架控制動(dòng)系統(tǒng)空氣防滑控制策略研究*

齊政亮， 周 軍， 曹宏發(fā)

(1 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

制動(dòng)系統(tǒng)直接影響列車制動(dòng)距離，關(guān)乎到車輛的行車安全，是列車安全運(yùn)營的重要前提。目前，制動(dòng)系統(tǒng)依據(jù)其作用效果，有車控制動(dòng)系統(tǒng)和架控制動(dòng)系統(tǒng)兩種型式。車控系統(tǒng)作用于單輛車，架控系統(tǒng)作用于單個(gè)轉(zhuǎn)向架[1-2]。對(duì)于此兩種制動(dòng)系統(tǒng)，車輪防滑保護(hù)WSP(Wheel Slide Protection)都具有不可或缺的作用，其不僅能夠在輪軌黏著突然降低時(shí)通過減少制動(dòng)力的方式以防止車輪出現(xiàn)擦傷甚至抱死，而且能最大程度地利用可用黏著以使制動(dòng)距離達(dá)到最短[3-4]。相對(duì)于車控制動(dòng)系統(tǒng)分別具有制動(dòng)閥和防滑閥，架控制動(dòng)系統(tǒng)將制動(dòng)閥和防滑閥合二為一，無獨(dú)立防滑閥，雖減少了零部件，但對(duì)WSP提出新的要求，此時(shí)如何有效地實(shí)施防滑保護(hù)控制，將關(guān)乎到架控制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全[3]。

在全面分析北京縱橫機(jī)電科技有限公司的DK15架控制動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，吸收中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)(車控系統(tǒng))防滑保護(hù)控制的開發(fā)和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種架控制動(dòng)系統(tǒng)空氣防滑控制策略。該控制策略能有效抑制輪對(duì)滑行，防止車輪出現(xiàn)擦傷甚至抱死，并能充分利用黏著以使制動(dòng)距離達(dá)到最短，仿真試驗(yàn)臺(tái)測試和實(shí)車型式試驗(yàn)的結(jié)果已驗(yàn)證了該控制策略完全滿足架控制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)防滑控制的要求。

1 架控制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析

DK15架控制動(dòng)系統(tǒng)由兩部分組成：空氣制動(dòng)控制單元(Pneumatic Braking Control Unit，PBCU)和電子制動(dòng)控制單元(Electronic Braking Control Unit，EBCU)，如圖1所示(上部為EBCU，下部為PBCU)。PB-CU的信號(hào)載體是空氣壓力，EBCU的信號(hào)載體是電，包括電壓、電流、總線通信等，二者協(xié)同完成制動(dòng)控制[3]。

圖1 DK15架控制動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型

1.1 空氣制動(dòng)控制單元PBCU

空氣制動(dòng)控制單元PBCU，如圖2所示，主要由空重車調(diào)整模塊、遠(yuǎn)程緩解模塊、制動(dòng)控制模塊、連通模塊以及傳感器和壓力測點(diǎn)模塊等5部分組成[3]。其中，制動(dòng)控制模塊由兩組結(jié)構(gòu)和功能都完全相同的制動(dòng)閥組成，按不同制動(dòng)指令控制得到相應(yīng)的目標(biāo)制動(dòng)缸壓力，還用于在滑行激活時(shí)對(duì)單軸制動(dòng)缸壓力進(jìn)行獨(dú)立控制。連通模塊由電磁閥A4和氣動(dòng)閥B5構(gòu)成，用于在氣路上連通或隔斷兩軸制動(dòng)缸的壓力輸出；滑行激活時(shí)，需要隔斷兩軸制動(dòng)缸壓力，實(shí)現(xiàn)單軸獨(dú)立防滑控制。

1.2 電子制動(dòng)控制單元EBCU

電子制動(dòng)控制單元EBCU，是為了滿足制動(dòng)系統(tǒng)控制功能需求而設(shè)計(jì)開發(fā)的一種嵌入式電子控制單元。其具有多種形式的外部信號(hào)接口，可實(shí)現(xiàn)與PBCU、車輛、ATP等的信息交互：通過模擬量輸入接口采集空氣壓力信號(hào)，通過頻率量輸入接口采集車軸轉(zhuǎn)速，通過數(shù)字量輸入接口采集列車線指令，通過功率PWM輸出接口驅(qū)動(dòng)電磁閥動(dòng)作，通過繼電器接口向車輛反饋制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)。如圖3所示[3]。

圖2 DK15的PBCU氣路圖

圖3 DK15的EBCU接口示意圖

2 架控制動(dòng)系統(tǒng)防滑控制功能

2.1 功能概述

從系統(tǒng)功能需求分析，在車控制動(dòng)系統(tǒng)中，防滑閥(WSP閥)和制動(dòng)閥(EP閥)相互獨(dú)立；滑行未激活時(shí)，防滑閥始終保持為充風(fēng)狀態(tài)。而架控制動(dòng)系統(tǒng)將WSP閥和EP閥合二為一，無獨(dú)立WSP閥，結(jié)構(gòu)更加緊湊、功能更加集成[3]。結(jié)構(gòu)影響控制，因此，架控制動(dòng)系統(tǒng)防滑控制具有如下特點(diǎn)：

(1)當(dāng)滑行未激活時(shí)，防滑保護(hù)控制功能不起作用， EBCU正常制動(dòng)功能控制EP/WSP閥進(jìn)行充風(fēng)、排風(fēng)、保壓等動(dòng)作，使缸壓達(dá)到目標(biāo)壓力值；

(2)當(dāng)滑行激活時(shí)，防滑保護(hù)控制功能起作用，EBCU依據(jù)滑行判斷邏輯，首先斷開連通閥，然后控制相應(yīng)軸的EP/WSP閥進(jìn)行單軸保壓、排風(fēng)、充風(fēng)等動(dòng)作。當(dāng)滑行恢復(fù)后，必須將軸缸壓恢復(fù)至實(shí)時(shí)缸壓目標(biāo)值，而不是使防滑閥處于充風(fēng)狀態(tài)(持續(xù)充風(fēng)會(huì)將缸壓充到緊急預(yù)控壓力，從而造成車輛處于緊急制動(dòng)狀態(tài))。對(duì)于未滑行軸，則需實(shí)時(shí)控制該軸缸壓達(dá)到缸壓目標(biāo)值。

2.2 防滑控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

架控防滑控制系統(tǒng)主要由集成在EBCU中的防滑控制器、防滑閥(與制動(dòng)閥為同一套閥)、連通閥、速度傳感器、壓力傳感器等組成[5-6]。防滑控制器實(shí)時(shí)采集速度傳感器脈沖信號(hào)、壓力傳感器信號(hào)及車輛速度等，并計(jì)算出1、2軸速度和1、2軸缸壓，如圖4所示。防滑控制器根據(jù)1、2軸速度計(jì)算出軸加減速度，利用滑行判據(jù)[7]準(zhǔn)確判斷出1、2軸所處滑行狀態(tài)，當(dāng)任一軸滑行激活時(shí)，控制斷開連通閥以實(shí)現(xiàn)軸獨(dú)立防滑控制。當(dāng)判斷任一軸處于滑行恢復(fù)期，則需結(jié)合該軸壓力傳感器將該軸缸壓恢復(fù)到缸壓目標(biāo)值。

圖4 DK15架控防滑控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 滑行判斷原理

目前現(xiàn)有的防滑控制系統(tǒng)分別選用了多種條件的不同組合構(gòu)成判據(jù)進(jìn)行"滑行"的判斷，主要條件有速度差、減速度、減速度微分、滑移率等，判據(jù)不盡相同，但最終目的都是為了“在不造成車輪擦輪的情況下，充分利用輪軌間黏著”。文中設(shè)計(jì)的架控制動(dòng)系統(tǒng)防滑控制策略吸收了中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)防滑控制開發(fā)和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種由速度差和減速度共同構(gòu)成復(fù)合矩陣的滑行判斷策略[7]。根據(jù)不同的速度差和減速度，判斷軸滑行狀態(tài)有“全排(即持續(xù)排風(fēng))”、“階排(即脈沖式排風(fēng))”、“保壓”、“階充(即脈沖式充風(fēng))”、“全充(即持續(xù)充風(fēng))”等[7]。

但相對(duì)于車控制動(dòng)系統(tǒng)，架控制動(dòng)系統(tǒng)在速度恢復(fù)期，則必須結(jié)合該軸缸壓狀態(tài)、缸壓目標(biāo)值進(jìn)行閉環(huán)控制，即滑行恢復(fù)后，需將各軸缸壓恢復(fù)到缸壓目標(biāo)值，這樣才能保證制動(dòng)力不會(huì)出現(xiàn)過大或不足[8]。

2.4 防滑控制設(shè)計(jì)

基于以上分析，架控制動(dòng)系統(tǒng)的防滑控制器實(shí)時(shí)采集1、2軸速度及車輛速度，根據(jù)滑行判斷原理，判定各軸所處的滑行狀態(tài)。當(dāng)車輪處于滑行加劇期或穩(wěn)定期，即“階排”、“全排”、“保壓”狀態(tài)時(shí)，防滑控制器直接控制連通閥斷開、對(duì)應(yīng)軸的防滑閥進(jìn)行動(dòng)作，以減少制動(dòng)力或保持制動(dòng)力；當(dāng)車輪處于滑行恢復(fù)期，即“階充”、“全充”狀態(tài)時(shí)，防滑控制器需結(jié)合該軸缸壓、缸壓目標(biāo)值進(jìn)行閉環(huán)控制，以防止壓力充到緊急預(yù)控壓力。如圖5所示。

圖5 防滑控制設(shè)計(jì)

在滑行恢復(fù)控制過程中，需要綜合考慮實(shí)時(shí)缸壓目標(biāo)值、實(shí)時(shí)缸壓大小、缸壓傳感器故障狀態(tài)，如圖6所示。主要有以下考慮：

(1)當(dāng)僅有一軸出現(xiàn)滑行時(shí)，需要根據(jù)缸壓目標(biāo)值實(shí)時(shí)將未滑行軸的缸壓控制到目標(biāo)值，這樣才不會(huì)造成制動(dòng)力損失；

(2)若在“階充”、“全充”狀態(tài)時(shí)，恰好該軸缸壓傳感器出現(xiàn)故障，此時(shí)無法進(jìn)行閉環(huán)控制，需將其控制在保壓狀態(tài)，等待滑行恢復(fù)。

3 測試驗(yàn)證

為了檢驗(yàn)文中設(shè)計(jì)的架控制動(dòng)系統(tǒng)空氣防滑控制策略是否滿足要求，功能測試需在仿真測試試驗(yàn)臺(tái)和實(shí)車上進(jìn)行全面驗(yàn)證。實(shí)測結(jié)果表明，該控制策略不僅能夠有效地進(jìn)行車輪防滑保護(hù)，而且在滑行恢復(fù)后能夠快速地將各軸缸壓控制到缸壓目標(biāo)值，滿足了架控系統(tǒng)對(duì)防滑控制的要求。

3.1 仿真測試試驗(yàn)臺(tái)

動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)軟件集成測試平臺(tái)主要用于對(duì)列車單車或多車的EBCU進(jìn)行制動(dòng)過程仿真和參數(shù)測試，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)EBCU嵌入式軟件的測試驗(yàn)證。整個(gè)仿真測試過程由仿真回路和仿真節(jié)點(diǎn)組成。為了虛擬實(shí)現(xiàn)列車制動(dòng)環(huán)境、模擬EBCU外圍執(zhí)行器件和制動(dòng)系統(tǒng)的智能測試等應(yīng)用需求，該平臺(tái)主要由列車通訊回路、EBCU負(fù)載回路和仿真設(shè)備通訊回路組成。列車通訊回路主要指列車制動(dòng)環(huán)境模擬設(shè)備(主仿真節(jié)點(diǎn))和單車的制動(dòng)系統(tǒng)(EBCU節(jié)點(diǎn))以及TCU、CCU等其他列車信息節(jié)點(diǎn)的通訊回路。EBCU負(fù)載回路主要指單車制動(dòng)環(huán)境模擬設(shè)備板卡(負(fù)載仿真節(jié)點(diǎn))和單車制動(dòng)系統(tǒng)(EBCU節(jié)點(diǎn))板卡之間的信號(hào)交聯(lián)。仿真設(shè)備通訊回路主要指測試服務(wù)系統(tǒng)(測試計(jì)算機(jī))與主仿真節(jié)點(diǎn)、負(fù)載仿真節(jié)點(diǎn)之間的通訊回路[3]。

圖6 滑行恢復(fù)控制設(shè)計(jì)

3.2 仿真驗(yàn)證

通過軟件集成測試試驗(yàn)臺(tái)模擬車輪滑行、缸壓目標(biāo)值變化、缸壓傳感器故障狀態(tài)等以全面測試防滑保護(hù)和缸壓恢復(fù)的情況，如表1所示。

表1 防滑保護(hù)和缸壓恢復(fù)測試驗(yàn)證

測試結(jié)果表明，該防滑控制策略滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 實(shí)車試驗(yàn)

文中設(shè)計(jì)的架控制動(dòng)系統(tǒng)空氣防滑控制策略已在長株潭城際動(dòng)車組和溫州市域動(dòng)車組項(xiàng)目中得到了批量應(yīng)用，如圖7所示為溫州市域動(dòng)車組和架控制動(dòng)控制系統(tǒng)。

圖7 溫州市域動(dòng)車組和架控制動(dòng)控制系統(tǒng)

溫州市域動(dòng)車組在東郊環(huán)鐵進(jìn)行了現(xiàn)車防滑型式試驗(yàn)，以80 km/h純空氣最大常用制動(dòng)防滑試驗(yàn)為例，如圖8所示。當(dāng)發(fā)生滑行時(shí)，防滑控制系統(tǒng)能夠有效地抑制輪對(duì)滑行，使輪對(duì)速度得以快速恢復(fù)；當(dāng)黏著改善，輪對(duì)滑行恢復(fù)時(shí)，防滑控制系統(tǒng)控制制動(dòng)缸壓力迅速恢復(fù)到缸壓目標(biāo)值。防滑試驗(yàn)過程中，未出現(xiàn)軸抱死現(xiàn)象，試驗(yàn)結(jié)果滿足速度差和制動(dòng)距離標(biāo)準(zhǔn)要求，驗(yàn)證了該控制策略的有效性和可靠性。

圖8 溫州市域動(dòng)車組80 km/h最大常用制動(dòng)防滑試驗(yàn)

4 結(jié) 論

在全面分析DK15架控制動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)功能結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，吸收中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)防滑控制開發(fā)和運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種架控制動(dòng)系統(tǒng)空氣防滑控制策略。在測試試驗(yàn)臺(tái)和實(shí)車上的試驗(yàn)結(jié)果表明，該控制策略能夠有效抑制輪對(duì)滑行，防止車輪擦傷，并能充分利用黏著以縮短制動(dòng)距離，滿足了架控制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)防滑控制的要求，為自主設(shè)計(jì)架控制動(dòng)系統(tǒng)的規(guī)模應(yīng)用提供了理論支撐和技術(shù)保障。