列車信號(hào)系統(tǒng)安全距離分析*

黃文杰 鄢艷麗 馬天和 翟耕慰

(1.中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司,210031,南京;2.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海)

移動(dòng)閉塞系統(tǒng)是目前軌道交通車輛運(yùn)行控制系統(tǒng)運(yùn)用最為廣泛的閉塞制式。與準(zhǔn)移動(dòng)閉塞、固定閉塞制式不同的是,移動(dòng)閉塞制式的前后車均采用移動(dòng)定位技術(shù),后續(xù)列車的速度曲線會(huì)根據(jù)前車目標(biāo)點(diǎn)的移動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。安全距離是移動(dòng)閉塞系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù),計(jì)算安全距離時(shí)需考慮軌道黏著條件、列車制動(dòng)能力等因素。

目前,已有學(xué)者對(duì)列車信號(hào)系統(tǒng)的安全距離進(jìn)行了一定的研究。文獻(xiàn)[1]基于安全距離的基本概念及計(jì)算機(jī)制,對(duì)安全距離計(jì)算相關(guān)條件進(jìn)行了定性分析,并對(duì)移動(dòng)閉塞系統(tǒng)中的安全距離特點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié)。文獻(xiàn)[2]提出通過動(dòng)能平衡等方法計(jì)算列車最不利情況下的制動(dòng)距離。文獻(xiàn)[3]基于原有安全距離模型,提出通過增加前行列車運(yùn)行速度信息來計(jì)算安全距離的優(yōu)化算法。

以上這些針對(duì)安全距離的研究并未包含列車出現(xiàn)故障及黏著系數(shù)極低等極端工況,本文綜合考慮列車制動(dòng)系統(tǒng)、列車縱向動(dòng)力學(xué)及輪軌黏著條件,建立了包含車載ATP(列車自動(dòng)防護(hù))觸發(fā)緊急制動(dòng)階段、牽引切除階段、惰行階段、緊急制動(dòng)建立階段及緊急制動(dòng)階段的安全距離仿真平臺(tái),對(duì)列車故障及極低黏著工況下某型列車的安全距離進(jìn)行了研究。本文研究可為實(shí)際列車移動(dòng)閉塞系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供一定的工程經(jīng)驗(yàn)與技術(shù)指導(dǎo)。

1 信號(hào)系統(tǒng)安全距離模型及影響因素分析

安全距離是指在信號(hào)系統(tǒng)安全距離模型框架下,考慮各項(xiàng)可能影響列車制動(dòng)性能的因素,保證列車不會(huì)與前行列車發(fā)生沖突的情況下,通過計(jì)算得到的列車常規(guī)制動(dòng)停車點(diǎn)與極限目標(biāo)點(diǎn)之間最小的距離[4]。信號(hào)系統(tǒng)安全距離模型示意圖如圖1所示。其中:A階段為車載ATP觸發(fā)緊急制動(dòng)階段;B階段為牽引切除階段;C階段為惰行階段;D階段為緊急制動(dòng)建立階段;E階段為緊急制動(dòng)階段;A階段—E階段這5個(gè)階段對(duì)應(yīng)的列車行駛距離稱為列車緊急停車距離。

圖1 信號(hào)系統(tǒng)安全距離模型示意圖

基于實(shí)際列車運(yùn)行數(shù)據(jù),A階段—E階段的列車行駛距離在列車緊急停車距離中的占比分別為:A階段列車行駛距離占比為0.223 8%、B階段列車行駛距離占比為0.226 7%、C階段列車行駛距離占比為0.227 1%、D階段列車行駛距離占比為0.198 9%、E階段列車行駛距離占比為99.123 5%。由于D階段和E階段均屬于列車緊急停車過程中的制動(dòng)階段,故本文著重對(duì)D階段和E階段的列車行駛距離(也稱為緊急制動(dòng)距離)進(jìn)行詳細(xì)建模,對(duì)比分析不同輪軌黏著條件、軸重及故障等工況下的列車緊急制動(dòng)距離,以獲得不利條件下的列車信號(hào)系統(tǒng)安全距離,以及故障工況下的列車最大速度限值。

2 安全距離仿真平臺(tái)

安全距離仿真平臺(tái)主要包括制動(dòng)系統(tǒng)模型、輪軌黏著模型、列車動(dòng)力學(xué)模型和牽引及惰行階段模型。制動(dòng)系統(tǒng)模型包含制動(dòng)電子控制單元模型和制動(dòng)系統(tǒng)氣路模型等。其中,制動(dòng)電子控制單元模型用于計(jì)算制動(dòng)缸的目標(biāo)氣壓值,制動(dòng)系統(tǒng)氣路模型用于模擬真實(shí)氣路并計(jì)算制動(dòng)缸實(shí)際壓強(qiáng),既而由基礎(chǔ)制動(dòng)裝置輸出夾鉗夾緊力,作用于輪對(duì)并進(jìn)行制動(dòng)。輪軌黏著模型用于計(jì)算輪軌間的黏著力。列車動(dòng)力學(xué)模型基于列車各零部件的動(dòng)力學(xué)方程,根據(jù)所施加的夾鉗夾緊力和輪軌黏著力計(jì)算列車速度、減速度和制動(dòng)距離。牽引及惰行階段模型將牽引特性曲線輸入列車動(dòng)力學(xué)模型來模擬列車牽引及惰行階段的運(yùn)動(dòng)情況。采用Amesim軟件建立制動(dòng)系統(tǒng)氣路模型,采用MATLAB/Simulink軟件建立其余模型部分。

2.1 制動(dòng)電子控制單元模型

制動(dòng)電子控制單元主要用于將司機(jī)控制室發(fā)出的制動(dòng)指令(目標(biāo)減速度或制動(dòng)級(jí)位)通過一系列計(jì)算及制動(dòng)力的分配,轉(zhuǎn)換為每個(gè)制動(dòng)缸的目標(biāo)壓強(qiáng),進(jìn)而控制制動(dòng)缸的充排氣動(dòng)作。制動(dòng)電子控制單元模型以目標(biāo)減速度為輸入,參數(shù)設(shè)置包括折算后的輪對(duì)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量、閘片摩擦因數(shù)等。

2.2 制動(dòng)系統(tǒng)氣路模型

制動(dòng)系統(tǒng)氣路模型用于模擬制動(dòng)過程中各氣動(dòng)單元的動(dòng)作情況。在實(shí)際列車運(yùn)行過程中,為防止列車滑行,需配備防滑控制裝置,為了能完整地體現(xiàn)實(shí)際制動(dòng)系統(tǒng)的氣路構(gòu)造,本文所建立的制動(dòng)系統(tǒng)氣路模型添加了防滑電磁閥。保壓閥和排風(fēng)閥的動(dòng)作規(guī)律如表1所示。建立包含EP(電空轉(zhuǎn)換)閥、防滑閥、中繼閥、各軸制動(dòng)缸等部件的架控式列車制動(dòng)系統(tǒng)氣路模型,如圖2所示。

表1 保壓閥和排風(fēng)閥的動(dòng)作規(guī)律

注:BECU為制動(dòng)電子控制單元。

2.3 列車動(dòng)力學(xué)模型

列車動(dòng)力學(xué)模型是基于列車實(shí)際結(jié)構(gòu)所建立的列車各部件模型,考慮部件間的相互作用,通過將制動(dòng)力施加于列車上反映列車整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化,該模型的輸出參數(shù)有位移、速度、減速度等。

在實(shí)際列車運(yùn)行過程中,列車具有縱向、垂向及橫向三個(gè)方向的自由度,但在制動(dòng)過程中并不關(guān)注車廂垂向、橫向的舒適度指標(biāo),且在暫不考慮曲線通過工況的情況下,列車制動(dòng)工況各性能指標(biāo)主要與列車的縱向自由度有關(guān)。此外,由于列車縱向自由度與橫向、垂向自由度的耦合度較小,故可對(duì)列車動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化,建立時(shí)僅考慮其縱向自由度。列車動(dòng)力學(xué)模型示意圖如圖3所示,該模型包括了車體、二系懸掛、一系懸掛、轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、車輪等部件。

圖3 列車動(dòng)力學(xué)模型示意圖

2.4 輪軌黏著模型

輪軌黏著模型通過改變黏著系數(shù)等輸入?yún)?shù),基于不同軌面條件,計(jì)算出不同軌面條件下的黏著力,需考慮列車運(yùn)行速度、軸重等參數(shù)與輪軌黏著系數(shù)間的相互關(guān)系。

基于Polach黏著理論[5]建立輪軌黏著模型。輪軌間黏著力Fa可以表示為:

(1)

(2)

f=f0[(1-A)e-Bω+A]

(3)

式中:

μ——輪軌黏著系數(shù);

a——輪軌橢圓接觸區(qū)縱半軸長(zhǎng)度;

b——輪軌橢圓接觸區(qū)橫半軸長(zhǎng)度;

C——輪軌接觸剪切剛度;

Q——軸重;

s——滑移率;

f0——輪軌最大靜摩擦因數(shù);

A、B——摩擦因數(shù)調(diào)節(jié)參數(shù);

ω——輪軌間的相對(duì)滑動(dòng)速度。

2.5 牽引及惰行階段模型

基于信號(hào)系統(tǒng)安全距離模型,D階段和E階段的緊急制動(dòng)距離可通過本文所建立的制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行計(jì)算,A階段—C階段的列車行駛距離則需在上述制動(dòng)系統(tǒng)仿真模型的基礎(chǔ)上輸入牽引特性曲線計(jì)算公式,通過開關(guān)模塊劃分為牽引階段和惰行階段,各階段對(duì)列車施加不同的作用力,并根據(jù)不同的作用力計(jì)算公式建立牽引及惰行階段模型。根據(jù)實(shí)際列車牽引特性曲線,牽引力為一個(gè)與速度相關(guān)的分段函數(shù),牽引力在列車運(yùn)行速度為67.5 km/h處分段,列車牽引力經(jīng)驗(yàn)公式可以表示為:

(4)

式中:

F1——列車牽引力,單位N;

v——列車運(yùn)行速度,單位km/h。

列車在牽引惰行階段的牽引力計(jì)算公式可以表示為:

(5)

式中:

t——列車運(yùn)行時(shí)間;

F——A階段、B階段、C階段的車體受力;

t1——A階段結(jié)束時(shí)刻;

t2——B階段結(jié)束時(shí)刻;

t3——C階段結(jié)束時(shí)刻。

2.6 構(gòu)建安全距離仿真平臺(tái)

將所建立的制動(dòng)電子控制單元模型、制動(dòng)系統(tǒng)氣路模型、列車縱向動(dòng)力學(xué)模型、輪軌黏著模型和牽引及惰行階段模型集成為6節(jié)編組列車(4動(dòng)2拖)安全距離仿真平臺(tái),如圖4所示。首先,通過輪軌黏著模型設(shè)置黏著條件,然后通過制動(dòng)電子控制單元模型計(jì)算制動(dòng)缸的目標(biāo)壓力,制動(dòng)系統(tǒng)氣路模型計(jì)算制動(dòng)缸實(shí)際壓強(qiáng),最后通過列車動(dòng)力學(xué)模型計(jì)算列車速度、減速度和制動(dòng)距離。

圖4 安全距離仿真平臺(tái)示意圖

3 信號(hào)系統(tǒng)安全距離研究

根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)安全距離模型及相關(guān)定義,安全距離為最不利條件下的緊急停車距離與正常條件下常用制動(dòng)距離之差,因此計(jì)算時(shí)應(yīng)考慮最不利工況。通過對(duì)多種列車故障工況進(jìn)行分析,并結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)中的相關(guān)規(guī)定,設(shè)計(jì)多種工況進(jìn)行仿真分析,獲得最不利條件下的列車緊急停車距離和正常條件下的常用制動(dòng)距離,進(jìn)而計(jì)算信號(hào)系統(tǒng)安全距離。

3.1 基于安全距離仿真平臺(tái)的列車故障工況分析

列車由于緊急閥泄露或排風(fēng)不止等故障導(dǎo)致無法施加制動(dòng)力,造成列車緊急停車距離有所延長(zhǎng)。結(jié)合我國(guó)某型列車實(shí)際發(fā)生的制動(dòng)力無法完全施加的故障情況,本文考慮不同載重類型、不同制動(dòng)力喪失程度(切除1個(gè)轉(zhuǎn)向架與切除2個(gè)轉(zhuǎn)向架)等工況對(duì)安全距離進(jìn)行分析。故障工況類型分為:故障工況1——全空車,切除1個(gè)轉(zhuǎn)向架;故障工況2——全重車,切除1個(gè)轉(zhuǎn)向架;故障工況3——故障車為重車、其余為空車時(shí),切除1個(gè)轉(zhuǎn)向架;故障工況4——全空車,切除2個(gè)轉(zhuǎn)向架;故障工況5——全重車,切除2個(gè)轉(zhuǎn)向架;故障工況6——故障車為重車、其余為空車時(shí),切除2個(gè)轉(zhuǎn)向架。

基于安全距離仿真平臺(tái)可以獲得不同故障工況下,列車制動(dòng)平均減速度與黏著系數(shù)間的關(guān)系,如圖5所示。由圖5可知:故障工況6的列車平均減速度最小,制動(dòng)距離最長(zhǎng),因此判斷故障工況6為最不利故障工況。由于故障工況6在實(shí)際線路中較為少見,因此本文也對(duì)故障工況5這一較為常見的最不利故障工況進(jìn)行分析。

圖5 不同故障工況下列車制動(dòng)平均減速度與黏著系數(shù)間的關(guān)系

3.2 列車安全距離仿真計(jì)算

當(dāng)黏著系數(shù)為0.5、最大平均常用制動(dòng)減速度為1.0 m/s2時(shí),對(duì)列車制動(dòng)過程進(jìn)行仿真計(jì)算,所獲得的不同列車運(yùn)行速度下,列車的制動(dòng)距離仿真結(jié)果如表2所示。

表2 不同列車運(yùn)行速度下的列車制動(dòng)距離仿真結(jié)果

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)UIC 541-5—2016Brakes-Manufacturingspecificationsforvariousbrakeparts-WheelSlideProtectiondevice(WSP)中關(guān)于輪軌黏著系數(shù)等級(jí)的劃分,基于實(shí)際線路可能存在的最不利軌面黏著條件,當(dāng)列車運(yùn)行速度分別為120 km/h、100 km/h、80 km/h、60 km/h,黏著系數(shù)為0.03、0.04、0.06、0.08時(shí),分別對(duì)列車在正常工況、故障工況5和故障工況6下的列車緊急停車距離進(jìn)行分析。根據(jù)安全距離的定義,將所獲得的列車緊急停車距離減去表2中的制動(dòng)距離,可以獲得不同工況下的安全距離仿真計(jì)算結(jié)果,如表3所示。

表3 不同工況下的列車安全距離仿真計(jì)算結(jié)果

由表3可知:不同工況下,安全距離有所差異;故障工況6的安全距離最長(zhǎng);當(dāng)黏著系數(shù)為0.03、列車運(yùn)行速度為120 km/h時(shí),列車正常工況時(shí)的安全距離為1 520.7 m,故障工況6的安全距離為2 196.7 m,此時(shí)即為本文所研究的最不利工況。由于實(shí)際應(yīng)用中不同線路的最不利黏著條件有所不同,因此信號(hào)系統(tǒng)輸入的安全距離值也會(huì)有所差異,如:熱帶地區(qū)線路的最低黏著系數(shù)較大,因此所設(shè)置的安全距離較短;常年雨雪天或樹葉多的地區(qū),線路的最低黏著系數(shù)較小[6],因此所設(shè)置的安全距離較長(zhǎng)。表3中的不同黏著系數(shù)條件下的安全距離值也為不同氣候環(huán)境下鐵路線路安全距離的設(shè)置提供了一定的參考。此外,安全距離還與允許列車運(yùn)行的最大速度有關(guān),線路允許列車行駛的最大速度越高,安全距離設(shè)置就越長(zhǎng)。

綜上所述,信號(hào)系統(tǒng)安全距離輸入值的設(shè)定與實(shí)際列車線路環(huán)境條件、允許列車運(yùn)行的最大速度和可能發(fā)生的故障類型有關(guān)。此外,由于本文模型未考慮測(cè)速誤差、位置不確定性誤差等因素,故在實(shí)際應(yīng)用中需添加一定的安全裕量,以保證列車運(yùn)行的安全性。

4 結(jié)語

本文對(duì)信號(hào)系統(tǒng)安全距離模型進(jìn)行了分析,得出了列車緊急制動(dòng)階段占比約為99%的結(jié)論。利用MATLAB/Simulink軟件搭建安全距離仿真平臺(tái),對(duì)列車故障進(jìn)行分析,主要獲得以下幾個(gè)結(jié)論:

1) 緊急停車距離是影響信號(hào)系統(tǒng)安全距離的主要因素,受到線路最不利黏著條件、線路允許最大運(yùn)行速度和故障類型的影響。黏著條件越差,線路允許的最大運(yùn)行速度越高,緊急停車距離越長(zhǎng),進(jìn)而導(dǎo)致信號(hào)系統(tǒng)的安全距離越長(zhǎng)。

2) 考慮黏著系數(shù)為0.03時(shí)的超低黏著工況,列車以最高設(shè)計(jì)速度120 km/h正常運(yùn)行時(shí)的安全距離為1 520.7 m;故障車為重車、其余為空車時(shí),故障車切除2個(gè)轉(zhuǎn)向架的安全距離為2 196.7 m。

3) 當(dāng)列車出現(xiàn)轉(zhuǎn)向架故障時(shí),通常采用降速運(yùn)行,只要將其最高運(yùn)行速度限制在速度閾值之下即可。該速度閾值對(duì)應(yīng)的緊急制動(dòng)距離應(yīng)不大于最差黏著情況下列車的緊急制動(dòng)距離,可據(jù)此確定故障車的最大限速。

本文得出的安全距離僅為理論值,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)考慮測(cè)速誤差及位置不確定性誤差等因素,為安全距離留出一定的安全裕量,避免列車與前車相撞。