地鐵列車救援演練制動操作方式優化研究

劉煥軍，劉 世，趙 海，楊 波

（1.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東青島 266112；2.西南交通大學希望學院，四川成都 610400）

1 研究背景

國內地鐵運營里程快速增長，因各種故障導致的地鐵列車救援也不斷增加，救援過程中因司機操作不當導致險情及事故時有發生[1]，因此，救援過程中的安全性也越來越受到關注。根據目前地鐵公司運營經驗，普遍認為列車救援過程中采取緊急制動會導致較大的車鉤力[2-4]。此外，地鐵列車在救援過程中牽引力對車鉤的影響也引起了用戶和車輛廠家的關注。研究發現，列車的牽引特性在救援過程中扮演了重要角色[5-8]，但整個列車救援過程中，什么情況下車鉤力最惡劣以及如何避免，目前這方面的研究較少，導致地鐵車輛司機在列車救援演練操作時缺乏必要的依據，一些不恰當的操作也沒有避免。

本文基于Simulink模塊建立地鐵列車縱向動力學模型，確定最不利工況，對列車救援全過程進行列車車鉤力分布特性仿真分析，并提出司機制動操作優化方案，為提升地鐵列車救援過程的安全性提供支撐。

2 列車救援工況概述

國內地鐵列車救援時，多數采用1列空車推送救援另外1列故障列車的方式。由于列車停車故障在任何時候都可能發生，因此，被救援車可以設定為滿載工況，此時列車重量最大，啟動和制動時，車輛之間的車鉤力較大。通常，救援過程中，列車在線路變坡點上實施緊急制動的車鉤力最大。

列車救援過程可以分為3個階段：恒牽引力階段、恒功率階段和自然特性階段。地鐵列車牽引力特性曲線如圖1所示。列車從啟動開始，依次經過以上3個階段：恒牽引力階段列車的加速度最大，一般是列車的最大加速度；恒功率階段加速度逐漸下降，車輛速度繼續提高；當速度提高到勻速階段時，牽引力和列車阻力達到動態平衡。此外，列車還有惰行工況，即列車電機不提供牽引力，保持滑行狀態，在列車救援時為保持較低車速，司機會不間斷采取惰行工況。

3 救援工況下車鉤力仿真分析

3.1 仿真工況

基于MATLAB的Simulink模塊建立地鐵列車縱向動力學模型，模型考慮車鉤緩沖系統非線性特性。

圖1 地鐵列車牽引力特性曲線

以某地鐵線路A型車為例，采用4動2拖6輛編組：+Tc -M -M -M -M -Tc +。其中，Tc車為拖車；M車為動車；“+”代表自動車鉤；“-”代表半永久車鉤。每輛空車重38 t，滿載50 t（AW3工況），車體抗拉強度為850 kN，抗壓強度為1 250 kN，列車牽引加速度1.0 m/s2，緊急制動減速度1.2 m/s2，常用制動減速度1.0 m/s2。全列車車鉤配置流體阻尼緩沖器，壓縮方向最大阻抗力為1 000 kN，拉伸方向最大阻抗力為390 kN。最大坡道參數為國內地鐵線路普遍采用的35‰。車鉤強度與車體一致。

理論計算顯示最大坡道變坡點緊急制動時得到的車鉤力最大，但實際線路上變坡點恰好是最大坡道的情況幾乎不存在，所以本文選取平直道轉下坡這種最常見的惡劣工況進行趨勢分析。列車救援模型仿真工況如圖 2所示，救援模式采用推送救援，救援車為空載，被救援車為滿載，無動力無制動，救援車在平直道，被救援車在35‰下坡。以上工況為國內地鐵運營普遍采用的救援模式。

（1）恒牽引力階段。由圖1可知，在列車速度達到30 km/h之前，救援列車保持全牽引力狀態，分別選取列車速度到達10 km/h、20 km/h和30 km/h的3個時間節點實施緊急制動，計算分析各斷面的最大車鉤力。

（2）恒功率階段。在列車速度到達60 km/h之前，牽引系統保持功率最大狀態，在恒功率階段列車牽引力迅速降低。分別選取列車速度到達40 km/h、50 km/h和60 km/h的3個時間節點實施緊急制動，計算分析各斷面的最大車鉤力。

（3）自然特性階段。列車速度超過60 km/h之后，進入牽引電機的自然特性階段，此時列車牽引力繼續下降，分別選取列車速度到達70 km/h和80 km/h的2個時間節點實施緊急制動，計算分析各斷面的最大車鉤力。

3.2 緊急制動時車鉤力分析

將8個工況中的車鉤力按照橫坐標為斷面編號、縱坐標為車鉤力值擬合成曲線，如圖3所示。不同階段采取緊急制動時車鉤力分析如下。

圖2 列車救援模型示意圖

圖3 列車加速的不同階段采取緊急制動車鉤力對比

（1）恒牽引力階段采取緊急制動，車鉤力普遍較高，最大車鉤力發生在兩列車的中間斷面或者被救援列車離中間斷面最近的一個斷面，3種工況下最大車鉤力均超過了緩沖器拉伸方向的最大阻抗力390 kN，即緩沖器在拉伸方向已經走完行程，進入剛性階段，此階段車鉤力上升可能會非常快，有潛在風險。

（2）恒功率階段采取緊急制動，最大車鉤力隨著速度的增加逐漸減小，且此階段得到的最大車鉤力明顯低于恒牽引力階段。3種工況下最大車鉤力均小于緩沖器拉伸方向的最大阻抗力。

（3）自然特性階段采取緊急制動，最大車鉤力普遍較小，且不同速度采取緊急制動時車鉤力變化不大。在緊急制動力不變的情況下，救援車采取緊急制動時得到車鉤力與牽引力成正相關。

通過對救援工況下不同階段緊急制動時的車鉤力分析，可以清晰看出，恒牽引力階段采取緊急制動時車鉤力最大，是最危險的工況。恒功率階段和自然特性階段，由于牽引力有所下降，此時采取緊急制動，車鉤力較小。在實際運用中應主要避免在恒牽引力階段采取緊急制動。

4 救援演練制動操作方式優化研究

由于地鐵公司所有司機都需要定期練習救援操作，且絕大部分救援操作都是選擇在車輛段內有限長度的線路上進行，導致列車剛剛啟動后在恒牽引力階段就需要盡快制動。因此，在實際救援演練中恒牽引力階段采取制動的工況經常發生。針對類似情況，筆者建議通過更合理的制動操作來避免極大車鉤力的出現。

4.1 采用常用制動而非緊急制動

在救援演練和司機培訓時，采用緊急制動的操作過于危險，建議采用常用制動操作。列車加速到10 km/h時，將制動模式改為常用制動，計算分析縱向車鉤力變化。圖4通過折線圖的形式對比了緊急制動和常用制動工況下車鉤力的差異。

4.2 緊急制動前惰行

列車加速到10 km/h時，分別選取惰行0.2 s，0.5 s，1 s，1.5 s，2 s，2.5 s和3 s后實施緊急制動，進行車鉤力計算。選取每個工況下最大車鉤力為縱坐標，取每個工況的惰行時間為橫坐標，惰行時間與最大車鉤力的對應關系如圖5所示。

4.3 救援演練制動操作方式優化建議

（1）采用常用制動可以明顯降低制動時的最大車鉤力，但是短暫惰行后，再采取緊急制動，得到的車鉤力降幅更大。

（2）惰行時間小于2 s時，不同的惰行時間對最大車鉤力有較大影響；2.5 s以后，最大車鉤力基本趨于平穩，不再與惰行時間相關。

（3）在惰行最初階段（0.5 s以內）采取緊急制動，車鉤力最小，列車停車距離也最短，可以認定為是最佳操作方案。

圖4 常用制動和緊急制動下最大車鉤力的對比

圖5 惰行時間與最大車鉤力的對應關系

5 結語

通過對救援工況下不同階段緊急制動時的車鉤力進行仿真分析可知，恒牽引力階段采取緊急制動時車鉤力最大。結合地鐵公司救援演練操作實踐，建議在救援演練和司機培訓時采用常用制動或緊急制動前惰行的操作方式避免極大車鉤力的出現，其中緊急制動前短暫惰行的操作方式最適合救援演練工況。