田凱陽 胡利江 范浩彪 周楠杰 蒲安會(huì)

(寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司智慧運(yùn)營分公司，315101，寧波∥第一作者，助理工程師)

制動(dòng)系統(tǒng)作為城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)車輛系統(tǒng)中的重要組成部分，對城軌的安全運(yùn)營起到關(guān)鍵作用。制動(dòng)系統(tǒng)故障是城軌車輛系統(tǒng)中常見的故障，如不明原因緊急制動(dòng)、制動(dòng)無法緩解等。分析制動(dòng)系統(tǒng)故障及其改進(jìn)處理方法一直是城軌車輛研究的難點(diǎn)。本研究通過對010XX車回庫途中的故障情況進(jìn)行分析，闡述了牽引及制動(dòng)系統(tǒng)的防滑原理，并基于優(yōu)化后的制動(dòng)系統(tǒng)軟件提高防滑效率，為列車的安全運(yùn)行提供理論基礎(chǔ)。

1 故障現(xiàn)象

2019年1月，寧波軌道交通1號(hào)線二期010XX列車在存車線回庫途中，當(dāng)列車接近信號(hào)機(jī)時(shí)，司機(jī)施加常用制動(dòng)，車輛發(fā)生滑行現(xiàn)象，隨后司機(jī)按下緊急停車按鈕，列車仍未能及時(shí)停車，制動(dòng)距離遠(yuǎn)大于正常制動(dòng)距離，導(dǎo)致列車擠岔后停車。回庫檢查后發(fā)現(xiàn)，輪對有輕微擦傷。該車當(dāng)日作為正線備用車存放于存車線，為首列回庫車。回庫線路為露天環(huán)境，路段為35‰下坡道?；貛飚?dāng)日有小雨，晚上回庫途中發(fā)生上述現(xiàn)象。

2 制動(dòng)控制邏輯分析

2.1 牽引系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

列車處于ATO(列車自動(dòng)運(yùn)行)模式下，ATC(列車自動(dòng)控制)于22:01:39發(fā)出制動(dòng)指令，車輛于22:02:23開始滑行，22:02:27結(jié)束滑行。隨后，車輛恢復(fù)黏著系數(shù)，ATC制動(dòng)指令也自動(dòng)消失。經(jīng)過計(jì)算，ATC認(rèn)為列車還需加速方可到達(dá)目的地，隨后ATC發(fā)出牽引指令，車輛跟隨良好。經(jīng)過安全導(dǎo)向計(jì)算，ATC于22:02:28開始施加制動(dòng)，由于天氣及線路原因，制動(dòng)系統(tǒng)防滑保護(hù)啟用，此時(shí)列車速度為42.7 km/h，最后列車于22:03:03停車。

列車施加的緊急制動(dòng)為純空氣制動(dòng)，于22:02:28開始施加，但列車制動(dòng)裝置并未按緊急制動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)施加氣缸壓力，其制動(dòng)單元?dú)飧讐毫τ?2:02:55才開始趨于最大值。根據(jù)緊急制動(dòng)施加標(biāo)準(zhǔn)：制動(dòng)裝置氣缸壓力需達(dá)到緊急制動(dòng)滿負(fù)荷壓力的90%(動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間加上增壓時(shí)間≤1.5 s)方可施加緊急制動(dòng)。

2.2 制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析

制動(dòng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示列車于22:02:32施加快速制動(dòng)，隨后施加緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)減速度為1.38 m/s2。由于軌面濕滑，司機(jī)此時(shí)施加快速制動(dòng)，列車制動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)防滑保護(hù)，頻繁通過制動(dòng)缸的充排氣來恢復(fù)輪軌的黏著系數(shù)。但由于列車各車軸的參考速度并不相同，導(dǎo)致列車不斷進(jìn)行防滑保護(hù)。若列車的緊急制動(dòng)減速度較大，啟動(dòng)緊急制動(dòng)時(shí)將會(huì)擦傷輪對。因此，為恢復(fù)踏面與軌道的黏著系數(shù)，當(dāng)防滑保護(hù)啟動(dòng)后，制動(dòng)距離變長。防滑保護(hù)屬車輛正常反應(yīng)。

3 防滑保護(hù)原理說明

3.1 列車防滑保護(hù)

防滑保護(hù)功能的啟用條件有3個(gè)：速度差保護(hù)、加/減速度保護(hù)以及蠕滑速度保護(hù)。

1) 速度差保護(hù)：比較同一節(jié)車的動(dòng)車(帶動(dòng)力的車)輪對間最大速度差值，根據(jù)該差值調(diào)整電機(jī)黏著力矩設(shè)定值，使其在發(fā)生空轉(zhuǎn)和滑行時(shí)能夠迅速恢復(fù)輪軌間的正常黏著狀態(tài)。

2) 加/減速度保護(hù)：加速度保護(hù)控制是通過檢測輪對的加/減速度a是否超出設(shè)定閾值a0，并在輪對加速度超出a0時(shí)，根據(jù)加速度的大小降低電機(jī)黏著力矩設(shè)定值，以抑制空轉(zhuǎn)和滑行現(xiàn)象。

3) 蠕滑速度保護(hù)：通過計(jì)算獲得本節(jié)動(dòng)車的參考蠕滑速度與當(dāng)前真實(shí)蠕滑速度的差值，根據(jù)該差值調(diào)整電機(jī)黏著力矩設(shè)定值，使其在發(fā)生空轉(zhuǎn)和滑行時(shí)能夠迅速恢復(fù)輪軌間的正常黏著狀態(tài)。

4) 典型的防空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)曲線：當(dāng)出現(xiàn)明顯的空轉(zhuǎn)/滑行時(shí)，防空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)將產(chǎn)生作用，輸出的典型黏著力矩曲線如圖1所示(ti為時(shí)間，i=1,2,3,4)。

圖1 防空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)曲線Fig.1 Anti-idling/slide protection curve

防空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)過程如下：

階段 1：對應(yīng)圖1中的0～t1過程，當(dāng)檢測到加速度或速度差等速度類指標(biāo)超過閾值后，以較大斜率減載電機(jī)轉(zhuǎn)矩；

階段 2：對應(yīng)圖1中的t1～t2過程，相應(yīng)指標(biāo)趨于穩(wěn)定后，維持一段時(shí)間的電機(jī)轉(zhuǎn)矩恒定不變；

階段 3：對應(yīng)圖1中的t2～t3過程，當(dāng)確認(rèn)相應(yīng)指標(biāo)穩(wěn)定后，開始以指數(shù)函數(shù)形式恢復(fù)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，呈現(xiàn)出先快速恢復(fù)、后慢速恢復(fù)的特征；

階段 4：對應(yīng)圖1中的t3～t4過程，電機(jī)轉(zhuǎn)矩恢復(fù)到減載前的90%時(shí)，開始以非常緩慢的直線斜率方式繼續(xù)恢復(fù)剩余的10%電機(jī)轉(zhuǎn)矩。

3.2 列車防滑數(shù)據(jù)分析

牽引系統(tǒng)記錄到的22：02左右的列車滑行數(shù)據(jù)波形如圖2所示。動(dòng)車速度和列車實(shí)際速度之差(即蠕滑速度)超過3.0 km/h(動(dòng)車速度為44.4 km/h,列車速度為47.6 km/h)，該差值已經(jīng)超過軟件設(shè)定的蠕滑保護(hù)閾值。通過牽引系統(tǒng)軟件對邏輯給定力矩進(jìn)行調(diào)整，使黏著實(shí)際力矩小于邏輯給定力矩，同時(shí)上報(bào)列車處于滑行狀態(tài)。

圖2 22：02列車滑行數(shù)據(jù)波形圖Fig.2 Waveform diagram of train sliding data at 22:02

4 制動(dòng)距離計(jì)算說明

4.1 制動(dòng)數(shù)據(jù)分析

圖3 制動(dòng)數(shù)據(jù)分析及計(jì)算結(jié)果截圖Fig.3 Screenshot of braking data analysis and calculation results

制動(dòng)維護(hù)終端軟件中的距離計(jì)算有兩種，根據(jù)軸速脈沖累計(jì)數(shù)的距離計(jì)算方法和對參考速度積分的計(jì)算方法。當(dāng)沒有制動(dòng)滑行時(shí)，這兩種方法的計(jì)算結(jié)果基本上是相同的；當(dāng)有制動(dòng)滑行時(shí)，由于軸速信號(hào)及參考速度均可能低于實(shí)際列車運(yùn)行速度，兩種依賴軸速傳感器信號(hào)的距離計(jì)算都會(huì)發(fā)生偏差。010XX列車制動(dòng)滑行數(shù)據(jù)分析及計(jì)算結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，由兩種方法獲得的制動(dòng)距離分別為286.7 m和290.5 m。

為減小制動(dòng)滑行對制動(dòng)距離計(jì)算的影響，采用復(fù)化梯形軟件對記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，計(jì)算結(jié)果如圖4所示。其中，修正速度為根據(jù)各轉(zhuǎn)向架的參考速度最大值并向前反向平滑修正后的數(shù)值，修正原則為車輛在制動(dòng)期間實(shí)際車速為減速過程。由圖4可知，對比修正前后的參考速度，修正后的參考速度曲線已經(jīng)比較平滑，與實(shí)際列車運(yùn)行速度較為接近。

圖4 參考速度及制動(dòng)距離計(jì)算修正

不同修正速度的制動(dòng)時(shí)間與制動(dòng)距離如表1所示。由表1可知，緊急制動(dòng)距離為305.5 m，比修正前計(jì)算的制動(dòng)距離增加了15.0 m。結(jié)合圖3中的速度曲線可知，這一數(shù)據(jù)已經(jīng)很接近實(shí)際制動(dòng)距離了，初步估計(jì)距離偏差不會(huì)超過±5.0 m。此外，從初始制動(dòng)到觸發(fā)緊急制動(dòng)，列車大約走行了115.0 m。其中，約有0.5 s是沒有制動(dòng)指令的，期間走行了約16.0 m。

表1 不同修正速度的制動(dòng)時(shí)間與制動(dòng)距離

4.2 滑行數(shù)據(jù)分析

從制動(dòng)記錄數(shù)據(jù)上看，在實(shí)施常用制動(dòng)時(shí)，當(dāng)設(shè)定制動(dòng)減速度增加至約 0.40 m/s2時(shí)，開啟電制動(dòng)防滑，說明當(dāng)時(shí)的黏著條件已無法滿足0.40 m/s2的減速度要求，根據(jù)當(dāng)時(shí)的列車減速度來估算制動(dòng)初始黏著系數(shù)約為0.06以下。

1) Tc1車(第1輛拖車)1架的滑行數(shù)據(jù)分析:為防止參考速度出現(xiàn)偏差，Tc1車1軸在連續(xù)滑行時(shí)采用了延遲恢復(fù)制動(dòng)力措施，雖然損失了部分可用黏著制動(dòng)力，但有助于1軸的速度恢復(fù)。由圖5所示的Tc1車1架的部分滑行數(shù)據(jù)可知，Tc1車1 軸的速度在滑行后可以基本恢復(fù)到列車速度，在黏著恢復(fù)階段，軸速恢復(fù)到車輛速度的累積時(shí)間約為5.6 s，所占時(shí)間比例大約為70%。若滑行時(shí)的黏著利用率按100%計(jì)算，黏著恢復(fù)階段的黏著利用率按60%計(jì)算，則Tc1車1軸的黏著利用率約為72%。在恢復(fù)Tc1車1軸制動(dòng)力過程中，Tc1車1軸的制動(dòng)氣壓力還未恢復(fù)到60 kPa就又開始滑行，制動(dòng)缸的復(fù)位壓力(出閘壓力)約為20 kPa,最大常用制動(dòng)壓力取為220 kPa，由此可估計(jì)出Tc1車1軸的黏著系數(shù)在某些時(shí)候可能低于0.02。Tc1車2軸在8 s時(shí)間內(nèi)，大部分軸速均低于列車速度，即大部分時(shí)間的黏著利用率為100%，只有約0.4 s時(shí)間內(nèi)的軸速接近列車速度。這段時(shí)間是制動(dòng)缸壓力較高的一段時(shí)間，其黏著利用取為80%，則Tc1車2軸的黏著利用為99%。Tc1車1架的平均黏著利用率按兩根軸的平均值計(jì)算，則大約為86%。

圖5 Tc1車第1個(gè)轉(zhuǎn)向架部分滑行數(shù)據(jù)分析截圖

2) Tc1車2架的滑行數(shù)據(jù)分析：若CAN(控制局域網(wǎng))網(wǎng)段內(nèi)軸速最高的車軸被檢測到滑行，則優(yōu)先對1軸排風(fēng)以恢復(fù)1軸速度。通過查看Tc1車2架的部分滑行數(shù)據(jù)，計(jì)算出Tc1車2架的平均黏著利用率約為98%。

3) Mp1車(第1輛動(dòng)車)1架滑行數(shù)據(jù)分析：通過查看Mp1車1架的部分滑行數(shù)據(jù)，計(jì)算出該轉(zhuǎn)向架的平均黏著利用率約為97.5%。

4) 后部車輛滑行數(shù)據(jù)分析：后部車輛的黏著條件明顯優(yōu)于前部車輛，故在此不進(jìn)行分析展開。

當(dāng)實(shí)際線路的輪軌黏著低于制動(dòng)計(jì)算時(shí)的黏著系數(shù)時(shí)，制動(dòng)距離主要由線路的黏著條件及防滑性能決定。從上述滑行數(shù)據(jù)分析而言，本次制動(dòng)初始黏著系數(shù)低于0.06，局部短時(shí)黏著系數(shù)可能降至0.03以下，而本次制動(dòng)過程中的黏著利用率較高，防滑系統(tǒng)的防滑效率在型式試驗(yàn)中亦滿足要求。因此，本次制動(dòng)距離過大主要是由黏著條件差和線路35‰坡道導(dǎo)致的。當(dāng)車輛在超出設(shè)計(jì)的低黏著條件下運(yùn)用時(shí)，還需要從應(yīng)用管理上采取必要的措施來保證安全。

5 制動(dòng)防滑控制軟件優(yōu)化

通過對制動(dòng)防滑控制軟件進(jìn)行優(yōu)化減小滑行深度，并減少防滑中的充排風(fēng)頻次。制動(dòng)防滑控制軟件優(yōu)化的內(nèi)容有：①參照CAN網(wǎng)內(nèi)其他車參考速度的滑行檢測，由參考1根軸速度改為參考2根軸速度；②為使用CAN網(wǎng)內(nèi)其他車的參考速度，優(yōu)化CAN網(wǎng)的通信軟件，并增加對其他車參考速度的有效性檢查；③為減小充排風(fēng)頻次，增加了根據(jù)減速度變化率對停止排風(fēng)進(jìn)行保壓的控制，同時(shí)適當(dāng)降低慢充風(fēng)的充風(fēng)速度。

制動(dòng)系統(tǒng)軟件模擬測試結(jié)果驗(yàn)證了所提優(yōu)化措施對滑行深度減小有明顯的效果。優(yōu)化后的軟件于1月30日和1月31日在天童莊動(dòng)調(diào)線進(jìn)行了防滑驗(yàn)證試驗(yàn)。首先，采用直接在軌面上涂抹未稀釋減磨液(純洗滌靈)方式來產(chǎn)生較低的黏著系數(shù)，列車各軸均出現(xiàn)了滑行。本次試驗(yàn)中，防滑軟件主要對滑行深度進(jìn)行檢測，并利用列車速度對防滑控制邏輯進(jìn)行優(yōu)化。

現(xiàn)有軟件(V2.5)滑行記錄數(shù)據(jù)如圖6所示?，F(xiàn)有軟件版本主要存在以下3個(gè)問題：①每個(gè)架只有第2軸會(huì)直接利用列車速度進(jìn)行滑行檢測和防滑控制，兩個(gè)軸同時(shí)滑行時(shí)，1軸需要在2軸速度恢復(fù)后才能檢測到滑行；②滑行深度過大，特別是出現(xiàn)1個(gè)架的2個(gè)軸同時(shí)滑行時(shí)，1軸的速度明顯偏低，滑行深度明顯比2軸要大一些；③速度恢復(fù)時(shí)充風(fēng)速度過快，反復(fù)滑行和反復(fù)充排風(fēng)量較大。

圖6 現(xiàn)有軟件(V2.5)滑行記錄數(shù)據(jù)截圖Fig.6 Screenshot of sliding record data in current software (V2.5)

優(yōu)化軟件(V2.9)防滑試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。從圖7中可以看出，當(dāng)1個(gè)架的2個(gè)軸同時(shí)滑行時(shí)，軸速差異明顯,較圖6中的有所減少。在1軸和2軸連續(xù)滑行一段時(shí)間后，1軸和2軸的速度幾乎同時(shí)有一個(gè)較大的排風(fēng)和明顯的軸速恢復(fù)過程，這是利用制動(dòng)CAN網(wǎng)段內(nèi)其他幾個(gè)轉(zhuǎn)向架速度進(jìn)行滑行檢測和防滑控制的結(jié)果。由此可見，優(yōu)化后的軟件基本上解決了V2.5版本的前兩個(gè)問題。

圖7 優(yōu)化軟件(V2.9)防滑試驗(yàn)數(shù)據(jù)截圖Fig.7 Screenshot of anti-skid test data in optimized software (V2.9)

6 結(jié)語

寧波軌道交通1號(hào)線二期已運(yùn)營5年多，從實(shí)際情況看，制動(dòng)系統(tǒng)基本運(yùn)營良好。但隨著車輛運(yùn)營里程的增加，制動(dòng)系統(tǒng)陸續(xù)出現(xiàn)一些新故障，這為車輛制動(dòng)系統(tǒng)故障的分析與處理帶來了新的挑戰(zhàn)。本文分析了某一列車的滑行故障，對制動(dòng)控制軟件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),為類似制動(dòng)系統(tǒng)軟件的優(yōu)化和分析提供了一種新思路，具有重要的實(shí)踐指導(dǎo)意義。