自動(dòng)運(yùn)行模式下城際軌道交通列車(chē)進(jìn)站滑行沖標(biāo)分析

陳 旭

(交控科技股份有限公司， 100070， 北京∥工程師)

城際軌道交通列車(chē)大多運(yùn)行在高架線路上，其最高運(yùn)行速度可達(dá)100～120 km/h。若城際軌道交通線路周邊的環(huán)境條件惡劣，開(kāi)放的軌道運(yùn)行環(huán)境容易造成輪軌間黏著的降低，給列車(chē)的高速運(yùn)行帶來(lái)安全風(fēng)險(xiǎn)。本文針對(duì)某城際軌道交通列車(chē)(最高運(yùn)行速度為120 km/h)在ATO(列車(chē)自動(dòng)運(yùn)行)模式下進(jìn)站時(shí)發(fā)生滑行并沖出站臺(tái)的現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)分析，找出發(fā)生該問(wèn)題的根本原因，并提出相應(yīng)的建議措施。

1 列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)配置

案例列車(chē)為3節(jié)編組，采用CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))單元，配置架空制動(dòng)系統(tǒng)。如圖1所示，在列車(chē)兩端2節(jié)車(chē)輛的第1個(gè)轉(zhuǎn)向架上配置網(wǎng)關(guān)閥，其余轉(zhuǎn)向架上配置智能閥，在每根車(chē)軸配置1個(gè)速度傳感器。網(wǎng)關(guān)閥之間通過(guò)列車(chē)總線連接，并與車(chē)輛網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信；網(wǎng)關(guān)閥與智能閥、智能閥與智能閥之間用CAN 總線互相連接。

圖1 列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)CAN單元配置示意圖Fig.1 Schematic diagram of train braking system CAN unit configuration

當(dāng)列車(chē)處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，如果施加在車(chē)輪上的制動(dòng)力大于輪軌間黏著所能承受的最大力，車(chē)輪將會(huì)滑行。此時(shí)可通過(guò)滑行軸與參考軸的速度差或滑行軸的減速度大小來(lái)判斷列車(chē)是否已處于滑行狀態(tài)，并據(jù)此決定列車(chē)的空氣制動(dòng)防滑保護(hù)是否需要被激活。

案例列車(chē)采用EP2002制動(dòng)系統(tǒng)。該制動(dòng)系統(tǒng)防滑保護(hù)控制的邏輯是：當(dāng)車(chē)輪處于滑行狀態(tài)時(shí)，如果能將滑行軸的速度和參考軸的速度差控制在一定的合理區(qū)間內(nèi)，空氣制動(dòng)力可以充分利用輪軌間的黏著。同時(shí)，該車(chē)輪防滑保護(hù)系統(tǒng)擁有防滑硬件監(jiān)控計(jì)時(shí)器，具備監(jiān)管防滑軟件動(dòng)作的功能，此計(jì)時(shí)器可以防止排氣閥長(zhǎng)時(shí)間排氣或保壓閥長(zhǎng)時(shí)間保持不動(dòng)作[1]。在正常情況下，僅需通過(guò)該防滑控制軟件就能完成防滑保護(hù)動(dòng)作。具體的防滑控制策略及評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)在文獻(xiàn)[2-5]中有詳細(xì)的闡述。

2 列車(chē)進(jìn)站滑行沖標(biāo)分析及建議措施

2.1 列車(chē)進(jìn)站時(shí)滑行沖標(biāo)問(wèn)題分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

本文針對(duì)案例列車(chē)在露天高架線路且有小雨條件下，以ATO模式進(jìn)站時(shí)產(chǎn)生滑行并沖出站臺(tái)區(qū)域的現(xiàn)象(本現(xiàn)象只有1個(gè)固定站臺(tái)上出現(xiàn))進(jìn)行分析，以找出列車(chē)滑行的根本原因。

小雨天氣下軌道潮濕，由此造成輪軌間黏著系數(shù)降低。當(dāng)施加的制動(dòng)力大于實(shí)際低黏著能承受的最大制動(dòng)力時(shí)，列車(chē)發(fā)生滑行并觸發(fā)防滑保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作。相關(guān)系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)顯示：在啟動(dòng)防滑控制約20 s后列車(chē)開(kāi)始嚴(yán)重滑行，造成滑行軸的軸速度和列車(chē)速度不匹配，進(jìn)而導(dǎo)致ATO系統(tǒng)的OPG(里程脈沖發(fā)生器)采集到的公里數(shù)據(jù)與列車(chē)?yán)走_(dá)采集到的公里數(shù)據(jù)不一致，由此，ATO系統(tǒng)據(jù)此判定列車(chē)位置丟失，并觸發(fā)緊急制動(dòng)。列車(chē)在緊急制動(dòng)作用下停車(chē)，而在低黏著條件下施加更大的制動(dòng)力(即緊急制動(dòng)力)必然導(dǎo)致制動(dòng)距離的加大，最終導(dǎo)致列車(chē)沖出站臺(tái)約20 m。

由列車(chē)運(yùn)行記錄數(shù)據(jù)和信號(hào)系統(tǒng)中記錄的列車(chē)運(yùn)行數(shù)據(jù)可知，列車(chē)通常在進(jìn)站前300 m左右、速度約為90 km/h時(shí)開(kāi)始制動(dòng)，由此可計(jì)算出此時(shí)列車(chē)需要施加1.152 m/s2的等效減速度，方可滿足進(jìn)站停車(chē)需求。而本項(xiàng)目在設(shè)計(jì)之初確定的100%制動(dòng)級(jí)位的全常用制動(dòng)等效減速度為1.090 m/s2，列車(chē)在到站前300 m開(kāi)始制動(dòng)，其所施加的制動(dòng)力已經(jīng)超過(guò)列車(chē)全常用制動(dòng)能力范圍，因此在輪軌間低黏著時(shí)必然會(huì)發(fā)生滑行現(xiàn)象。

通過(guò)上述分析，將列車(chē)進(jìn)站前由ATO模式轉(zhuǎn)為司機(jī)手動(dòng)駕駛，并進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證。試驗(yàn)過(guò)程中記錄的相關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。

2.2 車(chē)輪擦傷歸因分析

針對(duì)上述司機(jī)手動(dòng)駕駛列車(chē)進(jìn)站時(shí)在部分試驗(yàn)中出現(xiàn)的車(chē)輪擦傷現(xiàn)象(見(jiàn)圖2)進(jìn)行詳細(xì)分析，同時(shí)查看EVR(事件記錄儀)相關(guān)數(shù)據(jù)記錄，找出具體原因。

基于上述分析過(guò)程，ATO模式轉(zhuǎn)為手動(dòng)駕駛模式后，制動(dòng)系統(tǒng)記錄的數(shù)據(jù)顯示在列車(chē)滑行過(guò)程中滑行軸和參考軸速度差在約5 s時(shí)間內(nèi)越來(lái)越大，防滑保護(hù)系統(tǒng)由此及時(shí)控制各軸的制動(dòng)缸壓力[1]。此過(guò)程中，制動(dòng)缸壓力已經(jīng)排空，但是滑行軸軸速依然未能恢復(fù)到參考軸軸速的控制范圍內(nèi)。如圖3所示，防滑過(guò)程中某些軸制動(dòng)缸壓力為0的時(shí)間超過(guò)了4 s(即出現(xiàn)防滑超時(shí))，對(duì)應(yīng)軸的軸速亦未恢復(fù)到列車(chē)參考軸速度的控制范圍內(nèi)。為了確保行車(chē)安全，需要切除軟件防滑功能并開(kāi)始施加制動(dòng)力，而此時(shí)輪軌黏著仍處于較低水平，在施加制動(dòng)力后滑行軸的軸速急劇降到0，個(gè)別輪對(duì)出現(xiàn)抱死的狀態(tài)(即軸速為0且有制動(dòng)力施加)。但是此時(shí)列車(chē)依舊有一定的運(yùn)行速度，滑行軸車(chē)輪輪周就不可避免地在軌道面上平移滑動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致車(chē)輪踏面擦傷[7-8]。由此可知，上述車(chē)輪擦傷是滑行軸防滑動(dòng)作超時(shí)后引起的常規(guī)現(xiàn)象。

表1 手動(dòng)駕駛模式下列車(chē)進(jìn)站的試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.1 Test Data during train entering station in manual driving mode

a) 左側(cè)車(chē)輪擦傷

b) 右側(cè)車(chē)輪擦傷圖2 列車(chē)在手動(dòng)駕駛模式下進(jìn)站時(shí)發(fā)生車(chē)輪擦傷Fig.2 Wheel abrasion occurred upon train entering station in manual driving mode

綜上所述，在有毛毛細(xì)雨或雨霧等天氣條件不好的情況下列車(chē)就會(huì)出現(xiàn)滑行，繼而產(chǎn)生軸速度與列車(chē)速度的差異。按照信號(hào)ATP設(shè)計(jì)邏輯，此時(shí)應(yīng)施加緊急制動(dòng)。在防滑保護(hù)系統(tǒng)動(dòng)作過(guò)程中，變化的軸速度與列車(chē)速度之間存在較大差距是正常的。而對(duì)于列車(chē)在ATP 保護(hù)模式下因防滑動(dòng)作導(dǎo)致緊急制動(dòng)的情況，需要信號(hào)系統(tǒng)重新評(píng)估其設(shè)計(jì)的初始邏輯是否合適。

圖3 車(chē)輪踏面擦傷時(shí)EVR記錄數(shù)據(jù)界面截圖

2.3 建議的整改措施

1) 目前出現(xiàn)滑行及沖標(biāo)集中在1個(gè)站點(diǎn)，列車(chē)在此站點(diǎn)存在請(qǐng)求制動(dòng)施加時(shí)間點(diǎn)偏晚或需求制動(dòng)減速度偏大的情況。ATO 系統(tǒng)在進(jìn)行列車(chē)進(jìn)站停車(chē)計(jì)算時(shí)沒(méi)有考慮列車(chē)出現(xiàn)滑行(即實(shí)際列車(chē)減速度相對(duì)于期望值偏低)的情況，因此發(fā)生列車(chē)進(jìn)站沖標(biāo)現(xiàn)象。需要信號(hào)系統(tǒng)將該站點(diǎn)與其他站點(diǎn)在進(jìn)站停車(chē)過(guò)程的制動(dòng)級(jí)位差異進(jìn)行對(duì)比，并適當(dāng)調(diào)整該站點(diǎn)的停車(chē)控制速度曲線。

2) 從目前情況及其他項(xiàng)目的經(jīng)驗(yàn)看，如果ATO 設(shè)計(jì)或者實(shí)際運(yùn)行時(shí)期望列車(chē)以較高的制動(dòng)減速度進(jìn)站停車(chē)，在輪軌黏著受到天氣影響不能提供其所要求的制動(dòng)減速度時(shí)，列車(chē)就會(huì)出現(xiàn)滑行甚至沖標(biāo)。此外，若列車(chē)在低黏著條件下發(fā)生嚴(yán)重打滑，此時(shí)再請(qǐng)求大極位的制動(dòng)需求(如緊急制動(dòng))，并不能使列車(chē)在有效距離內(nèi)停車(chē)。因此，露天線路在軌道條件不好時(shí)(如受雨、雪、霜、霧等天氣影響)，如果不能改變輪軌黏著狀態(tài)，則建議采取人工駕駛、限速運(yùn)行、進(jìn)站前施加小制動(dòng)級(jí)位(即提前制動(dòng))等措施[9-10]來(lái)滿足列車(chē)運(yùn)行要求。

3 結(jié)語(yǔ)

軌道交通車(chē)輛在制動(dòng)過(guò)程中出現(xiàn)滑行屬正常情況，滑行時(shí)有專門(mén)的防滑保護(hù)系統(tǒng)進(jìn)行控制，以確保列車(chē)運(yùn)行安全。但是如果在低黏著條件下，在防滑控制超時(shí)后就有發(fā)生車(chē)輪擦傷的風(fēng)險(xiǎn)。本文對(duì)于某城際軌道交通列車(chē)在雨天運(yùn)行進(jìn)站停車(chē)時(shí)滑行沖出站臺(tái)區(qū)域的現(xiàn)象進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)提出的相關(guān)建議進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。在輪軌黏著較差的情況下，列車(chē)沖標(biāo)現(xiàn)象依舊發(fā)生，且偶有車(chē)輪擦傷現(xiàn)象發(fā)生。針對(duì)上述現(xiàn)象，建議信號(hào)系統(tǒng)優(yōu)化其控制策略或運(yùn)營(yíng)部門(mén)調(diào)整運(yùn)營(yíng)圖，使列車(chē)能夠在頻繁發(fā)生滑行的站點(diǎn)提前實(shí)施小級(jí)位制動(dòng)。