列車信號系統(tǒng)安全距離分析*

黃文杰 鄢艷麗 馬天和 翟耕慰

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,210031,南京;2.同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海)

移動閉塞系統(tǒng)是目前軌道交通車輛運行控制系統(tǒng)運用最為廣泛的閉塞制式。與準移動閉塞、固定閉塞制式不同的是,移動閉塞制式的前后車均采用移動定位技術,后續(xù)列車的速度曲線會根據(jù)前車目標點的移動進行實時計算。安全距離是移動閉塞系統(tǒng)設計時的重要參數(shù),計算安全距離時需考慮軌道黏著條件、列車制動能力等因素。

目前,已有學者對列車信號系統(tǒng)的安全距離進行了一定的研究。文獻[1]基于安全距離的基本概念及計算機制,對安全距離計算相關條件進行了定性分析,并對移動閉塞系統(tǒng)中的安全距離特點進行了總結。文獻[2]提出通過動能平衡等方法計算列車最不利情況下的制動距離。文獻[3]基于原有安全距離模型,提出通過增加前行列車運行速度信息來計算安全距離的優(yōu)化算法。

以上這些針對安全距離的研究并未包含列車出現(xiàn)故障及黏著系數(shù)極低等極端工況,本文綜合考慮列車制動系統(tǒng)、列車縱向動力學及輪軌黏著條件,建立了包含車載ATP(列車自動防護)觸發(fā)緊急制動階段、牽引切除階段、惰行階段、緊急制動建立階段及緊急制動階段的安全距離仿真平臺,對列車故障及極低黏著工況下某型列車的安全距離進行了研究。本文研究可為實際列車移動閉塞系統(tǒng)的設計提供一定的工程經驗與技術指導。

1 信號系統(tǒng)安全距離模型及影響因素分析

安全距離是指在信號系統(tǒng)安全距離模型框架下,考慮各項可能影響列車制動性能的因素,保證列車不會與前行列車發(fā)生沖突的情況下,通過計算得到的列車常規(guī)制動停車點與極限目標點之間最小的距離[4]。信號系統(tǒng)安全距離模型示意圖如圖1所示。其中:A階段為車載ATP觸發(fā)緊急制動階段;B階段為牽引切除階段;C階段為惰行階段;D階段為緊急制動建立階段;E階段為緊急制動階段;A階段—E階段這5個階段對應的列車行駛距離稱為列車緊急停車距離。

圖1 信號系統(tǒng)安全距離模型示意圖

基于實際列車運行數(shù)據(jù),A階段—E階段的列車行駛距離在列車緊急停車距離中的占比分別為:A階段列車行駛距離占比為0.223 8%、B階段列車行駛距離占比為0.226 7%、C階段列車行駛距離占比為0.227 1%、D階段列車行駛距離占比為0.198 9%、E階段列車行駛距離占比為99.123 5%。由于D階段和E階段均屬于列車緊急停車過程中的制動階段,故本文著重對D階段和E階段的列車行駛距離(也稱為緊急制動距離)進行詳細建模,對比分析不同輪軌黏著條件、軸重及故障等工況下的列車緊急制動距離,以獲得不利條件下的列車信號系統(tǒng)安全距離,以及故障工況下的列車最大速度限值。

2 安全距離仿真平臺

安全距離仿真平臺主要包括制動系統(tǒng)模型、輪軌黏著模型、列車動力學模型和牽引及惰行階段模型。制動系統(tǒng)模型包含制動電子控制單元模型和制動系統(tǒng)氣路模型等。其中,制動電子控制單元模型用于計算制動缸的目標氣壓值,制動系統(tǒng)氣路模型用于模擬真實氣路并計算制動缸實際壓強,既而由基礎制動裝置輸出夾鉗夾緊力,作用于輪對并進行制動。輪軌黏著模型用于計算輪軌間的黏著力。列車動力學模型基于列車各零部件的動力學方程,根據(jù)所施加的夾鉗夾緊力和輪軌黏著力計算列車速度、減速度和制動距離。牽引及惰行階段模型將牽引特性曲線輸入列車動力學模型來模擬列車牽引及惰行階段的運動情況。采用Amesim軟件建立制動系統(tǒng)氣路模型,采用MATLAB/Simulink軟件建立其余模型部分。

2.1 制動電子控制單元模型

制動電子控制單元主要用于將司機控制室發(fā)出的制動指令(目標減速度或制動級位)通過一系列計算及制動力的分配,轉換為每個制動缸的目標壓強,進而控制制動缸的充排氣動作。制動電子控制單元模型以目標減速度為輸入,參數(shù)設置包括折算后的輪對旋轉質量、閘片摩擦因數(shù)等。

2.2 制動系統(tǒng)氣路模型

制動系統(tǒng)氣路模型用于模擬制動過程中各氣動單元的動作情況。在實際列車運行過程中,為防止列車滑行,需配備防滑控制裝置,為了能完整地體現(xiàn)實際制動系統(tǒng)的氣路構造,本文所建立的制動系統(tǒng)氣路模型添加了防滑電磁閥。保壓閥和排風閥的動作規(guī)律如表1所示。建立包含EP(電空轉換)閥、防滑閥、中繼閥、各軸制動缸等部件的架控式列車制動系統(tǒng)氣路模型,如圖2所示。

表1 保壓閥和排風閥的動作規(guī)律

注:BECU為制動電子控制單元。

2.3 列車動力學模型

列車動力學模型是基于列車實際結構所建立的列車各部件模型,考慮部件間的相互作用,通過將制動力施加于列車上反映列車整體運動狀態(tài)的變化,該模型的輸出參數(shù)有位移、速度、減速度等。

在實際列車運行過程中,列車具有縱向、垂向及橫向三個方向的自由度,但在制動過程中并不關注車廂垂向、橫向的舒適度指標,且在暫不考慮曲線通過工況的情況下,列車制動工況各性能指標主要與列車的縱向自由度有關。此外,由于列車縱向自由度與橫向、垂向自由度的耦合度較小,故可對列車動力學模型進行簡化,建立時僅考慮其縱向自由度。列車動力學模型示意圖如圖3所示,該模型包括了車體、二系懸掛、一系懸掛、轉向架構架、車輪等部件。

圖3 列車動力學模型示意圖

2.4 輪軌黏著模型

輪軌黏著模型通過改變黏著系數(shù)等輸入參數(shù),基于不同軌面條件,計算出不同軌面條件下的黏著力,需考慮列車運行速度、軸重等參數(shù)與輪軌黏著系數(shù)間的相互關系。

基于Polach黏著理論[5]建立輪軌黏著模型。輪軌間黏著力Fa可以表示為:

(1)

(2)

f=f0[(1-A)e-Bω+A]

(3)

式中:

μ——輪軌黏著系數(shù);

a——輪軌橢圓接觸區(qū)縱半軸長度;

b——輪軌橢圓接觸區(qū)橫半軸長度;

C——輪軌接觸剪切剛度;

Q——軸重;

s——滑移率;

f0——輪軌最大靜摩擦因數(shù);

A、B——摩擦因數(shù)調節(jié)參數(shù);

ω——輪軌間的相對滑動速度。

2.5 牽引及惰行階段模型

基于信號系統(tǒng)安全距離模型,D階段和E階段的緊急制動距離可通過本文所建立的制動系統(tǒng)仿真模型進行計算,A階段—C階段的列車行駛距離則需在上述制動系統(tǒng)仿真模型的基礎上輸入牽引特性曲線計算公式,通過開關模塊劃分為牽引階段和惰行階段,各階段對列車施加不同的作用力,并根據(jù)不同的作用力計算公式建立牽引及惰行階段模型。根據(jù)實際列車牽引特性曲線,牽引力為一個與速度相關的分段函數(shù),牽引力在列車運行速度為67.5 km/h處分段,列車牽引力經驗公式可以表示為:

(4)

式中:

F1——列車牽引力,單位N;

v——列車運行速度,單位km/h。

列車在牽引惰行階段的牽引力計算公式可以表示為:

(5)

式中:

t——列車運行時間;

F——A階段、B階段、C階段的車體受力;

t1——A階段結束時刻;

t2——B階段結束時刻;

t3——C階段結束時刻。

2.6 構建安全距離仿真平臺

將所建立的制動電子控制單元模型、制動系統(tǒng)氣路模型、列車縱向動力學模型、輪軌黏著模型和牽引及惰行階段模型集成為6節(jié)編組列車(4動2拖)安全距離仿真平臺,如圖4所示。首先,通過輪軌黏著模型設置黏著條件,然后通過制動電子控制單元模型計算制動缸的目標壓力,制動系統(tǒng)氣路模型計算制動缸實際壓強,最后通過列車動力學模型計算列車速度、減速度和制動距離。

圖4 安全距離仿真平臺示意圖

3 信號系統(tǒng)安全距離研究

根據(jù)信號系統(tǒng)安全距離模型及相關定義,安全距離為最不利條件下的緊急停車距離與正常條件下常用制動距離之差,因此計算時應考慮最不利工況。通過對多種列車故障工況進行分析,并結合標準中的相關規(guī)定,設計多種工況進行仿真分析,獲得最不利條件下的列車緊急停車距離和正常條件下的常用制動距離,進而計算信號系統(tǒng)安全距離。

3.1 基于安全距離仿真平臺的列車故障工況分析

列車由于緊急閥泄露或排風不止等故障導致無法施加制動力,造成列車緊急停車距離有所延長。結合我國某型列車實際發(fā)生的制動力無法完全施加的故障情況,本文考慮不同載重類型、不同制動力喪失程度(切除1個轉向架與切除2個轉向架)等工況對安全距離進行分析。故障工況類型分為:故障工況1——全空車,切除1個轉向架;故障工況2——全重車,切除1個轉向架;故障工況3——故障車為重車、其余為空車時,切除1個轉向架;故障工況4——全空車,切除2個轉向架;故障工況5——全重車,切除2個轉向架;故障工況6——故障車為重車、其余為空車時,切除2個轉向架。

基于安全距離仿真平臺可以獲得不同故障工況下,列車制動平均減速度與黏著系數(shù)間的關系,如圖5所示。由圖5可知:故障工況6的列車平均減速度最小,制動距離最長,因此判斷故障工況6為最不利故障工況。由于故障工況6在實際線路中較為少見,因此本文也對故障工況5這一較為常見的最不利故障工況進行分析。

圖5 不同故障工況下列車制動平均減速度與黏著系數(shù)間的關系

3.2 列車安全距離仿真計算

當黏著系數(shù)為0.5、最大平均常用制動減速度為1.0 m/s2時,對列車制動過程進行仿真計算,所獲得的不同列車運行速度下,列車的制動距離仿真結果如表2所示。

表2 不同列車運行速度下的列車制動距離仿真結果

根據(jù)標準UIC 541-5—2016Brakes-Manufacturingspecificationsforvariousbrakeparts-WheelSlideProtectiondevice(WSP)中關于輪軌黏著系數(shù)等級的劃分,基于實際線路可能存在的最不利軌面黏著條件,當列車運行速度分別為120 km/h、100 km/h、80 km/h、60 km/h,黏著系數(shù)為0.03、0.04、0.06、0.08時,分別對列車在正常工況、故障工況5和故障工況6下的列車緊急停車距離進行分析。根據(jù)安全距離的定義,將所獲得的列車緊急停車距離減去表2中的制動距離,可以獲得不同工況下的安全距離仿真計算結果,如表3所示。

表3 不同工況下的列車安全距離仿真計算結果

由表3可知:不同工況下,安全距離有所差異;故障工況6的安全距離最長;當黏著系數(shù)為0.03、列車運行速度為120 km/h時,列車正常工況時的安全距離為1 520.7 m,故障工況6的安全距離為2 196.7 m,此時即為本文所研究的最不利工況。由于實際應用中不同線路的最不利黏著條件有所不同,因此信號系統(tǒng)輸入的安全距離值也會有所差異,如:熱帶地區(qū)線路的最低黏著系數(shù)較大,因此所設置的安全距離較短;常年雨雪天或樹葉多的地區(qū),線路的最低黏著系數(shù)較小[6],因此所設置的安全距離較長。表3中的不同黏著系數(shù)條件下的安全距離值也為不同氣候環(huán)境下鐵路線路安全距離的設置提供了一定的參考。此外,安全距離還與允許列車運行的最大速度有關,線路允許列車行駛的最大速度越高,安全距離設置就越長。

綜上所述,信號系統(tǒng)安全距離輸入值的設定與實際列車線路環(huán)境條件、允許列車運行的最大速度和可能發(fā)生的故障類型有關。此外,由于本文模型未考慮測速誤差、位置不確定性誤差等因素,故在實際應用中需添加一定的安全裕量,以保證列車運行的安全性。

4 結語

本文對信號系統(tǒng)安全距離模型進行了分析,得出了列車緊急制動階段占比約為99%的結論。利用MATLAB/Simulink軟件搭建安全距離仿真平臺,對列車故障進行分析,主要獲得以下幾個結論:

1) 緊急停車距離是影響信號系統(tǒng)安全距離的主要因素,受到線路最不利黏著條件、線路允許最大運行速度和故障類型的影響。黏著條件越差,線路允許的最大運行速度越高,緊急停車距離越長,進而導致信號系統(tǒng)的安全距離越長。

2) 考慮黏著系數(shù)為0.03時的超低黏著工況,列車以最高設計速度120 km/h正常運行時的安全距離為1 520.7 m;故障車為重車、其余為空車時,故障車切除2個轉向架的安全距離為2 196.7 m。

3) 當列車出現(xiàn)轉向架故障時,通常采用降速運行,只要將其最高運行速度限制在速度閾值之下即可。該速度閾值對應的緊急制動距離應不大于最差黏著情況下列車的緊急制動距離,可據(jù)此確定故障車的最大限速。

本文得出的安全距離僅為理論值,在實際應用中應考慮測速誤差及位置不確定性誤差等因素,為安全距離留出一定的安全裕量,避免列車與前車相撞。