CRH3A型動車組自動速度控制模式下防滑控制及不旋轉(zhuǎn)軸檢測的研究

呼功崛， 馬永靖， 王學(xué)文， 辛志強(qiáng)

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部， 長春 130000)

近年來，高速鐵路運(yùn)輸已經(jīng)成為促進(jìn)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，加強(qiáng)區(qū)域協(xié)調(diào)，構(gòu)建綜合交通軌道運(yùn)輸體系的樞紐。高鐵技術(shù)的不斷發(fā)展完善了我國綜合運(yùn)輸體系，隨著國內(nèi)外市場需求的不斷增大，推動了高鐵動車組技術(shù)的快速發(fā)展。

制動系統(tǒng)是與車輛運(yùn)行安全直接相關(guān)的重要系統(tǒng)，動車組的制動形式分兩種：空氣制動和電制動。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，如果制動力超過了黏著限制，車輪轉(zhuǎn)速急劇降低甚至停轉(zhuǎn)而車速降得較慢，這叫“滑行”或“抱死輪”[1]。一旦發(fā)生這種現(xiàn)象則很有可能導(dǎo)致輪軌擦傷，車輪擦傷后會產(chǎn)生偏心，踏面產(chǎn)生多邊形效應(yīng)，不僅降低運(yùn)行的平穩(wěn)性和乘車的舒適度，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[2]。為保證動車組能夠安全可靠地行車，動車組防滑系統(tǒng)必須響應(yīng)迅速，防止車輪滑行，恢復(fù)輪軌的黏著狀態(tài)。

將結(jié)合CRH3A型動車組ASC模式下空氣制動和電制動的防滑控制和軸不旋轉(zhuǎn)檢測原理，針對CRH3A型動車組發(fā)生滑行和軸抱死的實(shí)際案例，分析原因并給出解決措施。

1 ASC模式下的防滑控制和不旋轉(zhuǎn)軸檢測

1.1 制動指令

在ASC(Automatic Speed Control)模式下，由TCMS(Train Control Management System)進(jìn)行列車制動力計(jì)算，TCMS僅使用電制動力來調(diào)節(jié)列車速度。TCMS計(jì)算的電制動力指令直接發(fā)給TCU(Traction Control Unit)，不通過BCU(Brake Control Unit)中轉(zhuǎn)。TCU將單車的電制動力能力值(信號C)和電制動力實(shí)際值(信號E)發(fā)給BCU，見圖1。

圖1 TCU與BCU相關(guān)接口圖

1.2 防滑控制

BCU僅在非牽引(制動或惰行)狀態(tài)時才激活防滑功能，將本車4個軸中速度最高的軸速作為參考速度，BCU根據(jù)參考速度及各軸的軸速對每個軸進(jìn)行防滑判斷，并通過防滑閥進(jìn)行緩解、保壓和制動的控制。

如果正常制動過程中，BCU檢測到列車出現(xiàn)滑行，TCU響應(yīng)BCU發(fā)出的電制減少百分比值信號(信號F)。本車TCU執(zhí)行的電制動力實(shí)際減小值發(fā)給BCU，電制動力實(shí)際減小值=信號E(kN)×信號F(%)，見圖1。

由上述防滑的原理可知，牽引狀態(tài)決定了防滑功能是否激活，BCU判斷牽引施加的條件為：

自動速度控制牽引位CCU_ASC_Traction =1 或手柄牽引位TL_R_Traction=1，并且無任何制動激活，無任何制動激活，是指以下任一制動都不激活：

①緊急制動UB;

②緊急制動EB;

③制動手柄級位>0;

④制動手柄處于制動位(TL_R_Braking);

只要BCU判斷本車處于非牽引狀態(tài)，即視為本車處于制動或惰行狀態(tài)，防滑功能就會激活。

1.3 不旋轉(zhuǎn)軸檢測

不旋轉(zhuǎn)軸檢測功能不論在牽引或非牽引狀態(tài)均會進(jìn)行檢測，并且與防滑控制功能相互獨(dú)立。將本車速度第2高的軸速作為參考速度v2nd，參考速度v2nd與最低軸速vmin的差值同v(v=50+0.3v2nd)進(jìn)行比較，如果差值大于v并持續(xù)10 s，則報(bào)出低速軸的軸抱死故障，不旋轉(zhuǎn)軸檢測邏輯見圖2。

圖2 CRH3A型動車組不旋轉(zhuǎn)軸檢測邏輯圖

2 案例分析

2.1 事件經(jīng)過與數(shù)據(jù)記錄

CRH3A型動車組在ASC模式下正常運(yùn)行，因下雨而發(fā)生滑行，06車報(bào)軸抱死故障(00車占用)，未發(fā)生擦輪。

事件過程如下：

06:39:20時，00車牽引電機(jī)M1速度傳感器故障，00車逆變封鎖，電制動失效。

06:58:42時，06車牽引電機(jī)M1、M2速度傳感器故障，06車逆變封鎖，電制動失效。

06:58:50時，06車報(bào)軸1、軸2抱死。

2.2 數(shù)據(jù)分析

事發(fā)時天氣為小雨，造成軌道濕滑，隨著運(yùn)行速度的增加，黏著系數(shù)將急劇下降[3]。當(dāng)實(shí)際黏著系數(shù)低于利用的黏著系數(shù)時，列車發(fā)生滑行，00車報(bào)出牽引電機(jī)M1速度傳感器故障，持續(xù)運(yùn)行中由于滑行嚴(yán)重，導(dǎo)致06車TCU報(bào)牽引電機(jī)M1、M2傳感器故障，BCU報(bào)出軸1、軸2抱死，但根據(jù)CCU數(shù)據(jù)，BCU在報(bào)出軸抱死故障前未報(bào)滑行。

根據(jù)CCU數(shù)據(jù)顯示，06:58:26至06:58:35時，06車施加電制動；06:58:42至06:58:50時，列車的恒速設(shè)定值為194 km/h。

根據(jù)下載的BCU數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)軸抱死故障發(fā)生時，06車軸1～軸4速度值分別為29.3 km/h、 40.9 km/h 、122.5 km/h 、131.2 km/h(見圖3)，根據(jù)不旋轉(zhuǎn)軸檢測診斷邏輯，報(bào)出軸1和軸2抱死。

通過以上分析得出：

06:39:20時，00車電制動失效，車組恒速運(yùn)行時，00車轉(zhuǎn)為拖車，06車轉(zhuǎn)為首個牽引動車。

圖3 軸抱死故障時06車BCU軸1～軸4速度數(shù)據(jù)

06:58:26至06:58:35時，電制動力施加造成06車速度降低，單車滑行，而實(shí)際車速為194 km/h。06車滑行，1、2軸滑行嚴(yán)重，3、4軸滑行較輕。從而在06:58:42時，06車報(bào)牽引電機(jī)M1、M2速度傳感器故障。06:58:50時，06車報(bào)軸1、軸2抱死。

2.3 故障結(jié)論

針對BCU在報(bào)出軸抱死故障前未報(bào)出滑行的問題，分析后的結(jié)論如下：

在ASC模式下，牽引手柄一直置于牽引位，“牽引位狀態(tài)列車線TL_R_Traction”信號一直保持激活狀態(tài)，且BCU未收到任何制動指令，此時BCU判斷本車處于牽引狀態(tài)。故在ASC模式下，即使TCMS發(fā)送制動指令給TCU進(jìn)行調(diào)速控制，列車實(shí)際施加電制動的工況下，BCU的滑行檢測與控制功能始終未激活，進(jìn)而導(dǎo)致列車在沒有防滑控制的情況下，軸速滿足了軸抱死檢測判據(jù)，報(bào)出了軸抱死故障。

3 優(yōu)化方案

通過上述分析，在ASC模式下，若TCU因故障導(dǎo)致防滑功能失效，列車存在因無防滑控制而發(fā)生軸抱死的風(fēng)險(xiǎn)。為解決此問題，對CRH3A型動車組進(jìn)行如下優(yōu)化：

在ASC模式下，BCU不再考慮來自牽引手柄的“牽引位狀態(tài)列車線”信號；增加“進(jìn)入ASC模式”MVB信號，當(dāng)“進(jìn)入ASC模式”MVB信號激活且“ASC模式牽引”信號未激活時，BCU判斷本車處于非牽引狀態(tài)，激活BCU的滑行檢測與控制功能。

4 結(jié) 論

介紹了CRH3A型動車組ASC模式下防滑控制及不旋轉(zhuǎn)軸檢測的原理，結(jié)合原理針對案例分析出造成軸抱死事件的原因，并據(jù)此制定了ASC模式下的防滑優(yōu)化方案，解決了該問題，對其他動車組的防滑設(shè)計(jì)具有借鑒意義。