高速动车组空转与滑行控制分析

高速动车组空转与滑行控制分析摘要高速动车组运行速度高，需要充分利用轮轨间粘着力，控制空转和滑行，以发挥最优的牵引力、制动力，有效提高列车加速能力，降低制动距离，同时还要避免轮轨擦伤，增加使用寿命。本文分析了空转、滑行的相关系统构成，探究其控制方式的工作原理。关键词：动车组

空转

滑行

粘着引言高速动车组通过轮轨间的粘着力实现牵引和制动，雨雪天气等情况下，粘着条件变差，可能出现空转或滑行情况，该工况下轮对踏面和轨面出现滑动摩擦，易导致踏面擦伤。动车组通过安装在各位置的速度传感器实现空转、滑行检测，控制系统针对空转、滑行状态采取保护措施，避免对轮、轨造成损伤。是动车组重要的保护功能之一，为动车组稳定运行提供了重要的保障。一、空转、滑行的产生车轮和钢轨接触的表面产生微观弹性形变，车轮滚动前进时轮周速度总是略低于列车速度，这个速度差是蠕滑速度。动车组牵引电机的驱动力通过车轮传递到钢轨上，产生轮周牵引力，钢轨对车轮产生粘着力。当牵引力增大超过粘着力时，轮周速度超过列车速度，蠕滑速度变大，产生空转。空转发生时，不能有效传递驱动力，对动车组运行不利，同时严重的空转会导致踏面产生擦伤，缩短使用寿命。同样的，当制动力超过粘着力时会发生滑行，滑行导致制动距离增加，不利于动车组制动能力的发挥，过长的制动距离导致风险增加，严重的滑行也会导致踏面损伤。二、制动控制系统与防滑控制1．制动控制系统空气制动由制动控制系统产生，制动控制系统主要由制动控制单元、供风系统、制动控制模块、制动夹钳等部分组成。供风系统为列车制动系统提供风源，制动控制单元接收司控器等发送的制动级位指令，按照级位控制各电磁阀动作形成预控制压力，经中继阀形成制动压力输送到本车各制动夹钳，制动夹钳在制动压力的作用下夹紧制动盘，产生制动力。各轴制动夹钳管路中布置有防滑阀，防滑阀由制动控制单元控制，用于防滑控制中调整单根轴制动力大小。防滑阀主要有三个工作状态：正常状态，电磁阀失电，制动压力直接传递到夹钳；保压状态，电磁阀切断制动压力输入，保持当前风压，夹钳上的制动压力不变，制动力不变；排风状态，电磁阀切断制动压力输入，排掉夹钳处风压，制动力降低。2．电制动电制动由牵引控制单元控制，为减少闸片磨损，在部分制动工况下优先采用电制动，牵引控制单元将牵引电机转为“发电机”使用，把动能转换为电能回馈到电网中，实现制动。制动控制单元可以根据需要命令牵引控制单元取消电制动，以此实现防滑控制。3．防滑控制制动控制单元监控各轴转速，当轴速低于参考速度一定值时，触发防滑控制，此时制动控制单元通过网络命令牵引控制单元退出电制动模式，制动控制单元通过防滑阀排风，降低制动夹钳中制动压力，减小制动力，恢复车轮粘着力，避免出现车轮滑行甚至“抱死”，保护车轮和钢轨。通过防滑阀排风、保压、恢复交替动作控制本轴制动力的大小，制动控制单元实时监控轴速，轴速恢复则增加制动力，否则进一步减小制动力。防滑阀的交替动作使得轴速趋近于车速的同时，仍能获得一定的制动力，对提高动车组制动能力有重要作用。参考轴的防滑控制：参考轴通常选用拖车轴，每个牵引单元设置一根参考轴，为获得准确的车速用于判断其它各轴速度，需要对参考轴的防滑控制做特殊设计。尤其在粘着条件较差的情况下，制动工况容易产生较大的速度波动。为避免在制动过程中失去真实车速，通常采用防滑阀排风方式降低或取消参考轴制动力，使其始终保持和车速一致。二、牵引控制系统与空转保护1．牵引变流器高速动车组采用“交-直-交”的交流传动系统，主要包括四象限斩波器、中间直流环节、脉宽调制逆变器、牵引控制单元、冷却单元等。牵引变压器原边电压为来自接触网的25Kv交流电，次边1900V交流电输入给牵引变流器，在牵引变流器内经四象限斩波器变为直流提供给中间直流环节，再经脉宽调制逆变器变为三相交流电驱动牵引电机。牵引控制单元监控各环节相关参数，通过调节三相交流电的频率、电压按牵引级位控制牵引力输出大小。2．牵引电机高速动车组选用的牵引电机多为三相鼠笼式异步牵引电动机，在牵引工况时为动车组提供驱动力，在电制动工况时可为动车组提供电制动力。牵引电机在定子铁心、驱动端轴承、非驱动端轴承设置有温度传感器，用以监控电机温度；在非驱动端设置速度传感器和测速齿轮，用以监控电机转速。3．空转保护牵引控制单元通过电机速度传感器检测本车各轴速度，与参考速度对比，当轴速超过车速一定值时，触发空转保护。牵引控制单元将空转信息通过列车网络传递到HMI上，HMI产生声光报警，提示司机发生空转。同时车组将自动控制撒砂系统工作改善轮轨粘着条件，牵引控制单元降低本车牵引力输出，降低轮周驱动力。通过多种方式保护，避免车轮踏面和轨面发生损伤。保护动作完成后，根据列车速度、当前级位等，以一定斜率恢复牵引力，尽快恢复本车驱动能力。如果再次发生空转，则再次进入空转保护。三、速度检测原理动车组的空转、滑行检测主要依靠安装速度传感器直接或间接监控轴速实现，动车组速度检测通常设置在各轴端、电机等位置，通过传感器检测转速。常采用霍尔原理的传感器进行转速检测，有单通道、双通道等类型，常见工作电压15V、24V等。传感器与测速齿轮配合，齿轮旋转时，齿划过传感器端部，传感器内部霍尔元件感应到磁场强度发生变化，通过信号处理电路生成方波信号，传递给车辆牵引控制单元、制动控制单元等，由各控制单元采集方波信号，计算出信号频率，然后根据测速齿轮参数、轮径、齿轮箱传动比等硬件参数计算得到速度，用于空转、滑行控制等功能。由牵引控制单元、制动控制单元将速度信息通过网络传递给中央控制单元，中央控制单元综合判断各速度信号后向网络发布列车速度。牵引控制单元通过网络获得预先设置好的拖轴轮径，通过拖轴速度传感器获得拖轴转速，经控制单元处理后获得拖轴速度；通过电机速度传感器获得电机转速，按照齿轮箱传动比计算本车动轴转速；根据拖轴速度、动轴转速计算动轴轮径，动轴轮径=拖轴轮径*拖轴转速/动轴转速。此过程称为轮径校正，轮径校正是牵引控制单元重要的功能之一，可以获得真实的动轴轮径，用以计算动轴速度，作为判断动轴空转的依据之一。四、影响粘着力的条件影响粘着的条件有很多，主要包括环境因素、线路因素等。环境因素：雨雪天气等空气湿度大的条件下，轨面湿滑甚至结冰，粘着条件变差。线路原因：线路的大曲率、大坡度等也会导致粘着条件变差。五、改善粘着条件的方法为了改善粘着条件，在低粘着的条件下获得良好的牵引力和制动距离，高速动车组设置了撒砂功能、踏面清扫功能等增粘措施。撒砂装置布置在部分轮对旁，在动车组发生空转、滑行时可自动触发撒砂功能，也可以根据需要手动撒砂。启动撒砂后，通过压缩空气将存储在砂箱的石英砂喷洒在车轮和钢轨之间，在雨雪油污等条件破坏钢轨表面水膜、油膜，粘着情况改善效果明显。踏面清扫设置在每个车轮上，由中央控制单元控制，按照预定的周期进行踏面清扫，去除踏面上的杂质，改善粘着条件。六、结语我国高速铁路发展快速，动车组制造技术水平与日俱增，作为影响运行安全的空转、滑行控制功能，仍是人们关注的重点问