湿轨可保证紧急制动率值对信号系统安全制动距离的影响

刘婧婧 曲 睿

(广州地铁集团有限公司,510310,广州∥第一作者,工程师)

湿轨可保证紧急制动率值对信号系统安全制动距离的影响

刘婧婧 曲 睿

(广州地铁集团有限公司,510310,广州∥第一作者,工程师)

安全制动距离是信号系统控制行车的核心所在。简述了安全制动距离的影响因素,并借助动力学模型,分解至关键性指标。选择目前争议较大、影响较深的湿轨可保证紧急制动率值展开进一步探讨,提出了湿轨情况下粘着系数的合理取值建议。

地铁; 信号系统; 列车安全制动距离; 可保证紧急制动率值; 粘着系数

Author′s address Guangzhou Metro Group Co.,Ltd.,510310,Guangzhou,China

安全制动距离是城市轨道交通(以下简为“城轨”)信号ATC(列车自动控制)系统控制列车行驶、保护行车安全的重要性能参数指标。随着城轨行业的发展,更高的运行效率、更快的列车速度、更灵活的调整策略逐渐成为未来信号系统所急需面对的问题。而更短的安全制动距离则是解决上述问题的关键所在。本文简述安全制动距离计算的一般影响因素,并着重对湿轨可保证紧急制动率(Guarantee Emergency Brake Rate,简为GEBR)的取值以及其重要影响因素粘着系数进行分析。

1 安全制动距离

信号ATC系统在控制列车行驶时的普遍做法是：建立相应的列车运行安全制动距离(SBD)模型,再结合系统闭塞设计原则,最终编制出可实时计算出当前运行曲线的程序。

SBD模型的建立需要车载ATP(列车自动防护)设备反应时间、失控加速时间、惰行时间、紧急制动施加时间、全减速时间等5个基本因素，如图1所示。

(1) 车载ATP设备反应时间(阶段A)。列车正常行驶过程中,一旦实际运行曲线超越ATP超速检测曲线,车载ATP将立刻启动紧急制动。在车载系统最不利的响应时间及最大测速误差的情况下,列车将有可能超越紧急制动触发曲线的最大速度。

(2) 失控加速时间(阶段B)。此阶段列车将继续保持持续加速,直至列车牵引系统对信号系统发出的紧急制动命令作出响应并切除牵引。

(3) 惰行时间(阶段C)。此阶段牵引已切除,而制动尚未开始建立,列车将完全依靠坡度和曲线的影响来加速与减速,并假定以所获得的最大速度滑行。

(4) 紧急制动施加时间(阶段D)。此阶段列车制动将逐渐施加,制动率由零增加至最小的可保证紧急制动率。

(5) 全减速时间(阶段E)。此阶段列车将以可保证的紧急制动率持续减速直至车速为零。

2 制动距离计算式及GEBR的说明

根据运动学公式推导出制动距离计算式为:

(1)

式中:

S——列车制动距离,m;

v0——全减速起动速度,m/s;

i——线路纵向坡度4分数,下坡为“+”,上坡为“-”;

a——平均制动率，m/s2;

γ——潮湿轨面与干燥轨面粘着系数比;

图1 安全制动模型

g′——受车轮转动惯量影响的车辆重力加速度,m/s2;

Δi曲——平面圆曲线的单位曲线阻力,N/N;

r阻——列车单位阻力,N/kN;

f风——列车单位风阻力,N/kN。

由式(1)可以清晰看出,在外部环境普遍清晰可预估的前提下,a成为制动距离计算的关键。这里的a就是GEBR,一般是指列车在平直轨道可获得的最小紧急制动率。

广州地铁目前所采用的GEBR为已定条件下的计算数值。具体计算条件如下:

(1) 在AW(空载)0～AW3(超载)载荷;

(2) 干燥平直轨道;

(3) 列车速度由125km/h紧急制动至0km/h;

(4) 计算用制动粘着系数为0.14;

(5) 损失2个转向架制动力;

(6) 选择载荷非均匀分布或AW3两种载荷情况中最恶劣工况;

(7) 考虑各种轮径(770～840mm)情况下最恶劣工况;

(8) 减速度为等效减速度(不考虑空走时间和建压时间)。

综合考虑上述条件,选取广州地铁9号线为例,能保证0.85m/s2的紧急制动等效减速度。

然而对于高架线路,由于露天环境下雨水等外在影响因素太多,制动粘着系数难以明确,进而影响了GEBR的确定。

3 湿轨粘着系数及其影响因素

制动粘着系数是地铁列车制动设计的重要依据,当车轮在钢轨上滚动时,轮轨在相互接触的部位发生弹性形变,形成椭圆形的接触区。通常把轮轨间最大切向作用力标作粘着力(FH),把粘着力(FH)与钢轨对车轮的法向反力(正压力FA)之比值标作粘着系数。粘着系数示意图如图2所示。图中,FBR为制动力,Fk为与钢轨平行的正压力(制动压力)，mA为车轮质量，dR为车轮直径，g为重力加速度，μH为当前利用粘着系数,μk为制动系数。

图2 粘着系数示意图

若列车发生打滑,则实际粘着系数小于利用粘着系数,列车制动力将无法正常发挥,此种特殊情况本文暂不讨论。正常情况下,实际粘着系数均大于利用粘着系数。粘着系数主要与以下因素有关:

(1) 轨面状况。轨道是否有水对粘着系数的影响非常之大,多方研究表明,轨面有水后,粘着系数将降低30%以上,如在小雨情况下,粘着系数降低更甚。此外,油污、含水成分的铁锈、落叶,以及部分区域可能存在的降雪等情况,都会使粘着系数发生不同程度的下降。

(2) 速度。试验实测数据表明,随着速度的增加,粘着系数受速度的影响逐渐减小。国外多年试验所得的不同轨面条件下的粘着系数分布如图3所示。

图3 不同工况的粘着系数分布

由图3可以看出,相同速度下,干轨、湿轨、湿滑轨的粘着系数依次降低。列车静止时,干轨、湿轨、湿滑轨的粘着系数分别为0.22～0.275、0.145～0.22、0.11～0.145;当列车速度达到80 km/h后,三种轨面的粘着系数分别为0.14～0.18、0.08～0.14、0.06～0.08;当列车速度达到100 km/h后,三种轨面的粘着系数分别为0.135～0.175、0.075～0.135、0.055～0.075。以上数据表明,粘着系数受轨面的干湿程度影响很大,而列车的运行速度对粘着系数也有一定的影响。

4 结语

(1) 粘着系数直接影响地铁列车的制动性能,

也左右着GEBR的选取,进而影响整个安全制动模型。因而,选取恰当的粘着系数，在车辆与信号接口设计过程中的重要地位不言而喻。

(2) 湿轨情况下的粘着系数,因外在环境因素的不可预估性,较干轨粘着系数更难确定。目前国内普遍的做法是：通过试验实测以选取最小值，再辅以适当余量获得。但不同的试验环境并不能够完全准确模拟现场实际运营环境,更加完善的手段还有待进一步探讨。

(3) 良好的轨道线路维护以及增加列车清扫制动(如洒沙装置)等附加功能可有效改善粘着条件。对于室外高架线路,在雨雪等恶劣天气下,地铁列车也应执行应急紧急运营模式,适当降速或加大发车间隔。特别是小雨初期,粘着系数突降,各系统需作出相应反应。

(4) 更大的粘着意味着更大的GEBR,带来的则是更短的制动距离,随之而来的则是更灵活的系统调整能力,更加强大的列车追踪性能。与此同时,应清楚地认识到,地铁设计安全至上,切不可因效率而失了安全,给乘客的人身安全带来潜在危险。

[1] 王俊,王开云,刘建新.雨雪天气的粘着系数对机车安全性能影响分析[J].重庆理工大学学报(自然科学版),2013,27(9):17.

[2] 王伟波,段继超.低粘着下的地铁车辆紧急制动率问题初探[J].技术与市场,2014,21(5):63.

[3] 邵嘉声.影响ATC系统安全制动距离因素的探讨[J].铁道通信信号,2005,41(8):13.

Impact of Wet Rail GEBR Value on Safety Breaking Distance of Signal System

LIU Qianqian, QU Rui

The safety breaking distance is the core of signal system in controlling the vehicle.The effective factors of safety breaking distance are introduced, which are refined to key indicators by using the kinetics model. Due to its deeper influence, the debatable wet rail GEBR value is select and discussed in depth, the rational adhesion coefficient in wet rail condition is proposed to ensure the emergency breaking rate.

metro; signal system; safety braking distance; GEBR (guarantee emergency brake rate) value; adhesion coefficient

U 260.13+8

10.16037/j.1007-869x.2016.07.033

2016-03-08)