关于城轨车辆防滑控制分析

关于城轨车辆防滑控制分析
摘要城市轨道交通在我国呈现快速发展的势头，线网规模迅速扩大，产
品技术不断升级，系统集成度也大幅度提高，城市轨道交通运营方式向网络化、
自动化、智能化方向发展，这对城市轨道交通的安全性、可靠性提出更高的要求。

当城轨车辆轮轨关系变差，轮轨黏着系数降低，城轨车辆检测到滑行趋势，牵引、制动系统进行防滑行控制，缓解车辆滑行情况。

广州市域车辆采用D型车，具有
速度等级高，载客量大，快速启停等特点，对车辆滑行控制有较高的要求。

关键词：城轨车辆黏着滑行
引言
随着我国城市轨道交通的快速发展，为缓解大中型城市交通压力，城轨车辆
成为至关重要的交通工具，高速成为城轨车辆设计的重要方向。

而城轨车辆的运
营安全与车辆的性能密不可分，因此城轨车辆的安全性越来越引起人们的重视，
这就对城轨车辆牵引和制动系统的发展提出了更高的要求。

而城轨车辆空转、滑
行会产生普遍的轮轨发热、轮轨表面擦伤等现象，严重时还会使线路失稳，产生
胀轨等事故。

因此，根据轮轨之间的黏着特性对城轨车辆防空转和滑行控制分析
具有十分重要的意义，其中最为关键的问题就是如何进一步的优化防滑控制系统
的性能，使城轨车辆在制动的时候，既可以防止转向架轮对擦伤，又可以充分利
用轮轨黏着。

一、滑行的产生及防滑控制
当列车开始制动时，如果列车制动力过大导致超过了正常的黏着力或者车辆
轮轨间的接触情况发生变化使得黏着系数减小，造成列车黏着力小于列车制动力
的情况，此时列车滑行产生。

滑行会导致车辆轮对踏面与铁轨轨面之间的擦伤，同时会导致列车制动力的
减小，也会导致列车制动距离增大。

当防滑系统检测到车辆发生滑行的时候，通
过防滑控制使车辆制动力下降，直至黏着恢复为止。

这种防滑控制不仅能够有效
抑制滑行的产生，而且还能在车辆进行制动的时候充分利用黏着，使得列车制动
距离尽可能缩短。

二、系统工作原理
（1）控制原理说明
在交流传动城轨车辆牵引控制中，空转、滑行保护和黏着利用控制是牵引控
制系统的一部分，统称黏着利用控制。

如图 1-1 所示，它的主要作用是在线路
状况变化不定的情况下，通过对电机速度，电机转矩等信息的采集、分析和处理，结合由 MVB 电机转矩指令给定和DCU 生成的电机牵引、制动特性包络线，综合
得出的电机转矩指令，向电机控制系统发出合适的电机转矩给定，使得车辆能以
接近线路当前最大的黏着系数运行，从而获得最大的黏着利用率。

图1-1 黏着控制系统
（2）空转、滑行判断原理
当列车因为轨面黏着状态发生变化并且导致车辆轮对之间速度差发生变化，
或者车辆轮对加速度、轮对蠕滑速度超过保护阈值时，黏着控制系统将判断车辆
发生空转或滑行，并且迅速调整牵引电机的给定转矩。

使得车辆能够在发生空转
或滑行时能够从这些状态中退出并重新恢复黏着。

1.车轮加速度差检测及保护
黏着控制系统分别检测出车辆同一节车4个轮对的加速度值a，并与设定的
保护阈值a0作比较，当检测出的加速度a超出保护阈值a0时，将根据加速度超
出阈值的多少迅速减小电机的给定转矩，从而抑制或防止空转/滑行现象的发生，并重新恢复黏着。

（广州市域车辆轮对加(减)速度设定阈值为2.4m/s2）
2.车轮速度差检测及保护
黏着控制系统能检测出车辆单个轮对线速度与列车速度之间的速度差∆v ，
并于设定的保护阈值∆V0作比较，当检测出的速度差∆V大于设定保护阈值时，将
根据差值大小∆v 迅速减小电机的给定转矩，从而抑制或防止空转/滑行现象的发生，并重新恢复黏着。

(广州市域车辆设定阈值为5km/h-9km/h，对应列车速度小
于30km/h或者大于176km/h。

）
3.车轮蠕滑速度差检测及保护
黏着控制系统能检测出车辆单个轮对与列车参考速度之间的速度差∆v ，并
与设定的保护阈值∆v0作比较，当检测出的速度差∆v 大于设定保护门槛阈值∆v0时，将根据差值大小∆v 迅速减小电机的给定转矩，从而抑制或防止空转/滑行现
象的发生，并重新恢复粘着。

以上任意一个条件满足，牵引系统就会触发空转、滑行信号。

（3）空气制动防滑控制原理
空气制动防滑系统通常由制动控制单元，空气管路，防滑排风阀、制动夹钳、速度传感器等部件组成。

其中速度传感器的作用是采集车辆各个车轴运行的速度
信号，并将此速度信号发送给制动控制单元，制动控制单元内的防滑控制模块能
够根据速度差值以及减速度的差值实现车辆滑行的判断，可以根据实时的监测车
辆滑行状态并进行防滑控制。

防滑排风阀的作用是在车辆出现滑行状态时，对出
现滑行的轮对的制动缸压力进行实时调节。

制动夹钳的功能是对车辆轮对施加制
动力。

（4）空气制动防滑特点
1.电制动的防滑控制优先于空气制动。

2.制动系统检测到牵引系统发出电制动滑行信号（转向架电制动防滑激活）持续4秒后，BCU发出对应转向架电制动切除指令，牵引系统也可以在电制动滑行控制时根据其控制策略切除电制动并且发出电制动不可用信号。

3.空气制动系统根据当前整车制动力请求和电制动力实际值之间的差值进行补充。

考虑到空气制动每个转向架有制动力施加的阈值，在电制力均正常且电制动力值满足全车制动力请求的工况下，空气制动会在全车的制动力需求和实际电制动力值的差值大于 24kN 后开始进行补充。

4.空气制动防滑控制超时（连续排风大于5s 或保压时间大于5~8s），空气制动系统输出防滑超时信号。

5.空气制动防滑系统整体采用微机控制单元，控制实现了数据计算精度的准确性，并且保证了计算速度和计算效率。

对于车辆轮对速度差异，空气制动防滑系统能够进行有效的防滑计算，并且以此进行多种防滑措施的分析，实现防滑控制过程。

空气制动防滑系统能够实现自检以及完成已有故障的储存，对于城轨车辆运行过程的速度，能够形成监督，实现对速度传感器以及防滑排风阀状态的监控，并形成相应的输出状态。

对于城轨车辆轮对的轮轨黏着力能够实现空气制动防滑系统的充分利用，保证车辆防滑控制的效果。

三、防滑控制分析
（1）故障概况
2022年8月29日，广州市域车辆18035036车在正线运营过程中司机室显示屏（HMI）主界面出现18D035、18D036、18C036车牵引设备图标白点故障，事件记录显示18D035、18D036、18C036车一架滑行或二架滑行。

列车运行至终点站万顷沙站后结束运营回厂。

（2）数据分析
1.18035036车牵引数据分析
下载列车牵引数据，分析18035036车各动车（1、3、4、5、6、8车为动车，2、7车为拖车）牵引控制单元（TCU）数据如图2-1至图2-3所示。

2022年8月
29日05:11时刻，18035036车处于制动工况，列车速度约55km/h，18035036车
通过低黏着路段时,各动车牵引控制单元都触发了防滑抑制，并向司机室显示屏（HMI）报出电制动滑行信号。

通过分析18035036车牵引数据，各动车轮对滑行
特征全部相似，下面以1车为例对牵引控制单元防滑抑制过程进行说明，如图2-
1所示。

其中图2-1的第一个子图为1车4个轮对的线速度，第二个子图为轮对减速度，第三个子图为设定力和实际发挥力。

横坐标830处牵引控制单元检测到1车
1架转向架轮对有滑行趋势，迅速减载1架的电制动力进行防滑抑制，由于车辆
轮轨黏着差，轮对减速度仍然还在快速上升达到3.0m/s2，超过牵引控制单元上
报滑行的阈值（2.4m/s2），此时牵引控制单元向司机室显示屏上报滑行预警信号，同时进一步减载电制动力进行防滑抑制，经过牵引控制单元再次防滑抑制后，1架轮对滑行得到有效抑制。

横坐标1000点处牵引控制单元又再次检测到滑行趋势，并减载电制动力对转向架轮对进行滑行抑制。

图2-1 18035036-1车TCU防滑数据
图2-2 18035036-3车TCU防滑数据
图2-3 18035036-6车TCU防滑数据
2.18035036车网络数据分析
下载列车网络数据分析，下面我们以6车（18C036）为例进行分析网络数据，如图2-4所示。

在05:11:39（绿色标注）时刻开始，6车牵引控制单元架1检测
到滑行趋势，立即衰减1架电制动，1架实际电制动力从22.89kN衰减至
17.02kN，开始抑制滑行。

由于牵引控制单元卸力，到此时还未超过空气制动与
全车制动力差值的保护阈值24kN，因此，此时空气制动系统未介入进行防滑控制，不补充空气制动力，6车空气制动系统没有控制转向架制动缸压发生明显变化。

图2-4 TCU6网络数据分析
在05:11:40（黄色标注）时刻，6车空气制动系统(BCU)检测到滑行信号，
并发出了滑行激活信号。

接着相应的6车牵引控制单元也发出滑行信号，并在整
个橙色区域进行电制动力调节进行防滑控制，在此过程中空气制动系统同时检测
到滑行，由于牵引系统电制动滑行卸力调节加大，同时其他车（例如5车）也已
经逐渐开始进行卸力调节，于是整车制动力设定值和牵引系统电制动力的反馈值
之间的差值已经超过保护阈值24kN，此时空气制动系统逐渐开始补充制动缸压力，如图2-5所示。

图2-5 空气制动开始补充
但是，在空气制动系统进行补充制动缸压力的过程中，由于6车空气制动系
统仍然检测到滑行信号，空气制动系统进行防滑控制，因此6车空气制动系统控
制制动缸进行排气。

当6车空气制动系统检测到制动缸在排气过程中滑行超过1
秒钟后，在05:11:40（红色标注）时刻6车空气制动系统发出电制动切除的信号，如图2-6所示。

图2-6 TCU6 电制动切除
通过以上网络数据对牵引系统和空气制动系统分析可以看出，在车辆空气制
动系统发出切电制动除前，车辆牵引系统电制动力已经充分卸力，说明轮对的黏
着条件很差。

电制动被切除的转向架将作为拖车转向架，根据此时的全车制动力
与电制动力的差值，空气制动力将该差值平均补充在所有拖车转向架上。

四、总结分析
通过以上18035036车牵引和网络数据分析可以看出，广州市域车辆牵引系
统和空气制动系统对滑行的控制实现了项目设计功能需求，整个防滑控制过程充
分利用电制动要求，发挥了电制力快速调节和快速响应的优势，空气制动的防滑
控制也未超时。

在整个过程中，牵引系统和空气制动系统各司其责，协同配合，
实现了对轮轨黏着条件低条件下的协同防滑控制，实现了预期的目标，各轮对滑
行趋势得到有效抑制。

综上所述，18035036车运营过程中报滑行的原因为列车运行至轨道特定区域，轮轨黏着系数降低（如轨面凝露、轨道喷油润滑等），轮对减速度差值超过牵引
控制单元上报滑行的阈值（2.4m/s2），导致列车报滑行。

18035036车滑行导致
牵引系统进行防滑控制，牵引控制单元对牵引逆变器进行脉冲封锁，从而导致车
辆牵引逆变器短暂停机，故司机室显示屏显示牵引设备图标变白。

五、结束语
本文通过对广州市域车辆防滑控制分析，介绍了车辆黏着控制策略。

防滑是
城轨车辆必不可少的控制方式，好的控制方式不仅能够有效防止轮对滑行的产生，还能在提高制动效率的基础上，充分利用轮轨间黏着，缩短制动距离，保障车辆
运营安全。

参考文献
[1] 隋燕，孙宗先.城轨车辆防滑放空转控制浅析.机电工程技术，2013年第42卷第04期.
[2] 崔虎山，陈磊，刘中华，等.地铁车辆制动防滑控制故障分析[J].城市
轨道交通研究.2019,22（4）：15-17.
[3] 张龙平，石喆文，李国庆.城轨列车混合制动防滑控制技术研究[J].铁
道车辆.2017,55（9）：18-19,4.
[4] 何小兵.轨道交通车辆防滑放空转和滑行控制策略研究.电力机车与城轨
车辆，2015年第38卷第03期.
[5] 张贝贝.城轨车辆防滑系统控制原理及失效模式分析.科技创新导报，2021 NO 02.。