高速動車組制動滑行優化研究

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開發部，陜西西安，710000）

0 引言

為避免高速動車組在制動過程中出現滑行，動車組設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變化進行設計，最常用的控制策略是基于速度差和減速度的復合判據式防滑控，同時電制動和空氣制動互相配合實現。本文主要針對復興號動車組在制動滑行保護試驗中出現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，提出了優化改進建議。通過仿真測試和現場試驗的結果驗證了所設計的防滑控制系統的有效性和可靠性，為國高速動車組制動系統防滑控制提供有益經驗[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，如式(1)：

式中 為黏著系數；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，可靠地避免打滑現象。在出現諸如軌面狀態變化的情況下，黏著控制應保證在制動過程中，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制動裝置的技術特性，包括傳動特性、摩擦特性等，其與制動缸壓力cP的關系如式(3)所示：

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

式中ω：角加速度；I：輪對的轉動慣量；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通過數據交互實現空氣制動和電制動力的相互配合發揮。

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降低，為避免制動過程中因黏著降低導致發生制動滑行引起輪對擦傷，空氣制動系統和電制動系統均設計有防滑控制功能。

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給TCU來執行，然后TCU再將具體執行的防滑減量反饋給BCU，當電制動力不足時，BCU會根據整車制動力不變的原則在本車內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，由于輪軌黏著系數降低，動力軸發生嚴重滑行，制動系統檢測到滑行后，BCU向TCU下發防滑減量請求，TCU根據組合黏著控制法進行電制動力卸載，具體控制如圖1所示，首先根據采集的電機轉速、拖軸速度、電機電流信號，經過濾波處理，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/滑行趨勢進行識別，當相應的變量超過其預先設定的閾值后判斷為空轉/滑行，之后根據檢測的速度差、加速度等數據預測當前工況的最大粘著力，最終按空轉滑行程度采用動態兩段式轉矩調整邏輯恢復轉矩。

■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，待卸載到合適轉矩后，如果控制系統檢測到車輪滑行消失，維持當前較低轉矩輸出一段時間而后按以下兩種不同的“滑行后轉矩恢復斜率”曲線恢復至空轉/滑行前的轉矩，設置不同的斜率主要原因是輪軌是機械系統，滑行產生后需要一定的時間來恢復，因此為了避免產生連續滑行，如圖2所示，所以在轉矩較大時采用較小的斜率來恢復轉矩，使轉矩逼近滑行前的轉矩，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化

復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。在動車組經過該區域軌道時，從牽引工況轉制動工況，由于減摩液導致輪軌黏著系數降低，動力軸發生嚴重滑行，制動系統檢測到滑行后，BCU向TCU下發防滑減量請求，TCU根據組合黏著控制法進行電制動力卸載，首先根據采集的電機轉速、拖軸速度、電機電流信號，經過濾波處理，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/滑行趨勢進行識別，當相應的變量超過其預先設定的閾值后判斷為空轉/滑行，之后根據檢測的速度差、加速度等數據預測當前工況的最大粘著力，最終按空轉滑行程度采用動態兩段式轉矩調整邏輯恢復轉矩。

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

圖3 BCU防滑減量與TCU執行情況

圖3中，系列1為BCU下發防滑減量，系列2為轉矩給定，系列3為實際轉矩發揮，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

通過對故障數據的分析，總結導致制動滑行控制過程中出現逆變器過流的原因為以下三點：

（1）轉矩模式下BCU主導防滑行功能，TCU自身防滑行判據閾值設置偏高，未主動進行防滑行控制；

（2）制動工況脈寬調制7分頻電流環PI參數在嚴重滑行工況適應性不足；

（3）轉矩模式下BCU主導防滑行功能，BCU給TCU發送防滑減量時TCU執行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化，提高在黏著系數降低情況下電制動防滑的控制靈敏度，具體措施如下：

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

（2）制動工況脈寬調制7分頻電流環P參數由0.8改為1.4；

（3）TCU將跟隨斜率由2800Nm/s改為4000Nm/s。

4 優化驗證

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

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

5 總結

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

圖4 優化參數后的驗證波形