摘要：针对前期南宁1号线地铁列车频繁出现空转滑行问题，且该现象主要表现在列车进行制动时由牵引和制动系统触发。本文就南宁地铁1号线列车黏着利用控制技术，对南宁1号线牵引系统空转滑行的触发、保护和控制逻辑进行分析，结合现有列车运行情况的数据进行比较，总结得出地铁列车空转滑行的技术特点。
关键词：轨道交通；黏着控制；空转滑行；
1 引言
随着经济飞速发展，地铁在国内呈井喷式的发展，该形势在沿海城市显得尤为突出，人们对地铁服务质量要求更加严格，地铁发展至今，技术已趋于成熟，由于地铁运营运量大、启停频率高、速度快、高平稳性等的特性，对动车的性能要求越来越高，特别是在安全性的要求上更加苛刻。南宁1号线采用的是B型动车组，最高运行速度达80km/h，动车组在封闭的轨道内运行，防空转滑行是保障列车安全运行的必要措施，如果预防不及时，将造成严重后果，所以开展列车空转滑行的研究和防御尤为必要。
2 空转滑行保护功能介绍
2.1 黏着控制逻辑
黏着控制系统是确保列车平稳运行的重要系统，是一个高阶非线性多耦合的复杂技术的集合，黏着控制通过电机转矩指令，通过黏着利用控制系统实现转矩的变化，由牵引统的信号反馈进行电机转矩的调节，最终构成闭环的控制。目前南宁1号线地铁列车黏着利用控制采用的是相位移法。相位移法建立在线性理论的基础上，在电机转矩指令上叠加一定幅度的激励信号，激励信号在实际电机中产生相位移，基于该相位移与蠕滑速度存在单值对应关系，通过相位移的测算或计算，间接获得黏着特性曲线斜率，从而实现优化控制。
2.2 黏着力模型的建立
列车的牵引力和制动力都依赖轮轨之间的黏着力实现的，当车轮在钢轨上运行时，轮轨的接触面行程的切向力为列车提供相应的黏着牵引力和黏着制动力，黏着力受轮轨的黏着系数影响。.png)
图1 轮轨黏着力模型
Vt 列车前进速度 Vd 轮对线速度 R 轮对半径
P 轮轨间相互作用力 Fs 轮轨黏着力 T 电机转矩
如图1所示，列车在运行时，轮对主要依靠转矩T实现转动，轮对踏面与钢轨间产生的摩擦力Fs推动列车向前运行。在轮对与钢轨接触的表面产生的微量椭圆形形变称为接触区。轮轨与轨道产生的微量弹性形变，在运行过程中产生的微量滑动称为蠕滑，蠕滑对列车运行十分重要，只有产生蠕滑才能使轮对和轨道之间形成黏着力Fs，推动列车前进。蠕滑的表现形式是一边表现黏着，一边表现滑动，如图2所示。正常情况下，黏着区面积应比滑动区面积大，在外力T情况下，如力增大，滑动区面积将增大，黏着区减小，接触面将趋于滑行。当外力增大到一定程度时，滑动区面积将全部取代黏着区，出现空转或滑行。由于黏着区的相对速度为零，滑动区相对速度不为零，使得列车牵引运行时，列车前进速度Vt总是小于车轮圆周速度Vd，蠕滑大小的程度由蠕滑速度Vs表示：
蠕滑速度的大小决定着轮轨间的切向力，通常定义黏着牵引力和垂向力之比为切向力系数，用（）表示：.png)
2.3 列车运行速度的计算
南宁1号线牵引系统检测空转滑行有两种形式，一种为车轮速度差检测，另外一种为加速检测，两者任意一个满足条件都将会触发空转滑行的保护，以下为具体介绍：
（1）车轮速度差检测及保护
列车通过牵引电机速度传感器采集的速度信号，发送到DCU进行计算和检测，计算出的速度发送到空转滑行控制系统，当同一节车上4个车轮中任意两轮对间的速度差（或4个动轮与列车实际速度间的速度差），并与设定的保护阈值和（）作比较，如检测出的速度差大于设定保护门槛阈值和（）时，将根据差值大小迅速发出减载指令，减小牵引电机的给定转矩，从而抑制或防止空转/滑行现象的发生，并重新快速恢复黏着。
（2）车轮加速度检测及保护
控制系统能够分别检测出同一节车4个轮对的加速度值，并与设定的保护阈值和（<）作比较，当检测出的加速度值超出设定的保护阈值和（<）时，将根据加速度超出阀值的多少迅速减小电机给定转矩，从而抑制或防止空转/滑行现象的发生，并重新快速恢复黏着。
2.4空转滑行机理分析
南宁1号线列车采用的是速度及加速度检测和控制的方式，即通过监控轴与轴之间的速度差和加速度差进行比较，得出最终的结果：
1）优化防滑－防空转控制
2) 防滑－防空转保护
3) 控制
优化防空转滑行控制具有监控和优化控制两个状态，在监控状态，系统主要监测同一节车上4个车轮中任意两轮对间的速度差，当小于设定保护门槛阈值和（）时，这个程度的空转/滑行是被允许的，系统不会加以控制;当大于保护门槛阈值和时，系统认为空转/滑行的程度过大，需要控制（但还不至于报故障），此时，优化系统由监控状态转变成控制状态，减少牵引/制动力的输出值来控制，此时，系统对输出力矩进行调整，调整后为实际力矩，系统的设计原理是要不停地寻找着最大的可能的牵引力，也就是说系统会尽量使得输出力矩向给定力矩靠近，一旦系统检测到输出力矩等于给定力矩时，优化控制系统返回监控状态。
加速度控制方式亦如此。
3 实际运行数据分析
3.1 型式试验
模拟列车在AW0和AW3工况下进行运行试验，使用干燥轨道和模拟湿滑轨道运行的方式进行，通过实验验证可知，在湿滑轨道上的黏着状态较干燥轨道上的黏着状态差，即在湿滑轨道上表现的实际牵引及制动力和给定牵引制动力相差较大，干燥轨道上的实际牵引力及制动力和给定牵引力制动力比较贴合。
.png)
图 2 80km/h湿轨防滑行试验波形（94.659%）
根据以上试验波形可以看出，列车在发生空转时，黏着力矩跟随给定力矩，不存在牵引系统的防空转动作进行牵引力卸载的情况，说明在干燥轨面上极少出现空转的情况。由以上波形图变化可以看出，在干燥的轨道上，由于黏着系数较高，牵引系统的防空转未被激活；当轨道湿滑黏着系数降低，在列车给出牵引力之后由于黏着力不足，导致车轮出现了空转。为了抑制空转继续恶化，避免轮对被擦伤，系统防空转功能被启动，降低黏着力。但是系统为了使列车具有足够的牵引力保证列车继续运行，在空转受控之后列车将重新恢复黏着力矩，如果此时空转仍存在，系统将继续进行卸载，如此循环往复的进行黏着力矩的加载与卸载，这就形成了列车牵引系统的防空转。
4 分析总结
根据以上介绍，轮轨关系决定了轮对于轨道之间的黏着系数，在阴雨或潮湿的天气，由于轨道湿滑，极易造成轨道轨面摩擦力不足，在车轮与轨道表面相互作用时无法提供充足的力，最终导致列车滑行或者空转，南宁属于亚热带气候，在3-5月份梅雨期间极易发生这样的情况，如果轨道润滑过度，也将会造成轮轨之间摩擦力不足，导致空转滑行发生，且这样的情况时常存在，如何更有针对性的在轮轨润滑上防止列车空转滑行需要长期的跟踪研究。
参考文献
刘敏军，《轨道交通车辆电力牵引控制系统》 2014，6，20
高翔，电力机车黏着控制分析，铁道机车车辆，1008-7842（2011）03-0022-03
李培曙，高速车辆的防滑控制与滑行检测，铁道车辆，1996（12）
论文作者:滕展
论文发表刊物:《中国电业》2019年22期
论文发表时间:2020/4/7
标签：列车论文; 速度论文; 力矩论文; 牵引力论文; 南宁论文; 转矩论文; 轨道论文; 《中国电业》2019年22期论文;