架控制动系统空气防滑控制策略研究*

齐政亮， 周 军， 曹宏发

(1 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094；2 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)

制动系统直接影响列车制动距离，关乎到车辆的行车安全，是列车安全运营的重要前提。目前，制动系统依据其作用效果，有车控制动系统和架控制动系统两种型式。车控系统作用于单辆车，架控系统作用于单个转向架[1-2]。对于此两种制动系统，车轮防滑保护WSP(Wheel Slide Protection)都具有不可或缺的作用，其不仅能够在轮轨黏着突然降低时通过减少制动力的方式以防止车轮出现擦伤甚至抱死，而且能最大程度地利用可用黏着以使制动距离达到最短[3-4]。相对于车控制动系统分别具有制动阀和防滑阀，架控制动系统将制动阀和防滑阀合二为一，无独立防滑阀，虽减少了零部件，但对WSP提出新的要求，此时如何有效地实施防滑保护控制，将关乎到架控制动系统的运行安全[3]。

在全面分析北京纵横机电科技有限公司的DK15架控制动系统平台功能结构的基础上，吸收中国标准动车组制动系统(车控系统)防滑保护控制的开发和运用经验，设计了一种架控制动系统空气防滑控制策略。该控制策略能有效抑制轮对滑行，防止车轮出现擦伤甚至抱死，并能充分利用黏着以使制动距离达到最短，仿真试验台测试和实车型式试验的结果已验证了该控制策略完全满足架控制动系统对防滑控制的要求。

1 架控制动系统结构分析

DK15架控制动系统由两部分组成：空气制动控制单元(Pneumatic Braking Control Unit，PBCU)和电子制动控制单元(Electronic Braking Control Unit，EBCU)，如图1所示(上部为EBCU，下部为PBCU)。PB-CU的信号载体是空气压力，EBCU的信号载体是电，包括电压、电流、总线通信等，二者协同完成制动控制[3]。

图1 DK15架控制动控制系统结构模型

1.1 空气制动控制单元PBCU

空气制动控制单元PBCU，如图2所示，主要由空重车调整模块、远程缓解模块、制动控制模块、连通模块以及传感器和压力测点模块等5部分组成[3]。其中，制动控制模块由两组结构和功能都完全相同的制动阀组成，按不同制动指令控制得到相应的目标制动缸压力，还用于在滑行激活时对单轴制动缸压力进行独立控制。连通模块由电磁阀A4和气动阀B5构成，用于在气路上连通或隔断两轴制动缸的压力输出；滑行激活时，需要隔断两轴制动缸压力，实现单轴独立防滑控制。

1.2 电子制动控制单元EBCU

电子制动控制单元EBCU，是为了满足制动系统控制功能需求而设计开发的一种嵌入式电子控制单元。其具有多种形式的外部信号接口，可实现与PBCU、车辆、ATP等的信息交互：通过模拟量输入接口采集空气压力信号，通过频率量输入接口采集车轴转速，通过数字量输入接口采集列车线指令，通过功率PWM输出接口驱动电磁阀动作，通过继电器接口向车辆反馈制动系统状态。如图3所示[3]。

图2 DK15的PBCU气路图

图3 DK15的EBCU接口示意图

2 架控制动系统防滑控制功能

2.1 功能概述

从系统功能需求分析，在车控制动系统中，防滑阀(WSP阀)和制动阀(EP阀)相互独立；滑行未激活时，防滑阀始终保持为充风状态。而架控制动系统将WSP阀和EP阀合二为一，无独立WSP阀，结构更加紧凑、功能更加集成[3]。结构影响控制，因此，架控制动系统防滑控制具有如下特点：

(1)当滑行未激活时，防滑保护控制功能不起作用， EBCU正常制动功能控制EP/WSP阀进行充风、排风、保压等动作，使缸压达到目标压力值；

(2)当滑行激活时，防滑保护控制功能起作用，EBCU依据滑行判断逻辑，首先断开连通阀，然后控制相应轴的EP/WSP阀进行单轴保压、排风、充风等动作。当滑行恢复后，必须将轴缸压恢复至实时缸压目标值，而不是使防滑阀处于充风状态(持续充风会将缸压充到紧急预控压力，从而造成车辆处于紧急制动状态)。对于未滑行轴，则需实时控制该轴缸压达到缸压目标值。

2.2 防滑控制系统结构

架控防滑控制系统主要由集成在EBCU中的防滑控制器、防滑阀(与制动阀为同一套阀)、连通阀、速度传感器、压力传感器等组成[5-6]。防滑控制器实时采集速度传感器脉冲信号、压力传感器信号及车辆速度等，并计算出1、2轴速度和1、2轴缸压，如图4所示。防滑控制器根据1、2轴速度计算出轴加减速度，利用滑行判据[7]准确判断出1、2轴所处滑行状态，当任一轴滑行激活时，控制断开连通阀以实现轴独立防滑控制。当判断任一轴处于滑行恢复期，则需结合该轴压力传感器将该轴缸压恢复到缸压目标值。

图4 DK15架控防滑控制系统结构

2.3 滑行判断原理

目前现有的防滑控制系统分别选用了多种条件的不同组合构成判据进行"滑行"的判断，主要条件有速度差、减速度、减速度微分、滑移率等，判据不尽相同，但最终目的都是为了“在不造成车轮擦轮的情况下，充分利用轮轨间黏着”。文中设计的架控制动系统防滑控制策略吸收了中国标准动车组制动系统防滑控制开发和运用经验，设计了一种由速度差和减速度共同构成复合矩阵的滑行判断策略[7]。根据不同的速度差和减速度，判断轴滑行状态有“全排(即持续排风)”、“阶排(即脉冲式排风)”、“保压”、“阶充(即脉冲式充风)”、“全充(即持续充风)”等[7]。

但相对于车控制动系统，架控制动系统在速度恢复期，则必须结合该轴缸压状态、缸压目标值进行闭环控制，即滑行恢复后，需将各轴缸压恢复到缸压目标值，这样才能保证制动力不会出现过大或不足[8]。

2.4 防滑控制设计

基于以上分析，架控制动系统的防滑控制器实时采集1、2轴速度及车辆速度，根据滑行判断原理，判定各轴所处的滑行状态。当车轮处于滑行加剧期或稳定期，即“阶排”、“全排”、“保压”状态时，防滑控制器直接控制连通阀断开、对应轴的防滑阀进行动作，以减少制动力或保持制动力；当车轮处于滑行恢复期，即“阶充”、“全充”状态时，防滑控制器需结合该轴缸压、缸压目标值进行闭环控制，以防止压力充到紧急预控压力。如图5所示。

图5 防滑控制设计

在滑行恢复控制过程中，需要综合考虑实时缸压目标值、实时缸压大小、缸压传感器故障状态，如图6所示。主要有以下考虑：

(1)当仅有一轴出现滑行时，需要根据缸压目标值实时将未滑行轴的缸压控制到目标值，这样才不会造成制动力损失；

(2)若在“阶充”、“全充”状态时，恰好该轴缸压传感器出现故障，此时无法进行闭环控制，需将其控制在保压状态，等待滑行恢复。

3 测试验证

为了检验文中设计的架控制动系统空气防滑控制策略是否满足要求，功能测试需在仿真测试试验台和实车上进行全面验证。实测结果表明，该控制策略不仅能够有效地进行车轮防滑保护，而且在滑行恢复后能够快速地将各轴缸压控制到缸压目标值，满足了架控系统对防滑控制的要求。

3.1 仿真测试试验台

动车组制动系统软件集成测试平台主要用于对列车单车或多车的EBCU进行制动过程仿真和参数测试，进一步实现对EBCU嵌入式软件的测试验证。整个仿真测试过程由仿真回路和仿真节点组成。为了虚拟实现列车制动环境、模拟EBCU外围执行器件和制动系统的智能测试等应用需求，该平台主要由列车通讯回路、EBCU负载回路和仿真设备通讯回路组成。列车通讯回路主要指列车制动环境模拟设备(主仿真节点)和单车的制动系统(EBCU节点)以及TCU、CCU等其他列车信息节点的通讯回路。EBCU负载回路主要指单车制动环境模拟设备板卡(负载仿真节点)和单车制动系统(EBCU节点)板卡之间的信号交联。仿真设备通讯回路主要指测试服务系统(测试计算机)与主仿真节点、负载仿真节点之间的通讯回路[3]。

图6 滑行恢复控制设计

3.2 仿真验证

通过软件集成测试试验台模拟车轮滑行、缸压目标值变化、缸压传感器故障状态等以全面测试防滑保护和缸压恢复的情况，如表1所示。

表1 防滑保护和缸压恢复测试验证

测试结果表明，该防滑控制策略满足设计要求。

3.3 实车试验

文中设计的架控制动系统空气防滑控制策略已在长株潭城际动车组和温州市域动车组项目中得到了批量应用，如图7所示为温州市域动车组和架控制动控制系统。

图7 温州市域动车组和架控制动控制系统

温州市域动车组在东郊环铁进行了现车防滑型式试验，以80 km/h纯空气最大常用制动防滑试验为例，如图8所示。当发生滑行时，防滑控制系统能够有效地抑制轮对滑行，使轮对速度得以快速恢复；当黏着改善，轮对滑行恢复时，防滑控制系统控制制动缸压力迅速恢复到缸压目标值。防滑试验过程中，未出现轴抱死现象，试验结果满足速度差和制动距离标准要求，验证了该控制策略的有效性和可靠性。

图8 温州市域动车组80 km/h最大常用制动防滑试验

4 结 论

在全面分析DK15架控制动系统平台功能结构的基础上，吸收中国标准动车组制动系统防滑控制开发和运用经验，设计了一种架控制动系统空气防滑控制策略。在测试试验台和实车上的试验结果表明，该控制策略能够有效抑制轮对滑行，防止车轮擦伤，并能充分利用黏着以缩短制动距离，满足了架控制动系统对防滑控制的要求，为自主设计架控制动系统的规模应用提供了理论支撑和技术保障。