基于防滑效率提升的架控制動系統制動力分配的優化設計

孫憲紅，婁寧峰，劉凱蘭，委玉佳

(中車株洲電力機車有限公司，湖南 株洲 412000)

1 概述

制動系統是列車最重要的系統之一，其主要功能是保證列車可以按要求完成減速，并安全停車，城軌車輛及動車組大多采用基于微機控制的直通式電空制動系統，根據控制方法的不同又可以分為車控方式與架控方式，其中架控方式因其可實現對各轉向架的單獨制動控制，具有控制精度高、響應速度快、故障時損失制動力少等優點，被更加廣泛應用于國內外各項目車輛上。

采用架控制動系統的車輛，通常會在每車配置2個制動控制裝置(G閥和S閥)，全列車的制動控制裝置(G閥和S閥)組成多個CAN網單元。具有網關功能的G閥，可接收車輛制動指令并向車輛輸出制動狀態反饋信息，而僅有制動控制功能的S閥，則通過內部CAN總線接收G閥制動指令，完成制動控制。基于架控制動系統的配置特點，架控制動系統車輛的制動力分配及管理基本都在同一CAN單元內進行，目前常見的制動力分配模式有“等減速度”分配模式、“等磨耗”分配模式等。

“等減速度”分配模式是根據各車重量，按比例在各車施加制動，以保證施加制動后各車減速度相同。此種方式的優點是制動沖擊小、輪軌粘著利用率高，但其具有較為明顯的缺點：由于其根據車重按等減速度進行制動力分配，沒有充分考慮動力車可施加電制動的影響，造成動力車電制動利用率低，同時拖車需要經常施加空氣制動，其閘片磨耗較大，車輛維護性差，維護成本高，不符合車輛運營低能耗需求。

目前城軌車輛及動車組項目大多采用“等磨耗”分配模式進行車輛制動力管理，即：電制動與空氣制動協調配合時，電制動優先投入，當電制動力不足時，在各轉向架平均補充空氣制動，實現各轉向架閘片磨耗相等。此模式具有電制動利用率高、車輛運營可維護性好、維護成本低等優點。

但此種制動力分配方式也存在一個弊端，受電制動優先原則的影響，在車輛施加制動時，動力車相比拖車需要承擔更大的制動力，即動力車需要更高的輪軌粘著來滿足制動力的粘著需求，在低輪軌粘著條件下，此種制動力分配方式相對“等減速度”分配方式更容易發生滑行，且滑行主要發生在車輛動力車上，造成車輛對輪軌粘著利用率不足，影響整車防滑控制效率。車輛由于制動距離延長，甚至會發生擦輪故障，影響行車安全。

基于以上分析，本文從某型動車組運行過程中的動力車擦輪故障案例著手進行研究，提出一種涉及制動力分配方案、防滑控制參考速度計算等方面的優化設計方案，以提升架控制動系統“等磨耗”制動力分配模式的車輛防滑效率，降低車輛擦輪風險。

2 某型動車組擦輪案例分析

某型動車組為2動2拖的四編組車輛，采用架控制動系統，根據編組形式劃分為2個CAN單元，在每個CAN單元內采用“等磨耗”原則進行制動力分配及管理，其列車編組及制動系統配置方案如圖1所示。

圖1 某型項目列車編組圖

車輛運營過程中，在低粘著、長坡道施加常用全制動時，動力車發生了多次滑行并最終因滑行控制失效，造成多個動力車轉向架輪對抱死擦輪的故障。選取發生擦輪故障的一個動力轉向架(M4車1架)和同一CAN單元內的一個拖車轉向架(T3車1架)進行防滑數據分析，如圖2所示。

1—常用制動指令-81端口;2—基準軸速度(參考速度)-481端口;3—1軸速度值-481端口;4—2軸速度值-481端口;5—拖車基準軸速度(參考速度)-481端口。

車輛在同一CAN單元內采用“等磨耗”原則進行制動力分配，在制動前期(07:01:44—07:02:25)車輛施加小極位制動時，在“電制動優先”控制策略下，動力車施加電制動，由于電制動力較大，造成在低粘著條件下制動力超過粘著力，發生了3次滑行，而此時拖車未施加空氣制動，沒有出現滑行現象。

在后期司機追加制動到常用全制動(07:02:25—07:03:11)，由于電制動力大幅提升，而此時由于輪軌粘著較小，電制動產生深度滑行，動力車制切除了電制動投入，車輛根據“等磨耗”原則平均施加空氣制動力，此時粘著仍然很低，各節車輛空氣制動滑行激活。

故障發生時段車輛以Mc4車作為頭車運行，軌道粘著條件較差，防滑系統控制邏輯中，沒有考慮車輛較低粘著運行過程中發生連續滑行的極端情況，各轉向架防滑控制參考速度計算方法為：選本架2根軸速中較大的軸速作為本架防滑控制的參考速度，當出現2軸均發生滑行時采用模擬參考速度，且在車輛連續滑行控制過程中，防滑系統僅能進行一次對地測速，即：對滑行軸的防滑閥進行排風動作以恢復實際軸速(07:02：30—07:02:35)，此時防滑控制糾正有效，滑行短暫恢復。但由于Mc4車作為頭車運行，其輪軌粘著恢復相對較差，當對其2軸進行一次對地測速糾正后，又再次出現了連續深度滑行，防滑系統無法再次對地測速，此時本轉向架的防滑參考速度只能采用本架的模擬參考速度進行控制，使得防滑系統參考速度(圖2中481端口)與車輛實際運行速度(圖2中484端口)偏差較大，即本轉向架防滑參考速度失真，最終導致防滑控制失效，發生輪對抱死的擦輪故障；而T3車1架由于粘著恢復較好，防滑系統在一次對地測速過程中已糾正滑行，因此未出現抱軸現象。

1—常用制動指令-81端口;2—基準軸速度(參考速度)-481端口;3—1軸速度值-481端口;4—軸速度值-481端口。

3 優化設計方案

為解決上述故障并消除“等磨耗”制動力管理模式的弊端，提出以下優化設計方案。

3.1 優化制動力分配方案

參考CRH1型動車組的制動力分配方式[1]，對某型動車組制動力分配模式進行了設計優化，在原來“等磨耗”制動力分配的基礎上，增加“等減速度”模式，具體方案為：正常情況下車輛采用“等磨耗”進行制動力分配，但是當車輛處于低速運行或電制動滑行時，車輛將轉入“等減速度”模式進行制動力分配，此時車輛根據制動極位需求按各車的重量進行制動力分配，使各車的減速度保持一致，以最大限度的利用輪軌粘著。

優化后的制動力分配方案車輛正常情況下仍按“等磨耗”原則進行制動力分配，保留了“等磨耗”分配原則的電制動利用率高、各車閘片磨耗均衡、車輛可維護性好的優點，同時在低粘著情況下動力車電制動滑行激活時，自動轉入“等減速度”模式，可以有效避免原來“等磨耗”模式下的動力車由于電制動優先施加時造成的需要承擔較大制動力的情況，降低了車輛發生滑行的概率，提高了車輛輪軌粘著的利用率。

3.2 優化防滑參考速度計算方法

從上述分析可知，某型動車組此次動力車擦輪故障，除受“等磨耗”原則制動力分配方案影響外，還有一個關鍵的原因是：防滑參考速度的計算方法存在一些缺點，當發生連續深度滑行時，防滑系統不能進行多次對地測速，且參考速度的計算僅與本架2根軸速相關，沒有參考其他轉向架的軸速進行控制，防滑參考速度的準確性無法保證。

為避免類似故障的發生，對防滑系統參考速度的計算方法進行了優化設計，具體方案為：當本架滑行參考速度與本CAN單元內最高的架參考速度差值較大時，則本架參考速度切換為本CAN單元內最高的架參考速度，當兩者之間的速度差達到規定范圍時，則切換回自身計算的參考速度值，同時在連續防滑控制過程中，可多次制定防滑閥排風的對地測速以恢復實際軸速，提升防滑參考速度計算的準確性，可有效避免因參考速度失真而引起防滑控制失效的情況。

4 方案實施及驗證

在某型項目車輛按上述方案實施優化后，再次進行了車輛防滑功能驗證試驗：在濕滑軌道下，對車輛施加最大常用制動，記錄各轉向架防滑數據，同一個CAN單元內的T3車與M4車各轉向架防滑數據分析如圖4所示。

從圖4中可直觀地看出，車輛實施設計優化后，在低輪軌粘著施加常用制動停車時，各轉向架防滑控制效果良好，同一CAN單元內各架防滑參考速度相差較小，且在制動過程中動力車轉向架滑行次數及滑行程度均得到明顯改善，本優化設計方案的實施對車輛防滑控制的提升有一定的效果。

圖4 優化后各轉向架防滑數據

為進一步驗證優化后的設計方案對車輛防滑效率的提升效果，對設計優化實施前后車輛低粘著條件施加常用全制動時的防滑效率進行計算[2]。使用初始滑行時的減速度作為理論可利用最大粘著時實現的減速度，同時假設減速度為線性變化，計算車輛在防滑激活的時間里可能的最短停車距離S理論，得出防滑效率(n)的簡易計算公式如下：

(1)

其中：S實際為車輛在防滑控制過程中的實際制動距離；V1為車輛防滑開始時的初始車速；a1為防滑激活時的減速度。

在車輛優化設計方案實施前，在廠內進行的低輪軌粘著、低運行速度施加常用全制動的滑行數據進行整理，根據公式(1)計算車輛優化設計實施前后的防滑效率，證明通過設計優化方案的實施，在同等運行條件下車輛防滑效率提升了14.7%，即此優化設計方案對提升車輛防滑效率具有明顯效果。

5 結語

本文通過分析架控制動系統制動力分配方案的優缺點，結合某型動車組項目運營擦輪案例的故障分析，提出一種針對架控制動系統采用等磨耗制動力分配方案的優化設計方案，并通過試驗驗證及數據計算證明了本優化設計方案對車輛防滑效率的提升具有明顯效果。目前，某型動車組實施本優化設計方案后投入運營一年多再未發生擦輪故障。本優化設計方案的實施效果對其他類似項目車輛的制動系統設計具有極大的參考意義。