城軌車輛電制動滑行故障分析與優化策略研究

吳云飛,牟 蓉,陸遠基,王 龍,劉 雄

(株洲中車時代電氣股份有限公司,湖南 株洲 412001)

目前城市軌道交通車輛常用的制動控制策略為常用制動和快速制動工況下優先使用動車電制動,電制動力不足時補充拖車空氣制動。該整車制動力分配策略在全隧道線路以及地面與高架線路軌面條件較好時,動車電制動能按照動車黏著極限響應制動需求。但是在軌面條件惡劣時,可用黏著系數降低,2動2拖或3動3拖等編組形式的列車,整車制動力集中在動車上,容易發生電制動滑行。當電制動發生嚴重滑行時,動車電制動被切除,可能造成列車停站時對標不準,嚴重情況下,若空氣制動不能及時補充,可能導致列車超速,觸發列車緊急制動等。因此,對于列車編組形式為2動2拖或3動3拖、軌道條件為地面或者高架的城市軌道交通線路,在軌面條件惡劣時的車輛制動力的有效施加需要進一步研究與解決。

本文深入分析了國內某城市2動2拖地鐵車輛在全高架露天線路上頻繁發生電制動滑行故障的原因,提出了相應的優化措施,并通過試驗驗證了優化措施的可行性。

1 故障分析

氣制動力不足的問題,統計情況如表1所示。

表1 車輛制動力不足情況統計

從表1中可知,故障現象均發生在下雨天,制動工況出現制動力突然減小的情況,嚴重時導致車輛超速,觸發緊急制動。

2020年11月某城市地鐵車輛頻繁報出在下雨天

選取其中一起典型的制動力不足故障進行分析,A56車故障數據解析如圖1所示。車輛初始制動級位為16%,電制動功能正常,M1車1、2位轉向架的給定電制動力與發揮的實際電制動力均為6.6 kN。隨后整車制動級位增加到30%,1位轉向架的1、2軸開始出現抱死滑行現象,1、2軸軸速迅速降低,此時牽引控制單元(DCU)內部分配給1位轉向架的電制動力為12.2 kN。

圖1 A56車制動不良故障數據解析

從圖1中可以看出,1位轉向架發揮的實際電制動力曲線在DCU 防滑保護邏輯的控制下呈現波浪形,隨后M1車2位轉向架的3、4軸也發生滑行,直至電制動被切除。隨著M1車電制動滑行現象的發生,實際發揮的電制動力不足以滿足車輛的制動需求,因此從開始滑行到滑行持續4 s左右,車輛切除M1車的電制動,隨后M1車制動由空氣制動接管。

表1所示的其他車的故障數據均與A56車情況一致,在雨天軌面濕滑工況,給定制動級位由小轉大的過程中,動車發生嚴重滑行后電制動被切除。該過程中由于電制動發生滑行,電制動切除后轉空氣制動存在一定的延時,以及空氣制動響應延時等因素的影響,導致整車制動力不能滿足車輛減速需求,嚴重時造成車輛超速觸發緊急制動等嚴重事故。

2 電制動滑行機理分析

通過前文的故障數據分析可知,車輛制動力不足是由于電制動滑行以及滑行過程中產生的次生危害造成的,本節根據車輛黏著理論深入分析造成電制動滑行故障的原因。

2.1 車輛黏著理論

軌道交通車輛牽引力和制動力的施加是依靠輪軌之間的黏著作用完成的,牽引電機通過齒輪箱將轉矩T作用于車輛輪對,由于黏著作用,在車輪與鋼軌接觸點產生切向力F。制動時車輪受力如圖2所示。

圖2 電制動時車輪受力分析圖

輪軌間能傳遞的最大輪緣制動力Fmax與列車換算質量m、輪軌最大黏著系數μmax的關系式如式(1)所示:

圖3是根據多年試驗得出的在不同軌面條件下的黏著系數分布圖,從上到下依次是干軌、濕軌與濕滑軌。

圖3 不同軌面條件黏著系數分布圖

本文研究的城軌車輛最高運行速度為80 km/h,從圖3可以看出,速度為80 km/h時,干軌的黏著系數為0.14～0.18,濕軌的黏著系數為0.08～0.14,濕滑軌的黏著系數為0.06～0.08。列車在制動過程中需求的黏著系數超過當前速度下的最大可用黏著系數時就會發生滑行,造成列車制動減速度達不到目標減速度。

2.2 電制動滑行原因分析

根據2.1 節的分析,在雨雪天氣、軌面濕滑條件下,可用黏著系數降低,列車發生空轉滑行的概率增加。從表1的數據統計可以看出,列車發生電制動嚴重滑行導致電制動被切除的情況大多在速度超過55 km/h、制動級位由小轉大的過程中。以表1 所示的A56車的數據進行分析,M2車質量為39.8 t,車輛制動級位為30%,計算可得整車制動力需求為48.6 kN,網絡系統分配給M2 車的電制動力給定值為24.4 kN,列車開始滑行的速度為66 km/h。從數據波形可以看出,1位轉向架首先發生滑行,發揮的制動力降到7.8 kN,然后嘗試恢復,1位轉向架在當前軌面條件下能發揮的最大電制動力約為7.8 kN。2 位轉向架后續也開始滑行,在M2車電制動被切除前制動力降低的不明顯,2 位轉向架發揮的電制動力實際值約為10.9 kN。因此,M2車發揮總的電制動力實際值約為18.7 kN。計算可得M2 車需求黏著系數為0.063,M2車當前條件下可用黏著系數為0.049。經上述分析可知,M2車發生電制動滑行的原因是需求黏著系數大于當前條件下可用黏著系數所致。

2.3 電制動黏著分析

根據2.2節研究,發生電制動滑行的根本原因是制動時動車可用黏著系數小于需求黏著系數。本文研究的城軌車輛整車動力分配策略是優先發揮動車電制動,電制動不足時優先由拖車空氣制動補充,車輛電制動特性如圖4所示。

圖4 城軌車輛電制動特性曲線

根據圖4所示的電制動特性與動車質量可計算出電制動最大需求黏著系數,黏著特性參數如表2所示。

表2 電制動黏著特性參數

本文研究的城軌車輛100%級位下對應的制動減速度為1.09m/s2,不同載荷下100%制動級位下整車需求的制動力如表3所示。

表3 100%制動級位下整車需求制動力參數

綜合表2 與表3 的制動參數可知,AW0 工況、78.1%制動級位以下,整車制動全部由動車電制動提供,此時動車所需的最大黏著系數為0.176;AW2工況、78.1%制動級位以下整車制動全部由動車電制動提供,此時動車所需的最大黏著系數為0.174;AW3工況,70.3%制動級位以下整車制動全部由動車電制動提供,此時動車所需的最大黏著系數為0.157。根據表1可知,電制動開始發生滑行集中在制動級位上升到50%左右,此時AW0工況下動車需求黏著系數為0.113,占電制動最大需求黏著系數的64.2%,AW2工況下動車需求黏著系數為0.111,占電制動最大需求黏著系數的63.8%。

綜上分析,本文研究的城軌車輛容易發生電制動滑行的原因是,整車制動優先利用動車電制動,在雨雪天氣高速運行時,軌道可用黏著系數顯著降低,當制動級位較大時,動車的需求黏著系數大于可用黏著系數,從而導致動車頻繁發生電制動滑行故障。

3 優化措施與驗證

3.1 優化措施

根據上述分析,需要減少雨雪天氣軌面黏著不良條件下動車電制動力的發揮。因此,本文提出如下優化措施:

(1) 高速時列車可用黏著系數降低,為了避免高速大級位下的電制動滑行,將50～80 km/h的電制動包絡線由恒力改為自然特性(圖5)。

圖5 優化后的電制動特性曲線

(2) 為避免雨雪天氣動車出現電制動滑行,拖車空氣制動不能及時補充而造成整車實際制動力不足的情況,在司機顯示器界面設置“雨雪模式”軟按鈕。在雨雪天氣,司機通過整車制動表現判斷出制動不良時,按下軟按鈕,列車進入“雨雪模式”運行。根據前文的計算與分析,在“雨雪模式”下制動時,網絡將整車制動力需求值乘以三分之二后的數值作為電制動力給定值發送給DCU 進行發揮,其余制動力優先由拖車空氣制動補充。在雨雪模式運行時,動車電制動力的實際發揮值比原方案小,同時拖車空氣制動提前介入制動過程,即使動車電制動發生滑行,空氣制動也能迅速補充,可以避免制動過程中由于電制動滑行導致的制動力不足的情況發生。

3.2 試驗與驗證

根據上述優化措施更新網絡系統與DCU 軟件,并刷車進行試驗驗證。以A54車數據為例進行說明,A54車優化程序后的數據波形如圖6所示。

圖6 A54車優化程序后數據波形

從圖6可以看出,在列車速度為64.7 km/h制動時,開啟了雨雪模式,此時制動級位為46%,根據級位與各車質量計算可知整車制動力需求為73.25 kN,網絡分配給M1車的電制動力給定值為24.8 kN,M2車電制動力給定值為24.6 kN,總的電制動力給定值為49.4 kN,占總制動需求的67.4%。根據圖5的電制動力特性曲線可知,當前速度下車輛能發揮的最大電制動力為81 kN,大于總的電制動力給定值,因此電制動力實際值按照總的給定值進行發揮,同時可看出拖車也進行了相應的空氣制動補充。從速度曲線可知,在高速下制動時動車各軸速度與列車速度重合,未發生電制動滑行故障。

4 結論

本文針對2動2拖城軌車輛在雨天頻繁出現制動力不足現象進行了分析,發現制動力不足是由于制動過程中電制動頻繁滑行導致的,而引發電制動滑行故障的原因是在雨雪天氣動車電制動的需求黏著系數大于軌面的可用黏著系數。綜合分析軌道黏著特性、車輛制動分配策略以及車輛電制動特性等參數,提出了在高速時將電制動力包絡線由恒力改為自然特性,并設置專用的雨雪模式,在雨雪天氣網絡將發送給DCU的電制動力給定值降為原策略值三分之二的優化措施。將牽引與網絡系統軟件優化后進行了刷車驗證,結果表明,車輛在高速下制動時,動車各軸速度與列車速度基本重合,未再發生電制動滑行故障,整車制動效果良好。本文提出的優化措施對處理城軌車輛電制動滑行故障具有一定的指導意義。