城市轨道交通车辆防滑性能评估标准浅析

郭 强，车 超，赵扬宇，马昭钰

（1. 中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车工程研究中心国家工程实验室，吉林长春 130113；2. 以色列特拉维夫大学工程学院，以色列特拉维夫）

0 引言

近年来，公共交通领域发展迅速，以高速动车组、城市地铁、轻轨、有轨电车等为代表的轨道交通方式在公共交通中所占比例越来越大。轨道车辆的制动系统是影响列车安全运行的主要系统之一。当出现雨雪天气时，轨道表面的可利用黏着降低，列车在制动时会出现滑行的现象，直接影响制动系统的性能。如果车辆出现防滑现象而不减小制动力，车轮抱死，就容易造成擦轮，而车轮一旦擦伤，会出现列车质心偏移，引起车辆振动或蛇行运动现象，给列车运行安全造成极大的隐患。

1998 年德国 ICE1 型高速列车由于车轮打滑发生脱轨事故，造成 100 多人死亡，多人受伤。因此，无论是动车组还是城市轨道交通车辆都会安装防滑系统，车辆在出厂前会进行防滑试验来验证防滑系统的性能。

1 蠕滑理论

当车轮相对于钢轨向前运动时，如果黏着力不足，车轮就会产生滑行；如果黏着力足够，车轮就会滚动向前。当轮轨为弹性体、车轮与钢轨之间有正压力和切向力时，对应质点间发生对应变形，会产生蠕滑现象[1]。根据蠕滑理论，轮轨接触面一般分为黏着区和滑动区。当蠕滑率小于 0.2% 时，车轮会产生微量的滑移，此时处于正常运行区域，随着蠕滑率上升，逐渐产生轻度滑移；当蠕滑率在 1%～25% 之间时，处于稳定滑移区；蠕滑率达到 35% 时，车轮已经处于滑行的临界值；一旦大于 35%，车轮打滑。实际车轮蠕滑率的曲线需要通过试验获取，因为蠕滑率和黏着系数的关系与车轮和钢轨的材质、天气温湿度、接触面积等诸多因素相关。

当列车出现滑行时，需要降低制动力，包括电制动力和机械制动力。滑行现象消除后，制动力再恢复到原来的值，直到列车停止。但如果制动力下降过多或恢复过慢，会导致制动减速度过低，制动距离加长，因此，需要防滑行装置有较高的灵敏度。

2 防滑系统组成及工作原理

防滑系统采用的是微控式防滑[2]，由速度传感器、滑行检测器以及电磁阀组成[3]。工作过程是速度传感器检测车速，将速度信号传送给滑行检测器，当滑行检测器检测到列车产生滑行时（一般当车速和轴速的差值达到阈值时判定为滑行）发出滑行控制指令，指令同时作用于牵引系统和制动系统，牵引系统减少电制动力，制动系统则作用于充气阀和排气阀，通过排气阀和充气阀循环的排气和充气过程来减少空气制动力并在滑行结束后恢复制动力，直到滑行控制指令消除。因此，防滑控制采用闭环控制算法，既保证了滑行被快速消除，又能使列车的制动减速度和制动距离在合理的范围内。

3 防滑试验效果评估

3.1 防滑试验

根据国际标准 IEC 61133-2016《铁路应用 - 机车车辆 - 制造完成后和投入运营前机车车辆的测试》，在投入运营前需要对铁道车辆进行车轮滑动保护（WSP，Wheel Slid Protection）系统试验。TB/T 3009-2011《铁道客车及动车组防滑装置》要求对新造铁道客车及动车组的防滑器进行试验。根据标准 CZJS/T 0007-2015《城市轨道交通车辆空气制动防滑系统技术规范》，中国城市轨道交通车辆也需要对防滑系统进行试验，同时确定了城市轨道交通车辆防滑系统的技术要求和装车试验方法等内容[4]。

防滑试验的常用方法是在车内放置水桶，桶内放置含有脂肪酸的清洗剂或表面活性剂和水的混合溶液[5]。从可执行的角度考虑，一般使用洗洁精和水的混合溶液，用1根水管将桶中的溶液引到车轮的前端，如图 1所示。

图1 防滑试验装置

试验时，打开水泵，将混合溶液抽出并喷洒在车轮前端的钢轨表面，由于洗洁精（或肥皂水）中含有有机溶剂，可以降低钢轨表面的黏着，人为制造出车轮滑行。混合溶液的配制比例视试验需求而定，且和钢轨情况、车重等影响因素有关。一般来说，在混合溶液中的洗洁精未达到饱和的情况下，洗洁精所占比例越大，车轮产生滑行情况越严重。

3.2 防滑试验效果评估

3.2.1 UIC-541-05《车轮滑动保护装置》效果评估

UIC-541-05 标准由国际铁路联盟制定，对 WSP 的系统功能特性和试验的判断标准进行了详细说明，评估步骤如下。

（1）判断最小黏着 τa＜0.08。如果不满足该标准，说明不满足防滑试验触发的条件，则试验无效。最小黏着 τa的计算方法是当第 1 个轮对发生滑行的时刻，前后0.2 s 的平均减速度为 a，τa= a/g，g 为重力加速度，取值9.8 m/s2。

（2）判定轮对最小滑行。判定方法是轴速小于90% 车速的时间所占总时间的比例要大于规定值。其中总时间的定义是列车开始制动到车速达到 60 km/h 所用的总时间。初速度为 120 km/h 的试验，该比例要求大于35%。初速度为 160 km/h 的试验，要求大于 20%。当列车一半以上轮对满足最小滑行，说明该次试验的试验过程有效。

（3）试验是否通过的最终判定指标是列车的制动距离。例如：列车在 120 km/h 的湿轨下施加快速制动，要求制动距离小于 700 m。

综上所述，UIC-541-05 评估标准不仅给出了试验是否通过的判断指标，同时判断了列车是否产生有效滑行，从而全面评估列车 WSP 的性能。

3.2.2 《城市轨道交通车辆空气制动防滑系统技术规范》评估标准

该标准针对城市轨道交通车辆，对防滑试验的评估方式借鉴了 UIC-541-05 标准，具体判定标准如下。

（1）首先判定车辆是否产生有效滑行，当第 1 辆车初始滑行时间前后各 0.2 s 内的平均减速度在 0.8 m/s2至 0.6 m/s2之间时为有效滑行。

（2）车辆的初始速度超过 30 km/h 的试验中，所有车轮都不能抱死；速度低于 30 km/h 时，车轮抱死的持续时间不应超过 0.4 s。

（3）列车瞬时速度大于 80 km/h 时，不应出现持续 3 s 以上滑行率大于 25% 的情况；瞬时速度在 80 km/h和 30 km/h 之间时，不应出现持续 3 s 以上滑行率大于20% 的情况。滑行率定义为车速和轴速之间的差与车速的比值。

第 1 条判定标准借鉴了 UIC-541-05 的滑行有效判定条件。第 2 条判定标准针对城市轨道交通车辆的速度等级，考虑了不同速度下车轮抱死可能造成车轮擦伤的情况，同时考核防滑系统的反应速度。第 3 条判定标准主要考核防滑系统工作后多久能够恢复制动力。前文已经提过，防滑系统不仅要有较快的反应，同时消除滑行后的制动力也要能尽快恢复，这样才能保证制动距离。

3.2.3 防滑效率

很多制动系统的生产厂家针对城市轨道交通车辆，提出了以“防滑效率”来判定防滑系统性能的方法。例如：德国的 KNORR 集团，其防滑效率的计算方法是分别测试出列车在干燥轨道和湿润轨道滑行过程中的制动减速度变化曲线，横轴是时间变量，将制动减速度对时间积分，也就是求出曲线对横轴的面积。干燥轨道条件下算出理想的面积 S1，湿润轨道条件下测试的面积为 S2。防滑效率定义为 S2与 S1的比值（以下称“湿轨干轨法”）。

类似的使用湿轨和干轨条件下试验数据的比值来评估列车性能的还有法国的 ALSTOM 公司，计算方法是车轮不发生擦伤的条件下，防滑效率定义为车轮速度对时间的积分除以干轨下无滑动时轴速对时间的积分。

这 2 种计算方法在实际操作时均存在一定缺陷，即需要干轨和湿轨条件下 2 次试验时的外界条件完全一致，包括环境温湿度、轨面状态等。且由于湿润轨道试验时制动距离变大，试验的时间和列车运行的距离比干燥轨道试验的运行距离要长，所以，2 次试验的制动距离和减速度在时间轴上无法完全对应。

为了解决上述问题并便于试验和数据分析，国内的一些制动系统制造商在借鉴了国外的防滑系统性能判定方式的基础上，针对不同车辆的制动系统特点，提出利用轴速对时间积分除以整车速度对时间积分的比值来计算防滑效率的方法（以下称“轴速车速法”）。但是这种计算方法的缺陷在于当多个车轴发生滑行时，整车的减速度也会受到影响。因此，该方法计算出的防滑效率要比湿轨干轨法计算出的防滑效率略高。

综上所述，所有标准的判定思路都首先考虑了试验是否满足基本条件，即列车出现的滑行是否有效并且滑行是否被快速消除，在此基础上，进一步对制动系统的性能进行分析，包括对制动距离或减速度的要求等。由此可见，防滑系统不仅要能尽快消除列车的滑行，避免车轮擦伤，同时要保证制动性能，使制动减速度和制动距离在合理的范围内。

4 防滑试验分析

为了详细分析上述评定标准，本文选取了上海地铁某号线车辆的其中 1 根轴进行防滑试验，并对数据进行分析。利用牵引制动检测平台[6]进行试验，截取其中的1 段试验数据，如图 2 所示。

图2 滑行数据曲线

图2 中黑色曲线是车辆速度，红色曲线是车轴转动的线速度（简称“轴速”），列车从第 17 s 达到最大速度 100 km/h 后施加紧急制动进行减速，该轴在第 18 s 发生第 1 次滑行，轴速迅速下降，触发防滑保护，防滑消除后轴速在 22 s 恢复到与车速一致。之后，继续喷洒混合溶液，该轴又发生了 3 次滑行。绿线是瞬时加速度值，17 s 以前，加速度大于 0 m/s2，该轴处于缓慢加速状态，该轴开始减速后，加速度小于零。且制动过程中出现滑行而使制动力减小后，瞬间加速度的绝对值减小。制动力恢复后，加速度绝对值变大。

首先根据 UIC-541-05 标准的分析方法，该轴第 1 次发生滑行时，前后各 0.2 s 的瞬时加速度取平均值为0.73 m/s2。计算出最小黏着为 0.074，满足小于 0.08 的要求，所以，触发的滑行判定为有效滑行。其次，计算轮对最小滑行。列车从第 1 次滑行到速度降低至 60 km/h时，共用时间 8.55 s。其中，车速降低至 60 km/h 之前的轴速小于 90% 车速的总时间为 3.01 s，在总时间中所占比例为 35.2%。但该标准适用于初速度为 120 km/h 和160 km/h的防滑试验，且要求一半以上轮对发生有效滑行，而本车辆的最高运行速度为 110 km/h，并且只关注了 1 根轴的滑行情况，因此，计算出的轮对最小滑行仅作参考。

其次，按照《城市轨道交通车辆空气制动防滑系统技术规范》分析，列车车轮的抱死时间和列车滑移率都满足要求。

按照湿轨干轨法将制动减速度对时间进行积分的方法进行分析，如图 3 所示，对时间横轴进行积分后计算出防滑效率约为 89.7%。

按照轴速车速法计算防滑效率的判定方法，分别计算车速和轴速对时间轴的积分面积，其比值（即防滑效率）约为 93%，如图 4 所示。

图3 干轨理想减速度和滑行下的减速度

图4 车速和轴速对比

5 总结

轨道交通车辆的防滑系统是保证列车安全运行的重要系统之一，对防滑系统进行试验验证是评估车辆性能的重要步骤。本文介绍了车辆滑行的基本原理和防滑系统的组成，并重点分析了防滑系统性能的主要判定标准和分析过程。以上海某号线项目车辆为例，根据测量出的试验数据，分别用UIC-541-05标准、《城市轨道交通车辆空气制动防滑系统技术规范》、湿轨干轨法、轴速车速法分析防滑系统的性能，结果表明其防滑系统的性能较好，出现滑行时能够快速地减小制动力，滑行消除后能够灵敏地增加制动力。同时，从分析防滑过程可知，UIC-541-05的判定标准最为复杂和严格。

[1]方少安. 列车防滑控制与不利黏着时制动力计算[J].铁道车辆，2011，49（1）：30-31，39.

[2]陈鹤楠. 自适应容错控制在高速列车防滑及横向姿态调节中的应用[D]. 北京：北京交通大学，2012.

[3]王旭如，莫钧，苗勇. 防滑器部件试验台计算机数据采集系统设计与实现[J]. 铁道机车车辆，2000（1）：40-42.

[4]赵亚辉. 列车防滑控制的研究[D]. 上海：同济大学，2002.

[5]Wood J A, Mazur R J. Electronic adhesion adaptive wheel slide protection arrangement function∶ U.S.Patent 4,941,099[P]. 1990-07-10.

[6]李绍博，马昭钰，张士宇，等. 城铁车辆牵引制动系统试验检测平台设计[J]. 企业技术开发，2016，35（31）：61-63.