動車組防滑策略優(yōu)化

高 珊，梁建全，陳 磊，孫會智，曹科宇，白春新

(1.中車唐山機車車輛有限公司 產(chǎn)品研發(fā)中心，河北 唐山 063035；2.中車唐山機車車輛有限公司 質(zhì)量管理部，河北 唐山 063035)

高速鐵路的發(fā)展和客流量的增長給動車組帶來了巨大的市場需求，同時也推動了動車組技術(shù)的快速發(fā)展。動車組的制動主要有2種形式：空氣制動和電制動，優(yōu)先使用電制動，無論空氣制動或電制動，都屬于黏著制動。黏著制動最大的缺陷就是黏著力有限，同時輪軌黏著受輪軌間狀態(tài)影響較大，如果制動力過大就會使車輪發(fā)生滑行甚至抱死[1]。一旦發(fā)生這種現(xiàn)象則可能導致輪軌擦傷。車輪擦傷后會產(chǎn)生偏心以及踏面多邊形效應(yīng)，不僅會降低列車運行的平穩(wěn)性和旅客乘車的舒適性，還會增加對轉(zhuǎn)向架的沖擊振動，縮短轉(zhuǎn)向架部件的使用壽命，影響行車安全。如果鋼軌擦傷則會產(chǎn)生線路不平順，對所有運行在該線路上的列車都會造成影響。為了保證動車組在輪軌黏著允許的情況下，安全可靠地降速或停車，動車組防滑系統(tǒng)必須響應(yīng)迅速，動作靈活，盡可能防止滑行現(xiàn)象的發(fā)生。

針對動車組防滑問題，國內(nèi)已有大量的理論研究、試驗分析和實際應(yīng)用方面的相關(guān)文獻。文獻[2]和文獻[3]提出了將軸速度差控制時間延長的方法，以便精確獲取車輪的滑行狀態(tài)和速度差值，從而避免減速度控制模式下的不確定性，并給出了基準軸與滑行軸速度差控制曲線。文獻[4]針對試驗中出現(xiàn)的制動距離大幅延長的問題，為平衡防止擦輪和縮短制動距離之間的矛盾,提出了降低減速度檢測靈敏度，縮短滑行檢測后階段排氣時間，以及增加滑行恢復充氣控制條件的解決措施，從而有效提高了動車組的制動防滑性能。

本文將針對某型動車組發(fā)生滑行的實際案例，結(jié)合動車組空氣制動和電制動防滑控制原理，分析造成滑行的原因，并給出具體的解決方案。

1 案例與數(shù)據(jù)記錄

一列動車組在進站調(diào)速時司機施加制動，因雨水天氣發(fā)生了滑行，占用端Mc01車報軸不旋轉(zhuǎn)故障。之后檢查發(fā)現(xiàn)1車4軸左右2個踏面均有擦傷現(xiàn)象。司機施加制動時，恰好發(fā)生在電制動不可用時，即當時為純空氣制動。圖1為中央控制單元(CCU)記錄的通信數(shù)據(jù)。

(a) 列車速度

(b) 制動缸壓力

列車速度159.5 km/h時，司機開始施加5級制動，各軸速度及制動缸壓力正常。2 s后列車速度為151.9 km/h，5級制動，此時制動控制單元(BCU)檢測到1車4根軸同時發(fā)生滑行，防滑閥動作調(diào)整空氣制動，4根軸的制動缸壓力均開始下降。

第5 ～14 s，列車初速度為147.2 km/h，由于4根軸同時滑行，且進行防滑調(diào)整后速度未恢復，空氣制動防滑系統(tǒng)選取4軸作為緩解軸，4軸的制動缸壓力下降為0，其他3根軸的防滑閥仍不斷轉(zhuǎn)換控制。在此過程中，4根軸的速度仍在同步下降。第7 s時，制動由5級增加到7級，列車速度為143.3 km/h。

第15 s時，列車速度127.3 km/h，7級制動，4軸在防滑控制后速度一直未恢復，直到防滑干預超時，不再控制防滑閥動作，制動缸恢復充風至正常壓力。之后，該軸抱死，軸速度降為0。

2 數(shù)據(jù)分析

故障發(fā)生當晚中雨，水介質(zhì)導致黏著系數(shù)下降。由于在水介質(zhì)條件下，速度是影響?zhàn)ぶ禂?shù)的主要因素，隨著運行速度的增加，黏著系數(shù)將急劇下降。當實際黏著系數(shù)低于利用的黏著系數(shù)時，列車將發(fā)生滑行，此時防滑系統(tǒng)將進行防滑控制。根據(jù)上述數(shù)據(jù)，在制動施加后不久，便達到了黏著允許值，空氣制動防滑系統(tǒng)在檢測到滑行后進行了相應(yīng)的動作，并在滑行嚴重時釋放了第4軸的制動缸壓力。但該軸速度不僅未恢復，反而與其他3根軸同步下降，最終導致防滑干預超時，在制動恢復后發(fā)生抱死。深入分析可知，導致制動緩解后軸速度未恢復的原因包括四方面：(1)防滑閥或壓力傳感器失效，導致制動缸壓力未被檢測到；(2)制動夾鉗單元卡滯，導致制動緩解后盤片之間仍有摩擦力；(3)輪軌黏著系數(shù)過低，導致軸速度無法恢復；(4)其他外力所致。

動車組入庫后，分別對上述原因進行了排查，結(jié)果如下：

(1) 進行靜態(tài)防滑測試，防滑閥迅速動作并在規(guī)定時間內(nèi)完成了充排風，壓力傳感器數(shù)值與壓力表測試結(jié)果一致，可見防滑功能正常。

(2) 進行多次制動施加和緩解操作，并確認制動夾鉗狀態(tài)，緩解之后，閘片與制動盤間隙能滿足圖紙要求。

(3) 當列車處于不利的輪軌間黏著狀態(tài)時，前部車輛的可用制動力非常低，由于列車前部車輪在鋼軌上經(jīng)過，對鋼軌表面進行了清理，隨后經(jīng)過的車輪比前面車輪具有稍好的黏著狀態(tài)。換言之，越靠近列車前進方向輪軌黏著系數(shù)越低，而擦輪卻發(fā)生在遠離前進方向、黏著相對較好的第4軸，并且此時該軸制動已經(jīng)緩解，這種情況下該軸速度非但沒有恢復，反而仍然和其他軸速度同步下降，可見并非因黏著系數(shù)過低而導致擦輪。

(4) 發(fā)生滑行時采用純空氣制動，并無電制動參與。由于空氣制動采用軸控防滑，電制動采用車控防滑，從緩解軸與其他軸速度同步的跡象看，雖然沒有電制動參與，但不排除和牽引系統(tǒng)仍有關(guān)系。牽引電動機為三相異步電動機，由同一逆變器供電，異步電動機在進行變頻調(diào)速時，電壓和頻率必須進行協(xié)調(diào)控制，是一個強耦合的多變量系統(tǒng)。即便在電制動未輸出的情況下，逆變器也處于激活狀態(tài)，電耦合仍然存在，使4根軸速度保持同步。空氣制動時采用軸控防滑，在本案例中，BCU進行防滑控制后軸速度仍未恢復，此時認為4根軸均發(fā)生較大滑行。從數(shù)據(jù)記錄的第5 s開始，BCU將第4軸的制動完全緩解，以獲得更接近列車實際速度的基準速度，提高防滑控制的精度。但由于BCU未將滑行信息告知牽引控制單元(TCU)，電耦合未解除，該軸的速度仍將與其他3根軸保持一致，而此時其他軸速仍有制動，且黏著尚未恢復，因而第4軸速度與其他軸一起同步下降，直到第15 s，BCU對第4軸的防滑干預超時，恢復了該軸的空氣制動。在第4軸的制動缸壓力恢復后，由于制動級位較大和輪軌黏著系數(shù)很低，瞬間發(fā)生了抱死現(xiàn)象。牽引系統(tǒng)檢測到該軸發(fā)生抱死后立即解除了電耦合，其他3根軸在防滑調(diào)整后，速度恢復至列車速度，制動缸壓力也恢復正常。

綜上所述，造成4軸防滑超時的根本原因為動車牽引系統(tǒng)的電耦合現(xiàn)象與空氣制動軸控防滑控制之間的矛盾。

3 優(yōu)化方案

根據(jù)上述分析，要在保證安全制動距離的基礎(chǔ)上降低擦輪的風險，必須解決動車電耦合與空氣制動軸控防滑控制之間的矛盾，同時還要考慮電制動與空氣制動防滑策略的配合問題。具體優(yōu)化方案如下：

(1) 方案一。在通信協(xié)議中增加一條指令，由BCU發(fā)送給TCU，用以在滑行嚴重時解除電耦合。當滑行較小時，由TCU單獨調(diào)整；當滑行較大時，BCU和TCU均進行調(diào)整，BCU同時控制4根軸防滑閥動作，即采用車控；當BCU認為滑行嚴重時，則向TCU發(fā)送指令，TCU根據(jù)指令將完全取消電制動同時解除電耦合，BCU將對空氣制動采用軸控方式進行防滑控制。

(2) 方案二。不需更改通信協(xié)議，也不需解除電耦合，電制動的防滑策略不變，對空氣制動的防滑策略進行適應(yīng)性修改。將動車的空氣制動防滑采用車控的方式，即發(fā)生滑行時，BCU對動車4根軸的制動缸同時進行充排風控制，不單獨將1根軸的制動缸壓力排空。

綜合對比，方案二雖然更改量小，但在滑行嚴重時，4根軸制動缸壓力同時下降，沒有充分利用輪軌黏著，制動力損失較大，將導致制動距離延長。而方案一的防滑控制方式制動力損失較小，并且解除電耦合之后，有利于單軸速度的恢復，效果更理想。

4 結(jié)束語

本文結(jié)合動車組滑行并導致擦輪的案例分析了故障原因，制定了2種優(yōu)化方案。由于方案二改動量小，作為臨時方案已在相關(guān)車型上應(yīng)用，運用情況良好，沒有再次出現(xiàn)由此原因引發(fā)的擦輪故障，后續(xù)擬在時機成熟時更換為方案一，并進行相關(guān)驗證。

除上述更改方案外，為改善輪軌黏著狀態(tài)，提高動車組制動和牽引性能，在雨雪天氣還可通過撒砂來增加輪軌黏著，降低滑行風險。試驗數(shù)據(jù)表明，撒砂對提高輪軌最大可用黏著效果明顯，且撒砂對非撒砂車輛輪軌的黏著亦有明顯改善。此外，有的動車組還設(shè)有踏面清掃器，踏面清掃器具有清除車輪踏面表面異物、改善輪軌間的黏著狀態(tài)等作用，同時對車輪多邊形現(xiàn)象也具有一定的改善作用。