動車組校正型黏著控制方法概述

劉立東 安春雷 徐詩孟

【摘? 要】隨著我國高速鐵路動車組的不斷完善和發展，如何優化動車組的黏著性能是值得研究探討的課題之一。本文在介紹輪軌黏著機理的基礎上，總結了動車組校正型黏著控制方法中應用最廣泛的幾種空轉判據并介紹了其理論基礎和優缺點，最后對結合多種空轉判據的組合校正法黏著控制進行了系統闡述。

【關鍵詞】動車組;輪軌黏著;空轉判據;黏著控制;組合校正法

0 引言

車輪和軌面間的黏著狀態對動車組列車牽引/制動性能具有重要影響，當車輪發生空轉/滑行狀況時，僅憑借司機主觀判斷和操作并不能完全避免列車的空轉/滑行現象。動車組一般會裝有黏著控制系統來防止出現空轉/滑行。目前應用最多的為校正型黏著控制方法，其中采用多種空轉判據相結合的即為組合校正法[1]。

1 輪軌黏著機理

1.1 黏著與蠕滑

列車的重量表現為車軸載荷 ，在其作用下，車輪踏面和鋼軌接觸處發生變形并產生一個橢圓形的接觸面。“黏著”是指在正向壓力作用下，輪軌接觸處保持相對靜止而不產生相對滑動的一種狀態。在輪軌間黏著未被破壞時，靜摩擦力 即是黏著力。圖1中 的反向力 源于驅動轉矩 的作用。動輪滾動時，由于 的作用，車輪踏面和鋼軌間的接觸面會產生新的彈性形變并發生微量的滑動，即出現“蠕滑”。

提出如下兩個概念來表示輪軌間的蠕滑及蠕滑程度：

1.2 黏著系數及黏著特性曲線

定義黏著系數如下：

采用黏著系數和蠕滑速度/蠕滑率來表述黏著特性，繪制的曲線如圖2所示。整個區域可以分為微滑區、大滑區和空轉區。在微滑區，黏著力 不大，即牽引電機提供的驅動轉矩 較小，蠕滑速度或蠕滑率亦很小，黏著系數 與 或 基本表現為線性關系。而后大滑區內，驅動轉矩 和 的不斷增加，致使 或 也逐漸增大， 達到最大值，這一最值即當前軌面狀態下的最佳黏著狀態。若繼續增大 ， 或 迅速增大，輪軌間將產生較大的相對滑動， 則迅速下降，此時，輪軌間失去黏著，出現車輪空轉現象[2]，此段區域被稱為空轉區。在蠕滑區狀態行駛時，列車輪軌間始終保持黏著狀態。而在空轉區，輪對發生空轉后，牽引力會急速下降，牽引電機易出現損傷，并且輪軌間的磨耗加劇，易造成鋼輪、輪箍松弛等事故，因此，列車不可工作于空轉狀態，必須避免[3]。

2 輪對的空轉識別方法

2.1 基于速度差的空轉識別

速度差定義為輪對的最大輪周線速度與給定車速的差值。若速度差大于預設值，應立刻采取措施抑制并降低蠕滑速度。實際情況下，通常先降低功率，然后啟動撒砂裝置進行撒砂。速度差數據處理簡單并且能夠反映列車當前的最大蠕滑情況，是列車空轉狀態判別的指標之一。在進行低速空轉狀態檢測時，檢測結果的精確度和可信度很高。

但是采用速度差進行列車空轉狀態判別時具有明顯的不足。首先，列車行駛中的絕對速度基本難以檢測，通常是采用最低輪對的輪周線速度來近似代替。根據黏著理論，兩者之間的誤差為蠕滑速度。另外，若列車多個軸同時出現空轉狀態，傳感器得到的輪速和車速同時呈現增加趨勢，二者之間的差值存在繼續維持在設定閾值內的可能。此時，列車已經出現了空轉，但速度差判據并不能準確將空轉狀態識別出來[4]，因此速度差識別方法在多軸同時發生空轉時并不可靠。

2.2 基于輪對角加速度和加速度微分的空轉識別

為了提高空轉狀態判別的準確性，可以采用加速度判據。加速度為單位時間內角速度的增量即角速度對時間的導數。通過檢測各軸的加速度，從而判別出列車是否處于多軸同時空轉狀態。更進一步可將輪對角加速度對時間進行求導，求得加速度的微分。與輪對角加速度相比，加速度微分作為判據時能夠識別出輕微空轉，具有更高靈敏度，在軌面狀態突變從而出現空轉現象時更為適用[5]。

2.3基于蠕滑率的空轉識別

由圖2所示的特性曲線可知，黏著系數 具有最大值 ，即車輪踏面和鋼軌間最大可利用黏著。在 下的 或 代表最優蠕滑率和最優蠕滑速度，對應為曲線上的A點，該點即為當前行駛軌面條件下所能到達的黏著峰值點。顯然，若想輪軌間能傳遞最大的牽引力，列車行駛過程中軌面狀態應保持在A點。而在列車實際行駛時，通常不能實現最大黏著利用，以蠕滑率為空轉判據的黏著控制方法的目標就是在列車行駛過程中，實際黏著工作點能不斷逼近黏著峰值點，從而獲得更大的黏著牽引力。控制系統先進行各軸速度比較，對最小的軸速采用微分、限幅值和積分等方式得到列車參考速度，而后通過輪對角速度和列車參考速度計算蠕滑率。若蠕滑率較大，超出閾值，應調整牽引電機的輸出轉矩;否則，判定列車為正常行駛，使列車黏著工作點時常保持在黏著峰值點附近[6]。

3組合校正法黏著控制

3.1組合校正法控制流程

目前國內動車組列車的黏著控制多采用組合校正的方式，該方法結合了加速度判據和蠕滑率判據。當列車發生輕微空轉時，采用蠕滑率控制，通過調節牽引電機的輸出轉矩，確保列車黏著狀態維持在 附近并不斷趨近 ，實現黏著的高利用;如出現較嚴重空轉現象，蠕滑率控制不能迅速起效時，則采用加速度控制來實現輪軌黏著再恢復[7]。

以CRH5型動車組[8]為參考對象，對其制定一種基于組合校正法的黏著控制方法，控制方法流程圖如下：

3.2組合校正法仿真分析

基于CRH5型動車組，對單動軸的黏著控制方法展開研究，在Matlab中搭建采用組合校正法的列車牽引傳動系統仿真模型進行仿真驗證。仿真條件為：在10.5s時軌面狀態由干燥轉變為潮濕，在18.5s時軌面恢復為干燥狀態。司控室內給定的初始轉矩設為 ，列車由靜止狀態進行加速。繪制兩種軌面狀態下的黏著特性曲線如圖4所示。

列車行駛過程中輪對加速度的變化曲線圖7所示。據圖可得，在10.50s即軌面狀態突變時，輪對加速度也產生突變，并在10.55s時超出設定的閾值 ，此時，黏著控制系統應用加速度標準法控制。

在0.6s內將給定轉矩降至初始轉矩的40%，并保持該轉矩1s，空轉現象在這1.6s內得到了有效緩解和抑制。接下來在1.5s內將轉矩增加到87.5%并再次檢測加速度和蠕滑率。此時，輪對加速度未超過閾值，蠕滑率曲線則如圖8所示。由于蠕滑率超過閾值0.1，黏著控制系統判定此時列車出現空轉，再次將給定轉矩在0.6s內降至初始轉矩的40%并保持這一轉矩1s。

在13.65s～15.25s內空轉得到抑制，而后在1.5s內將轉矩升至87.5% 并再次進行檢測，由于蠕滑率仍超過閾值0.1，列車再次被判定出現空轉。按上述步驟重復控制流程，在16.75s～18.35s內空轉再次得到抑制。在18.35s時軌面狀態變為干燥，在之后的1.5s內將轉矩再次增加到87.5% ，檢測后輪對加速度與蠕滑率均未超過閾值。此后的2s內，將給定轉矩逐漸增至初始轉矩 。

在21.85s時電機輸出轉矩恢復至給定值，再次檢驗輪對加速度和蠕滑率，二者均保持在各自閾值內。此時，保持初始轉矩不變，列車恢復至良好的黏著狀態，牽引電機輸出轉矩變化圖分別如圖7所示。

4結論

本文以傳統牽引電機矢量控制為基礎，在模型中增加了組合校正法控制模塊，對動車組列車在軌面突變路況下的各變量進行了全面分析，仿真結果表明組合校正法能夠對輪對空轉現象進行有效地抑制，證明了該控制方法的有效性和可行性。

參考文獻：

[1] Ohsawa H，Furuya T，Cao M，et al.Measurement of tractive force during acceleration and deceleration periods.Advanced Motion Control，2007.AMC '04：177-181.

[2] 連級三，張大勇.電傳動列車概論[M].北京：中國鐵道出版社，2011.

[3] 鮑維千.關于列車黏著的一些概念及提高列車黏著性能的措施[J].內燃列車，2005，35（1）：8-15.

[4] 陳哲明，曾京，羅仁.列車牽引黏著控制及其仿真[J].現代制造工程，2009，（6）：8-12.

[5] 林文立，劉志剛，方攸同.地鐵列車牽引傳動再黏著優化控制策略[J].西南交通大學學報，2010，47（3）：465-470.

[6] 李云峰.基于最優蠕滑率的黏著控制方法研究[D].成都：西南交通大學，2011.04.

[7] 李江紅，陳華國，胡照文，徐立恩，彭輝水.高效抑制機車空轉和滑行的卸載新算法[J].機車電傳動，2015（6）：6-10.

[8] 張曙光.CRH2型動車組[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

（作者單位：中車青島四方機車車輛股份有限公司）