王 丹

（國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司機(jī)輛分公司機(jī)車監(jiān)控中心，河北 滄州 062350）

0 引言

列控車載設(shè)備通常采用安裝在機(jī)車輪對(duì)軸端的轉(zhuǎn)速傳感器采集機(jī)車輪對(duì)轉(zhuǎn)速，同時(shí)結(jié)合機(jī)車輪徑等參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算列車速度和位移，實(shí)現(xiàn)測(cè)速測(cè)距的目標(biāo)。該測(cè)速測(cè)距方式具有應(yīng)用廣泛、技術(shù)成熟以及精度較高等優(yōu)點(diǎn)。但是當(dāng)機(jī)車測(cè)速輪對(duì)發(fā)生空轉(zhuǎn)時(shí)，如果列控車載設(shè)備不能及時(shí)準(zhǔn)確地檢測(cè)出測(cè)速輪對(duì)處于空轉(zhuǎn)狀態(tài)，仍按照輪對(duì)實(shí)際轉(zhuǎn)速計(jì)算機(jī)車速度和走行距離，就會(huì)導(dǎo)致計(jì)算速度和走行位移高于實(shí)際值的情況，從而引發(fā)列控車載設(shè)備輸出制動(dòng)及計(jì)算距離超前等問題。

LKJ-15C 型列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)（LKJ-15C 系統(tǒng)）也采用轉(zhuǎn)速傳感器對(duì)列車進(jìn)行測(cè)速、測(cè)距，該系統(tǒng)具備輪對(duì)空轉(zhuǎn)檢測(cè)功能，在檢測(cè)到輪對(duì)發(fā)生空轉(zhuǎn)后，根據(jù)輪對(duì)空轉(zhuǎn)后的機(jī)車加速屬性對(duì)機(jī)車速度、走行距離進(jìn)行抑制處理，以保證當(dāng)機(jī)車輪對(duì)出現(xiàn)空轉(zhuǎn)時(shí)，測(cè)速、測(cè)距信息盡量準(zhǔn)確，減少非必要制動(dòng)指令的輸出數(shù)量，降低重載列車制動(dòng)在復(fù)雜環(huán)境下潛在的脫軌、斷鉤等安全風(fēng)險(xiǎn)。

1 機(jī)車輪對(duì)空轉(zhuǎn)的原因及危害

1.1 機(jī)車輪對(duì)空轉(zhuǎn)的原因

機(jī)車實(shí)際能發(fā)揮的牽引力由輪軌黏著決定，輪軌間的黏著力會(huì)隨著蠕滑速度的改變（V=r·w-v，為輪對(duì)半徑；w為輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度；v為機(jī)車的實(shí)際行駛速度）呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，并且輪軌間的黏著特性曲線會(huì)隨機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)而不斷變化（如圖1 所示）?？辙D(zhuǎn)的本質(zhì)是牽引電機(jī)力矩大于當(dāng)前輪軌黏著力，從而不斷地提高輪對(duì)的蠕滑速度。從上述特性可以將空轉(zhuǎn)的原因歸結(jié)為以下2 個(gè)：1） 在建立或提升輪軌蠕滑的過程中（啟車、加載），牽引電機(jī)給定電流過大或機(jī)車手牽引柄給定過快，都會(huì)使?fàn)恳姍C(jī)快速加速進(jìn)入最大黏著點(diǎn)，牽引電機(jī)力大于黏著力，使輪對(duì)蠕滑速度不斷提高，從而發(fā)生空轉(zhuǎn)。2） 機(jī)車輪軌黏著特性發(fā)生改變，當(dāng)前輪軌最大黏著力小于給定力時(shí)，牽引電機(jī)力矩過剩，蠕滑速度不斷增加，從而發(fā)生空轉(zhuǎn)。

圖1 不同軌條件面下的輪軌黏著特性曲線比較

1.2 影響輪軌黏著特性的因素

機(jī)車輪軌黏著特性會(huì)受多種動(dòng)態(tài)因素的影響，包括機(jī)車設(shè)計(jì)缺陷、外界環(huán)境條件、輪軌表面狀態(tài)以及輪軌系統(tǒng)振動(dòng)等，列車在運(yùn)行中的瞬態(tài)黏著特性始終在變化。

輪軌環(huán)境及表面狀態(tài)：在機(jī)車實(shí)際運(yùn)行中，干燥清潔軌面的可用黏著系數(shù)一般可以達(dá)到0.25～0.40。一旦輪軌存在表面潮濕（下雨）、有油污、有冰凍以及軌面有銹蝕等問題，其可用黏著系數(shù)急劇下降，條件惡劣時(shí)甚至不到0.10。在輪軌面黏著系數(shù)較低（例如濕軌）的情況下，可以通過撒砂有效改善輪軌間的黏著狀態(tài)，理論上可以將黏著系數(shù)提升至0.20～0.30，具體結(jié)果取決于撒砂系統(tǒng)的效果（例如撒砂系統(tǒng)噴嘴布置方式、下砂量、砂材以及砂子粒徑大小等）。

線路條件：線路不平直、有彎道和有坡道都會(huì)降低輪軌間的黏著特性。

列車速度：可用黏著系數(shù)隨列車實(shí)際運(yùn)行速度的增加而略有降低。隨著列車速度的提高，列車橫向及垂向振動(dòng)加劇，會(huì)破壞輪軌的黏著狀態(tài)，從而降低機(jī)車能夠利用的黏著系數(shù)。

1.3 測(cè)速輪對(duì)空轉(zhuǎn)的危害

在重載軌道交通運(yùn)輸中，機(jī)車動(dòng)輪和鋼軌之間的黏著力是驅(qū)動(dòng)機(jī)運(yùn)行的最終動(dòng)力。因此，在重載鐵路的運(yùn)輸過程中，必須保證機(jī)車輪軌間有效地黏著，避免因機(jī)車輪對(duì)發(fā)生空轉(zhuǎn)而導(dǎo)致LKJ 采集到的軸端速度超過線路的限制速度，監(jiān)控裝置將會(huì)輸出常用或緊急制動(dòng)停車指令，使列車停車，這會(huì)影響正常的運(yùn)輸秩序。輪對(duì)空轉(zhuǎn)會(huì)導(dǎo)致輪對(duì)擦傷或重傷鋼軌，甚至還會(huì)導(dǎo)致機(jī)車車輪崩裂、脫軌。重載20 000 t 列車小曲線半徑緊急制動(dòng)在多重不利因素疊加的情況下會(huì)導(dǎo)致列車發(fā)生脫軌、列車顛覆等嚴(yán)重事故。據(jù)統(tǒng)計(jì)，朔黃鐵路在2020 年12 月—2021 年4月裝配LKJ-15 型監(jiān)控裝置的機(jī)車共發(fā)生7 起輪對(duì)空轉(zhuǎn)事件，其中5 起造成停車堵塞正線超過10 min，對(duì)重載運(yùn)輸造成較大的干擾。

2 系統(tǒng)空轉(zhuǎn)處理原理

2.1 速度取用原理

LKJ-15C 系統(tǒng)采用2×2 取2 安全計(jì)算機(jī)架構(gòu)，測(cè)速、測(cè)距功能由兩系安頻輸入（SFI）插件和2 個(gè)脈沖數(shù)為72轉(zhuǎn)的霍爾速度傳感器完成。每系安頻輸入插件分別接入2個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器的2 路速度信號(hào)，每個(gè)速度傳感器各輸出4路速度信號(hào)（圖2）。

如圖2 所示，I 系SFI 插件通時(shí)采集2 個(gè)速度傳感器（Sensor_I 和Sensor_II）通道1、通道2 的脈沖頻率信息。通過4 路脈沖信息的頻率和相位差計(jì)算該速度傳感器采集端對(duì)應(yīng)輪軸的速度、位移和方向。II 系SFI 同理，再對(duì)I系和II 系的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仲裁算法處理，以確定最終速度信息，從而保證速度信息的有效性。

圖2 安頻輸入插件速度信號(hào)輸入原理圖

LKJ-15C 系統(tǒng)測(cè)速、測(cè)距功能具備較高的冗余能力，在任意1 個(gè)速度傳感器或任意一系安頻輸入插件發(fā)生故障后，仍能保證測(cè)速、測(cè)距功能正常運(yùn)行。SFI 安全頻率量插件通過采集速度傳感器的頻率量信息，同時(shí)結(jié)合機(jī)車輪徑信息、傳感器脈沖數(shù)計(jì)算輪對(duì)的速度、加速度和運(yùn)行方向。再根據(jù)該機(jī)車類型對(duì)應(yīng)的最大加速度和減速度判斷機(jī)車是否發(fā)生空轉(zhuǎn)或輪滑，如果發(fā)生空轉(zhuǎn)或輪滑，那么SFI安全頻率量插件將按照最大加速度或最大減速度抑制輪對(duì)的速度，以獲取與實(shí)際速度更接近的機(jī)車速度，從而輸出列車處理后的速度、位移等信息。

LKJ-15C 系統(tǒng)針對(duì)采集的多路速度信號(hào)，根據(jù)一定處理邏輯選取其中某個(gè)傳感器信號(hào)源作為當(dāng)前速度來源，具體如下：1） 在LKJ-15C 設(shè)備上電后，默認(rèn)取速度傳感器Sensor_I作為速度來源。2） 當(dāng)速度傳感器Sensor_I 故障、速度傳感器Sensor_II 正常時(shí)，取速度傳感器Sensor_II 作為當(dāng)前的速度來源。3） 當(dāng)速度傳感器Sensor_I 空轉(zhuǎn)/輪滑時(shí)，如果速度傳感器Sensor_II 沒有空轉(zhuǎn)/輪滑，則取速度傳感器Sensor_II 作為當(dāng)前的速度來源。4） 當(dāng)速度傳感器Sensor_I 空轉(zhuǎn)/輪滑時(shí)，如果速度傳感器Sensor_II 也同時(shí)發(fā)生空轉(zhuǎn)/輪滑，則取速度傳感器Sensor_I 作為速度來源。同時(shí)，向主機(jī)報(bào)告發(fā)生空轉(zhuǎn)/輪滑。5） 當(dāng)速度傳感器Sensor_I 正常、速度傳感器Sensor_II 故障時(shí)，取速度傳感器Sensor_I 作為當(dāng)前的速度來源。6） 當(dāng)速度傳感器Sensor_I 正常、速度傳感器Sensor_II 空轉(zhuǎn)/輪滑時(shí)，取速度傳感器Sensor_II 作為當(dāng)前的速度來源。

安頻輸入插件給LKJ-15C 提供的測(cè)速測(cè)距包括速度值（綜合2 個(gè)速度傳感器4 路速度后的綜合速度值）、加速度值、走行累計(jì)距離值以及方向。

2.2 LKJ 空轉(zhuǎn)處理原則

以HXD1 型機(jī)車為例，LKJ 空轉(zhuǎn)處理原則如下：1） 確定最大加速度。機(jī)車最大加速度為1.25 m/s，電力貨車最大加速度為1.00 m/s； 對(duì)2 個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合得到最大加速度為1.00 m/s。2） 空轉(zhuǎn)開始。當(dāng)根據(jù)速度傳感器采集的通道計(jì)算原始加速度大于或等于“最大加速度”時(shí)，判斷該通道狀態(tài)為“空轉(zhuǎn)開始”，該通道空轉(zhuǎn)時(shí)間開始計(jì)時(shí)。3）空轉(zhuǎn)確認(rèn)。通道處于“空轉(zhuǎn)開始”狀態(tài)且通道空轉(zhuǎn)時(shí)間超過400 ms 后，判斷該通道狀態(tài)為“空轉(zhuǎn)確認(rèn)”。按“最大加速度”的1/8 對(duì)通道速度進(jìn)行抑制處理。4） 空轉(zhuǎn)補(bǔ)償。判斷通道處于“空轉(zhuǎn)確認(rèn)”狀態(tài)，且維持時(shí)間大于“空轉(zhuǎn)一次最長(zhǎng)時(shí)間”后，判斷通道狀態(tài)為“空轉(zhuǎn)補(bǔ)償”，對(duì)該通道的走行距離進(jìn)行補(bǔ)償，不再對(duì)通道速度進(jìn)行抑制。5） 空轉(zhuǎn)后速度切換。判斷通道處于“空轉(zhuǎn)確認(rèn)”狀態(tài)，且維持時(shí)間大于“空轉(zhuǎn)一次最長(zhǎng)時(shí)間”后，判斷通道狀態(tài)為“空轉(zhuǎn)補(bǔ)償”，對(duì)該通道的走行距離進(jìn)行補(bǔ)償，且不再對(duì)通道速度進(jìn)行抑制。

2.3 確定最大允許加速度

不同機(jī)車、不同車輛以及組合后的列車的加速性能都不完全相同，LKJ-15C 系統(tǒng)支持機(jī)車和車輛的靈活編組，可根據(jù)編組情況綜合獲得列車的最大允許加速度值。LKJ-15C 系統(tǒng)配置每種類型機(jī)車的單機(jī)加速度和每種類型車輛的加速度。當(dāng)機(jī)車單機(jī)運(yùn)行時(shí)，根據(jù)該機(jī)車的單機(jī)加速度取用相應(yīng)的最大允許加速度；當(dāng)機(jī)車牽引列車時(shí)，根據(jù)該機(jī)車的單機(jī)加速度與車輛加速度取最大允許加速度的最小值。例如HXD1 機(jī)車配置的最大允許加速度為1.25 m/s，貨車車輛配置的最大允許加速度為1.00 m/s，當(dāng)HXD1 機(jī)車單機(jī)運(yùn)行時(shí)的最大允許加速度取1.25 m/s，當(dāng)HXD1 機(jī)車牽引萬噸重載貨物列車作業(yè)時(shí)，綜合后最大允許加速度為1.00 m/s。

LKJ-15C 系統(tǒng)的加速計(jì)算如公式（1）所示。

愛國主義是對(duì)祖國的忠誠和熱愛，是中華民族精神的核心，是中國人民的行為準(zhǔn)則體系。新時(shí)代愛國主義的本質(zhì)體現(xiàn)為愛國和愛黨、愛社會(huì)主義的有機(jī)統(tǒng)一，新時(shí)代愛國主義的鮮明主題是實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興的中國夢(mèng)，新時(shí)代愛國主義的突出特征是愛國情懷和改革精神、世界眼光相結(jié)合。

式中：為2 個(gè)程序周期采集到的速度差值；為2 個(gè)程序周期的時(shí)間間隔。

LKJ-15C 系統(tǒng)在測(cè)速處理過程中存在“正常測(cè)速”、“空轉(zhuǎn)開始”以及“空轉(zhuǎn)確認(rèn)”3 個(gè)測(cè)速狀態(tài)，各狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3 所示。

圖3 測(cè)速空轉(zhuǎn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

在LKJ-15C 系統(tǒng)上電后，會(huì)將測(cè)速狀態(tài)初始化為“正常測(cè)速”狀態(tài)，在“正常測(cè)速”狀態(tài)下，當(dāng)采集的加速度大于或等于“最大允許加速度”時(shí)，判斷為“空轉(zhuǎn)開始”狀態(tài)，該通道空轉(zhuǎn)時(shí)間開始計(jì)時(shí)。

“空轉(zhuǎn)開始”狀態(tài)下，在空轉(zhuǎn)開始的計(jì)時(shí)過程中，如果采集的加速度大于或等于“最大允許加速度×空轉(zhuǎn)識(shí)別退出系數(shù)”時(shí)，就維持空轉(zhuǎn)計(jì)時(shí)，否則判斷為“測(cè)速正?！睜顟B(tài)。當(dāng)空轉(zhuǎn)計(jì)時(shí)時(shí)間超過400 ms 且采集的加速度大于或等于“最大允許加速度”時(shí)，判斷該通道狀態(tài)為“空轉(zhuǎn)確認(rèn)”。

3 系統(tǒng)速度采集軟件功能優(yōu)化

對(duì)朔黃鐵路重載貨運(yùn)列車發(fā)生空轉(zhuǎn)的情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合線路、機(jī)車車輛、轉(zhuǎn)速傳感器以及軟件空轉(zhuǎn)識(shí)別處理邏輯等環(huán)節(jié)確認(rèn)LKJ-15C 系統(tǒng)空轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)機(jī)不及時(shí)，導(dǎo)致啟動(dòng)空轉(zhuǎn)速度抑制時(shí)機(jī)較晚，從而觸發(fā)緊急制動(dòng)。為解決該問題，可以通過調(diào)整LKJ-15C 系統(tǒng)空轉(zhuǎn)識(shí)別退出系數(shù)（由0.9 調(diào)整為0.1，該系數(shù)越小，越容易識(shí)別出輪對(duì)空轉(zhuǎn)狀態(tài)）來改善系統(tǒng)空轉(zhuǎn)時(shí)別的靈敏度，具體如下：1） 調(diào)整前。如果機(jī)車加速度達(dá)到控制參數(shù)中設(shè)定的最大值（電力貨車設(shè)定為 1.00 m/s），則“空轉(zhuǎn)開始”。如果“空轉(zhuǎn)開始”后400 ms 內(nèi)加速度低于1.00×0.9 m/s，則轉(zhuǎn)入“正常測(cè)速”狀態(tài)。2） 調(diào)整后。如果機(jī)車加速度達(dá)到控制參數(shù)中設(shè)定的最大值（電力貨車設(shè)定為1.00 m/s），則“空轉(zhuǎn)開始”。如果“空轉(zhuǎn)開始”后 400 ms 內(nèi)加速度低于1.00×0.1 m/s，則轉(zhuǎn)入“正常測(cè)速”狀態(tài)。

4 程序升級(jí)驗(yàn)證

4.1 試驗(yàn)驗(yàn)證情況

針對(duì)朔黃鐵路裝配LKJ-15C 型列車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)機(jī)車在承擔(dān)重載運(yùn)輸任務(wù)中LKJ 空轉(zhuǎn)識(shí)別存在未有效識(shí)別的問題，對(duì)LKJ-15C 系統(tǒng)速度采集軟件（SFI 軟件）進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，并在HXD1 型機(jī)車進(jìn)行車載試驗(yàn)驗(yàn)證。驗(yàn)證優(yōu)化后SFI軟件能否更準(zhǔn)確地識(shí)別輪對(duì)空轉(zhuǎn)狀態(tài)，以滿足HXD1 型機(jī)車牽引萬噸貨物重載列車運(yùn)用需求。

通過在朔黃鐵路車載驗(yàn)證試驗(yàn)6 趟，其中前3 趟為數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，后3 趟為軟件優(yōu)化效果驗(yàn)證試驗(yàn)。分別驗(yàn)證了HXD1 型機(jī)車在正常軌面和灑水軌面上的運(yùn)用情況，具體情況見表1。

表1 HXD1 型機(jī)車加速空轉(zhuǎn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4.2 試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)分析

對(duì)6 趟車載試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，優(yōu)化后的SFI 插件軟件在相同軌道物理?xiàng)l件下更容易識(shí)別輪對(duì)空轉(zhuǎn)，具體情況如圖4 所示。

圖4 I 系SFI 插件數(shù)據(jù)

經(jīng)驗(yàn)證優(yōu)化后，在HXD1 型機(jī)車牽引萬噸貨物重載列車的加速過程中（灑水軌面條件下），LKJ-15C 系統(tǒng)可有效地識(shí)別空轉(zhuǎn)狀態(tài)并進(jìn)行抑制，能有效防止因輪對(duì)空轉(zhuǎn)而導(dǎo)致LKJ輸出常用/緊急制動(dòng)。試驗(yàn)后將裝配LKJ-15C 系統(tǒng)的HXD1型機(jī)車全部升級(jí)，在7 個(gè)月的運(yùn)行過程中未出現(xiàn)因輪對(duì)空轉(zhuǎn)而導(dǎo)致發(fā)生LKJ 輸出常用/緊急制動(dòng)事件。

5 結(jié)論

對(duì)LKJ-15C 系統(tǒng)速度采集軟件空轉(zhuǎn)識(shí)別功能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，將空轉(zhuǎn)識(shí)別退出系數(shù)由 0.9 調(diào)整為 0.1 后，能有效識(shí)別機(jī)車輪對(duì)空轉(zhuǎn)狀態(tài)，防止因輪對(duì)空轉(zhuǎn)而導(dǎo)致LKJ 輸出緊急或常用動(dòng)作指令，消除了重載列車因LKJ 非必要的制動(dòng)而引發(fā)的安全隱患。在重載鐵路運(yùn)輸LKJ 安全控制方面發(fā)揮了積極作用。