濕軌可保證緊急制動(dòng)率值對(duì)信號(hào)系統(tǒng)安全制動(dòng)距離的影響

劉婧婧 曲 睿

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司,510310,廣州∥第一作者,工程師)

濕軌可保證緊急制動(dòng)率值對(duì)信號(hào)系統(tǒng)安全制動(dòng)距離的影響

劉婧婧 曲 睿

(廣州地鐵集團(tuán)有限公司,510310,廣州∥第一作者,工程師)

安全制動(dòng)距離是信號(hào)系統(tǒng)控制行車(chē)的核心所在。簡(jiǎn)述了安全制動(dòng)距離的影響因素,并借助動(dòng)力學(xué)模型,分解至關(guān)鍵性指標(biāo)。選擇目前爭(zhēng)議較大、影響較深的濕軌可保證緊急制動(dòng)率值展開(kāi)進(jìn)一步探討,提出了濕軌情況下粘著系數(shù)的合理取值建議。

地鐵; 信號(hào)系統(tǒng); 列車(chē)安全制動(dòng)距離; 可保證緊急制動(dòng)率值; 粘著系數(shù)

Author′s address Guangzhou Metro Group Co.,Ltd.,510310,Guangzhou,China

安全制動(dòng)距離是城市軌道交通(以下簡(jiǎn)為“城軌”)信號(hào)ATC(列車(chē)自動(dòng)控制)系統(tǒng)控制列車(chē)行駛、保護(hù)行車(chē)安全的重要性能參數(shù)指標(biāo)。隨著城軌行業(yè)的發(fā)展,更高的運(yùn)行效率、更快的列車(chē)速度、更靈活的調(diào)整策略逐漸成為未來(lái)信號(hào)系統(tǒng)所急需面對(duì)的問(wèn)題。而更短的安全制動(dòng)距離則是解決上述問(wèn)題的關(guān)鍵所在。本文簡(jiǎn)述安全制動(dòng)距離計(jì)算的一般影響因素,并著重對(duì)濕軌可保證緊急制動(dòng)率(Guarantee Emergency Brake Rate,簡(jiǎn)為GEBR)的取值以及其重要影響因素粘著系數(shù)進(jìn)行分析。

1 安全制動(dòng)距離

信號(hào)ATC系統(tǒng)在控制列車(chē)行駛時(shí)的普遍做法是：建立相應(yīng)的列車(chē)運(yùn)行安全制動(dòng)距離(SBD)模型,再結(jié)合系統(tǒng)閉塞設(shè)計(jì)原則,最終編制出可實(shí)時(shí)計(jì)算出當(dāng)前運(yùn)行曲線(xiàn)的程序。

SBD模型的建立需要車(chē)載ATP(列車(chē)自動(dòng)防護(hù))設(shè)備反應(yīng)時(shí)間、失控加速時(shí)間、惰行時(shí)間、緊急制動(dòng)施加時(shí)間、全減速時(shí)間等5個(gè)基本因素，如圖1所示。

(1) 車(chē)載ATP設(shè)備反應(yīng)時(shí)間(階段A)。列車(chē)正常行駛過(guò)程中,一旦實(shí)際運(yùn)行曲線(xiàn)超越ATP超速檢測(cè)曲線(xiàn),車(chē)載ATP將立刻啟動(dòng)緊急制動(dòng)。在車(chē)載系統(tǒng)最不利的響應(yīng)時(shí)間及最大測(cè)速誤差的情況下,列車(chē)將有可能超越緊急制動(dòng)觸發(fā)曲線(xiàn)的最大速度。

(2) 失控加速時(shí)間(階段B)。此階段列車(chē)將繼續(xù)保持持續(xù)加速,直至列車(chē)牽引系統(tǒng)對(duì)信號(hào)系統(tǒng)發(fā)出的緊急制動(dòng)命令作出響應(yīng)并切除牽引。

(3) 惰行時(shí)間(階段C)。此階段牽引已切除,而制動(dòng)尚未開(kāi)始建立,列車(chē)將完全依靠坡度和曲線(xiàn)的影響來(lái)加速與減速,并假定以所獲得的最大速度滑行。

(4) 緊急制動(dòng)施加時(shí)間(階段D)。此階段列車(chē)制動(dòng)將逐漸施加,制動(dòng)率由零增加至最小的可保證緊急制動(dòng)率。

(5) 全減速時(shí)間(階段E)。此階段列車(chē)將以可保證的緊急制動(dòng)率持續(xù)減速直至車(chē)速為零。

2 制動(dòng)距離計(jì)算式及GEBR的說(shuō)明

根據(jù)運(yùn)動(dòng)學(xué)公式推導(dǎo)出制動(dòng)距離計(jì)算式為:

(1)

式中:

S——列車(chē)制動(dòng)距離,m;

v0——全減速起動(dòng)速度,m/s;

i——線(xiàn)路縱向坡度4分?jǐn)?shù),下坡為“+”,上坡為“-”;

a——平均制動(dòng)率，m/s2;

γ——潮濕軌面與干燥軌面粘著系數(shù)比;

圖1 安全制動(dòng)模型

g′——受車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量影響的車(chē)輛重力加速度,m/s2;

Δi曲——平面圓曲線(xiàn)的單位曲線(xiàn)阻力,N/N;

r阻——列車(chē)單位阻力,N/kN;

f風(fēng)——列車(chē)單位風(fēng)阻力,N/kN。

由式(1)可以清晰看出,在外部環(huán)境普遍清晰可預(yù)估的前提下,a成為制動(dòng)距離計(jì)算的關(guān)鍵。這里的a就是GEBR,一般是指列車(chē)在平直軌道可獲得的最小緊急制動(dòng)率。

廣州地鐵目前所采用的GEBR為已定條件下的計(jì)算數(shù)值。具體計(jì)算條件如下:

(1) 在AW(空載)0～AW3(超載)載荷;

(2) 干燥平直軌道;

(3) 列車(chē)速度由125km/h緊急制動(dòng)至0km/h;

(4) 計(jì)算用制動(dòng)粘著系數(shù)為0.14;

(5) 損失2個(gè)轉(zhuǎn)向架制動(dòng)力;

(6) 選擇載荷非均勻分布或AW3兩種載荷情況中最?lèi)毫庸r;

(7) 考慮各種輪徑(770～840mm)情況下最?lèi)毫庸r;

(8) 減速度為等效減速度(不考慮空走時(shí)間和建壓時(shí)間)。

綜合考慮上述條件,選取廣州地鐵9號(hào)線(xiàn)為例,能保證0.85m/s2的緊急制動(dòng)等效減速度。

然而對(duì)于高架線(xiàn)路,由于露天環(huán)境下雨水等外在影響因素太多,制動(dòng)粘著系數(shù)難以明確,進(jìn)而影響了GEBR的確定。

3 濕軌粘著系數(shù)及其影響因素

制動(dòng)粘著系數(shù)是地鐵列車(chē)制動(dòng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù),當(dāng)車(chē)輪在鋼軌上滾動(dòng)時(shí),輪軌在相互接觸的部位發(fā)生彈性形變,形成橢圓形的接觸區(qū)。通常把輪軌間最大切向作用力標(biāo)作粘著力(FH),把粘著力(FH)與鋼軌對(duì)車(chē)輪的法向反力(正壓力FA)之比值標(biāo)作粘著系數(shù)。粘著系數(shù)示意圖如圖2所示。圖中,FBR為制動(dòng)力,Fk為與鋼軌平行的正壓力(制動(dòng)壓力)，mA為車(chē)輪質(zhì)量，dR為車(chē)輪直徑，g為重力加速度，μH為當(dāng)前利用粘著系數(shù),μk為制動(dòng)系數(shù)。

圖2 粘著系數(shù)示意圖

若列車(chē)發(fā)生打滑,則實(shí)際粘著系數(shù)小于利用粘著系數(shù),列車(chē)制動(dòng)力將無(wú)法正常發(fā)揮,此種特殊情況本文暫不討論。正常情況下,實(shí)際粘著系數(shù)均大于利用粘著系數(shù)。粘著系數(shù)主要與以下因素有關(guān):

(1) 軌面狀況。軌道是否有水對(duì)粘著系數(shù)的影響非常之大,多方研究表明,軌面有水后,粘著系數(shù)將降低30%以上,如在小雨情況下,粘著系數(shù)降低更甚。此外,油污、含水成分的鐵銹、落葉,以及部分區(qū)域可能存在的降雪等情況,都會(huì)使粘著系數(shù)發(fā)生不同程度的下降。

(2) 速度。試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,隨著速度的增加,粘著系數(shù)受速度的影響逐漸減小。國(guó)外多年試驗(yàn)所得的不同軌面條件下的粘著系數(shù)分布如圖3所示。

圖3 不同工況的粘著系數(shù)分布

由圖3可以看出,相同速度下,干軌、濕軌、濕滑軌的粘著系數(shù)依次降低。列車(chē)靜止時(shí),干軌、濕軌、濕滑軌的粘著系數(shù)分別為0.22～0.275、0.145～0.22、0.11～0.145;當(dāng)列車(chē)速度達(dá)到80 km/h后,三種軌面的粘著系數(shù)分別為0.14～0.18、0.08～0.14、0.06～0.08;當(dāng)列車(chē)速度達(dá)到100 km/h后,三種軌面的粘著系數(shù)分別為0.135～0.175、0.075～0.135、0.055～0.075。以上數(shù)據(jù)表明,粘著系數(shù)受軌面的干濕程度影響很大,而列車(chē)的運(yùn)行速度對(duì)粘著系數(shù)也有一定的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

(1) 粘著系數(shù)直接影響地鐵列車(chē)的制動(dòng)性能,

也左右著GEBR的選取,進(jìn)而影響整個(gè)安全制動(dòng)模型。因而,選取恰當(dāng)?shù)恼持禂?shù)，在車(chē)輛與信號(hào)接口設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要地位不言而喻。

(2) 濕軌情況下的粘著系數(shù),因外在環(huán)境因素的不可預(yù)估性,較干軌粘著系數(shù)更難確定。目前國(guó)內(nèi)普遍的做法是：通過(guò)試驗(yàn)實(shí)測(cè)以選取最小值，再輔以適當(dāng)余量獲得。但不同的試驗(yàn)環(huán)境并不能夠完全準(zhǔn)確模擬現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境,更加完善的手段還有待進(jìn)一步探討。

(3) 良好的軌道線(xiàn)路維護(hù)以及增加列車(chē)清掃制動(dòng)(如灑沙裝置)等附加功能可有效改善粘著條件。對(duì)于室外高架線(xiàn)路,在雨雪等惡劣天氣下,地鐵列車(chē)也應(yīng)執(zhí)行應(yīng)急緊急運(yùn)營(yíng)模式,適當(dāng)降速或加大發(fā)車(chē)間隔。特別是小雨初期,粘著系數(shù)突降,各系統(tǒng)需作出相應(yīng)反應(yīng)。

(4) 更大的粘著意味著更大的GEBR,帶來(lái)的則是更短的制動(dòng)距離,隨之而來(lái)的則是更靈活的系統(tǒng)調(diào)整能力,更加強(qiáng)大的列車(chē)追蹤性能。與此同時(shí),應(yīng)清楚地認(rèn)識(shí)到,地鐵設(shè)計(jì)安全至上,切不可因效率而失了安全,給乘客的人身安全帶來(lái)潛在危險(xiǎn)。

[1] 王俊,王開(kāi)云,劉建新.雨雪天氣的粘著系數(shù)對(duì)機(jī)車(chē)安全性能影響分析[J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013,27(9):17.

[2] 王偉波,段繼超.低粘著下的地鐵車(chē)輛緊急制動(dòng)率問(wèn)題初探[J].技術(shù)與市場(chǎng),2014,21(5):63.

[3] 邵嘉聲.影響ATC系統(tǒng)安全制動(dòng)距離因素的探討[J].鐵道通信信號(hào),2005,41(8):13.

Impact of Wet Rail GEBR Value on Safety Breaking Distance of Signal System

LIU Qianqian, QU Rui

The safety breaking distance is the core of signal system in controlling the vehicle.The effective factors of safety breaking distance are introduced, which are refined to key indicators by using the kinetics model. Due to its deeper influence, the debatable wet rail GEBR value is select and discussed in depth, the rational adhesion coefficient in wet rail condition is proposed to ensure the emergency breaking rate.

metro; signal system; safety braking distance; GEBR (guarantee emergency brake rate) value; adhesion coefficient

U 260.13+8

10.16037/j.1007-869x.2016.07.033

2016-03-08)