城軌車輛防滑防空轉(zhuǎn)控制淺析

隋 燕，孫宗先

（南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司技術(shù)中心，山東青島 266111）

0 引言

隨著世界鐵路運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展，高速和重載成為城軌車輛設(shè)計(jì)的重要方向。這就對城軌車輛制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展提出了更高的要求，其中最為關(guān)鍵的問題是如何進(jìn)一步提高防滑控制系統(tǒng)的性能，以便在制動(dòng)時(shí)，既能防止車輪擦傷，又能充分利用粘著，得到較短的制動(dòng)距離。

防滑防空轉(zhuǎn)控制是由牽引系統(tǒng)控制單元完成對牽引電機(jī)的控制過程，通過在牽引模式下改變牽引力，在制動(dòng)模式下改變電制動(dòng)力。其用于在不利的軌道條件下提高加速和減速性能。牽引系統(tǒng)空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)具有以下任務(wù)：（1）充分利用輪軌粘著力；（2）防止?fàn)恳龝r(shí)驅(qū)動(dòng)軸的空轉(zhuǎn)以及制動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)軸的滑行；（3）減少車輪和軌道的磨耗。空轉(zhuǎn)/滑行保護(hù)連續(xù)監(jiān)控列車速度和驅(qū)動(dòng)軸的旋轉(zhuǎn)速度。如果有差值，牽引力自動(dòng)減少以滿足輪軌粘著力。如果軌道條件變好，摩擦系數(shù)變高，那么牽引力將按照一定的斜率（可調(diào)節(jié)）提高到輪軌粘著力?？辙D(zhuǎn)/滑行保護(hù)的持續(xù)時(shí)間由牽引控制單元監(jiān)控。

防滑防空轉(zhuǎn)的目的：其一是在減少的黏著條件下提供最好的牽引力，其黏著系數(shù)為α（α=F/mg，其中F是瞬時(shí)牽引力，m是車輛黏著重量，g是重力常數(shù)，黏著重量為所有動(dòng)軸的軸重和）；其二是限制牽引力的參考值確保動(dòng)軸的車輪不要失去控制滑行，不要超過最大允許的轉(zhuǎn)差率。在牽引控制單元中可以在三個(gè)防滑防空轉(zhuǎn)控制子系統(tǒng)中選擇，其一，優(yōu)化防滑—防空轉(zhuǎn)控制；其二，防滑—防空轉(zhuǎn)保護(hù)；其三，Δν控制。其中，優(yōu)化的防滑—防空轉(zhuǎn)控制是到目前為止最常用的系統(tǒng)。

1 防滑防空轉(zhuǎn)控制

1.1 概要

圖1 工作環(huán)境中防滑控制系統(tǒng)的簡化

防滑防空轉(zhuǎn)控制檢測的是車輛動(dòng)軸的速度。它探測到車輪在牽引模式下的空轉(zhuǎn)和動(dòng)態(tài)制動(dòng)模式下的滑行。當(dāng)車輪的空轉(zhuǎn)或滑行被探測到后，減小牽引變流控制中的牽引力參考值直到空轉(zhuǎn)或滑行停止。防滑防空轉(zhuǎn)的目的是當(dāng)軌道和車輪之間的黏著系統(tǒng)達(dá)不到所要求的牽引力時(shí)，獲得盡可能高的牽引力；并且減少牽引力參考值以使得驅(qū)動(dòng)軸上的車輪不會(huì)在牽引狀態(tài)下發(fā)生不可控制的空轉(zhuǎn)，在電制動(dòng)時(shí)不會(huì)鎖死，不超過最大的允許空轉(zhuǎn)速度。圖1為工作環(huán)境中防滑控制系統(tǒng)的簡化。

1.2 基本原理

基本原理參見圖2?？紤]一個(gè)具有PI 控制器的控制系統(tǒng)，這個(gè)控制系統(tǒng)的目的是調(diào)整相對于參考值的空轉(zhuǎn)速度。

圖2 基本原理

在短的運(yùn)行間隔中Fref是由牽引力和空轉(zhuǎn)速度（一條F-ΔV線）之間的線性關(guān)系決定的。PI控制器的放大與F-ΔV 線的斜率相對應(yīng)。積分部分沿線移動(dòng)直到F-ΔV 線和黏著曲線的交叉點(diǎn)與空轉(zhuǎn)速度參考ΔVref相符。

優(yōu)化的防滑防控轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)就是從這一簡單系統(tǒng)發(fā)展起來的，如圖3所示。F-ΔV線被限制在一個(gè)有限的間隔內(nèi)并且控制系統(tǒng)的積分部分被一個(gè)尋求最大可能牽引力的系統(tǒng)所代替。

防滑防空轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)可以是兩個(gè)狀態(tài)中的一個(gè)。

（1）監(jiān)控：Fref曲線的第1 部分。

由于黏著很高以至于可以獲得所要求的牽引力。防滑防空轉(zhuǎn)控制在Fref.out=Fref.in時(shí)不起作用，但它隨時(shí)處在準(zhǔn)備狀態(tài)，以便在必要時(shí)減少Fref.out。

圖3 優(yōu)化的防滑防空轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)

（2）激活：Fref曲線的第2部分。

防滑防空轉(zhuǎn)控制必須減少牽引力（Fref.out＜Fref.in），是為了防止太大的空轉(zhuǎn)速度，當(dāng)優(yōu)化的防滑防空轉(zhuǎn)處于激活狀態(tài)時(shí)，空轉(zhuǎn)指示被設(shè)定。

1.3 監(jiān)控狀態(tài)

在監(jiān)控狀態(tài)下Fref.out=Fref.in，即防滑防空轉(zhuǎn)控制不減少Fref，如果防控轉(zhuǎn)速度限制被超過或空轉(zhuǎn)速度增長很快。此時(shí)可以認(rèn)為車輪發(fā)生空轉(zhuǎn)，F(xiàn)ref.out相應(yīng)下降并且防滑防空轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)改變到激活狀態(tài)，如圖4所示。

圖4 當(dāng)ΔV>ΔVa時(shí)，狀態(tài)變?yōu)榧せ顮顟B(tài)

1.4 激活狀態(tài)

在激活狀態(tài)中防滑防空轉(zhuǎn)控制系統(tǒng)減少了牽引力的參考值，F(xiàn)ref.out＜Fref.in，F(xiàn)-ΔV線（曲線傾斜部分）不停地尋找著最大的可能的牽引力。當(dāng)牽引力Fref.in可以獲得時(shí)，空轉(zhuǎn)停止并且防滑防空轉(zhuǎn)系統(tǒng)返回監(jiān)控狀態(tài)，如圖5所示。

圖5 當(dāng)Fref.out=Fref.in時(shí)這個(gè)狀態(tài)變?yōu)楸O(jiān)控

這個(gè)最優(yōu)化的過程在兩個(gè)方向中的任意一個(gè)方向上慢慢改變?chǔ)b。只要Fref.out在增長，則在同一方向上的移動(dòng)就將繼續(xù)。當(dāng)它減少時(shí)，移動(dòng)方向就改變。在Fref.out上可能有小的但很快的變化。由于這些改變可能會(huì)引起許多不希望的方向的改變，因此只有在合適時(shí)間段中的Fref.out平均值被考慮（例如：1秒）。如圖6所示。

圖6 在Fref.in減少或黏著增加以后，系統(tǒng)又變?yōu)楸O(jiān)控狀態(tài)

2 結(jié)語

防滑防空轉(zhuǎn)是城軌車輛不可缺少的控制方式，好的控制方法不僅能有效防止滑行的產(chǎn)生，還能在提高制動(dòng)效率的基礎(chǔ)上，充分利用輪軌間粘著，縮短制動(dòng)距離。因此，為適應(yīng)我國城市軌道交通發(fā)展的需要，防滑兼輪軌粘著利用，必將提高制動(dòng)性能的發(fā)揮。