高速动车组制动滑行优化研究

王慧，徐亚昆，李钊

（1.中车永济电机有限公司检测试验中心，陕西西安，710000；2.中车永济电机有限公司轨道交通系统开发部，陕西西安，710000）

0 引言

为避免高速动车组在制动过程中出现滑行，动车组设置电制动防滑装置和空气制动防滑装置。防滑控制的控制算法和逻辑是基于轮轨间的黏着状态变化进行设计，最常用的控制策略是基于速度差和减速度的复合判据式防滑控，同时电制动和空气制动互相配合实现。本文主要针对复兴号动车组在制动滑行保护试验中出现的滑行过流问题进行分析，并详细分析了电制动防滑控制中存在的问题，提出了优化改进建议。通过仿真测试和现场试验的结果验证了所设计的防滑控制系统的有效性和可靠性，为国高速动车组制动系统防滑控制提供有益经验[1][2]。

1 黏着分析与黏着控制

轮轨间所能传递的最大切向力（黏着力）与接触载荷之比即为黏着系数，如式(1)：

式中 为黏着系数；Fa最大切向力（黏着力）；W车辆垂直负载。

由黏着蠕滑理论的试验研究表明，轮轴速度Vaxis与车辆速度Vtrain存在一定的速度差，此速度差与车辆速度的百分比即为滑移率，如式(2)：

式中λ滑移率；Vtrain车速；Vaxis轴速。

黏着力是在轮轨接触部分伴随着微小打滑所传递的力。在制动过程中，必须保证制动力Fb小于黏着力Fa，否则车轮就有打滑的危险。黏着控制是通过控制来实现轮轨之间黏着力的最佳利用。为此，必须及早判别打滑极限值的出现，可靠地避免打滑现象。在出现诸如轨面状态变化的情况下，黏着控制应保证在制动过程中，始终以最大黏着力工作而不超过黏着极限值。制动力Fb的计算需要考虑基础制动装置的技术特性，包括传动特性、摩擦特性等，其与制动缸压力cP的关系如式(3)所示：

式中α，β为常数参数，D为车轮直径。在制动过程中，轮对的动态特性（减速度、黏着力和制动力的关系）可由式(4)描述：

式中ω：角加速度；I：轮对的转动惯量；rw：车轮半径；rb：有效制动半径[3]。

2 高速动车组制动防滑控制原理

高速动车组的制动力主要由空气制动力和电制动力构成，其中空气制动由整车BCU（Brake Control Unit）控制单元进行控制，电制动力由TCU（Traction Control Unit）牵引控制单元进行控制。BCU和TCU通过数据交互实现空气制动和电制动力的相互配合发挥。

动车组在高速运行和在踏面条件恶劣的情况下轮轨黏着系数降低，为避免制动过程中因黏着降低导致发生制动滑行引起轮对擦伤，空气制动系统和电制动系统均设计有防滑控制功能。

动车组在级位模式下防滑行以BCU为主，由BCU来判断防滑并将减载后的防滑减量发给TCU来执行，然后TCU再将具体执行的防滑减量反馈给BCU，当电制动力不足时，BCU会根据整车制动力不变的原则在本车内对未滑行的轴进行补充空气制动。

■2.1 黏着控制方法

在轮轨条件恶劣的条件下，由于轮轨黏着系数降低，动力轴发生严重滑行，制动系统检测到滑行后，BCU向TCU下发防滑减量请求，TCU根据组合黏着控制法进行电制动力卸载，具体控制如图1所示，首先根据采集的电机转速、拖轴速度、电机电流信号，经过滤波处理，基于轮对蠕滑速度、加速度以及加速度微分等多方法组合对空转/滑行趋势进行识别，当相应的变量超过其预先设定的阈值后判断为空转/滑行，之后根据检测的速度差、加速度等数据预测当前工况的最大粘着力，最终按空转滑行程度采用动态两段式转矩调整逻辑恢复转矩。

■2.2 电制动防滑黏着控制原理

牵引控制单元通过采集电机的速度传感器信号，计算动轴速度，同时通过与BCU的信息交互，得到给定车速和拖轴速度。动车组制动滑行的判据是基于轮对蠕滑速度、减速度以及减速度微分等对滑行识别，一旦检测到滑行后开始卸载，待卸载到合适转矩后，如果控制系统检测到车轮滑行消失，维持当前较低转矩输出一段时间而后按以下两种不同的“滑行后转矩恢复斜率”曲线恢复至空转/滑行前的转矩，设置不同的斜率主要原因是轮轨是机械系统，滑行产生后需要一定的时间来恢复，因此为了避免产生连续滑行，如图2所示，所以在转矩较大时采用较小的斜率来恢复转矩，使转矩逼近滑行前的转矩，有利于轮轨再黏着。

图2 粘着控制逻辑图

3 高速条件下制动防滑试验

■3.1 制动滑行逆变过流的分析及优化

复兴号动车组防滑行试验中，需要在一定长度的轨道上洒减摩液，验证轮轨恶劣黏着条件下的制动滑行控制及保护功能。在动车组经过该区域轨道时，从牵引工况转制动工况，由于减摩液导致轮轨黏着系数降低，动力轴发生严重滑行，制动系统检测到滑行后，BCU向TCU下发防滑减量请求，TCU根据组合黏着控制法进行电制动力卸载，首先根据采集的电机转速、拖轴速度、电机电流信号，经过滤波处理，基于轮对蠕滑速度、加速度以及加速度微分等多方法组合对空转/滑行趋势进行识别，当相应的变量超过其预先设定的阈值后判断为空转/滑行，之后根据检测的速度差、加速度等数据预测当前工况的最大粘着力，最终按空转滑行程度采用动态两段式转矩调整逻辑恢复转矩。

在制动滑行的过程中，动车组02车报逆变器2V相过流故障。通过下载过程数据，在发生过流故障前，02车1架动力轴多次检测到发生制动滑行。通过多次制动滑行过程中电制动力与空气制动数据对比可以看出，在第一次出现制动滑行时，由于动轴速度与车速差小，BCU下发的防滑减量值较低，牵引转矩调整幅度较小，电制动可以及时调整电制动转矩输出并恢复黏着状态；在第二次发生制动滑行时，02车1架轴速和02车2架轴速出现较大的速度差，BCU下发防滑减量值给定值高，TCU电制动转矩发挥调整斜率略低于转矩给定斜率，说明TCU执行的卸载斜率比BCU防滑减量略微偏低。第三次出现制动滑行时，02车1架和2架动轴均出现滑行，此次制动滑行中电制动调整不及时引起牵引逆变器过流故障。

图3 BCU防滑减量与TCU执行情况

图3中，系列1为BCU下发防滑减量，系列2为转矩给定，系列3为实际转矩发挥，系列4为车速，系列5为1架轴速，系列6为2架轴速。

■3.2 故障原因及解决措施

通过对故障数据的分析，总结导致制动滑行控制过程中出现逆变器过流的原因为以下三点：

（1）转矩模式下BCU主导防滑行功能，TCU自身防滑行判据阈值设置偏高，未主动进行防滑行控制；

（2）制动工况脉宽调制7分频电流环PI参数在严重滑行工况适应性不足；

（3）转矩模式下BCU主导防滑行功能，BCU给TCU发送防滑减量时TCU执行BCU的防滑减量斜率偏慢。

针对以上三点，对制动滑行控制算法进行改进优化，提高在黏着系数降低情况下电制动防滑的控制灵敏度，具体措施如下：

（1）适当降低TCU自身防滑行判据阈值，减速度阈值由-8m/s2降低为-6m/s2,当产生相对严重的滑行时TCU会根据BCU的防滑减量降低制动力，并在此基础上计算自身的防滑减量，最终将最后发挥的制动力发送给BCU；

（2）制动工况脉宽调制7分频电流环P参数由0.8改为1.4；

（3）TCU将跟随斜率由2800Nm/s改为4000Nm/s。

4 优化验证

针对本次牵引逆变器在制动滑行试验时出现的过流问题，主要在半实物仿真平台进行了故障复现和优化工作，通过地面高压试验平台对系统运行进行了高压验证。

控制参数优化后，在速度信号变化剧烈的情况下优化防滑控制等参数，在相同的工况下进行半实物验证，试验结果如图4所示，红色虚线范围内为模拟车辆发生滑行速度突降及快速恢复的过程，从图中可以看出，电机电流随着速度的变化进行调整，共进行两次验证均未再出现过流。

5 总结

通过制动过程中BCU与TCU配合逻辑的优化，TCU主动进行防滑控制，提高在制动滑行中TCU 的转矩减量跟随速度，已经提高减速度等方式，提供了TCU在发生制动滑行时的反应速度。有效避免了制动过程中过流故障的发生，避免了可能出现的制动滑行可能导致的擦轮等一系列问题。

图4 优化参数后的验证波形