淺談地鐵制動控制與列車沖動

段明民，汪 偉

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 北京交通大學 交通運輸學院，北京100044；3 西安鐵路局 機務(wù)處，陜西西安710054）

隨著人們生活水平的提高，地鐵也越來越重視列車的運行品質(zhì)，對地鐵的穩(wěn)定性和舒適度也提出了更高的要求。因此列車沖擊率成為了地鐵列車型式試驗中較為引人注目的指標。根據(jù)列車縱向動力學的理論分析和實際試驗結(jié)果，可以看到列車的縱向沖動主要由列車制動和緩解引起，它直接影響到了列車運行的穩(wěn)定性和乘坐舒適度。

1 Jerk和沖動評價標準

關(guān)于縱向沖動的判斷及舒適度指標，目前國際上尚無統(tǒng)一的標準可行。在動力學理論中常以列車的縱向加（減）速度來作為縱向動力學性能的評定指標，如TB／T 2370－1993《鐵路旅客列車縱向動力學試驗方法與評定指標》，在此不再贅述。但作為一個新的列車沖動評價指標，加加速度①加加速度（Jerk），力學界將其中文詞表述為加加速度。正日益受到人們的重視。加加速度是物體的加（減）速度變化率，通過對加速度進行求導獲得，它反映了物體受到合力的變化率。實際上它與沖擊率是等效的。

在TB／T 2543－1995《旅客列車縱向沖動評定方法》中，則是以旅客列車的加（減）速度變化率作為列車縱向沖動的評定指標：加（減）速度變化率低于2．9 m／s3為優(yōu)，加（減）速度變化率在3．0～3．9 m／s3為良，加（減）速度變化率在4．0～4．9 m／s3為及格，加（減）速度變化率高于5．0 m／s3為不及格。

EN13452－1（2005）《Railway applications—Braking Mass transit brake systems Part 1：Performance requirements》中規(guī)定，鋼制車輪的地鐵：常用制動時，最大瞬時減速度應(yīng)≤2 m／s2，最大平均減減速度應(yīng)②為與減速度限值對應(yīng)，此處將之描述為減減速度，原文中仍為Jerk?！?．5 m／s3；緊急制動時，最大瞬時減速度應(yīng)≤2 m／s2，最大平均減減速度應(yīng)≤2 m／s3；而地鐵方面的標準更為嚴格，GB／T 7928－2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》中規(guī)定，常用制動平均減速度不低于1．0 m／s2；緊急制動平均減速度不低于1．2 m／s2。列車縱向沖擊率不應(yīng)大于1 m／s3。

在地鐵項目實際操作過程中，招標文件通常規(guī)定，常用制動（含快速制動）時的列車沖擊率限制為0．75 m／s3，緊急制動時縱向沖擊率限制為1 m／s3。

綜上所述，從舒適度角度來看，應(yīng)該采用減速度與沖擊率兩個指標來進行列車沖動評價，可以比較準確地表述制動過程中的列車運行品質(zhì)。

2 制動減速度與列車沖擊率

地鐵車輛普遍采用密接式車鉤及車端彈性阻尼裝置，能夠有效減輕列車沖動。同時，傳統(tǒng)旅客列車制動系統(tǒng)依賴列車管排風來傳遞制動指令，而地鐵制動系統(tǒng)目前采用的都是直通電空制動系統(tǒng)，能夠保證地鐵列車各單元的制動同步性，從而也減少了各車輛制動不同步造成的列車沖動。因此重點討論制動控制對列車沖動造成的影響。

由于列車沖擊率反映的是物體受到合力的變化率，而列車沖動主要由制動和緩解引起，所以研究列車沖擊率就必然要研究列車制動力的變化。對于空氣制動而言，列車制動力的變化取決于各車制動缸的充風特性，即制動缸壓力的上升速度。

根據(jù) EN14531－2004 《Railway applications—Methods for calculation of stopping distances，slowing distances and immobilization braking Part 1：General algorithms》

空走時間tr＝ta（遲滯時間）＋tab（升壓時間）

遲滯時間是指制動指令發(fā)出至制動缸壓力升至10%所耗費的時間。

升壓時間是制動缸壓力從10%升至95%所耗費的時間（UIC540規(guī)定的值）。如圖1（a）所示。

計算制動停車距離時采用等效空走時間：

等效空走時間teq＝ta＋tab／2

如圖1（b）所示。

圖1 制動缸壓力充風過程

由圖1可知，實施空氣制動時，地鐵列車在tr時間內(nèi)的減速度從0升至設(shè)計的減速度。對于常用制動，通常快速制動要求的平均減速度為1 m／s2，則根據(jù)常用的限制列車沖擊率0．75 m／s3，若不考慮車體結(jié)構(gòu)對沖擊的影響，則空走時間至少應(yīng)不小于1．3 s，才可能使列車沖擊率滿足要求。

因此，對于地鐵列車，要減輕列車沖動，降低縱向沖擊率，必須控制制動缸壓力的上升速度。但如果制動缸壓力上升速度過慢，則會導致空走時間增加，空走距離相應(yīng)增加，則整個停車制動距離會相應(yīng)延長，制動的平均減速度也會受到影響。制動缸壓力上升速度與沖動存在著必然聯(lián)系，地鐵制動控制需同時滿足制動的平均減速度，列車縱向沖擊率等要求。

3 制動控制研究

（1）空氣制動

列車制動、緩解、調(diào)速等造成列車沖動，主要是由于車輛之間存在力的傳遞，而這些力是由于各車輛的制動、緩解作用不一致造成的。力的傳遞還可以是由于各車輛的減速度不一致，而由于車鉤間隙等的存在，使車輛相互之間有沖擊作用。

① 制動的同步執(zhí)行

制動的同步執(zhí)行取決于制動控制裝置。應(yīng)采取措施減小制動空走時間，包括在硬件設(shè)計上改善制動指令傳輸條件，減小指令傳輸?shù)臅r延，在軟件設(shè)計時應(yīng)注意列車總線的通訊狀況，減輕網(wǎng)絡(luò)擁塞，利用高優(yōu)先級中斷等措施提高制動裝置的響應(yīng)速度，增強制動執(zhí)行動作的同步性。

② 載荷壓力調(diào)整

現(xiàn)有的地鐵制動系統(tǒng)都已具備該功能。每車的制動力根據(jù)其載荷壓力進行調(diào)節(jié)，以保證每個車輛都具有相同的減速度，可以極大地減少車輛間制動力的傳遞。

制動控制裝置通過壓力傳感器檢測空氣彈簧壓力信號，該功能通過壓力傳感器把兩個載重檢測信號（從空氣彈簧來的壓力）取平均值，然后進行相應(yīng)的載荷計算，調(diào)整其控制輸出的制動缸壓力，其輸出范圍應(yīng)可從空車到超員連續(xù)輸出。在空氣彈簧破裂或P－E轉(zhuǎn)換電路的輸出小于空車的信號時，需保證空車制動力。但是當列車嚴重超員時，需限制制動力過大。

③ 制動缸壓力上升特性

簡單的制動缸壓力充風過程如圖2所示。

圖2 簡單的制動缸壓力控制

由圖2可知，t0時刻制動缸壓力開始上升，由于制動缸回復彈簧力及基礎(chǔ)制動傳動裝置的間隙和阻滯作用等，當制動缸壓力克服機構(gòu)阻力后，即t1時刻后制動力才開始上升，直至t2時刻制動缸壓力升至最高壓力時，制動力也保持恒定。則有：Jerk＝d a／d t，Jerk在t1、t2時刻有兩個最大值。

根據(jù)上述分析，要改善制動造成的列車沖動，可對制動缸壓力上升曲線做如下優(yōu)化設(shè)計。

制動控制裝置接收到制動指令時，制動缸壓力快速升高到一定壓力，即制動缸壓力的初躍升，此值根據(jù)經(jīng)驗宜在50～100 k Pa之間；然后減緩制動缸充風速度，當制動缸壓力達到約最高壓力的90%時，再次減緩制動缸充風速度，直至達到最高壓力。

優(yōu)化后的制動缸壓力上升特性曲線如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后的制動缸壓力控制

圖4為某型地鐵實測的制動缸壓力曲線，與優(yōu)化的特性曲線較為一致。

圖4 實測的制動缸壓力控制

（2）空電復合制動

對于空氣制動，制動力的變化取決于制動缸壓力的變化過程。同時，在復合制動時，還應(yīng)考慮空電轉(zhuǎn)換所帶來的制動力變化。

GB／T 7928－2003《地鐵車輛通用技術(shù)條件》第10．3條規(guī)定：電制動與空氣制動應(yīng)能協(xié)調(diào)配合，常用制動應(yīng)充分利用電制動功能并具有沖動限制。電制動時優(yōu)先采用再生制動，電制動與空氣制動應(yīng)能實現(xiàn)平滑轉(zhuǎn)換，在電制動力不足時空氣制動按總制動力的要求補充不足的制動力。

對于空電混合制動，則主要是當電制動與空氣制動作用轉(zhuǎn)換時，需注意電制動力退出（或上升）的速度應(yīng)與空氣制動上升（或下降）的速度相一致。實際設(shè)計過程中由于電制動力退出時通常都很快，常采用制動缸壓力預補償，其作用原理也是在常用制動指令發(fā)出時，不論電制動的發(fā)揮情況如何，均根據(jù)其基礎(chǔ)制動裝置的特性預先將制動缸壓力充到一定值，克服制動缸回復彈簧阻力和活塞行程帶來的制動力滯后效應(yīng)，提高空氣制動系統(tǒng)的響應(yīng)性，減少列車制動力的波動，減輕列車的沖擊。

4 結(jié)論

通過分析國內(nèi)外關(guān)于列車沖擊的相關(guān)標準，得出以下結(jié)論：

（1）應(yīng)采用減速度與沖擊率兩個指標來進行列車沖動的綜合評價，從而準確地表述列車的運行品質(zhì)；

（2）制動減速度與列車沖擊率之間存在著必然聯(lián)系，例如要使列車沖擊率滿足0．75 m／s3的限制，而制動平均減速度達到1 m／s2，空走時間必須不小于1．3 s；

（3）對制動控制進行優(yōu)化可以明顯改善地鐵列車的沖擊，提高列車的平穩(wěn)性和舒適度。

［1］TB／T 2543－1995．旅客列車縱向沖動評定方法［S］．

［2］EN13452－1（2005）．Railway applications—Braking Mass transit brake systems Part 1：Performance requirements［S］．

［3］EN14531－2004．Railway applications—Methods for calculation of stopping distances，slowing distances and immobilization braking Part 1：General algorithms［S］．

［4］何福漢．旅客列車縱向沖動問題研究［J］．鐵道車輛，2007，45（5）：10－13．