基于台架试验的高速动车组防滑控制特性研究

周 军

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所, 北京 100081；2.北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094)

目前，高速动车组仍以黏着制动为主，即通过车轮与钢轨接触斑之间的黏着-蠕滑来传递制动力。因此轮轨界面黏着特性是影响动车组制动的最直接也是最主要的因素[1]。轮轨界面黏着是一个动态随机变量，受到很多复杂因素的影响，它会随地点、时间和环境因素的不同而改变。因此，列车在实际运营中在不同的外部环境下相同的制动力矩，其黏着的最佳值在位置和量值上是经常变化的[2]，一般需要配备防滑控制系统来控制这种变化。车轮防滑保护(Wheel Slide Protection，WSP)是一种先进的运行控制和监控系统，防止由于轮轨间黏着系数降低而导致的轮对擦伤，并充分利用黏着以缩短不利黏着条件下的制动距离，在确保动车组安全运行方面有重大的作用。

防滑系统是列车制动系统的关键组成部分，其功能和性能直接关系到制动系统甚至整个列车的安全，必须对其经过充分的功能验证和性能检验[3]。防滑控制系统的宗旨和目标是在轮对发生滑行时尽可能避免轮对擦伤，并有效利用轮轨间黏着以缩短列车制动距离，二者缺一不可，这也是评价防滑系统优劣的重要技术指标。

本文在深入分析轮轨黏着机理的基础上，在不利条件下充分利用黏着的原理，设计了分层递阶的防滑控制方法和多模式黏着切换的控制新策略。基于铁科院1∶1高速轮轨关系试验台，开展高速动车组防滑系统在不同试验速度级别、不同黏着条件下的防滑试验，探析防滑控制特性、黏着-蠕滑关系，并验证防滑系统的功能和性能以及防滑控制策略的有效性和可靠性。

1 黏着机理

1.1 轮轨接触和蠕滑

相关研究结果表明，轮轨接触的力传递方式有三种，分别为黏附、滑动和滚动[4]，见图1。vR为轮对切向速度，vT为车辆速度。

图1 轮轨接触时的力传递形式

黏附状态下，轮对的切向速度vR和沿轨道车辆速度vT都为零，即列车处于静止状态。

滑动状态有2种情况：若仅是轮对切向速度vR为零，则为打滑；若仅是列车运动速度vT为零，则为空转。

滚动状态是指切向速度vR和沿轨道车辆速度vT具有速度差，即：vT-vR=Δv，也分为2种情况,纯滚动和蠕滑滚动。

图2 轮轨滚动示意

图2为轮轨滚动状态示意图。图2中，v为列车速度；ω为轮对角速度；R为车轮半径；N为正向压力；f为切向力，且f<(μ×N)，μ为轮轨黏着系数。

Δv=v-ωR

( 1 )

ε=Δv/v

( 2 )

式中：Δv为轮轨在接触点o的相对滑移速度；ε为车轮绝对滑行，其百分比即为蠕滑率(滑移率)λ。

(1) 纯滚动状态

此时，v=ωR,Δv=0，则f=0，ε=0，此状态下不能传递制动力或牵引力。

(2) 蠕滑滚动状态

既当车轮在轨道上滚动时，由于轮轨之间发生弹性变形，使其沿列车运行方向分成两部分。前部为黏附区，后部为滑动区，此时：

若v>ωR，Δv>0，则f<0 (反向)，ε>0，制动状态；若v<ωR,Δv<0，则f>0 (正向)，ε<0，牵引状态。

1.2 黏着

在轮对转动过程中，当施加制动时，在制动缸压力的作用下，制动夹钳夹紧制动盘并产生垂直压力K，同时产生闸片作用于制动盘的正向滑动摩擦力K·φ。由于车轮紧压在钢轨上，所以闸片滑动摩擦力对轮心的摩擦力矩在轮轨接触点又产生钢轨反作用于车轮的切向静摩擦力B，这个力就是由制动系统引起的与列车运行方向相反的制动力Fb[5]。轮轨黏着制动过程见图3，参数说明如表1所示。

图3 轮轨黏着制动过程示意

表1 轮轨黏着参数说明

在轮轨间保持静摩擦和忽略车轮转动惯性I的情况下，制动力Fb为

Fb=B=K×φ×rb/rw

( 3 )

然而在实际情况下，钢轨和车轮在高压力的作用下都会产生少许变形，轮轨间实际上是椭圆形的面接触，而并非是点接触，导致动车组在运行过程中不可避免地发生各种各样的振动和冲击。此外，由于车轮踏面是近似圆锥形的，导致车轮在钢轨上滚动的同时，必定伴随着轮轨间微量的横向和纵向的滑动。由此可知，轮轨接触面并不是纯粹的静摩擦状态，而是一种静中有微动或滚中有微滑的状态。在铁路牵引和制动理论中，把上述状态称为黏着状态[6-7]，把黏着状态下轮轨间的最大切向摩擦力称为黏着力Fa，把黏着力与车轮钢轨间垂直载荷之比定义为黏着系数μ。

1.3 蠕滑与黏着的关系

黏着系数与蠕滑的关系一般采用Kalker曲线来表示[8]，见图4。

图4 Kalker理论黏着曲线

该曲线包括三个工作区间：正常运行区、稳态运行区和非稳态运行区。在正常运行区，蠕滑率在0.5%～1.5%处，其黏着系数达到峰值μmax1，但由于通过这个区的时间很短，并且难以检测与控制，故也称之为假稳定区。而真正的黏着利用与控制是在稳态运行区, 蠕滑率为5%～20%(法国10%～25%，日本10%以内)，黏着系数达到第二个峰值μmax2。当超过临界蠕滑率λs时，则进入非稳态运行区，此时轮对有发生抱死的可能。Kalker曲线是理论曲线，实际通过测量和统计得到的黏着系数曲线不包括正常运行区。

1.4 轮轨黏着动态过程分析

1.4.1 闸片摩擦力和摩擦力矩

闸片摩擦力计算过程如下：

制动缸力为

( 4 )

式中：Fz为制动缸力，kN；Pc为制动缸压力，kPa；Ak为活塞表面积，cm2；Fg为弹簧回复力，kN。

每个制动缸的闸片压力为

FAz=Fz×i×ηe

( 5 )

式中：FAz为每个制动缸的闸片压力，kN；i为总的传动杠杆比；ηe为传动效率。

每轴的闸片压力为

FAg=nz×FAz

( 6 )

式中：FAg为每轴的闸片压力；nz为每轴的制动夹钳数量。

每轴的闸片总摩擦力为

FBe=mue×FAg

( 7 )

式中：FBe为每轴的闸片总摩擦力，kN；mue为闸片和制动盘间的摩擦系数。

得到闸片摩擦力后，即可得到摩擦力矩(也称制动力矩)为

Tb=FBe×rb

( 8 )

式中：Tb为摩擦制动力矩,kN·m；rb为制动半径,m。

1.4.2 黏着力和黏着力矩

可利用黏着力Faa和可利用黏着系数μaa的关系为

Faa=μaa×W

( 9 )

式中：μaa≤μ。

黏着力矩(也称为车轮转矩)为

Ta=Faa×rw

(10)

1.4.3 轮轨黏着动态过程

当制动施加后，制动缸压力逐渐上升，进而闸片摩擦力和摩擦力矩也随之增大，轮对速度开始下降，轮对速度和车辆速度之差也逐渐增大，蠕滑率和黏着系数增大。由图4可知，在蠕滑率达到最大黏着值之前，黏着系数随蠕滑率的增大呈非线性增加，此时可以认为制动力矩和车轮转矩是同步增长的，则制动过程处于黏着曲线的稳态运行区。如果此时继续增大制动力矩，当蠕滑率超过某一值时，黏着系数不增反降，车轮转矩也随之减小，导致与制动力矩的差也急剧增大，最终使轮对速度快速降低直至轮对抱死。

在车辆制动过程中，轮对转矩和制动力矩的动态特性为

(11)

即

(12)

此外，从力传递的方面来看，当轮轨间切向作用力B超过黏着力Fa时，轮轨间的接触点将发生相对滑动，此时切向作用力将变成滑动摩擦力。由于滑动摩擦系数与黏着系数相比要小得多，导致切向作用力突然迅速变小。在闸片摩擦力矩的强大作用下，车轮转速将急剧下降，直至停止转动，已停转的车轮在钢轨上滑行，然而列车速度此时并未明显降低，导致车轮踏面发生局部擦伤。因此，在通常情况下，制动力Fb不应大于黏着力Fa，即制动力受轮轨黏着的限制[9]。

2 防滑控制系统

2.1 结构与功能

动车组防滑控制系统是依据国际防滑标准UIC 541-05—2016的技术要求，结合我国铁路实际轮轨黏着特性及动车组运用环境而设计研制的，主要由防滑控制器、速度传感器及防滑排风阀等组成，见图5。

图5 动车组防滑控制系统结构

目前，国内外已有的防滑系统在判断“滑行”时，采用了许多判据，主要依据的是速度差、减速度、滑移率、减速度微分等，其中速度差和减速度采用的较为普遍。本防滑系统采用速度差、减速度相结合的防滑控制方法。控制单元计算本车速度传感器采集的轴速度、轴减速度和车辆速度，根据各轴速度与车辆速度之间的滑差和各轴减速度的变化来判断滑行状态。当轮轨间黏着条件较差，轮对产生滑行时，控制单元立即控制防滑阀动作来调节制动力从而抑制滑行，防止车辆轮对擦伤，并充分利用黏着以缩短不利黏着条件下的制动距离[10-11]。防滑控制系统除了具有空气制动防滑外，还具有电制动防滑，本文不考虑电制动防滑，只涉及空气制动防滑。

2.2 防滑控制系统应用现状

目前，我国既有高速动车组制动防滑系统主要从国外引进(德国Knorr、法国Faiveley和日本Nabaco等)，防滑控制技术由外方掌握，运用维护中参数的调整还受外方限制。此外，国外防滑系统的控制参数和控制策略是依据该国黏着机理的研究成果设计的，其适用于该国轮轨黏着特性。由于我国的铁路运用环境和轮轨黏着特性都与国外有明显差异，导致我国既有动车组在前期运行期间均出现了不同程度的轮对擦伤事故，这意味着国外防滑系统的控制参数和控制策略并不完全适用于我国的轮轨黏着特性。因此，可充分利用自身的经验和国内市场，研究适合我国高速动车组实际运行条件的防滑控制技术，发展具有自主知识产权的核心技术，提高我国轨道车辆装备的技术水平。

2.3 防滑控制新策略

2.3.1 分层递阶控制方法

为了解决当前我国既有高速动车组防滑系统在运用过程中所面临的问题，研究适用于我国实际轮轨黏着特性的防滑控制策略，在2.1节中传统防滑控制方法的基础上，依据前述的黏着-蠕滑控制机理，设计了一种基于分层递阶模式的防滑控制方法，将整个滑行控制过程分为两个阶段并采用不同的滑行控制策略。在滑行初始阶段，防滑系统依据黏着-蠕滑的关系，有目的地维持一定的滑差来改善轮轨黏着系数，实现了在轮轨间存在着变化的微量滑动条件下也能获得最佳黏着。当滑差较大进入严重滑行阶段时，防滑系统快速抑制轮对滑行并恢复轴速。本防滑系统所采用的分层递阶模式的黏着-蠕滑控制方法，改善了恶劣条件下的轮轨黏着，实现了充分利用轮轨黏着以缩短制动距离的目的。

2.3.2 多模式黏着切换策略

轮轨黏着受到很多复杂因素的影响，会随时间、地点和环境因素的不同而发生变化，因此轮轨黏着的最佳值在位置和量值上经常是变化的，防滑系统应能自动追踪黏着状态而发挥其控制作用。本防滑控制系统采用了一种自适应追踪轮轨黏着状态的多模式黏着切换策略，见图6。

图6 多模式黏着切换策略

根据轮轨黏着状态的不同(如，水、油/树叶)，采用不同的最优黏着控制方法，解决了不同黏着状态下车轮的黏着-滑行控制问题，提高了防滑控制系统对我国铁路复杂运用环境和轮轨黏着特性的适应性。

3 防滑台架试验验证

为了验证防滑控制系统的功能和性能，以及本文所提出的分层递阶和多模式黏着切换策略的有效性和可靠性，基于高速轮轨关系试验台进行了防滑控制试验。

3.1 试验基本要求

基于中国铁道科学研究院集团有限公司1∶1高速轮轨关系试验台[12]，设置与高速动车组现车一致的试验环境(比如，轴重、总风压力、制动压力等)，模拟动车组拖车单轴在湿轨(普通黏着-洒水、中低黏着-喷洒减摩液、超低黏着-喷洒防冻液)工况下的防滑试验。试验速度范围为120～300 km/h，施加纯空气紧急制动。

通过防滑试验，验证防滑控制系统的功能和性能以及防滑控制策略有效性和可靠性，并探析防滑控制特性、黏着系数与滑移率(滑差)的关系。

3.2 防滑试验及数据分析

根据3.1节的试验基本要求，完成了相应速度等级的防滑试验，以初速度200、250、300 km/h防滑试验为例，普通黏着-喷洒水、中低黏着-喷洒减磨液、超低黏着-喷洒防冻液，试验工况结果分别见图7～图9。

图7 普通湿轨防滑试验工况结果

图8 中低黏着防滑试验工况结果

图9 超低黏着防滑试验工况结果

3.3 试验结果分析

(1) 通过上述防滑试验结果可以看出，防滑系统能根据不同的轮轨介质条件自适应地追踪最佳黏着状态，提高了黏着利用率。既抑制了轮对滑行防止轮对擦伤，又改善了轮轨可用黏着，缩短了制动距离。试验过程中无轮对擦伤，且制动距离和滑差满足标准要求，验证了本文所提出的分层递阶防滑控制方法和多模式黏着切换策略的有效性和可靠性。

(2) 普通湿轨(水)条件下，在200 km/h以下初速制动工况下，滑差在10～20 km/h之间时，其黏着系数为最佳，通过防滑阀动作来维持上述范围的滑差，可以获得较高的制动缸压力；在250 km/h和300 km/h初速制动工况下，速度在200 km/h以上时，为了获得最佳黏着需要维持较高的滑差，滑差在30～40 km/h时，300 km/h初速度制动工况最大滑差甚至超过了40 km/h左右。最佳黏着对应的滑移率约为10%。

(3) 中低黏着(减磨液)条件下，滑差在10～20 km/h时，其黏着系数为最佳，与制动初速度关系不大。最佳黏着对应的滑移率约为5%。

(4) 超低黏着(防冻液)条件下，滑差在10～20 km/h时，其黏着系数为最佳，与制动初速度关系不大。最佳黏着对应的滑移率约为7%。

4 结论

本文在深入分析轮轨黏着机理的基础上，为了适应我国复杂的铁路运营环境和不同的轮轨黏着条件，依据蠕滑-黏着控制机理，设计了分层递阶和多模式黏着切换的防滑控制策略，基于高速轮轨关系试验台防滑试验，得出如下结论：

(1)本文采用分层递阶的防滑控制方法，通过有目的地维持一定的滑差可以改善轮轨黏着，提高制动力，缩短制动距离。

(2)普通湿轨(水)条件下，200 km/h以上初速度制动工况，为了获得最佳黏着需要维持较高的滑差，滑差在30～40 km/h时，最大滑差甚至超过了40 km/h。

(3)中低黏着(减磨液)和超低黏着(防冻液)条件下，滑差在10～20 km/h时，其黏着系数为最佳，与制动初速度关系不大。

(4)本文采用的多模式黏着切换策略，可以自适应地追踪不同的轮轨黏着状态，根据低黏着和极低黏着的不同，寻找不同的最优黏着控制区域(滑差)。

(5)防滑试验的结果也验证了防滑控制系统的有效性和可靠性，为今后自主化防滑控制系统的推广应用奠定了技术支持和理论基础。