地铁列车救援演练制动操作方式优化研究

刘焕军，刘 世，赵 海，杨 波

（1.中车青岛四方车辆研究所有限公司，山东青岛 266112；2.西南交通大学希望学院，四川成都 610400）

1 研究背景

国内地铁运营里程快速增长，因各种故障导致的地铁列车救援也不断增加，救援过程中因司机操作不当导致险情及事故时有发生[1]，因此，救援过程中的安全性也越来越受到关注。根据目前地铁公司运营经验，普遍认为列车救援过程中采取紧急制动会导致较大的车钩力[2-4]。此外，地铁列车在救援过程中牵引力对车钩的影响也引起了用户和车辆厂家的关注。研究发现，列车的牵引特性在救援过程中扮演了重要角色[5-8]，但整个列车救援过程中，什么情况下车钩力最恶劣以及如何避免，目前这方面的研究较少，导致地铁车辆司机在列车救援演练操作时缺乏必要的依据，一些不恰当的操作也没有避免。

本文基于Simulink模块建立地铁列车纵向动力学模型，确定最不利工况，对列车救援全过程进行列车车钩力分布特性仿真分析，并提出司机制动操作优化方案，为提升地铁列车救援过程的安全性提供支撑。

2 列车救援工况概述

国内地铁列车救援时，多数采用1列空车推送救援另外1列故障列车的方式。由于列车停车故障在任何时候都可能发生，因此，被救援车可以设定为满载工况，此时列车重量最大，启动和制动时，车辆之间的车钩力较大。通常，救援过程中，列车在线路变坡点上实施紧急制动的车钩力最大。

列车救援过程可以分为3个阶段：恒牵引力阶段、恒功率阶段和自然特性阶段。地铁列车牵引力特性曲线如图1所示。列车从启动开始，依次经过以上3个阶段：恒牵引力阶段列车的加速度最大，一般是列车的最大加速度；恒功率阶段加速度逐渐下降，车辆速度继续提高；当速度提高到匀速阶段时，牵引力和列车阻力达到动态平衡。此外，列车还有惰行工况，即列车电机不提供牵引力，保持滑行状态，在列车救援时为保持较低车速，司机会不间断采取惰行工况。

3 救援工况下车钩力仿真分析

3.1 仿真工况

基于MATLAB的Simulink模块建立地铁列车纵向动力学模型，模型考虑车钩缓冲系统非线性特性。

图1 地铁列车牵引力特性曲线

以某地铁线路A型车为例，采用4动2拖6辆编组：+Tc -M -M -M -M -Tc +。其中，Tc车为拖车；M车为动车；“+”代表自动车钩；“-”代表半永久车钩。每辆空车重38 t，满载50 t（AW3工况），车体抗拉强度为850 kN，抗压强度为1 250 kN，列车牵引加速度1.0 m/s2，紧急制动减速度1.2 m/s2，常用制动减速度1.0 m/s2。全列车车钩配置流体阻尼缓冲器，压缩方向最大阻抗力为1 000 kN，拉伸方向最大阻抗力为390 kN。最大坡道参数为国内地铁线路普遍采用的35‰。车钩强度与车体一致。

理论计算显示最大坡道变坡点紧急制动时得到的车钩力最大，但实际线路上变坡点恰好是最大坡道的情况几乎不存在，所以本文选取平直道转下坡这种最常见的恶劣工况进行趋势分析。列车救援模型仿真工况如图 2所示，救援模式采用推送救援，救援车为空载，被救援车为满载，无动力无制动，救援车在平直道，被救援车在35‰下坡。以上工况为国内地铁运营普遍采用的救援模式。

（1）恒牵引力阶段。由图1可知，在列车速度达到30 km/h之前，救援列车保持全牵引力状态，分别选取列车速度到达10 km/h、20 km/h和30 km/h的3个时间节点实施紧急制动，计算分析各断面的最大车钩力。

（2）恒功率阶段。在列车速度到达60 km/h之前，牵引系统保持功率最大状态，在恒功率阶段列车牵引力迅速降低。分别选取列车速度到达40 km/h、50 km/h和60 km/h的3个时间节点实施紧急制动，计算分析各断面的最大车钩力。

（3）自然特性阶段。列车速度超过60 km/h之后，进入牵引电机的自然特性阶段，此时列车牵引力继续下降，分别选取列车速度到达70 km/h和80 km/h的2个时间节点实施紧急制动，计算分析各断面的最大车钩力。

3.2 紧急制动时车钩力分析

将8个工况中的车钩力按照横坐标为断面编号、纵坐标为车钩力值拟合成曲线，如图3所示。不同阶段采取紧急制动时车钩力分析如下。

图2 列车救援模型示意图

图3 列车加速的不同阶段采取紧急制动车钩力对比

（1）恒牵引力阶段采取紧急制动，车钩力普遍较高，最大车钩力发生在两列车的中间断面或者被救援列车离中间断面最近的一个断面，3种工况下最大车钩力均超过了缓冲器拉伸方向的最大阻抗力390 kN，即缓冲器在拉伸方向已经走完行程，进入刚性阶段，此阶段车钩力上升可能会非常快，有潜在风险。

（2）恒功率阶段采取紧急制动，最大车钩力随着速度的增加逐渐减小，且此阶段得到的最大车钩力明显低于恒牵引力阶段。3种工况下最大车钩力均小于缓冲器拉伸方向的最大阻抗力。

（3）自然特性阶段采取紧急制动，最大车钩力普遍较小，且不同速度采取紧急制动时车钩力变化不大。在紧急制动力不变的情况下，救援车采取紧急制动时得到车钩力与牵引力成正相关。

通过对救援工况下不同阶段紧急制动时的车钩力分析，可以清晰看出，恒牵引力阶段采取紧急制动时车钩力最大，是最危险的工况。恒功率阶段和自然特性阶段，由于牵引力有所下降，此时采取紧急制动，车钩力较小。在实际运用中应主要避免在恒牵引力阶段采取紧急制动。

4 救援演练制动操作方式优化研究

由于地铁公司所有司机都需要定期练习救援操作，且绝大部分救援操作都是选择在车辆段内有限长度的线路上进行，导致列车刚刚启动后在恒牵引力阶段就需要尽快制动。因此，在实际救援演练中恒牵引力阶段采取制动的工况经常发生。针对类似情况，笔者建议通过更合理的制动操作来避免极大车钩力的出现。

4.1 采用常用制动而非紧急制动

在救援演练和司机培训时，采用紧急制动的操作过于危险，建议采用常用制动操作。列车加速到10 km/h时，将制动模式改为常用制动，计算分析纵向车钩力变化。图4通过折线图的形式对比了紧急制动和常用制动工况下车钩力的差异。

4.2 紧急制动前惰行

列车加速到10 km/h时，分别选取惰行0.2 s，0.5 s，1 s，1.5 s，2 s，2.5 s和3 s后实施紧急制动，进行车钩力计算。选取每个工况下最大车钩力为纵坐标，取每个工况的惰行时间为横坐标，惰行时间与最大车钩力的对应关系如图5所示。

4.3 救援演练制动操作方式优化建议

（1）采用常用制动可以明显降低制动时的最大车钩力，但是短暂惰行后，再采取紧急制动，得到的车钩力降幅更大。

（2）惰行时间小于2 s时，不同的惰行时间对最大车钩力有较大影响；2.5 s以后，最大车钩力基本趋于平稳，不再与惰行时间相关。

（3）在惰行最初阶段（0.5 s以内）采取紧急制动，车钩力最小，列车停车距离也最短，可以认定为是最佳操作方案。

图4 常用制动和紧急制动下最大车钩力的对比

图5 惰行时间与最大车钩力的对应关系

5 结语

通过对救援工况下不同阶段紧急制动时的车钩力进行仿真分析可知，恒牵引力阶段采取紧急制动时车钩力最大。结合地铁公司救援演练操作实践，建议在救援演练和司机培训时采用常用制动或紧急制动前惰行的操作方式避免极大车钩力的出现，其中紧急制动前短暂惰行的操作方式最适合救援演练工况。