基于單輪對試驗臺的高速制動防滑試驗研究

陳 波，常崇義，周 軍，許豐磊

（1.中國鐵道科學研究院集團有限公司 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081；2.高速鐵路系統試驗國家工程實驗室 高速輪軌關系試驗室，北京 100081；3.北京縱橫機電科技有限公司，北京 100094；4.中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266031）

隨著列車運行速度的不斷提高，輪軌黏著系數減小，尤其在軌面濕滑狀態下極低的輪軌黏著系數使得列車制動時很容易出現輪對滑行。輪對滑行直接導致制動距離延長，嚴重時還會擦傷車輪踏面，進而降低車輛運行品質，甚至危及行車安全。為了盡可能減少輪對滑行，列車上裝設了制動防滑器，在防滑的同時充分利用輪軌黏著以減小制動距離。

對于制動防滑器及防滑策略的研究，主要有數值仿真和現場實車試驗2 種方式。羅仁采用比例控制器作為制動防滑器，用數值仿真研究準高速列車制動過程的防滑控制［1］；左建勇基于DSHplus 軟件建立氣路仿真模型與防滑控制策略仿真模型，用于防滑單元的集成設計與參數優化［2］；馬天和提出基于黏著力觀測器的新型防滑控制方法，通過不同黏著工況的仿真對設計的防滑控制器進行驗證［3］；英國的Alturbeh 基于MATLAB/Simulink 軟件開發低黏著制動動態優化仿真工具，對列車制動系統進行預測和優化［4］。由于輪軌黏著特性的復雜性和輪軌表面狀態、接觸面介質分布的不確定性，通過仿真無法準確計算制動過程中的輪軌黏著力，在此基礎上計算的輪對轉速、制動距離等其他參數也都存在可靠性問題。評估防滑控制效果最直接有效的手段，是裝車后在線路上進行實車試驗。標準UIC 541-05—2005《Brakes-Specifications for the Construction of Various Brake Parts-Wheel Slide Protection Device （WSP）》［5］，BS EN 15595—2018 《Railway Applications-Braking-Wheel Slide Protection》［6］以及TB/T 3009—2019《機車車輛制動系統用防滑裝置》［7］都對制動防滑器的線路試驗方法和評定標準制定了具體要求。韋皓、康雄等基于動車組現場試驗進行制動防滑性能試驗研究［8?9］。但現場實車試驗難以精確控制輪軌黏著條件，對于超低黏著、大滑移率等制動工況，現場實車試驗還存在擦傷車輪的風險。為此，對制動防滑器參數優化、新型制動防滑器研制以及現場難以開展的試驗，均可以采用半實物仿真代替，標準UIC 541-05—2005 和BS EN 15595—2018 對仿真臺架試驗均做了詳細的規定。研究人員據此搭建了諸多硬件在環（HIL）仿真平臺，如：意大利的Pugi 建立了包括制動防滑器的MI-6 試驗臺、用于鐵路安全子系統研究［10］，韓國的Kim Ho-Yeon 建立了基于數字空間（dSPACE）系統的制動防滑器仿真平臺［11］，曹宏發利用ES1000實時仿真系統建立了防滑仿真試驗臺［12］。輪軌黏著系數是影響輪對滑行的核心參數，半實物仿真中該參數通常依據同等工況下現場實車試驗采集的數據進行人為設定，這無法準確反映列車制動過程中動態變化的輪軌黏著情況。

除數值仿真、半實物仿真和現場實車試驗之外，試驗臺試驗為制動防滑研究提供了另一種可行的手段。日本的Yamazaki 和Nakazawa 分別利用臥式單輪試驗臺開展了制動黏著和新型制動防滑器性能試驗［13?14］，所用試驗臺依靠與軌道輪同軸布置的1 組飛輪模擬車輛的運動慣量，但難以根據車輛的不同軸重對運動慣量自由調節。

本文基于高速輪軌關系試驗臺進行高速制動防滑試驗，采用電慣量模擬的方式，解決制動試驗過程中車輛運動慣量模擬時無法自由調節的問題，并利用試驗臺開展軌面干燥條件下的制動試驗和濕軌制動防滑試驗。

1 試驗設備

1.1 高速輪軌關系試驗臺

高速輪軌關系試驗臺為單輪對試驗臺，其主要結構包括軌道輪系統、試驗輪對系統、液壓激振系統、測量和數據采集系統和控制系統。軌道輪系統主要包括軌道輪及其驅動變速箱和驅動電機，軌道輪的圓周速度即代表車輛運行速度，試驗臺最高試驗速度可達500 km·h?1。試驗輪對系統主要包括試驗輪對、適配器和導向框，試驗輪對采用帶有一系懸掛系統的實車輪對，與適配器裝配成一體，并通過螺栓連接安裝在導向框上。液壓激振系統主要包括垂向、橫向、縱向作動器和高壓油供應單元，可根據試驗要求通過導向框向試驗輪對施加相應的載荷。試驗臺結構如圖1所示。

圖1 試驗臺結構示意圖

利用高速輪軌關系試驗臺進行制動防滑試驗，可以模擬輪軌運行的實際接觸狀態。輪（試驗輪對）和軌（軌道輪）均為實物；軸重通過液壓作動器加載實現，車輛運行時的動態激振也可通過液壓作動器加載實現；輪軌廓形和表面狀態可參照現場實際情況設定；水、防凍液等介質的噴灑時間、噴灑量可通過試驗臺控制系統精準控制。這既保證了試驗條件接近于現場真實條件，又便于根據不同的工況靈活、穩定地控制試驗條件。

1.2 制動氣路設備

制動氣路設備主要包括截斷塞門1、截斷塞門2、比例閥、防滑閥、制動缸、總風缸、制動儲風缸和壓力傳感器。試驗氣路的通路為：壓縮空氣管路→總風缸→制動儲風缸→比例閥→防滑閥→制動缸。試驗過程中，比例閥按照試驗臺控制系統的固定指令動作，防滑閥則按照制動防滑器控制單元根據輪對滑行狀態的控制指令作出相應的動作。

1.3 試驗臺與制動防滑器之間信號和指令的傳遞

制動防滑器的滑行檢測參數包括速度差、減速度、滑移率和減速度微分，通過車輛運行速度和輪對速度計算。通過制動防滑器很難直接獲得車輛運行速度，通常依據4 根車軸的速度計算出參考速度代替車輛運行速度，硬件在環仿真試驗中通過專門的模塊實時計算參考速度。試驗臺通過軌道輪運動慣量模擬車輛軸重的運動慣量，以軌道輪轉速模擬制動過程中車輛的制動速度，因此可以將軌道輪轉速接入防滑控制系統作為參考速度。

制動氣路設備連接示意圖如圖2所示。

圖2 制動氣路設備連接示意圖

制動防滑器接入試驗臺制動氣路后，一方面可從試驗臺獲取軌道輪角速度和試驗輪對角速度，另一方面根據自身策略判斷后并發出防滑動作指令，對制動缸壓力實時控制。與此同時，試驗臺根據制動力的變化實時調整軌道輪電機扭矩，以控制制動減速度。制動防滑試驗測量控制系統結構如圖3所示。

圖3 制動防滑試驗測量控制系統結構

2 基于高速輪軌關系試驗臺的制動防滑試驗

2.1 車輛運行速度的控制

單輪對試驗臺以軌道輪圓周速度模擬車輛運行速度，且可通過光電編碼器實時測量。試驗臺常規試驗中，軌道輪的速度和加/減速度目標值均為恒定值，控制邏輯簡單；制動試驗中，制動力實時變化，軌道輪不能按恒定的減速度運行，而是根據制動力和車輛軸重產生的運動慣量確定軌道輪的減速度。

傳統的制動臺架試驗系統采用飛輪的機械慣量模擬車輛的運動慣量，占用設備空間，慣量調整困難，自動化程度低。針對這些問題，提出通過電慣量模擬車輛運動慣量的設計思想。試驗輪對制動時，軌道輪的電慣量必須與模擬的車輛軸重產生的運動慣量相當，軌道輪驅動電機控制系統依據模擬的車輛運動慣量，實時計算需要的電機扭矩，控制軌道輪制動停車。電慣量模擬的原理是根據模擬制動過程和實際制動過程中輪對所受制動力相等情況下，實時求解模擬電慣量，進而計算軌道輪驅動電機所需的輸出扭矩。

實際制動過程和模擬制動過程中輪對的受力情況如圖4所示。為便于與單輪對試驗臺模擬制動過程的受力情況進行對比，實際制動過程僅標示出車輛有1 根車軸時的受力情況。圖中：v為車輛運行速度；a為車輛減速度；m為車輛軸重；ωW為輪對角速度；FB為制動力；J為模擬慣量；rR為軌道輪半徑；ωR為軌道輪角速度；αR為軌道輪角減速度；TM為軌道輪驅動電機輸出扭矩；TL為傳動損失的扭矩。

圖4 制動過程中輪對實際和模擬受力情況

試驗臺要模擬實際制動過程，在相同的制動力FB作用下，圖4（b）中模擬制動過程軌道輪的圓周速度和減速度必須與圖4（a）中實際制動過程車輛的運行速度和減速度相等，有

根據圖4（a）中實際制動過程車輛的受力和運動情況可得

根據圖4（b）中模擬制動過程軌道輪的受力和運動情況可得

其中，

TI=JαR

TB=FBrR

式中：TI為基于模擬的慣量產生的力矩；TB為制動力產生的力矩。

式（4）中，TM通過傳感器的測量直接獲得；TL通過在軌道輪非制動、無加減速時標定得到，即TB=0且TI=0時TL=TM。

因軌道輪角速度ωR可直接通過光電編碼器測量，則軌道輪角減速度可按下式計算得到。

式中：ΔωR為軌道輪角速度的增量；Δt為時間的增量。

將式（3）、式（5）代入式（4），可得

從式（6）可以看出，模擬慣量J可以通過車輛軸重的實際值、軌道輪角速度和軌道輪所受力矩的測量值計算得到。

模擬慣量確定后，由式（4）可計算出當前時刻的制動力為

再由式（4）計算得到下一時間步所需扭矩TM，軌道輪驅動電機控制系統按照該扭矩控制軌道輪減速。到下一時間步，控制系統又根據實時測量數據調整電機扭矩，如此往復直至制動結束。

與傳統的機械慣量模擬相比，電慣量模擬不占用設備空間，慣量調整由試驗臺控制系統集成控制，調整便捷高效，自動化程度較高。高速輪軌關系試驗臺電慣量連續可調，車輛軸重模擬范圍為3～50 t。

2.2 試驗流程

1）試驗前的準備

（1）檢查軌道輪和車輪的表面粗糙度，若不滿足試驗條件要求，通過打磨調節。

（2）將制動氣路設備接入高速輪軌關系試驗臺，將軌道輪轉速信號接入防滑控制系統。

舉兩個例子：第一個，外部存儲器擴展這部分內容，隨著工業水平的提升，單片機內部集成的存儲器容量越來越大，很多內置的存儲器基本能滿足要求，很少需要外擴，擴展沒必要，對學生學習其他內容也沒幫助。第二個，51單片機有40個引腳，I/O口也多，沒有必要了解I/O內部的機構，只需要了解每個I/O口的功能即可。

（3）給制動氣路充氣，充氣完畢后關閉截斷塞門2。

2）試驗過程基本步驟

（1）通過液壓激振系統給試驗輪對施加載荷。

（2）軌道輪驅動電機以恒扭矩控制模式牽引試驗輪對至制動初速度，然后將驅動電機切換至電慣量模擬控制模式。

（3）對于濕軌工況，控制系統發出噴水指令，向輪軌接觸區域持續噴水或防凍液。

（4）等待3～5 s，以便輪軌接觸區域的水膜穩定，試驗輪對運行平穩。控制系統發出制動壓力指令，試驗輪對、軌道輪隨即制動減速。

（5）制動停車后，控制系統發出停止噴水或其他介質的指令和停止制動的指令，釋放制動缸壓力，試驗結束。

3）試驗數據處理

速度差Δv為

式中：vR為軌道輪圓周速度；vW為試驗輪對圓周速度。

滑移率ε為

制動率?為

式中：g為重力加速度。

制動距離s為

式中：t0為制動起始時間；t1為制動結束時間。

平均減速度am為

式中：v0為制動初速度；t為制動時間。

2.3 試驗驗證

進行軌面干燥條件下的純空氣緊急制動試驗，比較目標減速度與實際減速度驗證提出的車輛運行速度控制邏輯是否正確，通過與現場實車試驗的制動距離和平均減速度對比檢驗試驗結果的可靠性。試驗條件為：試驗臺軌道輪表面粗糙度為0.2～0.3 μm，輪對表面粗糙度為0.4～0.6 μm，與現場條件相當［15］；試驗輪對施加垂向恒定載荷16 t；總供氣壓力為900 kPa，純空氣緊急制動時制動缸施加的空氣壓力為360 kPa；制動初速度分別為200和300 km·h?1。

軌面干燥條件下制動試驗中軌道輪減速度如圖5所示。圖中：目標減速度由制動力除以車輛軸重得到，實際減速度由軌道輪圓周速度進行差分得到。從圖5可以看出，在不同制動初速度下，二者吻合得相當好，表明前述車輛運行速度的控制邏輯正確，通過電慣量模擬車輛軸重能夠控制軌道輪按預期的目標減速度運行。

圖5 軌面干燥條件下制動試驗的軌道輪減速度

參照標準BS EN 15595—2018的要求，與現場實車試驗對比，仿真臺架試驗制動距離的相對誤差須在5%以內才認為試驗結果可靠。將試驗臺的試驗結果與相同工況的現場實車試驗結果［9］做了比較，結果見表1。從表1可以看出：200和300 km·h?1初速度制動工況下，試驗臺與現場實車試驗的制動距離相對誤差分別為3%和4%，均在標準要求的5%以內，且平均減速度相對誤差分別為3%和4%；這表明試驗結果可靠，可以利用高速輪軌關系試驗臺開展濕軌條件下的制動防滑試驗。

表1 試驗臺與現場實車的軌面干燥條件下制動試驗對比

3 試驗結果

進行噴水和噴防凍液2 種工況條件下的純空氣緊急制動防滑試驗，采用某動車組制動防滑器進行防滑控制。噴水工況試驗過程中向輪軌接觸界面噴水，噴灑量為200 mL·min?1；噴防凍液工況試驗過程中向輪軌接觸界面噴體積分數為50%的FD-2防凍液，噴灑量為200 mL·min?1。輪軌表面粗糙度、試驗輪對垂向載荷、制動空氣壓力和制動初速度等條件與軌面干燥條件下的純空氣緊急制動試驗相同。

3.1 噴水條件下

噴水條件下的純空氣緊急制動防滑試驗結果如圖6所示。從圖6可以看出：制動開始后，由于輪軌黏著力不足試驗輪對的速度快速下降產生滑行，當試驗輪對與軌道輪的速度差或滑移率達到某一定值時，防滑控制系統發出指令控制防滑閥排風，之后隨著黏著條件逐漸恢復，再控制防滑閥重新充風；其后又經歷數次排風充風，直到恢復正常制動力水平，速度差恢復為0。

從圖6還可以看出：滑行初始階段輪軌黏著力穩定后，200 和300 km·h?1工況的制動率分別約為0.07 和0.03。根據文獻［15］的試驗結果，速度200 和300 km·h?1附近的輪軌黏著系數分別約為0.07 和0.05。200 km·h?1工況的制動率與該速度的輪軌黏著系數相當，這表明輪軌黏著得到了充分利用。300 km·h?1工況的制動率低于該速度的輪軌黏著系數，這表明輪軌黏著沒有得到充分利用，不利于縮短制動距離。

圖6 噴水條件下純空氣緊急制動防滑試驗時程曲線

試驗中，200 和300 km·h?1工況下制動距離分別增加到1 824和3 940 m，均小于軌面干燥條件下制動工況的1.25 倍，平均減速度分別下降至0.85 和0.88 m·s?2；300 km·h?1工況在速度200 km·h?1以上時出現了速度差超過30 km·h?1的滑行情況，最大速度差為45 km·h?1，速度差超40 km·h?1時的滑行時間小于5 s；滿足標準TB/T 3009—2019 規定的機車車輛制動系統用防滑裝置對制動距離和滑行時間的要求。

3.2 噴防凍液條件下

噴防凍液條件下的純空氣緊急制動防滑試驗結果如圖7所示。從圖7可以看出：制動開始后，由于輪軌黏著力不足試驗輪對產生滑行；在防滑控制系統作用下，逐漸恢復正常制動力水平，速度差恢復為0。

從圖7還可以看出：滑行初始階段輪軌黏著力穩定后，200 和300 km·h?1工況的制動率分別約為0.03 和0.07，隨后很快提高到0.10～0.12，除200 km·h?1工況的初始階段，整個制動過程的制動率基本都高于噴水條件。這表明噴防凍液比噴水條件下的輪軌黏著利用更充分。

圖7 噴防凍液條件下純空氣緊急制動防滑試驗時程曲線

試驗中，200 和300 km·h?1工況的制動距離分別為1 549和3 492 m，均小于軌面干燥條件下制動工況的1.25 倍，平均減速度分別下降至1.00 和0.99 m·s?2；沒有出現速度差超過30 km·h?1的滑行情況；滿足標準TB/T 3009—2019 規定的機車車輛制動系統用防滑裝置對制動距離和滑行時間的要求。

4 結 論

（1）采用電慣量模擬的方式，實現制動條件下試驗臺軌道輪的運動慣量與實車試驗車輛軸重的運動慣量一致，通過控制軌道輪的圓周速度，使試驗臺試驗車速與實車試驗車速保持一致，并進行干燥條件下的純空氣緊急制動試驗結果對試驗方法可靠性進行驗證，結果表明實際減速度與目標減速度基本吻合，試驗臺試驗的制動距離較實車試驗的相對誤差滿足標準要求，試驗方法可靠。

（2）噴水條件下，制動初速度為200 km·h?1時初始滑行階段的制動率更高，而噴防凍液條件下，制動初速度為300 km·h?1時初始滑行階段的制動率更高。

（3）噴防凍液條件下的輪軌黏著利用比噴水條件下更充分，制動率更高，制動距離更短。

（4）通過調整防滑控制系統參數合理控制輪對滑行時的滑移率，使制動率與黏著系數水平相當，有助于縮短制動距離。