鄭州地鐵4號線車輛啟動原理分析與沖擊優化

程相勛，趙慧陽，關瓊浩

(鄭州地鐵集團有限公司，河南 鄭州 450000)

隨著我國城市軌道交通的快速發展，人們日益關注列車運行品質，對城軌車輛運行的舒適性與穩定性提出了更高的要求。而列車沖擊率就是衡量舒適性的重要指標，因此車輛啟動沖擊的檢測、控制與優化便成為當前各大地鐵運營單位新車調試階段的重要內容。

由于列車沖擊反映的是車輛所受合力變化率的變化趨勢，而車輛合力主要包括牽引力、制動力和運行阻力，因此研究車輛啟動沖擊就必然要研究三者間的交互作用關系[1]。通過建立車輛啟動作用力-時間曲線，準確快速評價不同力學關系下車輛的運行品質，進而構建良好的車輛啟動控制邏輯，不僅能使乘客獲得舒適的乘坐體驗，對于提升新車調試質量，保證列車運行安全都具有重要意義。

1 車輛參數特點

鄭州地鐵4號線車輛為B型車體，采用4動2拖編組方式，最高運行速度80 km/h，平均啟動加速度(0～40 km/h)≥1.0 m/s2，平均加速度(0～80 km/h)≤0.6 m/s2，列車縱向沖擊率≤0.75 m/s3，線路最大坡度為35‰。

2 車輛初期調試狀況

調試初期，技術人員發現該車啟動沖擊較為明顯。經測試，在“保持制動緩解閾值為130 kN，牽引力上升斜率0.75，保持制動緩解斜率0.75，滿級位啟動”情況下，列車啟動沖擊為0.709 m/s3，符合“列車縱向沖擊率≤0.75 m/s3”的設計要求。但為確保列車運營后能夠使乘客獲得更為舒適的乘坐體驗，整合車輛、牽引、制動、網絡等多專業力量聯合攻關，開展大量的理論分析和試驗測試，以達到運營安全、運營效率與乘坐舒適度的最優化。

3 車輛啟動原理分析

3.1 車輛受力特點分析

為明確車輛啟動沖擊影響因素，開展車輛啟動受力狀況分析，其特點如下。

3.1.1車輛所受牽引力的特點

當牽引系統收到網絡發出的牽引指令和級位需求時，便開始以速率k1線性增長。為確保車輛能夠在坡道上安全啟動，設置保持制動緩解閾值F0，即當牽引力F增長至當前載荷G(含車輛自重)在極限坡度θ上所受下滑力大小時，網絡才會發出保持制動緩解指令(記該時刻為t1)。隨后，牽引力繼續線性上升，直至達到網絡級位要求(記該時刻為t3)。

3.1.2車輛所受保持制動力的特點

列車停穩后，車輛持續受到保持制動力B0作用，以防止溜車(含極限坡道情況下)。當接收到保持制動緩解信號后，制動系統控制相關閥件放氣，制動缸壓力以斜率k2線性下降，當制動缸壓力下降至25 kPa時，可認為保持制動完全退出(記該時刻為t4)。

3.1.3車輛所受運行阻力的特點

車輛啟動時受到的運行阻力主要由基本阻力和附加阻力組成，由于受多重因素影響，且計算條件較為復雜，因此對于車輛運行阻力的計算，主要依據TB/T 1407—1998《列車牽引計算規程》中推薦的經驗公式來進行[2]，其計算公式見式(1)～式(4)：

W0=a+bV+cV2

(1)

(2)

Wi=i

(3)

W=m(W0+Wr+Wi)

(4)

式中：W0——單位基本阻力；

V——車速；

a、b、c、A——試驗測定常數；

R——曲線半徑；

i——坡道坡度；

W——車輛運行阻力；

m——車輛質量(含自重及負載)。

由于基本阻力計算時已包含隧道附加阻力，因此車輛附加阻力主要考慮曲線附加阻力Wr和坡道附加阻力Wi的影響[3]。

3.2 車輛啟動作用力-時間曲線分析

根據牽引、制動特性曲線，結合受力特點分析，繪制車輛啟動作用力-時間曲線，具體如圖1所示。其中，Δt14為保持制動緩解用時，t2為車輛開始運動時刻，Δt23為牽引力上升與保持制動力下降疊加時段。

圖1 車輛啟動作用力-時間曲線

分析車輛啟動作用力-時間曲線可知，調整保持制動緩解閾值F0、啟動級位初始值和保持制動緩解斜率k2，可有效改變Δt23時長大小，增強或減弱牽引力上升與保持制動力下降疊加效應，改變t3時刻牽引合力C變化率的突變趨勢，實現牽引沖擊的改變[4]，因此車輛啟動沖擊優化的關鍵點在于選取合適的保持制動緩解閾值、啟動級位初始值和保持制動緩解斜率。

3.3 車輛啟動時刻沖擊優化方案

車輛啟動沖擊優化需滿足兩個前提：一是保持制動緩解閾值需滿足最惡劣條件下的坡道啟動，不出現溜車現象；二是應滿足整個加速過程中平均加速度的最低要求，保證平均旅行速度。同時，結合車輛啟動沖擊優化關鍵點分析，提出優化控制策略如下：

(1) 增大保持制動緩解閾值。根據車輛啟動作用力-時間曲線，k1、k2不變，增大保持制動緩解閾值F0，則t3與Δt14不變，保持制動緩解開始時間t1變大，使得t2變大，Δt23減小，Δt23時段內保持制動力下降幅值減小，牽引力上升與保持制動力下降疊加效應減弱，啟動沖擊降低[5]。但該方案增加了保持制動緩解全過程用時(即t4變大)，需注意滿足線路平均旅行速度的要求。

(2) 降低啟動級位初始值。在k1、k2不變的情況下，降低啟動級位初始值，t2不變，t3減小，進而減小Δt23時段牽引力上升和保持制動力下降幅值，有效避免兩者疊加，降低啟動沖擊。按照該思路，可采用牽引分段發力控制，以“減少初始階段牽引力輸出”的方式降低啟動沖擊，但需注意設置適當的啟動級位初始值，以滿足最惡劣條件下的坡道啟動要求，同時需考慮牽引分段發力的控制時間，避免牽引力上升和保持制動力下降幅值過大，造成啟動二次沖擊。

(3) 降低保持制動緩解斜率。在k1不變的情況下，降低保持制動緩解斜率k2，則t2變大，t3不變，Δt23變小，且因保持制動力下降速率降低，因此牽引力上升與保持制動力下降疊加效應明顯減弱，車輛啟動沖擊狀況明顯改善。但該方案會增加制動控制閥件動作次數，降低相關閥件使用壽命，且需滿足線路平均旅行速度要求。

4 優化方案驗證

為驗證車輛啟動沖擊優化方案，通過控制變量法，研究不同參數變化對于車輛啟動沖擊的影響。

4.1 保持制動緩解閾值調整試驗結果

在“牽引力上升斜率設定為0.75、啟動牽引級位100%”的情況下，通過設置不同的保持制動緩解閾值，觀察車輛啟動沖擊狀況，具體測試結果如表1所示。

表1 調整保持制動緩解閾值的測試結果

從表1測試結果可知，適當增大保持制動緩解閾值，啟動沖擊率呈下降態勢，說明該方案可改善車輛啟動沖擊，但若持續增加該限值，將延長牽引啟動過程用時，不利于線路平均旅行速度管控。

4.2 啟動級位初始值調整試驗結果

在“保持制動緩解閾值設定為130 kN、牽引力上升斜率設定為0.75、初始啟動級位鎖定時間1.5 s(模擬信號控車方式)”的情況下，通過設置不同的啟動級位初始值，觀察車輛啟動沖擊狀況，具體測試結果如表2所示。

表2 調整啟動級位初始值的測試結果

從表2測試數據可知，牽引啟動采用分段發力控制方式，在起步階段降低啟動級位，可觀察到啟動沖擊明顯改善，特別是在40%級位時，啟動沖擊可降至0.364 m/s3。

4.3 保持制動緩解斜率調整試驗結果

為觀察“在同一條件下，不同保持制動緩解斜率”與“在同一條件下，不同啟動級位初始值”交互作用結果，設置9組對比試驗，觀察車輛啟動沖擊狀況，具體結果如表3所示。

表3 綜合調試測試結果

從表3可以看出，降低保持制動緩解斜率，即使在滿牽狀態下，牽引啟動仍可明顯降低，同時，結合級位控制，可進一步優化啟動沖擊率，若將保持制動緩解曲線斜率k2設定為0.5，啟動級位初始值設置為最大牽引級位的40%，鎖定時間設置為1.5 s，則沖擊率可降低至0.354 m/s3左右，相較于“保持制動緩解斜率0.75、未采取牽引分段控制”的情況，可使啟動沖擊降低50.07%。但該方案對制動系統控制閥件、閘瓦磨耗以及線路運營管理均有影響，因此后續需做進一步的觀察研究。

5 結束語

根據上述測試結果，針對鄭州地鐵4號線電客車，通過采用“牽引啟動分段控制，設定級位鎖定時間且適當調整保持制動緩解斜率”的方案，可有效降低車輛啟動沖擊率，提高乘客乘坐舒適度。

同時，該方案可為常規項目在新車調試階段啟動沖擊優化提供參考，但由于不同項目車體、轉向架、軌道線路等因素的不同，造成列車啟動沖擊敏感因素存在差異，因此不同項目應基于車輛啟動作用力-時間曲線，結合新車調試實際情況，有針對性地制定牽引啟動沖擊優化方案。同時在信號聯調階段，可根據測試結果向信號供應商提交車輛啟動階段級位控制策略，實現牽引啟動分段控制，進一步降低車輛啟動沖擊率。