電制動(dòng)與空氣摩擦制動(dòng)防滑控制協(xié)同作用策略研究

祝漢燕， 亢 磊， 李 松， 張笑凡， 邢 宇， 王學(xué)文， 喬 峰

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司， 長(zhǎng)春 130062)

目前高速動(dòng)車(chē)組及城際動(dòng)車(chē)組為減少摩擦制動(dòng)的消耗在進(jìn)行常用制動(dòng)時(shí)多采用空電復(fù)合的制動(dòng)模式，部分高速動(dòng)車(chē)組列車(chē)在緊急制動(dòng)時(shí)也同樣采取空電復(fù)合的制動(dòng)模式。由于電制動(dòng)的施加是通過(guò)牽引控制單元TCU來(lái)實(shí)現(xiàn)的，空氣制動(dòng)的施加是通過(guò)制動(dòng)控制單元BCU來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這就對(duì)高速動(dòng)車(chē)組和城際動(dòng)車(chē)組在制動(dòng)過(guò)程中，在輪軌低黏著條件下電制動(dòng)與空氣制動(dòng)防滑控制配合提出了較高的要求。從動(dòng)車(chē)組實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中擦輪事故入手，通過(guò)數(shù)據(jù)分析，研究和總結(jié)了在線(xiàn)路低黏著條件下電制動(dòng)防滑與空氣制動(dòng)防滑協(xié)同作用的策略、建議和優(yōu)化方案，并通過(guò)防滑試驗(yàn)進(jìn)行了檢驗(yàn)測(cè)試。

1 擦輪事故概述及分析

1.1 例1列車(chē)擦輪事故

2013年11月某日凌晨，天氣情況為霧霾、露水，外界溫度2 ℃，配屬哈爾濱鐵路局的高速動(dòng)車(chē)組例1列車(chē)，EC08車(chē)為主控端，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中司機(jī)施加制動(dòng)調(diào)速，發(fā)生故障經(jīng)過(guò)如表1所示。

表1 例1列車(chē)擦輪事故故障經(jīng)過(guò)

經(jīng)過(guò)調(diào)查，除了牽引控制單元TCU檢測(cè)出軸抱死故障，制動(dòng)控制單元BCU同樣檢測(cè)出EC08車(chē)1軸和2軸抱死故障，具體故障信息如圖1所示。

圖1 制動(dòng)控制單元BCU軸抱死檢測(cè)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，EC08車(chē)的1軸和2軸出現(xiàn)了不同程度的輪對(duì)擦傷，具體擦傷情況如圖2所示。

根據(jù)列車(chē)數(shù)據(jù)記錄分析(如圖3)，在起初的4 s過(guò)程中，單軸的速度跟隨列車(chē)速度是一起變化的。在這期間，檢測(cè)單個(gè)軸的速度和列車(chē)參考軸速比較進(jìn)行防滑控制，由于存在相應(yīng)的速度偏差，TCU根據(jù)速度差程度顯著降低了牽引力實(shí)際值。

大量的電制動(dòng)力降低，使得TCU激活了一個(gè)內(nèi)部驗(yàn)證以檢測(cè)參考速度的真實(shí)性，由于低的實(shí)際制動(dòng)力超過(guò)4 s的時(shí)間，參考速度信號(hào)被認(rèn)為是不可靠的，于是4 s 后防滑控制模式切換至減速度監(jiān)控。

當(dāng)減速度達(dá)到閾值時(shí)，BCU通過(guò)減少電制動(dòng)力信號(hào)3次要求電制動(dòng)力減少93%，但是BCU的減少指令并沒(méi)有持續(xù)，且TCU自身防滑控制的電制動(dòng)力沒(méi)有減至零。司機(jī)在制動(dòng)過(guò)程中曾經(jīng)減少過(guò)手柄級(jí)位，車(chē)軸速度有所回升，但是隨后司機(jī)又增加了制動(dòng)級(jí)位，這時(shí)4個(gè)軸同時(shí)抱死速度為零，此時(shí)電制動(dòng)無(wú)法施加，牽引系統(tǒng)將電制動(dòng)設(shè)定值置為零且一直保持，空氣制動(dòng)進(jìn)行了補(bǔ)充，經(jīng)過(guò)20 s時(shí)間后司機(jī)又將手柄進(jìn)行逐級(jí)緩解至緩解位，3軸、4軸的速度有明顯回升并達(dá)到正常，2軸也有所回升，但是這時(shí)TCU和BCU根據(jù)速度回升后軸的速度差先判斷出1軸的抱死故障，導(dǎo)致CCU強(qiáng)制施加最大常用制動(dòng)，空氣制動(dòng)力上升，此時(shí)2軸速度急劇下降隨后也被檢測(cè)出抱死，最終導(dǎo)致1軸、2軸的嚴(yán)重擦傷。

圖2 EC08車(chē)1、2軸輪對(duì)擦傷情況

最終結(jié)論為由于極低的黏著系數(shù)，防滑控制算法達(dá)到了臨界值，控制模式被切換到減速度監(jiān)控，因此不能避免各軸的進(jìn)一步的減速導(dǎo)致擦輪。

圖3 例1列車(chē)擦輪事故數(shù)據(jù)分析

1.2 例2列車(chē)擦輪事故

2015年11月某日凌晨，天氣情況為小雨，外界溫度2 ℃，配屬濟(jì)南鐵路局高速動(dòng)車(chē)組擔(dān)當(dāng)例2列車(chē)，EC01車(chē)為主控端。動(dòng)車(chē)組運(yùn)行至棗莊至徐州東站區(qū)間時(shí)，司機(jī)施加制動(dòng)調(diào)速，發(fā)生故障經(jīng)過(guò)如表2所示。

表2 例2列車(chē)擦輪事故故障經(jīng)過(guò)

BCU的防滑及軸抱死DNRA檢測(cè)系統(tǒng)同時(shí)檢測(cè)出TC02車(chē)的1軸、4軸抱死故障，如圖4所示。TC02車(chē)1軸、4軸抱死情況如圖5所示。

圖4 制動(dòng)控制單元BCU軸抱死檢測(cè)信息

圖5 TC02車(chē)1、4軸輪對(duì)擦傷情況

根據(jù)EC01車(chē)數(shù)據(jù)記錄分析(如圖6)，在司機(jī)施加4級(jí)制動(dòng)后，EC01車(chē)的電制動(dòng)防滑控制激活，電制動(dòng)的實(shí)際值與真實(shí)值存在較大差異。

當(dāng)司機(jī)施加7級(jí)制動(dòng)后，EC01車(chē)的電制動(dòng)從6:01:28時(shí)刻開(kāi)始至6:01:37時(shí)刻持續(xù)為零，說(shuō)明在此區(qū)間內(nèi)的輪軌黏著條件極差。

6:01:37時(shí)刻EC01車(chē)的實(shí)際電制動(dòng)力開(kāi)始部分恢復(fù)，并出現(xiàn)反復(fù)減載至零的情況，說(shuō)明在列車(chē)施加制動(dòng)過(guò)程中電制動(dòng)防滑持續(xù)起作用，各軸速度防滑控制十分有效。

圖6 EC01車(chē)信號(hào)數(shù)據(jù)

根據(jù)TC02車(chē)數(shù)據(jù)記錄分析(如圖7)，當(dāng)司機(jī)施加4級(jí)制動(dòng)時(shí)，由于TC02車(chē)3軸為速度參考軸，不施加空氣制動(dòng)，僅1軸、2軸、4軸施加空氣制動(dòng)且出現(xiàn)了滑行，BCU立刻激活防滑控制且有效。

隨后司機(jī)制動(dòng)手柄置于最大常用制動(dòng)位，1軸、2軸、4各軸在防滑控制的作用下經(jīng)歷了一次減速度控制的過(guò)程，且各軸軸速恢復(fù)較好，此期間說(shuō)明各軸的防滑控制有效，防滑閥動(dòng)作正常。

但是接下來(lái)1軸的速度急劇下降，減速度始終持續(xù)增加， 在06:01:48時(shí)刻1軸報(bào)軸抱死故障，列車(chē)觸發(fā)最大常用制動(dòng)，在6:01:40時(shí)刻4軸的減速度急劇增加，在06:01:53時(shí)刻4軸報(bào)軸抱死故障， 而1軸抱死后對(duì)黏著條件產(chǎn)生改善，使2軸的軸速恢復(fù)至車(chē)輛參考速度。

圖7 TC02車(chē)軸抱死故障信號(hào)數(shù)據(jù)

由于EC01車(chē)在防滑控制時(shí)電制動(dòng)減少的程度很大，持續(xù)減載至零，并沒(méi)有充分控制滑移率改善輪軌間黏著，而TC02車(chē)作為拖車(chē)僅施加空氣制動(dòng)，在極低黏著條件下，制動(dòng)系統(tǒng)為保證制動(dòng)距離要求，不能一直減少制動(dòng)力而使制動(dòng)距離超出安全范圍而產(chǎn)生了擦輪事故。

2 故障動(dòng)車(chē)組防滑控制策略

2.1 空電復(fù)合制動(dòng)防滑控制接口

電制動(dòng)和空氣制動(dòng)防滑控制分別由牽引系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)。

在防滑控制接口中，TCU和BCU之間僅有BCU發(fā)送的 “電制動(dòng)減量百分比”信號(hào)，在TCU的防滑控制過(guò)程中電制動(dòng)的設(shè)定值保持不變， BCU在TCU防滑控制過(guò)程中不會(huì)更改電制動(dòng)力的設(shè)定值，也不會(huì)通過(guò)增加空氣制動(dòng)力來(lái)補(bǔ)充實(shí)際減少的電制動(dòng)力。

當(dāng)TCU防滑控制沒(méi)有有效的降低減速度值時(shí)，在BCU檢測(cè)到車(chē)軸減速度達(dá)到臨界值(例如：-1.6 m/s2)時(shí)，BCU將向TCU發(fā)送電制動(dòng)減量信號(hào)要求TCU減少電制動(dòng)力。

這種接口方式，對(duì)于防滑控制能力較強(qiáng)的牽引系統(tǒng)是可以滿(mǎn)足一般的防滑控制要求的，但是對(duì)于極端低黏著條件，TCU如果不能有效的進(jìn)行防滑控制將會(huì)產(chǎn)生輪對(duì)擦傷的問(wèn)題，同樣如果TCU減少的電制動(dòng)力過(guò)快，也會(huì)對(duì)BCU的空氣制動(dòng)防滑產(chǎn)生較高的要求，因此空電復(fù)合制動(dòng)的防滑策略的合理性至關(guān)重要。

2.2 電制動(dòng)防滑控制策略

牽引控制單元TCU在進(jìn)行電制動(dòng)防滑控制時(shí)，通過(guò)安裝在牽引電機(jī)上的速度傳感器，對(duì)輪對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)速度進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)通過(guò)速度差或減速度達(dá)到控制臨界值時(shí)，則通過(guò)迅速減少4個(gè)軸電制動(dòng)力來(lái)滿(mǎn)足黏著力要求，防止車(chē)輪滑行，改善和充分利用輪軌的黏著狀態(tài)。在黏著恢復(fù)以后，根據(jù)不同的情況保持或增加制動(dòng)力。

(1)速度差判據(jù)

在常用制動(dòng)過(guò)程中，TCU通過(guò)網(wǎng)絡(luò)獲得參考隔離軸速度，當(dāng)車(chē)輪的速度低于參考隔離軸速度達(dá)到一設(shè)定值時(shí)，就判斷為滑行。速度差控制最長(zhǎng)控制時(shí)間為4 s。

(2)減速度判據(jù)

減速度檢測(cè)是根據(jù)車(chē)輪本身轉(zhuǎn)動(dòng)速度計(jì)算出車(chē)輛減速度，并與最大允許減速度進(jìn)行比較來(lái)判斷該軸是否滑行。在減速度防滑控制時(shí)，如果車(chē)軸出現(xiàn)滑行時(shí)的減速度沒(méi)有超過(guò)臨界值且不進(jìn)行速度差檢測(cè)時(shí)，無(wú)法檢測(cè)到滑行而容易出現(xiàn)非滑行狀態(tài)的誤判。

2.3 空氣制動(dòng)防滑控制策略

每個(gè)車(chē)的制動(dòng)控制單元BCU通過(guò)接收來(lái)自每個(gè)軸的速度傳感器檢測(cè)的速度信號(hào)，對(duì)每個(gè)軸的速度和減速度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防滑控制裝置利用采集到的速度傳感器信息，計(jì)算速度、減速度，并結(jié)合相應(yīng)判據(jù)進(jìn)行防滑控制。

防滑控制模塊主要有速度、減速度計(jì)算、參考速度計(jì)算、滑行判斷、防滑控制、防滑閥輸出超時(shí)保護(hù)等功能。防滑控制裝置基本功能原理如圖8所示。

圖8 空氣制動(dòng)防滑控制裝置基本功能原理

3 其他車(chē)型空電復(fù)合制動(dòng)防滑控制接口

根據(jù)牽引系統(tǒng)的控制能力和制造商的技術(shù)基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)，不同車(chē)型的牽引系統(tǒng)會(huì)根據(jù)不同的制造商采用不同的防滑控制接口協(xié)議。

以另一種車(chē)型為例：

牽引控制單元TCU不進(jìn)行電制動(dòng)防滑控制，而是由制動(dòng)控制單元BCU來(lái)進(jìn)行電制動(dòng)的防滑控制，同樣BCU與TCU之間通過(guò)“電制動(dòng)減量百分比”信號(hào)來(lái)對(duì)電制動(dòng)輕度滑行進(jìn)行減量控制。

當(dāng)電制動(dòng)進(jìn)入到深度滑行時(shí)(速度差或減速度達(dá)到臨界值)，BCU通過(guò)切除電制動(dòng)信號(hào)將電制動(dòng)進(jìn)行切除，通過(guò)純空氣制動(dòng)來(lái)代替電制動(dòng)，通過(guò)空氣制動(dòng)的防滑控制來(lái)防止擦輪，這樣的好處是減少了電制動(dòng)與空氣制動(dòng)各自進(jìn)行防滑控制時(shí)的相互干擾，但是也存在BCU進(jìn)行輕度電制動(dòng)防滑時(shí)比較牽引系統(tǒng)本身判斷滑行和滑行控制的靈敏度有所不足。

4 故障動(dòng)車(chē)組空電復(fù)合防滑協(xié)同接口優(yōu)化方案

根據(jù)考慮故障車(chē)的特點(diǎn)以及其他車(chē)型的接口關(guān)系，對(duì)于故障車(chē)的電制動(dòng)防滑控制策略以及接口定義進(jìn)行優(yōu)化，具體內(nèi)容如下：

(1)將速度差控制的時(shí)間由4 s改為45 s；

速度差控制可精確獲悉車(chē)輪的滑行狀態(tài)以及速度差值，避免了減速度控制模式下的不精確性。

(2)當(dāng)檢測(cè)到軸速度偏差超過(guò)規(guī)定值(圖9所示)，TCU將100%切除電制動(dòng)，切除電制動(dòng)后，若速度差小于圖中曲線(xiàn)，則電制動(dòng)力自動(dòng)恢復(fù)，盡可能保留電制動(dòng)力。若45s內(nèi)速度差持續(xù)大于圖中曲線(xiàn)，TCU 防滑控制將轉(zhuǎn)換為減速度防滑控制。

圖9 軸速度差控制曲線(xiàn)

(3)增加自動(dòng)撒沙控制功能，及時(shí)改善黏著防止因防滑控制超時(shí)封鎖導(dǎo)致的軸抱死：

①當(dāng)TCU檢測(cè)到輕度滑行時(shí)，則向BCU發(fā)送輕度滑行信號(hào)，BCU則控制本車(chē)撒沙裝置進(jìn)行撒沙，最長(zhǎng)撒沙時(shí)間為10 s；

②當(dāng)TCU檢測(cè)到重度滑行時(shí)，則向BCU發(fā)送重度滑行信號(hào)，BCU則控制本車(chē)撒沙裝置進(jìn)行撒沙，最長(zhǎng)撒沙時(shí)間為20 s；

③當(dāng)BCU檢測(cè)到空氣制動(dòng)滑行達(dá)到深度滑行時(shí)，則控制本車(chē)撒沙裝置進(jìn)行撒沙，最長(zhǎng)撒沙時(shí)間為20 s。

5 優(yōu)化方案試驗(yàn)

(1)為驗(yàn)證接口優(yōu)化方案后的實(shí)際效果，選取了一列動(dòng)車(chē)組作為試驗(yàn)車(chē)進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)噴灑減摩液的設(shè)備分別安裝在1車(chē)的一位轉(zhuǎn)向架的1軸和二位轉(zhuǎn)向架的3軸，具體如圖10所示。

(2)試驗(yàn)結(jié)果如下：

①如圖11所示，制動(dòng)初速度220 km/h施加4級(jí)常用制動(dòng)，1車(chē)制動(dòng)力均由再生制動(dòng)力承擔(dān)。試驗(yàn)過(guò)程中1車(chē)各軸均出現(xiàn)滑行，TCU通過(guò)再生制動(dòng)力的調(diào)節(jié)使滑行軸的速度得以控制，最大軸速度差約12 km/h。當(dāng)列車(chē)速度約66 km/h時(shí)，TCU短暫切除了本車(chē)的再生制動(dòng)，此時(shí)空氣制動(dòng)未補(bǔ)充，軸速度得以迅速恢復(fù)。此時(shí)最大軸速度差約12 km/h，對(duì)照?qǐng)D9軸速度差控制曲線(xiàn)，該速度下當(dāng)單軸速度差超過(guò)約14 km/h時(shí)切除本車(chē)牽引，基本符合滑行時(shí)牽引切除條件。當(dāng)軸速度恢復(fù)后，再生制動(dòng)力恢復(fù)。

圖10 減摩液噴灑設(shè)備

圖11 制動(dòng)初速度220 km/h4級(jí)常用制動(dòng)防滑試驗(yàn)

②如圖12所示，制動(dòng)初速度300 km/h施加3級(jí)常用制動(dòng)防滑試驗(yàn)，1車(chē)制動(dòng)力均由再生制動(dòng)力承擔(dān)。試驗(yàn)過(guò)程中1車(chē)各軸均出現(xiàn)滑行，TCU通過(guò)再生制動(dòng)力的調(diào)節(jié)使滑行軸的速度控制和恢復(fù)。試驗(yàn)過(guò)程中1車(chē)4個(gè)軸速度與列車(chē)速度的速度差不超過(guò)圖9中黃色曲線(xiàn)對(duì)應(yīng)列車(chē)速度的速度差，從圖中v-12曲線(xiàn)可見(jiàn)，最大軸速度差約12 km/h。

圖12 制動(dòng)初速度300 km/h施加3級(jí)常用制動(dòng)防滑試驗(yàn)

③如圖13所示，制動(dòng)初速度300 km/h施加緊急制動(dòng)防滑試驗(yàn)，1車(chē)制動(dòng)力由空氣制動(dòng)和再生制動(dòng)力共同承擔(dān)。試驗(yàn)過(guò)程中1車(chē)各軸均出現(xiàn)滑行，通過(guò)調(diào)節(jié)再生制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力，使滑行軸的速度得以控制和恢復(fù)。當(dāng)列車(chē)速度低于80 km/h時(shí)切除再生制動(dòng)力。試驗(yàn)過(guò)程中軸速度差最大約25 km/h。本次緊急制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，制動(dòng)初速度為299.7 km/h，制動(dòng)距離為3 210.5 m。

圖13 制動(dòng)初速度300 km/h緊急制動(dòng)防滑試驗(yàn)

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性和安全性，試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)的1車(chē)制動(dòng)力能根據(jù)軌面狀態(tài)變化進(jìn)行調(diào)整，再生制動(dòng)時(shí)，TCU通過(guò)對(duì)再生制動(dòng)力的調(diào)節(jié)，使滑行軸的軸速度得以控制和恢復(fù)；復(fù)合制動(dòng)時(shí)，通過(guò)再生制動(dòng)和空氣制動(dòng)力的調(diào)節(jié)，滑行軸的軸速度得以控制和恢復(fù)，試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)車(chē)輪踏面因滑行而導(dǎo)致的擦傷，說(shuō)明空電復(fù)合制動(dòng)，電制動(dòng)和空氣制動(dòng)防滑控制協(xié)同策略有效。