祝漢燕， 亢 磊， 李 松， 張笑凡， 邢 宇， 王學文， 喬 峰

(中車長春軌道客車股份有限公司， 長春 130062)

目前高速動車組及城際動車組為減少摩擦制動的消耗在進行常用制動時多采用空電復合的制動模式，部分高速動車組列車在緊急制動時也同樣采取空電復合的制動模式。由于電制動的施加是通過牽引控制單元TCU來實現(xiàn)的，空氣制動的施加是通過制動控制單元BCU來實現(xiàn)的，這就對高速動車組和城際動車組在制動過程中，在輪軌低黏著條件下電制動與空氣制動防滑控制配合提出了較高的要求。從動車組實際運用過程中擦輪事故入手，通過數(shù)據(jù)分析，研究和總結(jié)了在線路低黏著條件下電制動防滑與空氣制動防滑協(xié)同作用的策略、建議和優(yōu)化方案，并通過防滑試驗進行了檢驗測試。

1 擦輪事故概述及分析

1.1 例1列車擦輪事故

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車組例1列車，EC08車為主控端，列車運行過程中司機施加制動調(diào)速，發(fā)生故障經(jīng)過如表1所示。

表1 例1列車擦輪事故故障經(jīng)過

經(jīng)過調(diào)查，除了牽引控制單元TCU檢測出軸抱死故障，制動控制單元BCU同樣檢測出EC08車1軸和2軸抱死故障，具體故障信息如圖1所示。

圖1 制動控制單元BCU軸抱死檢測

通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，EC08車的1軸和2軸出現(xiàn)了不同程度的輪對擦傷，具體擦傷情況如圖2所示。

根據(jù)列車數(shù)據(jù)記錄分析(如圖3)，在起初的4 s過程中，單軸的速度跟隨列車速度是一起變化的。在這期間，檢測單個軸的速度和列車參考軸速比較進行防滑控制，由于存在相應的速度偏差，TCU根據(jù)速度差程度顯著降低了牽引力實際值。

大量的電制動力降低，使得TCU激活了一個內(nèi)部驗證以檢測參考速度的真實性，由于低的實際制動力超過4 s的時間，參考速度信號被認為是不可靠的，于是4 s 后防滑控制模式切換至減速度監(jiān)控。

當減速度達到閾值時，BCU通過減少電制動力信號3次要求電制動力減少93%，但是BCU的減少指令并沒有持續(xù)，且TCU自身防滑控制的電制動力沒有減至零。司機在制動過程中曾經(jīng)減少過手柄級位，車軸速度有所回升，但是隨后司機又增加了制動級位，這時4個軸同時抱死速度為零，此時電制動無法施加，牽引系統(tǒng)將電制動設(shè)定值置為零且一直保持，空氣制動進行了補充，經(jīng)過20 s時間后司機又將手柄進行逐級緩解至緩解位，3軸、4軸的速度有明顯回升并達到正常，2軸也有所回升，但是這時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，導致CCU強制施加最大常用制動，空氣制動力上升，此時2軸速度急劇下降隨后也被檢測出抱死，最終導致1軸、2軸的嚴重擦傷。

圖2 EC08車1、2軸輪對擦傷情況

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一步的減速導致擦輪。

圖3 例1列車擦輪事故數(shù)據(jù)分析

1.2 例2列車擦輪事故

2015年11月某日凌晨，天氣情況為小雨，外界溫度2 ℃，配屬濟南鐵路局高速動車組擔當例2列車，EC01車為主控端。動車組運行至棗莊至徐州東站區(qū)間時，司機施加制動調(diào)速，發(fā)生故障經(jīng)過如表2所示。

表2 例2列車擦輪事故故障經(jīng)過

BCU的防滑及軸抱死DNRA檢測系統(tǒng)同時檢測出TC02車的1軸、4軸抱死故障，如圖4所示。TC02車1軸、4軸抱死情況如圖5所示。

圖4 制動控制單元BCU軸抱死檢測信息

圖5 TC02車1、4軸輪對擦傷情況

根據(jù)EC01車數(shù)據(jù)記錄分析(如圖6)，在司機施加4級制動后，EC01車的電制動防滑控制激活，電制動的實際值與真實值存在較大差異。

當司機施加7級制動后，EC01車的電制動從6:01:28時刻開始至6:01:37時刻持續(xù)為零，說明在此區(qū)間內(nèi)的輪軌黏著條件極差。

6:01:37時刻EC01車的實際電制動力開始部分恢復，并出現(xiàn)反復減載至零的情況，說明在列車施加制動過程中電制動防滑持續(xù)起作用，各軸速度防滑控制十分有效。

圖6 EC01車信號數(shù)據(jù)

根據(jù)TC02車數(shù)據(jù)記錄分析(如圖7)，當司機施加4級制動時，由于TC02車3軸為速度參考軸，不施加空氣制動，僅1軸、2軸、4軸施加空氣制動且出現(xiàn)了滑行，BCU立刻激活防滑控制且有效。

隨后司機制動手柄置于最大常用制動位，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程，且各軸軸速恢復較好，此期間說明各軸的防滑控制有效，防滑閥動作正常。

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

圖7 TC02車軸抱死故障信號數(shù)據(jù)

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

2 故障動車組防滑控制策略

2.1 空電復合制動防滑控制接口

電制動和空氣制動防滑控制分別由牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)負責。

在防滑控制接口中，TCU和BCU之間僅有BCU發(fā)送的 “電制動減量百分比”信號，在TCU的防滑控制過程中電制動的設(shè)定值保持不變， BCU在TCU防滑控制過程中不會更改電制動力的設(shè)定值，也不會通過增加空氣制動力來補充實際減少的電制動力。

當TCU防滑控制沒有有效的降低減速度值時，在BCU檢測到車軸減速度達到臨界值(例如：-1.6 m/s2)時，BCU將向TCU發(fā)送電制動減量信號要求TCU減少電制動力。

這種接口方式，對于防滑控制能力較強的牽引系統(tǒng)是可以滿足一般的防滑控制要求的，但是對于極端低黏著條件，TCU如果不能有效的進行防滑控制將會產(chǎn)生輪對擦傷的問題，同樣如果TCU減少的電制動力過快，也會對BCU的空氣制動防滑產(chǎn)生較高的要求，因此空電復合制動的防滑策略的合理性至關(guān)重要。

2.2 電制動防滑控制策略

牽引控制單元TCU在進行電制動防滑控制時，通過安裝在牽引電機上的速度傳感器，對輪對轉(zhuǎn)動速度進行檢測，當通過速度差或減速度達到控制臨界值時，則通過迅速減少4個軸電制動力來滿足黏著力要求，防止車輪滑行，改善和充分利用輪軌的黏著狀態(tài)。在黏著恢復以后，根據(jù)不同的情況保持或增加制動力。

(1)速度差判據(jù)

在常用制動過程中，TCU通過網(wǎng)絡(luò)獲得參考隔離軸速度，當車輪的速度低于參考隔離軸速度達到一設(shè)定值時，就判斷為滑行。速度差控制最長控制時間為4 s。

(2)減速度判據(jù)

減速度檢測是根據(jù)車輪本身轉(zhuǎn)動速度計算出車輛減速度，并與最大允許減速度進行比較來判斷該軸是否滑行。在減速度防滑控制時，如果車軸出現(xiàn)滑行時的減速度沒有超過臨界值且不進行速度差檢測時，無法檢測到滑行而容易出現(xiàn)非滑行狀態(tài)的誤判。

2.3 空氣制動防滑控制策略

每個車的制動控制單元BCU通過接收來自每個軸的速度傳感器檢測的速度信號，對每個軸的速度和減速度進行監(jiān)測，防滑控制裝置利用采集到的速度傳感器信息，計算速度、減速度，并結(jié)合相應判據(jù)進行防滑控制。

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

圖8 空氣制動防滑控制裝置基本功能原理

3 其他車型空電復合制動防滑控制接口

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，不同車型的牽引系統(tǒng)會根據(jù)不同的制造商采用不同的防滑控制接口協(xié)議。

以另一種車型為例：

牽引控制單元TCU不進行電制動防滑控制，而是由制動控制單元BCU來進行電制動的防滑控制，同樣BCU與TCU之間通過“電制動減量百分比”信號來對電制動輕度滑行進行減量控制。

當電制動進入到深度滑行時(速度差或減速度達到臨界值)，BCU通過切除電制動信號將電制動進行切除，通過純空氣制動來代替電制動，通過空氣制動的防滑控制來防止擦輪，這樣的好處是減少了電制動與空氣制動各自進行防滑控制時的相互干擾，但是也存在BCU進行輕度電制動防滑時比較牽引系統(tǒng)本身判斷滑行和滑行控制的靈敏度有所不足。

4 故障動車組空電復合防滑協(xié)同接口優(yōu)化方案

根據(jù)考慮故障車的特點以及其他車型的接口關(guān)系，對于故障車的電制動防滑控制策略以及接口定義進行優(yōu)化，具體內(nèi)容如下：

(1)將速度差控制的時間由4 s改為45 s；

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

(2)當檢測到軸速度偏差超過規(guī)定值(圖9所示)，TCU將100%切除電制動，切除電制動后，若速度差小于圖中曲線，則電制動力自動恢復，盡可能保留電制動力。若45s內(nèi)速度差持續(xù)大于圖中曲線，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

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

①當TCU檢測到輕度滑行時，則向BCU發(fā)送輕度滑行信號，BCU則控制本車撒沙裝置進行撒沙，最長撒沙時間為10 s；

②當TCU檢測到重度滑行時，則向BCU發(fā)送重度滑行信號，BCU則控制本車撒沙裝置進行撒沙，最長撒沙時間為20 s；

③當BCU檢測到空氣制動滑行達到深度滑行時，則控制本車撒沙裝置進行撒沙，最長撒沙時間為20 s。

5 優(yōu)化方案試驗

(1)為驗證接口優(yōu)化方案后的實際效果，選取了一列動車組作為試驗車進行試驗，試驗噴灑減摩液的設(shè)備分別安裝在1車的一位轉(zhuǎn)向架的1軸和二位轉(zhuǎn)向架的3軸，具體如圖10所示。

(2)試驗結(jié)果如下：

①如圖11所示，制動初速度220 km/h施加4級常用制動，1車制動力均由再生制動力承擔。試驗過程中1車各軸均出現(xiàn)滑行，TCU通過再生制動力的調(diào)節(jié)使滑行軸的速度得以控制，最大軸速度差約12 km/h。當列車速度約66 km/h時，TCU短暫切除了本車的再生制動，此時空氣制動未補充，軸速度得以迅速恢復。此時最大軸速度差約12 km/h，對照圖9軸速度差控制曲線，該速度下當單軸速度差超過約14 km/h時切除本車牽引，基本符合滑行時牽引切除條件。當軸速度恢復后，再生制動力恢復。

圖10 減摩液噴灑設(shè)備

圖11 制動初速度220 km/h4級常用制動防滑試驗

②如圖12所示，制動初速度300 km/h施加3級常用制動防滑試驗，1車制動力均由再生制動力承擔。試驗過程中1車各軸均出現(xiàn)滑行，TCU通過再生制動力的調(diào)節(jié)使滑行軸的速度控制和恢復。試驗過程中1車4個軸速度與列車速度的速度差不超過圖9中黃色曲線對應列車速度的速度差，從圖中v-12曲線可見，最大軸速度差約12 km/h。

圖12 制動初速度300 km/h施加3級常用制動防滑試驗

③如圖13所示，制動初速度300 km/h施加緊急制動防滑試驗，1車制動力由空氣制動和再生制動力共同承擔。試驗過程中1車各軸均出現(xiàn)滑行，通過調(diào)節(jié)再生制動力和空氣制動力，使滑行軸的速度得以控制和恢復。當列車速度低于80 km/h時切除再生制動力。試驗過程中軸速度差最大約25 km/h。本次緊急制動試驗時，制動初速度為299.7 km/h，制動距離為3 210.5 m。

圖13 制動初速度300 km/h緊急制動防滑試驗

6 結(jié)束語

通過試驗來驗證優(yōu)化方案的可行性和安全性，試驗中監(jiān)測的1車制動力能根據(jù)軌面狀態(tài)變化進行調(diào)整，再生制動時，TCU通過對再生制動力的調(diào)節(jié)，使滑行軸的軸速度得以控制和恢復；復合制動時，通過再生制動和空氣制動力的調(diào)節(jié)，滑行軸的軸速度得以控制和恢復，試驗中未發(fā)現(xiàn)車輪踏面因滑行而導致的擦傷，說明空電復合制動，電制動和空氣制動防滑控制協(xié)同策略有效。