高速動車組制動控制技術(shù)研究

羅飛平， 孫環(huán)陽， 王 群， 張磊， 舒浩然

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

制動控制作為高速動車組制動系統(tǒng)的核心技術(shù)，合理的進(jìn)行制動力控制和制動力管理是保證動車組制動作用的關(guān)鍵。動車組制動力控制通常分為均衡制動控制模式和電制動優(yōu)先控制模式， 制動力管理通常分為列車制動管理、編組管理和自律管理。 本文對制動控制模式和制動管理方式進(jìn)行了詳細(xì)分析，并從減少滑行、減少閘片磨耗、閘片磨耗均衡性、實(shí)際減速度準(zhǔn)確控制、多級或無級緊急制動控制等角度提出了動車組制動控制的研究方向。

1 制動控制模式

1.1 常用制動控制模式

動車組常用制動控制模式通常分為均衡制動控制和電制動優(yōu)先控制[1]。

1.1.1 均衡制動控制模式

均衡制動控制實(shí)施方法是， 各車輛承擔(dān)自身的所需制動力，動車優(yōu)先使用電制動力，不足的部分采用空氣制動力，拖車采用空氣制動力。 當(dāng)動車電制動故障時(shí)，采用空氣制動承擔(dān)，見圖1。

均衡制動控制有手動觸發(fā)和自動觸發(fā)兩種方式。 手動觸發(fā)： 當(dāng)列車在雨雪等輪軌黏著條件不良的情況下運(yùn)行時(shí)， 可通過司機(jī)室按鈕將常用制動轉(zhuǎn)換為均衡控制方式。 自動觸發(fā)：當(dāng)常用制動且速度低于一定速度時(shí)，自動進(jìn)入均衡控制方式。

圖1 均衡制動控制模式

均衡制動控制模式的優(yōu)點(diǎn)是可保證各車減速度一致，從而有效地降低滑行；其缺點(diǎn)是，動車的電制動不能最大程度的有效利用（電制動能力通常能承擔(dān)本動車制動力需求還有富余）。

1.1.2 電制動優(yōu)先控制模式

電制優(yōu)先控制實(shí)施方法是， 動車的電制動力達(dá)到最大值之前，優(yōu)先使用各動車的電制動，電制動不足部分由拖車和動車的空氣制動承擔(dān)。 當(dāng)動車電制動故障或不足時(shí)，動車角色轉(zhuǎn)為拖車。

其優(yōu)點(diǎn)是可最大程度的利用電制動， 從而減少閘片磨耗。 其缺點(diǎn)是，動車承擔(dān)的制動力較多，可能會導(dǎo)致動車容易滑行。

電制動不足情況下的空氣制動補(bǔ)充， 具體可分為以下幾種分配方法。

第一種: 拖車先補(bǔ)充空氣制動力至本拖車制動力需求， 不足部分由動車補(bǔ)充空氣制動力至本動車制動力需求，見圖2。

圖2 電制動優(yōu)先控制模式方法1

第二種: 拖車先補(bǔ)充至空氣制動能力的一定百分比（該百分比可根據(jù)具體情況調(diào)節(jié)），不足部分按照拖車、動車剩余空氣制動能力的比例進(jìn)行補(bǔ)償 （該空氣制動能力綜合考慮車重比和基礎(chǔ)制動功率比），見圖3。

圖3 電制動優(yōu)先控制模式方法2

第三種：在不超過黏著極限的情況下，動車和拖車按空氣制動能力的比例進(jìn)行補(bǔ)償（該空氣制動能力綜合考慮車重比和制動盤比）或平均補(bǔ)償；動車達(dá)到黏著極限后制動力不再增加，不足部分由拖車空氣制動補(bǔ)償，見圖4。

圖4 電制動優(yōu)先控制模式方法3

可以看出， 第一種方法能一定程度減少大制動級別下動車滑行，但該方法下拖車的閘片磨耗將比動車大；第三種方法能使拖車與動車閘片磨耗盡可能相同， 但該方法下動車更容易滑行； 第二種方法可以通過調(diào)節(jié)拖車先補(bǔ)充至空氣制動能力的百分比數(shù)值， 實(shí)現(xiàn)不同空氣制動力分配效果， 在百分比為一定值的情況下分配效果基本上和第一種方法相同，在百分比為0%情況下分配效果基本上和第三種方法相同。

1.2 緊急制動控制模式

緊急制動通常分為緊急制動EB（含電制動）和緊急制動UB（純空氣制動）。

緊急制動EB 采用均衡控制方式。 主要原因?yàn)殡娭苿訜o較多的富余，同時(shí)可保證各車減速度一致，從而有效地降低滑行。

緊急制動UB 通過緊急電磁閥直接控制， 與微機(jī)控制中的速度-黏著控制不同，通過調(diào)壓閥或空重車閥輸出緊急制動UB 預(yù)控壓力，為防止黏著限制，動車與拖車在不同速度點(diǎn)將制動缸輸出壓力調(diào)節(jié)為低壓力，見圖5。

圖5 緊急制動UB 空氣施加

2 制動管理方式

列車制動力管理方式通常分為整車管理、編組管理、自律管理。

2.1 整車管理

一般將司機(jī)室激活的車輛作為列車級管理單元，以頭尾車作為單元級管理單元。 列車級管理單元通過單元級管理單元收集全列車可用電制動和可用氣制動信息，按照上述制動控制模式分配整車電制動和氣制動的制動命令。 各車制動控制系統(tǒng)通過單元級管理單元接收到制動命令后按照述制動控制模式計(jì)算本車需施加的電制動和氣制動力值。

整車管理的優(yōu)點(diǎn)主要有， 整車電制動可以在全列車范圍最大程度利用； 一個(gè)車電制動故障時(shí)可以由其它車電制動來優(yōu)先補(bǔ)充；一個(gè)車空氣制動故障時(shí)，在不超過黏著限制條件下，可以由其它車空氣制動來補(bǔ)充。

2.2 編組管理

動車組通常以1 動1 拖或2 動1 拖為1 個(gè)制動控制單元。單元內(nèi)動車計(jì)算編組內(nèi)所需制動力，當(dāng)電制動足夠時(shí)，向拖車發(fā)送減算指令表示電制動富余值，拖車計(jì)算本車制動力需求減去該富余值得到本車空氣制動力需求。

編組管理的優(yōu)點(diǎn)是制動接口簡單可靠；對網(wǎng)絡(luò)依賴性低。

2.3 自律管理

在網(wǎng)絡(luò)掉線或緊急牽引模式時(shí)，通常采用自律管理。自律管理的前提條件是各車均能獲取制動指令， 網(wǎng)絡(luò)掉線車輛根據(jù)制動指令控制本車制動施加。

自律管理的優(yōu)點(diǎn)主要是保證單車網(wǎng)絡(luò)掉線時(shí)仍能進(jìn)行制動控制。

3 制動控制研究方向探討

3.1 減少滑行

在制動力大于黏著力時(shí)，車輪就可能出現(xiàn)滑行。通常控制滑行的現(xiàn)有措施主要有兩種，一種是降低制動力，一種是增加黏著。下面從制動控制優(yōu)化的角度考慮，進(jìn)一步分析減少發(fā)生滑行概率的方法。

由1.1.2 節(jié)可知， 對于采用電制動優(yōu)先控制模式，常用制動時(shí)，動車的制動力經(jīng)常比拖車的制動力大，經(jīng)常造成動車更容易滑行。

常用制動時(shí)，從制動控制角度出發(fā)，可以考慮動車一定程度滑行時(shí)（如1 個(gè)以上動車滑行且無拖車滑行），本次制動過程中， 將由動車優(yōu)先承擔(dān)制動力轉(zhuǎn)換為各車均承擔(dān)制動力，即由電制動優(yōu)先控制模式自動轉(zhuǎn)換為均衡控制模式。

對于動車優(yōu)先滑行的情況， 由于將動車的制動力調(diào)整一部分到拖車承擔(dān)，不同于防滑控制直接減少制動力，因此采用該制動力控制方式相對防滑控制可以最大程度的減少制動力的降低。

3.2 減少閘片磨耗

通常設(shè)計(jì)上減少閘片磨耗的手段主要為提高電制動覆蓋級位（與制動系統(tǒng)相關(guān)）、降低電制動退出點(diǎn)（與制動系統(tǒng)相關(guān)）、避免單車施加制動（與制動系統(tǒng)相關(guān)）、降低軸重、 恒速控車僅采用電制動、ATO 控車/手動控車盡量采用低級位調(diào)速或停車等措施。

下面從提高電制動覆蓋級位、降低電制動退出點(diǎn)、避免單車施加制動的角度考慮，進(jìn)一步分析減少閘片磨耗的方法。

3.2.1 電制動覆蓋級位

假設(shè)車輛編組采用4 動4 拖方式， 電制動能覆蓋整車常用制動4 級減速度曲線，當(dāng)制動級位高于4 級時(shí)，才需要補(bǔ)充空氣制動力。

通常動車組采用4 級及以下級位停車， 可以最大程度的減少閘片磨耗，見圖6。

圖6 電制動覆蓋曲線

3.2.2 降低電制動退出點(diǎn)

可以考慮降低電制動退出點(diǎn)，電制動退出的越晚，閘片磨耗更低，但對制動控制的要求越高，即保證動力制動和空氣制動的平穩(wěn)轉(zhuǎn)化，防止列車沖擊。

動力制動和空氣制動能否實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)轉(zhuǎn)化， 主要取決于2 種制動力變化的同步性、同速率，以及轉(zhuǎn)換過程中總制動力與制動需求是否相吻合[2]。

具體實(shí)施方法為，牽引系統(tǒng)TCU 提前提供電制動力消退命令，TCU 在發(fā)出該命令延時(shí)一定時(shí)間后將電制動力按固定斜率曲線下降，制動系統(tǒng)BCU 接收到電制動消退命令后， 按固定斜率曲線上升來實(shí)現(xiàn)電空混合的平順配合轉(zhuǎn)換。 對于由BCU 控制的電制動退出，電制動消退點(diǎn)、電制動退出斜率、空氣制動上升斜率可由BCU 統(tǒng)一控制。但是，如果實(shí)際電制動退出斜率和空氣制動上升斜率與固定斜率不一致時(shí)，將對停車沖擊和精度產(chǎn)生影響，BCU 可以考慮采用實(shí)際電制動信號并結(jié)合空氣制動上升延時(shí)性對空氣制動控制進(jìn)行修正，見圖7。

圖7 電制動退出過程

3.2.3 避免單車施加制動

當(dāng)單車施加制動，其它車未施加制動時(shí)，全列車的能量將都由該車的基礎(chǔ)制動消耗， 將可能造成該車制動盤和閘片損壞。因此，需考慮單車施加制動觸發(fā)全列制動施加的方式。 如單車意外施加緊急制動UB 時(shí)可自動觸發(fā)全列緊急制動EB，列車控制系統(tǒng)檢測到單車制動施加時(shí)觸發(fā)全列最大常用制動施加。

3.3 閘片磨耗均衡性

閘片磨耗均衡性受到的影響太多，司機(jī)操作習(xí)慣、線路情況、閘片特性等，需要長期運(yùn)營數(shù)據(jù)積累。 部分動車組中拖車閘片磨耗量大于動車[3]，部分動車組動車閘片磨耗量大于拖車。

造成上述情況的原因?yàn)椋?拖車閘片磨耗量大于動車動車組電制動覆蓋制動等級相對較低， 正常停車時(shí)高速時(shí)可能需要在拖車補(bǔ)充空氣制動力， 因此拖車承擔(dān)的閘片磨耗要大于動車。 動車閘片磨耗量大于拖車動車組電制動覆蓋制動等級相對較高， 正常停車高速時(shí)往往不需要補(bǔ)充空氣制動， 僅在低速時(shí)采用均衡模式補(bǔ)充空氣制動力，由于動車制動缸配置相對拖車配置較少，因此拖車承擔(dān)的閘片磨耗要小于動車。

為了使各車閘片磨耗均衡，可以參照1.1.2 節(jié)中第二種分配方式， 調(diào)整拖車補(bǔ)充百分比來調(diào)節(jié)拖車與動車不同的磨耗量。

3.4 減速度準(zhǔn)確控制

在動車組整車控制中， 通常要求實(shí)際減速度曲線不低于設(shè)計(jì)減速度曲線（平直道無滑行），而實(shí)際試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常發(fā)現(xiàn)兩條曲線無法準(zhǔn)確貼合， 其原因主要為實(shí)際閘片摩擦系數(shù)與制動控制用摩擦系數(shù)存在較大偏差[4]。

由于實(shí)際摩擦系數(shù)受影響的因素較多及實(shí)際中的控制難度問題，實(shí)際摩擦系數(shù)通常是一個(gè)變化值，即使通過臺架試驗(yàn)得到的摩擦系數(shù)也可能與現(xiàn)車運(yùn)用情況不同，可從下面兩個(gè)角度進(jìn)行研究，實(shí)現(xiàn)實(shí)際減速度精確控制，大大提高制動距離的精度和可靠性，保證不同載荷、不同摩擦材料下保持穩(wěn)定的制動距離。

（1）通過整車試驗(yàn)獲得到的實(shí)際減速度，對制動控制用摩擦系數(shù)進(jìn)行修正，使實(shí)際減速度盡量貼合設(shè)計(jì)減速度。

（2）采用減速度閉環(huán)控制技術(shù)，在不加裝加減速度傳感器的前提條件下， 基于在線參數(shù)估計(jì)的自適應(yīng)控制方法，通過對閘片摩擦系數(shù)、坡道坡度、載重等擾動進(jìn)行估計(jì)，然后用估計(jì)出的參數(shù)進(jìn)行制動力的計(jì)算，可以顯著減小實(shí)際減速度與目標(biāo)減速度的偏差[5]。在加裝加減速度傳感器時(shí)，通過檢測整車實(shí)際減速度調(diào)節(jié)整車制動力需求，減小實(shí)際減速度與目標(biāo)減速度的偏差。

3.5 多級或無級緊急制動控制

高速動車組緊急制動通過設(shè)置2 階段壓力調(diào)整空重車閥/中繼閥實(shí)現(xiàn)，單車二段式、整車三段式，其中黏著并未完全充分利用，如果基礎(chǔ)制動能力足夠時(shí)，可通過以下措施實(shí)現(xiàn)更高的黏著利用，使動車組停車距離更短，見圖8～10。

圖8 動車組緊急制動控制

圖9 多級緊急制動控制

圖10 無級緊急制動控制

（1）通過設(shè)置多階段壓力調(diào)整空重車閥/中繼閥實(shí)現(xiàn)，比如，單車三段式、整車五段式，提高輪軌黏著利用率。

（2）通過高安全等級電路控制電子空重車閥實(shí)現(xiàn)無級減速度方式，提高輪軌黏著利用率。

4 結(jié)論

常用制動控制模式分為均衡制動控制模式和電制動優(yōu)先控制模式， 電制動優(yōu)先控制模式通常又分為三種控制方式，可以根據(jù)具體情況合理應(yīng)用。制動管理方式分為整車管理、編組管理、自律管理三種方式，整車管理與自律管理結(jié)合是制動管理應(yīng)用的趨勢。

由電制動優(yōu)先控制模式自動轉(zhuǎn)換為均衡控制模式是減少滑行的研究方向。

提高電制動覆蓋級位、降低電制動退出點(diǎn)、避免單車施加制動是減少閘片磨耗的研究方向。 根據(jù)制動減速度特性和電制動能力進(jìn)行制動力的合理化分配， 是使閘片磨耗均衡的研究方向。

對摩擦系數(shù)進(jìn)行修正以及減速度閉環(huán)控制是實(shí)現(xiàn)實(shí)際減速度準(zhǔn)確控制的研究方向。

多級或無級緊急制動控制是基礎(chǔ)制動能力足夠時(shí)使動車組停車距離更短的研究方向。