車組緊急制動(dòng)通過(guò)設(shè)置2 階段壓力調(diào)整空重車閥/中繼閥實(shí)現(xiàn)，單車二段式、整車三段式，其中黏著并未完全充分利用，如果基礎(chǔ)制動(dòng)能力足夠時(shí)，可通過(guò)以下措施實(shí)現(xiàn)更高的黏著利用，使動(dòng)車組停車距離更短，見圖8～10。

圖8 動(dòng)車組緊急制動(dòng)控制

圖9 多級(jí)緊急制動(dòng)控制

圖10 無(wú)級(jí)緊急制動(dòng)控制

（1）通過(guò)設(shè)置多階段壓力調(diào)整空重車閥/中繼閥實(shí)現(xiàn)，比如，單車三段式、整車五段式，提高輪軌黏著利用率。

（2）通過(guò)高安全等級(jí)電路控制電子空重車閥實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)減速度方式，提高輪軌黏著利用率。

4 結(jié)論

常用制動(dòng)控制模式分為均衡制動(dòng)控制模式和電制動(dòng)優(yōu)先控制模式， 電制動(dòng)優(yōu)先控制模式通常又分為三種控制方式，可以根據(jù)具體情況合理應(yīng)用。制動(dòng)管理方式分為整車管理、編組管理、自律管理三種方式，整車管理與自律管理結(jié)合是制動(dòng)管理應(yīng)用的趨勢(shì)。

由電制動(dòng)優(yōu)先控制模式自動(dòng)轉(zhuǎn)換為均衡控制模式是減少滑行的研究方向。

提高電制動(dòng)覆蓋級(jí)位、降低電制動(dòng)退出點(diǎn)、避免單車施加制動(dòng)是減少閘片磨耗的研究方向。 根據(jù)制動(dòng)減速度特性和電制動(dòng)能力進(jìn)行制動(dòng)力的合理化分配， 是使閘片磨耗均衡的研究方向。

對(duì)摩擦系數(shù)進(jìn)行修正以及減速度閉環(huán)控制是實(shí)現(xiàn)實(shí)際減速度準(zhǔn)確控制的研究方向。

多級(jí)或無(wú)級(jí)緊急制動(dòng)控制是基礎(chǔ)制動(dòng)能力足夠時(shí)使動(dòng)車組停車距離更短的研究方向。