動(dòng)車組制動(dòng)力分配策略

陳澍軍， 高 珊， 孟慶棟， 謝春杰， 梁建全

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司， 河北唐山 063000)

制動(dòng)系統(tǒng)是列車高速運(yùn)行的安全保障，需要設(shè)計(jì)良好的控制策略來(lái)保證安全停車[1-2]。目前動(dòng)車組采用的是空電復(fù)合的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，通過列車網(wǎng)絡(luò)來(lái)傳遞制動(dòng)控制指令和制動(dòng)設(shè)備的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)和列車上其他系統(tǒng)之間的交互[3-4]。目前制動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制方面在現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)還存在一些問題[5-8]，因此研究動(dòng)車組電空混合制動(dòng)控制算法具有重要的意義。

以動(dòng)車組整車制動(dòng)系統(tǒng)為研究對(duì)象，利用ControlBuild軟件搭建整車制動(dòng)力分配邏輯，對(duì)各種制動(dòng)工況和制動(dòng)方式下的車輛制動(dòng)力動(dòng)態(tài)分配進(jìn)行分析。由列車制動(dòng)管理器根據(jù)各單元制動(dòng)力能力值和載重比進(jìn)行單元制動(dòng)力分配，再由分段制動(dòng)管理器在單元內(nèi)按照等磨耗原則分配各車制動(dòng)力，對(duì)電制動(dòng)故障、空氣制動(dòng)故障、滑行以及停車情況下各車的制動(dòng)力分配進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果表明搭建的制動(dòng)力分配邏輯能夠有效的提高制動(dòng)效率，確保列車能夠安全運(yùn)行。

1 制動(dòng)控制系統(tǒng)制動(dòng)力分配策略

1.1 制動(dòng)控制系統(tǒng)介紹

動(dòng)車組由多個(gè)功能不同的車輛組合而成，每輛車上都配備制動(dòng)系統(tǒng)，動(dòng)車上包含電制動(dòng)和空氣制動(dòng)兩種控制裝置，拖車上的控制裝置只有空氣制動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)主要由電制動(dòng)系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、防滑裝置和制動(dòng)控制系統(tǒng)組成。制動(dòng)指令通過列車網(wǎng)絡(luò)傳送到每輛車的制動(dòng)控制系統(tǒng)，電子控制單元根據(jù)速度、減速度和輪軌黏著狀態(tài)確定電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力的分配關(guān)系。

制動(dòng)系統(tǒng)要完成整列車的制動(dòng)需求需要各個(gè)設(shè)備按照功能劃分進(jìn)行協(xié)作[9-10]，完成制動(dòng)信息在全列車范圍內(nèi)的傳遞和執(zhí)行，同時(shí)還需要與CCU、TCU等系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互，相關(guān)設(shè)備主要包括制動(dòng)控制單元(BCU)、分段制動(dòng)管理器(SBM)、列車制動(dòng)管理器(TBM)、牽引控制單元(TCU)和中央控制單元(CCU)。BCU的作用是計(jì)算本車最大可用空氣制動(dòng)力、實(shí)際發(fā)揮的空氣制動(dòng)力和狀態(tài)信息，通過MVB網(wǎng)絡(luò)與SBM進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸；SBM的功能是將制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的信息發(fā)送給TBM，同時(shí)從TBM接收指令發(fā)送給制動(dòng)系統(tǒng)的各個(gè)設(shè)備；TBM控制并協(xié)調(diào)列車的所有常用制動(dòng)系統(tǒng)，TBM根據(jù)制動(dòng)指令計(jì)算所需的制動(dòng)力，根據(jù)可用的電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力數(shù)據(jù)計(jì)算SBM單元制動(dòng)力指令，通過網(wǎng)絡(luò)傳送給SBM；TCU將牽引裝置能夠施加的最大電制動(dòng)力和實(shí)際發(fā)揮的電制動(dòng)力發(fā)送給SBM，從SBM接收需要施加的電制動(dòng)力；CCU管理整個(gè)車輛，將當(dāng)前列車的配置發(fā)送給BCU。

1.2 制動(dòng)力分配策略

現(xiàn)有列車的制動(dòng)力分配策略主要有等黏著分配和等磨耗分配，等黏著分配策略下制動(dòng)力管理模塊對(duì)整列車進(jìn)行制動(dòng)力分配，當(dāng)電制動(dòng)力滿足列車制動(dòng)需求時(shí)，只施加動(dòng)車的電制動(dòng)力，不使用空氣制動(dòng)力；當(dāng)電制動(dòng)力不滿足列車制動(dòng)需求，但是滿足動(dòng)車制動(dòng)需求時(shí)，施加全部電制動(dòng)力，剩余的制動(dòng)力需求由拖車空氣制動(dòng)補(bǔ)償，動(dòng)車空氣制動(dòng)不施加；當(dāng)電制動(dòng)力不滿足動(dòng)車制動(dòng)需求時(shí)，動(dòng)車施加全部電制動(dòng)力和部分空氣制動(dòng)力來(lái)滿足動(dòng)車制動(dòng)需求，拖車施加空氣制動(dòng)力滿足拖車制動(dòng)力需求，即拖車和動(dòng)車保持相等的黏著利用率。在等磨耗分配策略下，制動(dòng)力管理模塊對(duì)整列車進(jìn)行制動(dòng)力分配，當(dāng)電制動(dòng)力滿足列車制動(dòng)需求時(shí)，只施加動(dòng)車的電制動(dòng)力，不使用空氣制動(dòng)力；當(dāng)電制動(dòng)力不滿足列車制動(dòng)需求時(shí)，在不超過黏著極限的情況下，動(dòng)車和拖車施加相同的空氣制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償；動(dòng)車達(dá)到黏著極限后制動(dòng)力不再增加，不足部分由拖車空氣制動(dòng)補(bǔ)償。

現(xiàn)有的等黏著和等磨耗分配策略均是按整列車分配制動(dòng)力?，F(xiàn)有列車根據(jù)編組方式分為幾個(gè)獨(dú)立的空電復(fù)合制動(dòng)控制單元，當(dāng)某個(gè)單元內(nèi)的車輛制動(dòng)力存在故障時(shí)，如果按照等黏著和等磨耗分配策略對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行分配，各單元施加的制動(dòng)力可能會(huì)有較大差距，降低了列車運(yùn)行的安全性。

文中的制動(dòng)力分配策略首先計(jì)算每個(gè)單元的制動(dòng)力能力值，各個(gè)單元的制動(dòng)力能力值發(fā)送到單元制動(dòng)力管理模塊，按載重比對(duì)各個(gè)單元總的制動(dòng)力進(jìn)行分配，各個(gè)單元制動(dòng)力能力值滿足要求時(shí)，各個(gè)單元施加的制動(dòng)力與載重成正比；某個(gè)單元制動(dòng)力能力值不滿足要求時(shí)，由其他單元的制動(dòng)力對(duì)該單元的制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充。各個(gè)單元的制動(dòng)力分配完成后，在單元內(nèi)當(dāng)電制動(dòng)力滿足單元制動(dòng)需求時(shí)，只施加動(dòng)車的電制動(dòng)力，不使用空氣制動(dòng)力；當(dāng)電制動(dòng)力不滿足單元制動(dòng)需求時(shí)，在不超過黏著極限的情況下，動(dòng)車和拖車按車重比施加空氣制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)償；動(dòng)車達(dá)到黏著極限后制動(dòng)力不再增加，不足部分由拖車空氣制動(dòng)補(bǔ)償。這樣避免當(dāng)某個(gè)單元內(nèi)的車輛制動(dòng)力存在故障時(shí)單元間制動(dòng)力差距過大，保證列車運(yùn)行安全。

文中的制動(dòng)力分配邏輯基于車輛控制的原則，每4輛車為一個(gè)單元。頭車車輛控制器作為TBM對(duì)整車制動(dòng)力進(jìn)行管理，每個(gè)單元中選擇1個(gè)車輛控制器作為SBM對(duì)單元內(nèi)的信號(hào)和制動(dòng)力進(jìn)行管理。整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 整車制動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

當(dāng)TBM接收到制動(dòng)指令時(shí)，首先計(jì)算全列的目標(biāo)制動(dòng)力，然后將目標(biāo)制動(dòng)力分配給各單元，再由各單元SBM在本單元內(nèi)進(jìn)行制動(dòng)力分配。TBM分配各單元制動(dòng)力的流程如圖2所示，從圖2可以看出SBM1和SBM2之間的制動(dòng)力是根據(jù)各單元的載重比進(jìn)行分配的，只有當(dāng)某個(gè)單元分配到的制動(dòng)力超過自身的制動(dòng)能力時(shí)才對(duì)制動(dòng)力分配進(jìn)行調(diào)整，這樣保證了各單元分配到的制動(dòng)力與單元自身的黏著匹配，同時(shí)減少了故障情況下各單元施加制動(dòng)力的差距。

SBM接收到TBM分配的目標(biāo)制動(dòng)力后，首先使用動(dòng)車的電制動(dòng)力，電制動(dòng)力不滿足目標(biāo)制動(dòng)力需求時(shí)，在不超過黏著限制的情況下，剩余目標(biāo)制動(dòng)力按照車重比由單元內(nèi)所有動(dòng)車和拖車的空氣制動(dòng)力承擔(dān)；動(dòng)車達(dá)到黏著限制后制動(dòng)力不再增加，不足部分由拖車空氣制動(dòng)補(bǔ)償，SBM分配各車制動(dòng)力的流程如圖3所示。

1.3 故障工況下的制動(dòng)力分配策略

當(dāng)某輛車的制動(dòng)力發(fā)生故障時(shí)，列車制動(dòng)系統(tǒng)分配制動(dòng)力時(shí)將不考慮該車的制動(dòng)力，而其他制動(dòng)力可用的車輛將施加更大的制動(dòng)力以保證列車達(dá)到目標(biāo)減速度。制動(dòng)力故障分為電制動(dòng)力故障和空氣制動(dòng)力故障，制動(dòng)力分配邏輯對(duì)這兩種故障采用不同的處理方法。某輛動(dòng)車的電制動(dòng)力發(fā)生故障時(shí)，SBM在分配制動(dòng)力時(shí)將不考慮該動(dòng)車的電制動(dòng)力，在圖3的制動(dòng)力分配中SBM將該動(dòng)車作為拖車考慮。當(dāng)某輛車的空氣制動(dòng)力發(fā)生故障時(shí)，SBM在分配制動(dòng)力時(shí)將不再考慮該車的空氣制動(dòng)力。

圖2 TBM分配各單元制動(dòng)力流程

圖3 SBM分配各車制動(dòng)力流程

1.4 車輛發(fā)生滑行時(shí)的制動(dòng)力分配策略

車輛的制動(dòng)控制單元BCU和牽引控制單元TCU都會(huì)對(duì)車輛的滑行情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)BCU檢測(cè)到滑行時(shí)置位滑行信號(hào)EpSlide，當(dāng)TCU檢測(cè)到滑行時(shí)置位滑行信號(hào)EdSlide。發(fā)生滑行時(shí)制動(dòng)控制單元通過圖4所示的邏輯對(duì)列車的制動(dòng)力進(jìn)行管理，防止列車滑行情況惡化。當(dāng)SBM檢測(cè)某輛車的滑行信號(hào)置位時(shí)，將會(huì)把預(yù)設(shè)黏著系數(shù)降低，通過降低本車施加的制動(dòng)力達(dá)到快速恢復(fù)黏著的目的。當(dāng)EdSlide置位時(shí)，在3 s內(nèi)SBM不對(duì)電制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充，等待TCU對(duì)電制動(dòng)力進(jìn)行處理，3 s后若EdSlide還是置位狀態(tài)則置位該節(jié)動(dòng)車電制動(dòng)力切除信號(hào)。EdSlide置位的同時(shí)EpSlide也置位，持續(xù)時(shí)間超過1 s時(shí)置位該節(jié)動(dòng)車電制動(dòng)力切除信號(hào)。以上控制邏輯可以有效防止滑行信號(hào)誤檢測(cè)導(dǎo)致制動(dòng)力分配頻繁變化。

圖4 滑行時(shí)制動(dòng)力分配邏輯

1.5 車輛停車階段制動(dòng)力分配策略

列車速度小于一定程度時(shí)，電制動(dòng)力無(wú)法施加，為了使列車總制動(dòng)力在停車的過程中保持平穩(wěn)，在減速停車過程中電制動(dòng)力平穩(wěn)地減小至零，與此同時(shí)空氣制動(dòng)力以相同變化率增大，從而保證列車總制動(dòng)力不變。停車階段電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力的變化曲線如圖5所示，在減速過程中列車檢測(cè)到速度小于5～8 km/h時(shí)，停車信號(hào)EdFade被置位，制動(dòng)控制單元控制空氣制動(dòng)力上升，由于空氣制動(dòng)力施加需要一定反應(yīng)時(shí)間，經(jīng)過預(yù)設(shè)的反應(yīng)時(shí)間后電制動(dòng)力以相同的斜率下降，直到減小為零，此后空氣制動(dòng)力保持不變。在此制動(dòng)力控制邏輯下，實(shí)現(xiàn)了停車過程中電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力的平穩(wěn)切換。

圖5 停車階段電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力的變化曲線

2 制動(dòng)控制系統(tǒng)制動(dòng)力分配策略建模與仿真分析

文中基于ControlBuild軟件搭建了制動(dòng)力分配邏輯，整體的邏輯控制圖如圖1所示，TBM將計(jì)算得到的目標(biāo)制動(dòng)力分配給單元控制器SBM，SBM再將制動(dòng)力在單元內(nèi)的4輛車中分配，最后由各車的制動(dòng)控制單元BCU施加制動(dòng)力。TBM分配SBM單元制動(dòng)力模塊如圖6所示，SBM單元內(nèi)制動(dòng)力分配模塊如圖7所示，各車制動(dòng)力執(zhí)行模塊如圖8所示，車輛質(zhì)量、預(yù)設(shè)黏著系數(shù)等參數(shù)如表1所示，分別在正常、制動(dòng)力故障、車輛發(fā)生滑行和停車階段4種工況下對(duì)各車的制動(dòng)力分配情況進(jìn)行仿真分析。

圖6 TBM分配SBM單元制動(dòng)力模塊

圖7 SBM單元內(nèi)制動(dòng)力分配模塊

圖8 各車制動(dòng)力執(zhí)行模塊

參數(shù)名稱參數(shù)值動(dòng)車質(zhì)量(含轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)/kg37 240拖車質(zhì)量(含轉(zhuǎn)動(dòng)慣量)/kg34 073動(dòng)車電制動(dòng)力能力值/N35 000動(dòng)車空氣制動(dòng)力能力值/N52 120拖車空氣制動(dòng)力能力值/N50 792未滑行預(yù)設(shè)黏著系數(shù)0.16滑行時(shí)預(yù)設(shè)黏著系數(shù)0.12

2.1 TBM分配各單元制動(dòng)力情況

設(shè)定列車目標(biāo)制動(dòng)力在40 s內(nèi)從300 kN到500 kN變化，單元1和單元2的制動(dòng)力能力值分別為275.825 kN 和200 kN。模擬單元2中某車輛制動(dòng)力發(fā)生故障，對(duì)TBM分配給各單元制動(dòng)力的情況進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，在20 s前分配給兩個(gè)單元的制動(dòng)力隨著目標(biāo)制動(dòng)力升高同步上升；20 s以后分配給單元2的制動(dòng)力達(dá)到了其能力值而保持不變，同時(shí)分配給單元1的制動(dòng)力以原來(lái)斜率2倍的速度上升，從而滿足目標(biāo)制動(dòng)力的要求；分配給單元1的制動(dòng)力達(dá)到能力值后保持不變。仿真結(jié)果符合設(shè)定的分配邏輯，同時(shí)表明在各單元制動(dòng)力未達(dá)到能力值時(shí)，各單元施加制動(dòng)力不會(huì)因?yàn)檐囕v制動(dòng)力故障而產(chǎn)生較大差距。

圖9 TBM分配各單元制動(dòng)力的變化曲線

2.2 正常工況下制動(dòng)力分配情況

設(shè)定列車目標(biāo)制動(dòng)力如圖10所示，在正常工況下單元1和單元2的參數(shù)相同，兩單元內(nèi)各車制動(dòng)力變化均如圖11所示，從圖11中可以看出，在0～10 s列車電制動(dòng)力能夠滿足目標(biāo)制動(dòng)力，列車只施加電制動(dòng)力；在10～20 s時(shí)列車電制動(dòng)力不能滿足目標(biāo)制動(dòng)力，剩余目標(biāo)制動(dòng)力由動(dòng)車和拖車的空氣制動(dòng)力承擔(dān)；在20～30 s隨著目標(biāo)制動(dòng)力的增大，動(dòng)車空氣制動(dòng)力施加至預(yù)設(shè)黏著限制不再增大，剩余目標(biāo)制動(dòng)力由拖車空氣制動(dòng)力承擔(dān)。

圖10 列車目標(biāo)制動(dòng)力變化曲線

圖11 兩個(gè)SBM單元內(nèi)各車制動(dòng)力分配變化曲線

2.3 故障工況下制動(dòng)力分配情況

列車制動(dòng)力故障分為電制動(dòng)力故障和空氣制動(dòng)力故障，設(shè)定10 s時(shí)單元1動(dòng)車1電制動(dòng)力故障，20 s時(shí)單元2拖車1空氣制動(dòng)力故障，30 s時(shí)單元1拖車1空氣制動(dòng)力故障，仿真驗(yàn)證在故障工況下制動(dòng)力分配邏輯的有效性。TBM分配給各單元制動(dòng)力的情況如圖12所示，當(dāng)車輛制動(dòng)力故障時(shí)，兩單元的能力值相應(yīng)下降，但兩單元能力值還能夠滿足目標(biāo)制動(dòng)力，因此分配給兩單元的制動(dòng)力不變。兩單元內(nèi)部各車制動(dòng)力分配變化情況如圖13和圖14所示。

圖13中，10 s時(shí)單元1由于故障動(dòng)車1電制動(dòng)力下降為0，單元1內(nèi)其他車輛對(duì)失去的電制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充。動(dòng)車2空氣制動(dòng)力上升至預(yù)設(shè)黏著限制后不再增加，由于動(dòng)車1作為拖車考慮，其空氣制動(dòng)力與拖車空氣制動(dòng)力按車重比承擔(dān)剩余目標(biāo)制動(dòng)力；30 s時(shí)拖車1空氣制動(dòng)力故障，拖車2和動(dòng)車1的空氣制動(dòng)力上升以滿足目標(biāo)制動(dòng)力需求。

圖14中，20 s時(shí)單元2拖車1空氣制動(dòng)力故障，由單元2內(nèi)其他車空氣制動(dòng)力補(bǔ)充，兩輛動(dòng)車空氣制動(dòng)力上升至預(yù)設(shè)黏著限制后不再增加，剩余目標(biāo)制動(dòng)力由拖車2空氣制動(dòng)力補(bǔ)充。在該制動(dòng)力分配邏輯下，當(dāng)某些車輛制動(dòng)力發(fā)生故障時(shí)，其他車輛制動(dòng)力快速補(bǔ)充，提高了列車制動(dòng)效率。

圖12 故障工況下TBM分配各單元制動(dòng)力的變化曲線

圖13 故障工況下單元1內(nèi)各車制動(dòng)力分配變化曲線

圖14 故障工況下單元2內(nèi)各車制動(dòng)力分配變化曲線

2.4 滑行工況下制動(dòng)力分配情況

設(shè)定單元1動(dòng)車1的TCU在10 s檢測(cè)到滑行，單元2動(dòng)車1的TCU在20 s檢測(cè)到滑行，單元2動(dòng)車1的BCU在21 s檢測(cè)到滑行，對(duì)該工況下的制動(dòng)力分配情況進(jìn)行仿真分析。TBM分配給各單元制動(dòng)力的情況如圖15所示，兩單元內(nèi)部各車制動(dòng)力分配變化情況分別如圖16和圖17所示。

從圖16可以看出，單元1動(dòng)車1的TCU檢測(cè)到滑行后，動(dòng)車1的預(yù)設(shè)黏著限制降低，動(dòng)車1空氣制動(dòng)力下降至黏著限制，防止滑行惡化，同時(shí)兩輛拖車和動(dòng)車2的空氣制動(dòng)力上升，保證目標(biāo)制動(dòng)力得到滿足；13 s滑行信號(hào)未消失動(dòng)車1電制動(dòng)力切除信號(hào)被置位，動(dòng)車1作為拖車考慮，其空氣制動(dòng)力與拖車空氣制動(dòng)力按車重比承擔(dān)剩余目標(biāo)制動(dòng)力。由于動(dòng)車1電制動(dòng)力切除，圖15中單元1制動(dòng)力能力值下降。

從圖17可以看出，22 s時(shí)單元2動(dòng)車1的TCU和BCU都檢測(cè)到滑行并持續(xù)了1 s，動(dòng)車1電制動(dòng)力切除信號(hào)被置位，動(dòng)車1作為拖車考慮，其空氣制動(dòng)力與拖車空氣制動(dòng)力按車重比承擔(dān)剩余目標(biāo)制動(dòng)力。由于動(dòng)車1電制動(dòng)力切除，圖15中單元2制動(dòng)力能力值下降。

圖15 滑行工況下TBM分配各單元制動(dòng)力的變化曲線

圖16 滑行工況下單元1內(nèi)各車制動(dòng)力分配變化曲線

2.5 停車階段制動(dòng)力分配情況

設(shè)定停車信號(hào)EdFade在10 s被置位，單元1和單元2均做出相同的響應(yīng)，單元內(nèi)空氣制動(dòng)力和電制動(dòng)的切換如圖18所示。從圖18中可以看出，EdFade置位后單元內(nèi)總電制動(dòng)力下降，總空氣制動(dòng)力以相同速率上升，分配到各車的電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力相應(yīng)變化，整車空氣制動(dòng)力和電制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換。

圖17 滑行工況下單元2內(nèi)各車制動(dòng)力分配變化曲線

圖18 停車階段一個(gè)單元內(nèi)制動(dòng)力分配變化曲線

3 結(jié) 論

針對(duì)現(xiàn)有制動(dòng)系統(tǒng)中車輛制動(dòng)力存在故障時(shí)各單元施加制動(dòng)力差距較大問題，提出一種由列車制動(dòng)管理器根據(jù)各單元制動(dòng)力能力值和載重比進(jìn)行單元制動(dòng)力分配，再由分段制動(dòng)管理器在單元內(nèi)按照等磨耗原則分配各車制動(dòng)力的整車制動(dòng)力分配策略。考慮多種工況下對(duì)制動(dòng)力的需求，基于ControlBuild軟件搭建動(dòng)車組整車制動(dòng)力分配邏輯，結(jié)果表明該分配策略能夠減少故障情況下各單元施加制動(dòng)力的差距，并滿足不同工況下列車安全平穩(wěn)制動(dòng)的要求。