城市軌道交通車輛防滑性能評估標準淺析

郭 強，車 超，趙揚宇，馬昭鈺

（1. 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國家工程實驗室，吉林長春 130113；2. 以色列特拉維夫大學工程學院，以色列特拉維夫）

0 引言

近年來，公共交通領域發展迅速，以高速動車組、城市地鐵、輕軌、有軌電車等為代表的軌道交通方式在公共交通中所占比例越來越大。軌道車輛的制動系統是影響列車安全運行的主要系統之一。當出現雨雪天氣時，軌道表面的可利用黏著降低，列車在制動時會出現滑行的現象，直接影響制動系統的性能。如果車輛出現防滑現象而不減小制動力，車輪抱死，就容易造成擦輪，而車輪一旦擦傷，會出現列車質心偏移，引起車輛振動或蛇行運動現象，給列車運行安全造成極大的隱患。

1998 年德國 ICE1 型高速列車由于車輪打滑發生脫軌事故，造成 100 多人死亡，多人受傷。因此，無論是動車組還是城市軌道交通車輛都會安裝防滑系統，車輛在出廠前會進行防滑試驗來驗證防滑系統的性能。

1 蠕滑理論

當車輪相對于鋼軌向前運動時，如果黏著力不足，車輪就會產生滑行；如果黏著力足夠，車輪就會滾動向前。當輪軌為彈性體、車輪與鋼軌之間有正壓力和切向力時，對應質點間發生對應變形，會產生蠕滑現象[1]。根據蠕滑理論，輪軌接觸面一般分為黏著區和滑動區。當蠕滑率小于 0.2% 時，車輪會產生微量的滑移，此時處于正常運行區域，隨著蠕滑率上升，逐漸產生輕度滑移；當蠕滑率在 1%～25% 之間時，處于穩定滑移區；蠕滑率達到 35% 時，車輪已經處于滑行的臨界值；一旦大于 35%，車輪打滑。實際車輪蠕滑率的曲線需要通過試驗獲取，因為蠕滑率和黏著系數的關系與車輪和鋼軌的材質、天氣溫濕度、接觸面積等諸多因素相關。

當列車出現滑行時，需要降低制動力，包括電制動力和機械制動力。滑行現象消除后，制動力再恢復到原來的值，直到列車停止。但如果制動力下降過多或恢復過慢，會導致制動減速度過低，制動距離加長，因此，需要防滑行裝置有較高的靈敏度。

2 防滑系統組成及工作原理

防滑系統采用的是微控式防滑[2]，由速度傳感器、滑行檢測器以及電磁閥組成[3]。工作過程是速度傳感器檢測車速，將速度信號傳送給滑行檢測器，當滑行檢測器檢測到列車產生滑行時（一般當車速和軸速的差值達到閾值時判定為滑行）發出滑行控制指令，指令同時作用于牽引系統和制動系統，牽引系統減少電制動力，制動系統則作用于充氣閥和排氣閥，通過排氣閥和充氣閥循環的排氣和充氣過程來減少空氣制動力并在滑行結束后恢復制動力，直到滑行控制指令消除。因此，防滑控制采用閉環控制算法，既保證了滑行被快速消除，又能使列車的制動減速度和制動距離在合理的范圍內。

3 防滑試驗效果評估

3.1 防滑試驗

根據國際標準 IEC 61133-2016《鐵路應用 - 機車車輛 - 制造完成后和投入運營前機車車輛的測試》，在投入運營前需要對鐵道車輛進行車輪滑動保護（WSP，Wheel Slid Protection）系統試驗。TB/T 3009-2011《鐵道客車及動車組防滑裝置》要求對新造鐵道客車及動車組的防滑器進行試驗。根據標準 CZJS/T 0007-2015《城市軌道交通車輛空氣制動防滑系統技術規范》，中國城市軌道交通車輛也需要對防滑系統進行試驗，同時確定了城市軌道交通車輛防滑系統的技術要求和裝車試驗方法等內容[4]。

防滑試驗的常用方法是在車內放置水桶，桶內放置含有脂肪酸的清洗劑或表面活性劑和水的混合溶液[5]。從可執行的角度考慮，一般使用洗潔精和水的混合溶液，用1根水管將桶中的溶液引到車輪的前端，如圖 1所示。

圖1 防滑試驗裝置

試驗時，打開水泵，將混合溶液抽出并噴灑在車輪前端的鋼軌表面，由于洗潔精（或肥皂水）中含有有機溶劑，可以降低鋼軌表面的黏著，人為制造出車輪滑行。混合溶液的配制比例視試驗需求而定，且和鋼軌情況、車重等影響因素有關。一般來說，在混合溶液中的洗潔精未達到飽和的情況下，洗潔精所占比例越大，車輪產生滑行情況越嚴重。

3.2 防滑試驗效果評估

3.2.1 UIC-541-05《車輪滑動保護裝置》效果評估

UIC-541-05 標準由國際鐵路聯盟制定，對 WSP 的系統功能特性和試驗的判斷標準進行了詳細說明，評估步驟如下。

（1）判斷最小黏著 τa＜0.08。如果不滿足該標準，說明不滿足防滑試驗觸發的條件，則試驗無效。最小黏著 τa的計算方法是當第 1 個輪對發生滑行的時刻，前后0.2 s 的平均減速度為 a，τa= a/g，g 為重力加速度，取值9.8 m/s2。

（2）判定輪對最小滑行。判定方法是軸速小于90% 車速的時間所占總時間的比例要大于規定值。其中總時間的定義是列車開始制動到車速達到 60 km/h 所用的總時間。初速度為 120 km/h 的試驗，該比例要求大于35%。初速度為 160 km/h 的試驗，要求大于 20%。當列車一半以上輪對滿足最小滑行，說明該次試驗的試驗過程有效。

（3）試驗是否通過的最終判定指標是列車的制動距離。例如：列車在 120 km/h 的濕軌下施加快速制動，要求制動距離小于 700 m。

綜上所述，UIC-541-05 評估標準不僅給出了試驗是否通過的判斷指標，同時判斷了列車是否產生有效滑行，從而全面評估列車 WSP 的性能。

3.2.2 《城市軌道交通車輛空氣制動防滑系統技術規范》評估標準

該標準針對城市軌道交通車輛，對防滑試驗的評估方式借鑒了 UIC-541-05 標準，具體判定標準如下。

（1）首先判定車輛是否產生有效滑行，當第 1 輛車初始滑行時間前后各 0.2 s 內的平均減速度在 0.8 m/s2至 0.6 m/s2之間時為有效滑行。

（2）車輛的初始速度超過 30 km/h 的試驗中，所有車輪都不能抱死；速度低于 30 km/h 時，車輪抱死的持續時間不應超過 0.4 s。

（3）列車瞬時速度大于 80 km/h 時，不應出現持續 3 s 以上滑行率大于 25% 的情況；瞬時速度在 80 km/h和 30 km/h 之間時，不應出現持續 3 s 以上滑行率大于20% 的情況?；新识x為車速和軸速之間的差與車速的比值。

第 1 條判定標準借鑒了 UIC-541-05 的滑行有效判定條件。第 2 條判定標準針對城市軌道交通車輛的速度等級，考慮了不同速度下車輪抱死可能造成車輪擦傷的情況，同時考核防滑系統的反應速度。第 3 條判定標準主要考核防滑系統工作后多久能夠恢復制動力。前文已經提過，防滑系統不僅要有較快的反應，同時消除滑行后的制動力也要能盡快恢復，這樣才能保證制動距離。

3.2.3 防滑效率

很多制動系統的生產廠家針對城市軌道交通車輛，提出了以“防滑效率”來判定防滑系統性能的方法。例如：德國的 KNORR 集團，其防滑效率的計算方法是分別測試出列車在干燥軌道和濕潤軌道滑行過程中的制動減速度變化曲線，橫軸是時間變量，將制動減速度對時間積分，也就是求出曲線對橫軸的面積。干燥軌道條件下算出理想的面積 S1，濕潤軌道條件下測試的面積為 S2。防滑效率定義為 S2與 S1的比值（以下稱“濕軌干軌法”）。

類似的使用濕軌和干軌條件下試驗數據的比值來評估列車性能的還有法國的 ALSTOM 公司，計算方法是車輪不發生擦傷的條件下，防滑效率定義為車輪速度對時間的積分除以干軌下無滑動時軸速對時間的積分。

這 2 種計算方法在實際操作時均存在一定缺陷，即需要干軌和濕軌條件下 2 次試驗時的外界條件完全一致，包括環境溫濕度、軌面狀態等。且由于濕潤軌道試驗時制動距離變大，試驗的時間和列車運行的距離比干燥軌道試驗的運行距離要長，所以，2 次試驗的制動距離和減速度在時間軸上無法完全對應。

為了解決上述問題并便于試驗和數據分析，國內的一些制動系統制造商在借鑒了國外的防滑系統性能判定方式的基礎上，針對不同車輛的制動系統特點，提出利用軸速對時間積分除以整車速度對時間積分的比值來計算防滑效率的方法（以下稱“軸速車速法”）。但是這種計算方法的缺陷在于當多個車軸發生滑行時，整車的減速度也會受到影響。因此，該方法計算出的防滑效率要比濕軌干軌法計算出的防滑效率略高。

綜上所述，所有標準的判定思路都首先考慮了試驗是否滿足基本條件，即列車出現的滑行是否有效并且滑行是否被快速消除，在此基礎上，進一步對制動系統的性能進行分析，包括對制動距離或減速度的要求等。由此可見，防滑系統不僅要能盡快消除列車的滑行，避免車輪擦傷，同時要保證制動性能，使制動減速度和制動距離在合理的范圍內。

4 防滑試驗分析

為了詳細分析上述評定標準，本文選取了上海地鐵某號線車輛的其中 1 根軸進行防滑試驗，并對數據進行分析。利用牽引制動檢測平臺[6]進行試驗，截取其中的1 段試驗數據，如圖 2 所示。

圖2 滑行數據曲線

圖2 中黑色曲線是車輛速度，紅色曲線是車軸轉動的線速度（簡稱“軸速”），列車從第 17 s 達到最大速度 100 km/h 后施加緊急制動進行減速，該軸在第 18 s 發生第 1 次滑行，軸速迅速下降，觸發防滑保護，防滑消除后軸速在 22 s 恢復到與車速一致。之后，繼續噴灑混合溶液，該軸又發生了 3 次滑行。綠線是瞬時加速度值，17 s 以前，加速度大于 0 m/s2，該軸處于緩慢加速狀態，該軸開始減速后，加速度小于零。且制動過程中出現滑行而使制動力減小后，瞬間加速度的絕對值減小。制動力恢復后，加速度絕對值變大。

首先根據 UIC-541-05 標準的分析方法，該軸第 1 次發生滑行時，前后各 0.2 s 的瞬時加速度取平均值為0.73 m/s2。計算出最小黏著為 0.074，滿足小于 0.08 的要求，所以，觸發的滑行判定為有效滑行。其次，計算輪對最小滑行。列車從第 1 次滑行到速度降低至 60 km/h時，共用時間 8.55 s。其中，車速降低至 60 km/h 之前的軸速小于 90% 車速的總時間為 3.01 s，在總時間中所占比例為 35.2%。但該標準適用于初速度為 120 km/h 和160 km/h的防滑試驗，且要求一半以上輪對發生有效滑行，而本車輛的最高運行速度為 110 km/h，并且只關注了 1 根軸的滑行情況，因此，計算出的輪對最小滑行僅作參考。

其次，按照《城市軌道交通車輛空氣制動防滑系統技術規范》分析，列車車輪的抱死時間和列車滑移率都滿足要求。

按照濕軌干軌法將制動減速度對時間進行積分的方法進行分析，如圖 3 所示，對時間橫軸進行積分后計算出防滑效率約為 89.7%。

按照軸速車速法計算防滑效率的判定方法，分別計算車速和軸速對時間軸的積分面積，其比值（即防滑效率）約為 93%，如圖 4 所示。

圖3 干軌理想減速度和滑行下的減速度

圖4 車速和軸速對比

5 總結

軌道交通車輛的防滑系統是保證列車安全運行的重要系統之一，對防滑系統進行試驗驗證是評估車輛性能的重要步驟。本文介紹了車輛滑行的基本原理和防滑系統的組成，并重點分析了防滑系統性能的主要判定標準和分析過程。以上海某號線項目車輛為例，根據測量出的試驗數據，分別用UIC-541-05標準、《城市軌道交通車輛空氣制動防滑系統技術規范》、濕軌干軌法、軸速車速法分析防滑系統的性能，結果表明其防滑系統的性能較好，出現滑行時能夠快速地減小制動力，滑行消除后能夠靈敏地增加制動力。同時，從分析防滑過程可知，UIC-541-05的判定標準最為復雜和嚴格。

[1]方少安. 列車防滑控制與不利黏著時制動力計算[J].鐵道車輛，2011，49（1）：30-31，39.

[2]陳鶴楠. 自適應容錯控制在高速列車防滑及橫向姿態調節中的應用[D]. 北京：北京交通大學，2012.

[3]王旭如，莫鈞，苗勇. 防滑器部件試驗臺計算機數據采集系統設計與實現[J]. 鐵道機車車輛，2000（1）：40-42.

[4]趙亞輝. 列車防滑控制的研究[D]. 上海：同濟大學，2002.

[5]Wood J A, Mazur R J. Electronic adhesion adaptive wheel slide protection arrangement function∶ U.S.Patent 4,941,099[P]. 1990-07-10.

[6]李紹博，馬昭鈺，張士宇，等. 城鐵車輛牽引制動系統試驗檢測平臺設計[J]. 企業技術開發，2016，35（31）：61-63.