某線路城軌列車制動系統控制邏輯優化

金劍峰

(中國中車股份有限公司 科技質量與信息化中心， 北京 100036)

相比于國內的高速鐵路，城軌列車的運行區間較短，啟停頻繁。為了提高運營的效率，縮短發車間隔，列車在運營過程中需要頻繁地進行牽引與制動控制，且在停車階段存在沖動較大的可能。列車出現沖動，一方面會影響乘客的舒適感體驗，另一方面存在乘客跌傷的風險[1]。本文將對某城軌列車停車階段產生沖動的原因進行分析，并針對沖動原因提出相應的解決措施。

1 研究背景

某地城軌列車在空載試運行階段，發現在ATO控車模式下停車階段沖動現象較為嚴重，試乘人員舒適體驗度較差。為了改善這一問題，對列車停車階段的相關參數及邏輯進行了測試，測試結果見圖1。

圖1 列車空載試運行測試結果

根據以上測試結果，得到以下結論：

(1) 列車速度下降到7 km/h時，整車電制動力需求值為397.9 kN，整車電制動力實際值為398.5 kN，不需要空氣制動補充，制動缸壓力為0，列車減速度為-1.13 m/s2。在列車速度為7 km/h時，電制動力請求值已經提前開始下降。

(2) 由于電制動力請求值是通過 MVB 網絡發送給 TCMS,再通過TCMS轉給TCU，TCU收到命令也需要響應時間，所以當列車速度下降到6 km/h時，整車電制動力實際值開始下降，此時列車減速度為-1.04 m/s2，制動缸壓力開始略微上升至14 kPa。然后BCU根據電制動力實際值下降情況，計算需要補充的空氣制動力。從BCU 計算出需要補充的空氣制動力到制動缸壓力開始響應需要一定時間，所以在接下來的速度下降過程中，制動缸壓力的上升會遲滯一定的空走時間，在空走時間里就會出現列車制動力丟失的現象。

(3) 列車速度下降到3.6 km/h時，整車電制動力下降到214 kN，整車空氣制動力需要補充183.8 kN，此時由于制動缸壓力還在上升且未達到預定值，制動力有一定的丟失。

(4) 列車速度下降到1.6 km/h時，電制動基本退完，此時空氣制動已經補充，且制動缸壓力還在繼續上升，從而出現減速度上漂到-1.36 m/s2的現象。

2 制動控制邏輯

列車所配置的制動系統為微機控制的電空制動系統，常用制動優先利用再生制動力，不足部分由空氣制動力補充。當所有動力轉向架的實際電制動力之和可以滿足單元內的制動力需求時，全部制動力由電制動承擔，不施加空氣制動。當實際電制動力不能滿足單元內的制動力需求時，單元內需要補充的制動力將平均分配到各輛車上，以空氣制動的形式進行補充，各車均受黏著極限限制[2]。

列車在停車制動過程中，空氣制動取代了電制動。整列車電空制動力在停車過程中的轉換過程見圖2。

圖2 列車停車過程中的電空制動配合

由圖2可知，電制動向空氣制動的過渡主要分為3個階段。

階段1：停車制動請求。制動系統根據每輛動車的電制動的能力值、列車的總制動力需求值以及每輛車的黏著來計算每輛動車的電制動力請求值，然后將該電制動力請求值發送給相應的動車牽引系統，牽引系統根據制動系統發送的電制動力請求值，反饋每輛動車的電制動力實際值，然后制動系統根據牽引系統的電制動力實際值計算空氣制動的補充量(點1)?？諝庵苿恿Σ粫R上施加，一個短暫延時后，空氣制動產生所需的制動力。向空氣制動過渡時不能帶有急?，F象。因此，響應時間和空氣制動力上升的斜率必須在列車的調試過程中予以確定(不得超過沖擊限制0.75 m/s3)，以減少電制動的過程與空氣制動(點2)的響應時間延時。

階段2：電制動向空氣制動的過渡。停車制動請求過后，BCU觸發空氣制動。電制動力降低的斜率和空氣制動力上升的斜率(點3)成正比。

階段3：停車前后的純空氣制動。停車之前，BCU減少了保持制動力(點5)。保持制動力的減少是為了減小沖動。BCU監測到列車速度為0后施加保持制動力，保持制動力為最大常用制動力的70%。保持制動力(點6)可避免出現溜車。

在低速電空轉換點的時候，制動系統會提前將電制動力請求值進行下降，但是空氣制動的補充量是按照電制動力實際值來計算的，所以只有當電制動力實際值開始下降的時候，制動系統才會補充空氣制動，此時由于空氣制動需要響應時間，從空氣制動補充命令發出到制動缸壓力上升需要一定的時間，所以在制動缸壓力未建立起來之前，整車的制動力會出現短暫的丟失，從而造成減速度的波動。

3 優化措施

為了解決當列車速度達到電空轉換點后，制動力先減小后增大，從而導致列車減速度出現波動的情況，將制動系統電空混合軟件的邏輯設置為進入電空轉換點Xkm/h后，空氣制動按照下降斜率0.75 m/s3提前補充空氣制動力以配合電制動力的下降，延遲Yms后電制動力請求值開始按照下降斜率0.75 m/s3下降，并結合信號運行，分別按照X=9 km/h，Y=400 ms,100%制動級位；X=9 km/h，Y=500 ms，100%制動級位；X=9 km/h，Y=200 ms，100%制動級位；X=9 km/h，Y=1 000 ms，100%制動級位；X=7 km/h，Y=300 ms，100%制動級位；X=7 km/h，Y=200 ms，100%制動級位共6種工況采集試驗數據。

(1) 工況1：X=9 km/h,Y=400 ms,100%制動級位。當列車速度下降到9 km/h 時，空氣制動力開始上升，0.45 s后(v=7.5 km/h)制動缸壓力開始上升，電制動力請求值在列車速度為7.5 km/h時開始按照下降斜率0.75 m/s3下降，電制動力實際值在列車速度為 6.5 km/h 時開始下降。工況1列車減速度曲線如圖3所示。

圖3 工況1列車減速度曲線

由圖3可知，工況1列車減速度在-1.16 ～-1.67 m/s2波動，總體呈現增大趨勢。

(2) 工況2：X=9 km/h,Y=500 ms,100%制動級位。當列車速度為9 km/h時，空氣制動力開始上升，0.42 s后(v=7.4 km/h)制動缸壓力開始上升，電制動力請求值在列車速度為7.2 km/h時開始按照下降斜率0.75 m/s3下降，電制動力實際值在列車速度為6.3 km/h時開始下降。工況2列車減速度曲線如圖4所示。

由圖4可知，工況2列車減速度在-1.23 ～-1.57 m/s2波動，總體呈現增大趨勢。

圖4 工況2列車減速度曲線

(3) 工況3：X=9 km/h,Y=200 ms,100%制動級位。當列車速度為9 km/h時，空氣制動力開始上升，0.51 s后(v=6.9 km/h)制動缸壓力開始上升，電制動力請求值在列車速度為8.2 km/h時開始按照下降斜率0.75m/s3下降，電制動力實際值在列車速度為7.2 km/h時開始下降。工況3列車減速度曲線如圖5所示。

圖5 工況3列車減速度曲線

由圖5可知，工況3列車減速度在-1.027 ～-1.68 m/s2波動，總體呈現增大趨勢。

(4) 工況4：X=9 km/h,Y=1 000 ms,100%制動級位。當列車速度為9 km/h時，空氣制動力開始上升，0.42 s后(v=7.03 km/h)制動缸壓力開始上升，電制動力請求值在列車速度為5.5 km/h時開始按照下降斜率0.75 m/s3下降，電制動力實際值在列車速度為3.8 km/h時開始下降。工況4列車減速度曲線如圖6所示。

圖6 工況4列車減速度曲線

由圖6可知，工況4列車減速度呈現先增大后減小趨勢。

(5) 工況5：X=7 km/h,Y=300 ms,100%制動級位。當列車速度為7 km/h時，空氣制動力開始上升，0.39 s 后(v=6.3 km/h)制動缸壓力開始上升，電制動力請求值在列車速度為6.2 km/h時開始按照下降斜率0.75 m/s3下降，電制動力實際值在列車速度為5.0 km/h時開始下降。工況5列車減速度曲線如圖7所示。

圖7 工況5列車減速度曲線

由圖7可知，工況5列車減速度在-1.2 ～-1.35 m/s2波動，變化相對平穩。

(6) 工況6：X=7 km/h,Y=200 ms,100%制動級位。當列車速度為7 km/h時，空氣制動力開始上升，0.39 s 后(v=6.05 km/h)制動缸壓力開始上升，電制動力請求值在列車速度為6.4 km/h時開始按照下降斜率0.75 m/s3下降，電制動力實際值在列車速度為5.0 km/h時開始下降。工況6列車減速度曲線如圖8所示。

由圖8可知，工況6列車減速度在-1.1～-1.35 m/s2波動，變化相對平穩。

圖8 工況6列車減速度曲線

表1為各工況下的具體試驗數據。

表1 各工況下試驗數據

根據以上試驗數據，制動級位在100%時，電空轉換點速度為7 km/h，延遲300 ms(200 ms)后電制動力請求值開始下降,減速度相對比較平穩。關于電空轉換點速度的設置，若速度設置較大，會造成停車過程中電制動力和空氣制動力疊加過大，導致停車時出現較大的減速度?？諝庵苿拥目兆邥r間約為0.4 s，200～300 ms的電制動退出延時，能夠保證在電制動開始退出后，空氣制動力已經開始上升，避免在電空轉換階段出現制動力丟失的情況從而造成停車階段列車沖動。因此將該條線路制動控制邏輯修改為在列車速度為7 km/h時進入電空轉換階段，延遲200 ms后電制動開始按照下降斜率0.75 m/s3退出。

4 結論

通過對該地城軌列車空氣制動控制邏輯的研究，針對空氣制動具有一定空走時間的特性，通過將電空轉換點提前并且延遲電制動退出的方法，使得列車停車階段的電空配合更加合理，有效解決了列車在停車階段的沖動問題。