高速動車組制動滑行優(yōu)化研究

王慧，徐亞昆，李釗

（1.中車永濟電機有限公司檢測試驗中心，陜西西安，710000；2.中車永濟電機有限公司軌道交通系統(tǒng)開發(fā)部，陜西西安，710000）

0 引言

為避免高速動車組在制動過程中出現(xiàn)滑行，動車組設(shè)置電制動防滑裝置和空氣制動防滑裝置。防滑控制的控制算法和邏輯是基于輪軌間的黏著狀態(tài)變化進行設(shè)計，最常用的控制策略是基于速度差和減速度的復(fù)合判據(jù)式防滑控，同時電制動和空氣制動互相配合實現(xiàn)。本文主要針對復(fù)興號動車組在制動滑行保護試驗中出現(xiàn)的滑行過流問題進行分析，并詳細分析了電制動防滑控制中存在的問題，提出了優(yōu)化改進建議。通過仿真測試和現(xiàn)場試驗的結(jié)果驗證了所設(shè)計的防滑控制系統(tǒng)的有效性和可靠性，為國高速動車組制動系統(tǒng)防滑控制提供有益經(jīng)驗[1][2]。

1 黏著分析與黏著控制

輪軌間所能傳遞的最大切向力（黏著力）與接觸載荷之比即為黏著系數(shù)，如式(1)：

式中 為黏著系數(shù)；Fa最大切向力（黏著力）；W車輛垂直負載。

由黏著蠕滑理論的試驗研究表明，輪軸速度Vaxis與車輛速度Vtrain存在一定的速度差，此速度差與車輛速度的百分比即為滑移率，如式(2)：

式中λ滑移率；Vtrain車速；Vaxis軸速。

黏著力是在輪軌接觸部分伴隨著微小打滑所傳遞的力。在制動過程中，必須保證制動力Fb小于黏著力Fa，否則車輪就有打滑的危險。黏著控制是通過控制來實現(xiàn)輪軌之間黏著力的最佳利用。為此，必須及早判別打滑極限值的出現(xiàn)，可靠地避免打滑現(xiàn)象。在出現(xiàn)諸如軌面狀態(tài)變化的情況下，黏著控制應(yīng)保證在制動過程中，始終以最大黏著力工作而不超過黏著極限值。制動力Fb的計算需要考慮基礎(chǔ)制動裝置的技術(shù)特性，包括傳動特性、摩擦特性等，其與制動缸壓力cP的關(guān)系如式(3)所示：

式中α，β為常數(shù)參數(shù)，D為車輪直徑。在制動過程中，輪對的動態(tài)特性（減速度、黏著力和制動力的關(guān)系）可由式(4)描述：

式中ω：角加速度；I：輪對的轉(zhuǎn)動慣量；rw：車輪半徑；rb：有效制動半徑[3]。

2 高速動車組制動防滑控制原理

高速動車組的制動力主要由空氣制動力和電制動力構(gòu)成，其中空氣制動由整車BCU（Brake Control Unit）控制單元進行控制，電制動力由TCU（Traction Control Unit）牽引控制單元進行控制。BCU和TCU通過數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)空氣制動和電制動力的相互配合發(fā)揮。

動車組在高速運行和在踏面條件惡劣的情況下輪軌黏著系數(shù)降低，為避免制動過程中因黏著降低導(dǎo)致發(fā)生制動滑行引起輪對擦傷，空氣制動系統(tǒng)和電制動系統(tǒng)均設(shè)計有防滑控制功能。

動車組在級位模式下防滑行以BCU為主，由BCU來判斷防滑并將減載后的防滑減量發(fā)給TCU來執(zhí)行，然后TCU再將具體執(zhí)行的防滑減量反饋給BCU，當(dāng)電制動力不足時，BCU會根據(jù)整車制動力不變的原則在本車內(nèi)對未滑行的軸進行補充空氣制動。

■2.1 黏著控制方法

在輪軌條件惡劣的條件下，由于輪軌黏著系數(shù)降低，動力軸發(fā)生嚴重滑行，制動系統(tǒng)檢測到滑行后，BCU向TCU下發(fā)防滑減量請求，TCU根據(jù)組合黏著控制法進行電制動力卸載，具體控制如圖1所示，首先根據(jù)采集的電機轉(zhuǎn)速、拖軸速度、電機電流信號，經(jīng)過濾波處理，基于輪對蠕滑速度、加速度以及加速度微分等多方法組合對空轉(zhuǎn)/滑行趨勢進行識別，當(dāng)相應(yīng)的變量超過其預(yù)先設(shè)定的閾值后判斷為空轉(zhuǎn)/滑行，之后根據(jù)檢測的速度差、加速度等數(shù)據(jù)預(yù)測當(dāng)前工況的最大粘著力，最終按空轉(zhuǎn)滑行程度采用動態(tài)兩段式轉(zhuǎn)矩調(diào)整邏輯恢復(fù)轉(zhuǎn)矩。

■2.2 電制動防滑黏著控制原理

牽引控制單元通過采集電機的速度傳感器信號，計算動軸速度，同時通過與BCU的信息交互，得到給定車速和拖軸速度。動車組制動滑行的判據(jù)是基于輪對蠕滑速度、減速度以及減速度微分等對滑行識別，一旦檢測到滑行后開始卸載，待卸載到合適轉(zhuǎn)矩后，如果控制系統(tǒng)檢測到車輪滑行消失，維持當(dāng)前較低轉(zhuǎn)矩輸出一段時間而后按以下兩種不同的“滑行后轉(zhuǎn)矩恢復(fù)斜率”曲線恢復(fù)至空轉(zhuǎn)/滑行前的轉(zhuǎn)矩，設(shè)置不同的斜率主要原因是輪軌是機械系統(tǒng)，滑行產(chǎn)生后需要一定的時間來恢復(fù)，因此為了避免產(chǎn)生連續(xù)滑行，如圖2所示，所以在轉(zhuǎn)矩較大時采用較小的斜率來恢復(fù)轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)矩逼近滑行前的轉(zhuǎn)矩，有利于輪軌再黏著。

圖2 粘著控制邏輯圖

3 高速條件下制動防滑試驗

■3.1 制動滑行逆變過流的分析及優(yōu)化

復(fù)興號動車組防滑行試驗中，需要在一定長度的軌道上灑減摩液，驗證輪軌惡劣黏著條件下的制動滑行控制及保護功能。在動車組經(jīng)過該區(qū)域軌道時，從牽引工況轉(zhuǎn)制動工況，由于減摩液導(dǎo)致輪軌黏著系數(shù)降低，動力軸發(fā)生嚴重滑行，制動系統(tǒng)檢測到滑行后，BCU向TCU下發(fā)防滑減量請求，TCU根據(jù)組合黏著控制法進行電制動力卸載，首先根據(jù)采集的電機轉(zhuǎn)速、拖軸速度、電機電流信號，經(jīng)過濾波處理，基于輪對蠕滑速度、加速度以及加速度微分等多方法組合對空轉(zhuǎn)/滑行趨勢進行識別，當(dāng)相應(yīng)的變量超過其預(yù)先設(shè)定的閾值后判斷為空轉(zhuǎn)/滑行，之后根據(jù)檢測的速度差、加速度等數(shù)據(jù)預(yù)測當(dāng)前工況的最大粘著力，最終按空轉(zhuǎn)滑行程度采用動態(tài)兩段式轉(zhuǎn)矩調(diào)整邏輯恢復(fù)轉(zhuǎn)矩。

在制動滑行的過程中，動車組02車報逆變器2V相過流故障。通過下載過程數(shù)據(jù)，在發(fā)生過流故障前，02車1架動力軸多次檢測到發(fā)生制動滑行。通過多次制動滑行過程中電制動力與空氣制動數(shù)據(jù)對比可以看出，在第一次出現(xiàn)制動滑行時，由于動軸速度與車速差小，BCU下發(fā)的防滑減量值較低，牽引轉(zhuǎn)矩調(diào)整幅度較小，電制動可以及時調(diào)整電制動轉(zhuǎn)矩輸出并恢復(fù)黏著狀態(tài)；在第二次發(fā)生制動滑行時，02車1架軸速和02車2架軸速出現(xiàn)較大的速度差，BCU下發(fā)防滑減量值給定值高，TCU電制動轉(zhuǎn)矩發(fā)揮調(diào)整斜率略低于轉(zhuǎn)矩給定斜率，說明TCU執(zhí)行的卸載斜率比BCU防滑減量略微偏低。第三次出現(xiàn)制動滑行時，02車1架和2架動軸均出現(xiàn)滑行，此次制動滑行中電制動調(diào)整不及時引起牽引逆變器過流故障。

圖3 BCU防滑減量與TCU執(zhí)行情況

圖3中，系列1為BCU下發(fā)防滑減量，系列2為轉(zhuǎn)矩給定，系列3為實際轉(zhuǎn)矩發(fā)揮，系列4為車速，系列5為1架軸速，系列6為2架軸速。

■3.2 故障原因及解決措施

通過對故障數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)導(dǎo)致制動滑行控制過程中出現(xiàn)逆變器過流的原因為以下三點：

（1）轉(zhuǎn)矩模式下BCU主導(dǎo)防滑行功能，TCU自身防滑行判據(jù)閾值設(shè)置偏高，未主動進行防滑行控制；

（2）制動工況脈寬調(diào)制7分頻電流環(huán)PI參數(shù)在嚴重滑行工況適應(yīng)性不足；

（3）轉(zhuǎn)矩模式下BCU主導(dǎo)防滑行功能，BCU給TCU發(fā)送防滑減量時TCU執(zhí)行BCU的防滑減量斜率偏慢。

針對以上三點，對制動滑行控制算法進行改進優(yōu)化，提高在黏著系數(shù)降低情況下電制動防滑的控制靈敏度，具體措施如下：

（1）適當(dāng)降低TCU自身防滑行判據(jù)閾值，減速度閾值由-8m/s2降低為-6m/s2,當(dāng)產(chǎn)生相對嚴重的滑行時TCU會根據(jù)BCU的防滑減量降低制動力，并在此基礎(chǔ)上計算自身的防滑減量，最終將最后發(fā)揮的制動力發(fā)送給BCU；

（2）制動工況脈寬調(diào)制7分頻電流環(huán)P參數(shù)由0.8改為1.4；

（3）TCU將跟隨斜率由2800Nm/s改為4000Nm/s。

4 優(yōu)化驗證

針對本次牽引逆變器在制動滑行試驗時出現(xiàn)的過流問題，主要在半實物仿真平臺進行了故障復(fù)現(xiàn)和優(yōu)化工作，通過地面高壓試驗平臺對系統(tǒng)運行進行了高壓驗證。

控制參數(shù)優(yōu)化后，在速度信號變化劇烈的情況下優(yōu)化防滑控制等參數(shù)，在相同的工況下進行半實物驗證，試驗結(jié)果如圖4所示，紅色虛線范圍內(nèi)為模擬車輛發(fā)生滑行速度突降及快速恢復(fù)的過程，從圖中可以看出，電機電流隨著速度的變化進行調(diào)整，共進行兩次驗證均未再出現(xiàn)過流。

5 總結(jié)

通過制動過程中BCU與TCU配合邏輯的優(yōu)化，TCU主動進行防滑控制，提高在制動滑行中TCU 的轉(zhuǎn)矩減量跟隨速度，已經(jīng)提高減速度等方式，提供了TCU在發(fā)生制動滑行時的反應(yīng)速度。有效避免了制動過程中過流故障的發(fā)生，避免了可能出現(xiàn)的制動滑行可能導(dǎo)致的擦輪等一系列問題。

圖4 優(yōu)化參數(shù)后的驗證波形