寧波軌道交通1號線二期列車滑行故障分析及制動防滑控制軟件優化

田凱陽 胡利江 范浩彪 周楠杰 蒲安會

(寧波市軌道交通集團有限公司智慧運營分公司，315101，寧波∥第一作者，助理工程師)

制動系統作為城市軌道交通(以下簡稱“城軌”)車輛系統中的重要組成部分，對城軌的安全運營起到關鍵作用。制動系統故障是城軌車輛系統中常見的故障，如不明原因緊急制動、制動無法緩解等。分析制動系統故障及其改進處理方法一直是城軌車輛研究的難點。本研究通過對010XX車回庫途中的故障情況進行分析，闡述了牽引及制動系統的防滑原理，并基于優化后的制動系統軟件提高防滑效率，為列車的安全運行提供理論基礎。

1 故障現象

2019年1月，寧波軌道交通1號線二期010XX列車在存車線回庫途中，當列車接近信號機時，司機施加常用制動，車輛發生滑行現象，隨后司機按下緊急停車按鈕，列車仍未能及時停車，制動距離遠大于正常制動距離，導致列車擠岔后停車。回庫檢查后發現，輪對有輕微擦傷。該車當日作為正線備用車存放于存車線，為首列回庫車。回庫線路為露天環境，路段為35‰下坡道。回庫當日有小雨，晚上回庫途中發生上述現象。

2 制動控制邏輯分析

2.1 牽引系統數據分析

列車處于ATO(列車自動運行)模式下，ATC(列車自動控制)于22:01:39發出制動指令，車輛于22:02:23開始滑行，22:02:27結束滑行。隨后，車輛恢復黏著系數，ATC制動指令也自動消失。經過計算，ATC認為列車還需加速方可到達目的地，隨后ATC發出牽引指令，車輛跟隨良好。經過安全導向計算，ATC于22:02:28開始施加制動，由于天氣及線路原因，制動系統防滑保護啟用，此時列車速度為42.7 km/h，最后列車于22:03:03停車。

列車施加的緊急制動為純空氣制動，于22:02:28開始施加，但列車制動裝置并未按緊急制動的標準施加氣缸壓力，其制動單元氣缸壓力于22:02:55才開始趨于最大值。根據緊急制動施加標準：制動裝置氣缸壓力需達到緊急制動滿負荷壓力的90%(動作響應時間加上增壓時間≤1.5 s)方可施加緊急制動。

2.2 制動系統數據分析

制動系統數據顯示列車于22:02:32施加快速制動，隨后施加緊急制動，緊急制動減速度為1.38 m/s2。由于軌面濕滑，司機此時施加快速制動，列車制動系統啟動防滑保護，頻繁通過制動缸的充排氣來恢復輪軌的黏著系數。但由于列車各車軸的參考速度并不相同，導致列車不斷進行防滑保護。若列車的緊急制動減速度較大，啟動緊急制動時將會擦傷輪對。因此，為恢復踏面與軌道的黏著系數，當防滑保護啟動后，制動距離變長。防滑保護屬車輛正常反應。

3 防滑保護原理說明

3.1 列車防滑保護

防滑保護功能的啟用條件有3個：速度差保護、加/減速度保護以及蠕滑速度保護。

1) 速度差保護：比較同一節車的動車(帶動力的車)輪對間最大速度差值，根據該差值調整電機黏著力矩設定值，使其在發生空轉和滑行時能夠迅速恢復輪軌間的正常黏著狀態。

2) 加/減速度保護：加速度保護控制是通過檢測輪對的加/減速度a是否超出設定閾值a0，并在輪對加速度超出a0時，根據加速度的大小降低電機黏著力矩設定值，以抑制空轉和滑行現象。

3) 蠕滑速度保護：通過計算獲得本節動車的參考蠕滑速度與當前真實蠕滑速度的差值，根據該差值調整電機黏著力矩設定值，使其在發生空轉和滑行時能夠迅速恢復輪軌間的正常黏著狀態。

4) 典型的防空轉/滑行保護曲線：當出現明顯的空轉/滑行時，防空轉/滑行保護將產生作用，輸出的典型黏著力矩曲線如圖1所示(ti為時間，i=1,2,3,4)。

圖1 防空轉/滑行保護曲線Fig.1 Anti-idling/slide protection curve

防空轉/滑行保護過程如下：

階段 1：對應圖1中的0～t1過程，當檢測到加速度或速度差等速度類指標超過閾值后，以較大斜率減載電機轉矩；

階段 2：對應圖1中的t1～t2過程，相應指標趨于穩定后，維持一段時間的電機轉矩恒定不變；

階段 3：對應圖1中的t2～t3過程，當確認相應指標穩定后，開始以指數函數形式恢復電機轉矩，呈現出先快速恢復、后慢速恢復的特征；

階段 4：對應圖1中的t3～t4過程，電機轉矩恢復到減載前的90%時，開始以非常緩慢的直線斜率方式繼續恢復剩余的10%電機轉矩。

3.2 列車防滑數據分析

牽引系統記錄到的22：02左右的列車滑行數據波形如圖2所示。動車速度和列車實際速度之差(即蠕滑速度)超過3.0 km/h(動車速度為44.4 km/h,列車速度為47.6 km/h)，該差值已經超過軟件設定的蠕滑保護閾值。通過牽引系統軟件對邏輯給定力矩進行調整，使黏著實際力矩小于邏輯給定力矩，同時上報列車處于滑行狀態。

圖2 22：02列車滑行數據波形圖Fig.2 Waveform diagram of train sliding data at 22:02

4 制動距離計算說明

4.1 制動數據分析

圖3 制動數據分析及計算結果截圖Fig.3 Screenshot of braking data analysis and calculation results

制動維護終端軟件中的距離計算有兩種，根據軸速脈沖累計數的距離計算方法和對參考速度積分的計算方法。當沒有制動滑行時，這兩種方法的計算結果基本上是相同的；當有制動滑行時，由于軸速信號及參考速度均可能低于實際列車運行速度，兩種依賴軸速傳感器信號的距離計算都會發生偏差。010XX列車制動滑行數據分析及計算結果如圖3所示。由圖3可知，由兩種方法獲得的制動距離分別為286.7 m和290.5 m。

為減小制動滑行對制動距離計算的影響，采用復化梯形軟件對記錄數據進行分析處理，計算結果如圖4所示。其中，修正速度為根據各轉向架的參考速度最大值并向前反向平滑修正后的數值，修正原則為車輛在制動期間實際車速為減速過程。由圖4可知，對比修正前后的參考速度，修正后的參考速度曲線已經比較平滑，與實際列車運行速度較為接近。

圖4 參考速度及制動距離計算修正

不同修正速度的制動時間與制動距離如表1所示。由表1可知，緊急制動距離為305.5 m，比修正前計算的制動距離增加了15.0 m。結合圖3中的速度曲線可知，這一數據已經很接近實際制動距離了，初步估計距離偏差不會超過±5.0 m。此外，從初始制動到觸發緊急制動，列車大約走行了115.0 m。其中，約有0.5 s是沒有制動指令的，期間走行了約16.0 m。

表1 不同修正速度的制動時間與制動距離

4.2 滑行數據分析

從制動記錄數據上看，在實施常用制動時，當設定制動減速度增加至約 0.40 m/s2時，開啟電制動防滑，說明當時的黏著條件已無法滿足0.40 m/s2的減速度要求，根據當時的列車減速度來估算制動初始黏著系數約為0.06以下。

1) Tc1車(第1輛拖車)1架的滑行數據分析:為防止參考速度出現偏差，Tc1車1軸在連續滑行時采用了延遲恢復制動力措施，雖然損失了部分可用黏著制動力，但有助于1軸的速度恢復。由圖5所示的Tc1車1架的部分滑行數據可知，Tc1車1 軸的速度在滑行后可以基本恢復到列車速度，在黏著恢復階段，軸速恢復到車輛速度的累積時間約為5.6 s，所占時間比例大約為70%。若滑行時的黏著利用率按100%計算，黏著恢復階段的黏著利用率按60%計算，則Tc1車1軸的黏著利用率約為72%。在恢復Tc1車1軸制動力過程中，Tc1車1軸的制動氣壓力還未恢復到60 kPa就又開始滑行，制動缸的復位壓力(出閘壓力)約為20 kPa,最大常用制動壓力取為220 kPa，由此可估計出Tc1車1軸的黏著系數在某些時候可能低于0.02。Tc1車2軸在8 s時間內，大部分軸速均低于列車速度，即大部分時間的黏著利用率為100%，只有約0.4 s時間內的軸速接近列車速度。這段時間是制動缸壓力較高的一段時間，其黏著利用取為80%，則Tc1車2軸的黏著利用為99%。Tc1車1架的平均黏著利用率按兩根軸的平均值計算，則大約為86%。

圖5 Tc1車第1個轉向架部分滑行數據分析截圖

2) Tc1車2架的滑行數據分析：若CAN(控制局域網)網段內軸速最高的車軸被檢測到滑行，則優先對1軸排風以恢復1軸速度。通過查看Tc1車2架的部分滑行數據，計算出Tc1車2架的平均黏著利用率約為98%。

3) Mp1車(第1輛動車)1架滑行數據分析：通過查看Mp1車1架的部分滑行數據，計算出該轉向架的平均黏著利用率約為97.5%。

4) 后部車輛滑行數據分析：后部車輛的黏著條件明顯優于前部車輛，故在此不進行分析展開。

當實際線路的輪軌黏著低于制動計算時的黏著系數時，制動距離主要由線路的黏著條件及防滑性能決定。從上述滑行數據分析而言，本次制動初始黏著系數低于0.06，局部短時黏著系數可能降至0.03以下，而本次制動過程中的黏著利用率較高，防滑系統的防滑效率在型式試驗中亦滿足要求。因此，本次制動距離過大主要是由黏著條件差和線路35‰坡道導致的。當車輛在超出設計的低黏著條件下運用時，還需要從應用管理上采取必要的措施來保證安全。

5 制動防滑控制軟件優化

通過對制動防滑控制軟件進行優化減小滑行深度，并減少防滑中的充排風頻次。制動防滑控制軟件優化的內容有：①參照CAN網內其他車參考速度的滑行檢測，由參考1根軸速度改為參考2根軸速度；②為使用CAN網內其他車的參考速度，優化CAN網的通信軟件，并增加對其他車參考速度的有效性檢查；③為減小充排風頻次，增加了根據減速度變化率對停止排風進行保壓的控制，同時適當降低慢充風的充風速度。

制動系統軟件模擬測試結果驗證了所提優化措施對滑行深度減小有明顯的效果。優化后的軟件于1月30日和1月31日在天童莊動調線進行了防滑驗證試驗。首先，采用直接在軌面上涂抹未稀釋減磨液(純洗滌靈)方式來產生較低的黏著系數，列車各軸均出現了滑行。本次試驗中，防滑軟件主要對滑行深度進行檢測，并利用列車速度對防滑控制邏輯進行優化。

現有軟件(V2.5)滑行記錄數據如圖6所示。現有軟件版本主要存在以下3個問題：①每個架只有第2軸會直接利用列車速度進行滑行檢測和防滑控制，兩個軸同時滑行時，1軸需要在2軸速度恢復后才能檢測到滑行；②滑行深度過大，特別是出現1個架的2個軸同時滑行時，1軸的速度明顯偏低，滑行深度明顯比2軸要大一些；③速度恢復時充風速度過快，反復滑行和反復充排風量較大。

圖6 現有軟件(V2.5)滑行記錄數據截圖Fig.6 Screenshot of sliding record data in current software (V2.5)

優化軟件(V2.9)防滑試驗數據如圖7所示。從圖7中可以看出，當1個架的2個軸同時滑行時，軸速差異明顯,較圖6中的有所減少。在1軸和2軸連續滑行一段時間后，1軸和2軸的速度幾乎同時有一個較大的排風和明顯的軸速恢復過程，這是利用制動CAN網段內其他幾個轉向架速度進行滑行檢測和防滑控制的結果。由此可見，優化后的軟件基本上解決了V2.5版本的前兩個問題。

圖7 優化軟件(V2.9)防滑試驗數據截圖Fig.7 Screenshot of anti-skid test data in optimized software (V2.9)

6 結語

寧波軌道交通1號線二期已運營5年多，從實際情況看，制動系統基本運營良好。但隨著車輛運營里程的增加，制動系統陸續出現一些新故障，這為車輛制動系統故障的分析與處理帶來了新的挑戰。本文分析了某一列車的滑行故障，對制動控制軟件進行了優化設計,為類似制動系統軟件的優化和分析提供了一種新思路，具有重要的實踐指導意義。