楊 洋，張鶴飛，亢 磊，李 松

（1 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 國(guó)家軌道客車工程研究中心, 長(zhǎng)春 130062；2 長(zhǎng)春職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車學(xué)院,長(zhǎng)春 130062）

現(xiàn)代軌道車輛仍然朝著提高速度和增加承載能力的方向發(fā)展，這對(duì)車輪和軌道的黏著條件提出了苛刻的要求，需要更高的輪軌黏著系數(shù)來支撐制動(dòng)力以避免車輪發(fā)生滑行，防滑控制系統(tǒng)的主要作用就是防止車輪在任何情況下發(fā)生滑行。制動(dòng)防滑系統(tǒng)（WSP）的主要功能和目標(biāo)是“在所有預(yù)定的運(yùn)行條件下，通過控制防滑閥保持、減少或恢復(fù)制動(dòng)力來最大限度地利用可用黏著，以防止車輪因黏著力低而抱死或發(fā)生不可控制的滑行”。WSP 不僅用來防止車輪抱死，而且通過增加黏著系數(shù)，在黏著條件變差的情況下減少制動(dòng)距離。

制動(dòng)力的大小取決于輪軌間的黏著系數(shù)，然而黏著系數(shù)是隨著輪軌間相對(duì)滑動(dòng)速度（或滑移率）呈高度非線性變化的。車輛的軸重及運(yùn)行速度會(huì)顯著地影響輪軌間的黏著系數(shù)，黏著系數(shù)也會(huì)受到天氣、環(huán)境、季節(jié)、軌面污染物等因素的影響。因此，當(dāng)車輪制動(dòng)力大于輪軌所能提供的黏著力時(shí)，車輪與軌道會(huì)發(fā)生滑動(dòng)摩擦，制動(dòng)距離將會(huì)延長(zhǎng)，此時(shí)防滑系統(tǒng)應(yīng)在充分利用黏著的基礎(chǔ)上盡快恢復(fù)車輪的滑行狀態(tài)，防止車輪抱死導(dǎo)致的車輪擦傷及制動(dòng)距離延長(zhǎng)。

1 輪軌間的黏著特性

軌道車輛的牽引過程和制動(dòng)過程都要依靠輪軌間的黏著力，黏著力是牽引力和制動(dòng)力的來源。當(dāng)車輪的制動(dòng)力超過黏著力時(shí)，車輪將發(fā)生滑行，嚴(yán)重時(shí)將發(fā)生車輪抱死。在車輛的制動(dòng)過程中，輪軌間的最大切線力就是黏著力。

由于車輪和軌道都不是完全剛性的，車輪的巨大壓力將導(dǎo)致車輪和軌道之間存在一個(gè)彈性接觸變形區(qū)域。當(dāng)車輛移動(dòng)時(shí)，車輪和軌道始終存在彈性變形，在輪軌接觸面的彈性形變區(qū)為橢圓形，如圖1 所示。輪軌接觸面可以分為2 個(gè)區(qū)域，接觸區(qū)前部分處于壓應(yīng)力狀態(tài)稱之為黏著區(qū)域，接觸區(qū)后部分處于拉應(yīng)力狀態(tài)稱之為蠕滑區(qū)域。當(dāng)輪軌間的切線力增加時(shí)，黏著區(qū)域的面積將減小，而滑行區(qū)域的面積將增加，如果最終只剩下滑行區(qū)域則車輪發(fā)生抱死現(xiàn)象。

圖1 輪軌接觸區(qū)

黏著表述的是黏著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系，也是防滑控制系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)。大量學(xué)者的研究表明，線路狀況、氣候條件、軌道污染、車輛的性能參數(shù)等因素都會(huì)影響?zhàn)ぶ匦裕?-4］。黏著系數(shù)和滑移率之間的關(guān)系如圖2 所示。從圖中可以看出，黏著特性曲線與滑移率之間為非線性關(guān)系。圖中連續(xù)的曲線指的是黏著的損失，即滑移的增量；而虛線曲線指相對(duì)的黏著恢復(fù)，即滑移的減量。A 點(diǎn)前面的區(qū)域是微滑動(dòng)區(qū)，之后是宏觀滑動(dòng)區(qū)。在宏觀滑動(dòng)區(qū)之外是軸抱死區(qū)。

圖2 典型黏著系數(shù)與滑移率關(guān)系曲線

在微滑動(dòng)區(qū)內(nèi)，黏著系數(shù)隨著滑移率的增加達(dá)到圖2 中的峰值點(diǎn)，隨后蠕滑區(qū)變大而黏著區(qū)變小，黏著系數(shù)下降。但隨著滑移率繼續(xù)變大，滑行進(jìn)入到宏觀滑行穩(wěn)定區(qū)，此時(shí)由于輪軌間的接觸區(qū)變大，黏著系數(shù)隨著黏著區(qū)面積增大而增大，直到B 點(diǎn)出現(xiàn)又一個(gè)峰值。防滑系統(tǒng)的目的就是保持制動(dòng)過程中車輪滑行率能夠穩(wěn)定在B 點(diǎn)附近。然而，如果滑移率繼續(xù)增大，輪軌接觸面幾乎全部進(jìn)入滑行區(qū)，黏著力急劇下降，最終形成軸抱死滑行［5］。

2 防滑控制系統(tǒng)

2.1 防滑控制系統(tǒng)組成

防滑控制系統(tǒng)（WSP）由以下元件組成：速度傳感器、WSP 控制器和防滑閥。帶盤式制動(dòng)的兩軸轉(zhuǎn)向架WSP 系統(tǒng)框圖如圖3 所示。每個(gè)車軸配置1 個(gè)速度傳感器及測(cè)速齒輪，防滑閥安裝在車體底架上并盡可能靠近制動(dòng)缸的位置，WSP 控制器集成在制動(dòng)控制單元中。

圖3 制動(dòng)防滑控制系統(tǒng)組成框圖

對(duì)于架控控制的制動(dòng)系統(tǒng)，WSP 控制器是按照每根軸單獨(dú)作用的，通過測(cè)速齒輪和速度傳感器單獨(dú)計(jì)算每根車軸的軸速。每個(gè)WSP 控制器也會(huì)計(jì)算列車的參考速度，車輛參考速度的計(jì)算有可能是不精確的，特別是當(dāng)2 個(gè)軸都滑行了較長(zhǎng)時(shí)間。為了防止這種情況，WSP 控制器會(huì)通過對(duì)比其他WSP 計(jì)算出的速度來修正自己計(jì)算的參考速度，最后通過對(duì)比修正的車輛參考速度和車軸軸速得出滑移率和速度差。

當(dāng)檢測(cè)到滑動(dòng)時(shí)，WSP 控制器控制防滑排風(fēng)閥對(duì)應(yīng)的制動(dòng)缸一次排風(fēng)或階段性排風(fēng)或保持壓力不變，以降低或保持瞬時(shí)低黏著條件下的制動(dòng)力，待黏著恢復(fù)后，根據(jù)車軸軸速的恢復(fù)情況再對(duì)相應(yīng)的制動(dòng)缸進(jìn)行一次充風(fēng)或階段充風(fēng)，增加制動(dòng)力以提供車輛的有效制動(dòng)。

由于高速動(dòng)車及城市軌道客車在常用制動(dòng)時(shí)多采用電制動(dòng)優(yōu)先而空氣制動(dòng)補(bǔ)償?shù)碾娍諒?fù)合制動(dòng)模式，除空氣制動(dòng)系統(tǒng)需要控制防滑外，牽引系統(tǒng)同樣需要通過牽引控制單元控制電制動(dòng)防滑。牽引控制單元TCU 在進(jìn)行電制動(dòng)防滑控制時(shí)，通過速度傳感器對(duì)各軸的減速度和速度差進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)判斷出車輪滑行時(shí)，則迅速減少車軸的電制動(dòng)力來防止車輪滑行。但當(dāng)進(jìn)入到深入滑行時(shí)，牽引系統(tǒng)會(huì)切除電制動(dòng)，此時(shí)防滑完全由制動(dòng)系統(tǒng)接管。

2.2 防滑控制系統(tǒng)滑行判據(jù)

高速動(dòng)車組主要采用減速度和速度差復(fù)合控制原理，由防滑控制系統(tǒng)對(duì)速度傳感器發(fā)送的脈沖信號(hào)進(jìn)行計(jì)算比較，并根據(jù)內(nèi)部的控制邏輯來判斷是否發(fā)生了滑行。另外參考速度的計(jì)算也是判斷滑行與否的關(guān)鍵參數(shù)。在制動(dòng)模式下，參考速度跟隨轉(zhuǎn)速最高的軸速，但是會(huì)被平直干燥軌道上的最大減速度以及與WSP 控制器內(nèi)部算法相符的斜率來限制。如果制動(dòng)控制單元控制的所有軸的減速度都小于這些限制值，參考速度將跟隨軸速，但當(dāng)所有軸都抱死，防滑系統(tǒng)則不能檢測(cè)到滑行。

3 防滑失效導(dǎo)致的踏面擦傷

中國(guó)高速列車的發(fā)展趨勢(shì)是提高速度和載荷，然而隨著速度的提高，輪對(duì)與鋼軌之間的黏著系數(shù)降低，特別是在雨雪條件下，車輪滑行事件的概率增加。近年來我國(guó)高鐵線路上發(fā)生過多起動(dòng)車組車輪踏面擦傷的故障，車輪踏面擦傷的天氣和軌面狀況均比較惡劣，基本都發(fā)生在小雨、小雪、溫度較低或者落葉較多的環(huán)境下。

京滬線380 系列列車的車輪抱死事件如圖4 所示。當(dāng)抱死的車輪沿軌道滑動(dòng)時(shí)，車輪踏面上會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的擦傷，車輪與踏面接觸的區(qū)域被磨成平面，車輪平面的深度可以達(dá)到3.5 mm。車輪踏面的損壞不僅可能是車輪抱死造成的，而且還可能是速度差過大造成的。如車輛速度與車輪周向速度差超過30 km/h 以上同樣可以造成擦傷。

造成車輪磨平的原因是車輪高速滑行引起溫度急劇升高，同時(shí)車輪外層又被快速冷卻，導(dǎo)致車輪融化并形成馬氏體鋼。馬氏體是一種鋼的形式，堅(jiān)固且脆，容易出現(xiàn)裂紋和碎裂。它首先在車輪表面發(fā)展，然后擴(kuò)散到車輪材料中，最終導(dǎo)致車輪踏面材料損失。

京滬線發(fā)生滑行事故的380 系列列車的速度和軸速曲線如圖5 所示，從曲線數(shù)據(jù)可以看出，制動(dòng)施加后，頭車速度迅速降低，頭車4 個(gè)車軸的速度明顯低于列車速度，在制動(dòng)施加80 s 后，4 個(gè)車軸均發(fā)生抱死，隨后防滑功能激活，車輪速度開始恢復(fù)，但除了軸4 外，其他3 個(gè)軸完全抱死。可以清晰地發(fā)現(xiàn)在列車運(yùn)行過程中相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)輪軌黏著相當(dāng)?shù)牡?。產(chǎn)生如此低輪軌黏著的主要原因是極端天氣條件下造成的凍雨和軌面覆冰。

圖5 列車及各車軸速度

制動(dòng)過程中電制動(dòng)力和摩擦制動(dòng)力的施加情況如圖6 所示，從曲線數(shù)據(jù)可以看出，在前92 s 內(nèi)僅有電制動(dòng)被激活，這時(shí)摩擦制動(dòng)沒有施加，92 s后電制動(dòng)被切除，摩擦制動(dòng)單獨(dú)施加。因此，列車整個(gè)制動(dòng)過程可以分為具有不同特點(diǎn)的2 個(gè)階段。其中第1 階段由電制動(dòng)主導(dǎo)，牽引控制單元（TCU）主要負(fù)責(zé)滑行控制。在第2 階段，電制動(dòng)力被切除，僅有摩擦制動(dòng)單獨(dú)施加，在這一階段，制動(dòng)控制單元（BCU）負(fù)責(zé)滑行控制。

圖6 電制動(dòng)及摩擦制動(dòng)施加情況

3.1 第1 階段: 電制動(dòng)激活

在第1 階段，列車采取優(yōu)先使用電制動(dòng)的原則，在減速初段只有電制動(dòng)被激活，在最初的幾秒鐘內(nèi)，4 根軸的軸速均跟隨列車的速度，在這個(gè)階段防滑系統(tǒng)檢查每根軸的軸速并和列車速度相比較，在速度300 km/h 左右時(shí)，4 根軸的速度是同步的，在軸速?gòu)?75 km/h 減 速到12 km/h 的60 s 時(shí) 間內(nèi)，軸的平均減速度大于1.2 m/s2，此時(shí)參考速度大部分跟隨軸速，在軸瞬時(shí)減速度大于1.6 m/s2，制動(dòng)系統(tǒng)檢測(cè)到數(shù)次車輪發(fā)生滑行。最終，在軸速降低到大約10 km/h 時(shí)，司機(jī)緩解了制動(dòng)，導(dǎo)致車軸速度再次加速，這一階段車軸并沒有發(fā)生抱死。

在第1 階段，電制動(dòng)激活并在頭車產(chǎn)生了很大的制動(dòng)力，相對(duì)拖車軸速，頭車軸速在此階段下降到很低的程度。

在只有電制動(dòng)力的制動(dòng)階段，電制動(dòng)力實(shí)際值和設(shè)定值的對(duì)比情況如圖7 所示，可以看出在最初的幾秒電制動(dòng)力就出現(xiàn)了明顯的降低，這說明牽引控制單元發(fā)現(xiàn)了滑行，同時(shí)激活了滑行控制，實(shí)際的電制動(dòng)力一直保持在設(shè)定值的20%以下，牽引控制單元一直在試圖控制滑行。

圖7 實(shí)際電制動(dòng)力和設(shè)置電制動(dòng)力

在電制動(dòng)控制防滑時(shí)制動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)出的電制動(dòng)減載需求如圖8 所示。在常用制動(dòng)施加過程中，TCU 在以下時(shí)段收到了4 次來自BCU 的制動(dòng)減載請(qǐng)求，時(shí)間從40 s 到43 s，從54 s 到57 s，從64 s 到68 s，從80 s 到91 s。其中藍(lán)色曲線顯示BCU 發(fā)出的電制動(dòng)力減載信號(hào)。

圖8 BCU 減載電制動(dòng)力請(qǐng)求

3.2 第2 階段：摩擦制動(dòng)施加

當(dāng)司機(jī)緩解制動(dòng)，所有軸速都開始回升，然而由于極端的天氣條件，頭車只有第4 軸回升到了220 km/h，而 第3 軸 只 有100 km/h，第2 軸 只 有60 km/h，第1 軸的速度則低于50 km/h。此時(shí)TCU檢測(cè)到4 根軸速度差異較大，切斷了主斷路器，此時(shí)電制動(dòng)力不再施加，在主斷跳開后，頭車沒有了牽引供電，因此也不再產(chǎn)生電制動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生純空氣制動(dòng)使列車減速，在這個(gè)階段頭車的1、2、3 軸被抱死持續(xù)超過60 s。

在第2 階段，制動(dòng)系統(tǒng)接管了防滑功能并開始調(diào)整軸速，但是在第1 階段BCU 發(fā)出電制動(dòng)力減載的信號(hào)時(shí)，TCU 仍然保留了20%的電制動(dòng)力，導(dǎo)致滑行深度不斷增加，最后防滑功能鎖閉，導(dǎo)致車輪嚴(yán)重擦傷。

4 結(jié) 論

由于第1 階段TCU 防滑功能激活，并按照速度差的控制模式監(jiān)控滑行，由于在4 s 的時(shí)間段內(nèi)實(shí)際電制動(dòng)力較低，TCU 認(rèn)為參考速度信號(hào)是不可靠的，并在4 s 后轉(zhuǎn)為減速度控制模式，然而減速度控制模式不與列車速度進(jìn)行比較，而是限制單軸的最大減速。由于惡劣天氣導(dǎo)致軌面只能提供極低的黏著，WSP 控制器算法達(dá)到了極限并切換到減速度控制模式，但連續(xù)非常低的黏著系數(shù)，這種減速度控制方式不能防止第1 軸的速度偏離列車速度。

問題的根本原因是輪軌之間的黏著力長(zhǎng)時(shí)間處在極低的水平。因此，為了改善這種情況，應(yīng)增加自動(dòng)撒沙功能，當(dāng)單車檢測(cè)到滑行時(shí)，自動(dòng)激活本車撒沙裝置進(jìn)行撒沙。