高速動車組空轉與滑行控制分析

高速動車組空轉與滑行控制分析摘要高速動車組運行速度高，需要充分利用輪軌間粘著力，控制空轉和滑行，以發(fā)揮最優(yōu)的牽引力、制動力，有效提高列車加速能力，降低制動距離，同時還要避免輪軌擦傷，增加使用壽命。本文分析了空轉、滑行的相關系統(tǒng)構成，探究其控制方式的工作原理。關鍵詞：動車組

空轉

滑行

粘著引言高速動車組通過輪軌間的粘著力實現牽引和制動，雨雪天氣等情況下，粘著條件變差，可能出現空轉或滑行情況，該工況下輪對踏面和軌面出現滑動摩擦，易導致踏面擦傷。動車組通過安裝在各位置的速度傳感器實現空轉、滑行檢測，控制系統(tǒng)針對空轉、滑行狀態(tài)采取保護措施，避免對輪、軌造成損傷。是動車組重要的保護功能之一，為動車組穩(wěn)定運行提供了重要的保障。一、空轉、滑行的產生車輪和鋼軌接觸的表面產生微觀彈性形變，車輪滾動前進時輪周速度總是略低于列車速度，這個速度差是蠕滑速度。動車組牽引電機的驅動力通過車輪傳遞到鋼軌上，產生輪周牽引力，鋼軌對車輪產生粘著力。當牽引力增大超過粘著力時，輪周速度超過列車速度，蠕滑速度變大，產生空轉?？辙D發(fā)生時，不能有效傳遞驅動力，對動車組運行不利，同時嚴重的空轉會導致踏面產生擦傷，縮短使用壽命。同樣的，當制動力超過粘著力時會發(fā)生滑行，滑行導致制動距離增加，不利于動車組制動能力的發(fā)揮，過長的制動距離導致風險增加，嚴重的滑行也會導致踏面損傷。二、制動控制系統(tǒng)與防滑控制1．制動控制系統(tǒng)空氣制動由制動控制系統(tǒng)產生，制動控制系統(tǒng)主要由制動控制單元、供風系統(tǒng)、制動控制模塊、制動夾鉗等部分組成。供風系統(tǒng)為列車制動系統(tǒng)提供風源，制動控制單元接收司控器等發(fā)送的制動級位指令，按照級位控制各電磁閥動作形成預控制壓力，經中繼閥形成制動壓力輸送到本車各制動夾鉗，制動夾鉗在制動壓力的作用下夾緊制動盤，產生制動力。各軸制動夾鉗管路中布置有防滑閥，防滑閥由制動控制單元控制，用于防滑控制中調整單根軸制動力大小。防滑閥主要有三個工作狀態(tài)：正常狀態(tài)，電磁閥失電，制動壓力直接傳遞到夾鉗；保壓狀態(tài)，電磁閥切斷制動壓力輸入，保持當前風壓，夾鉗上的制動壓力不變，制動力不變；排風狀態(tài)，電磁閥切斷制動壓力輸入，排掉夾鉗處風壓，制動力降低。2．電制動電制動由牽引控制單元控制，為減少閘片磨損，在部分制動工況下優(yōu)先采用電制動，牽引控制單元將牽引電機轉為“發(fā)電機”使用，把動能轉換為電能回饋到電網中，實現制動。制動控制單元可以根據需要命令牽引控制單元取消電制動，以此實現防滑控制。3．防滑控制制動控制單元監(jiān)控各軸轉速，當軸速低于參考速度一定值時，觸發(fā)防滑控制，此時制動控制單元通過網絡命令牽引控制單元退出電制動模式，制動控制單元通過防滑閥排風，降低制動夾鉗中制動壓力，減小制動力，恢復車輪粘著力，避免出現車輪滑行甚至“抱死”，保護車輪和鋼軌。通過防滑閥排風、保壓、恢復交替動作控制本軸制動力的大小，制動控制單元實時監(jiān)控軸速，軸速恢復則增加制動力，否則進一步減小制動力。防滑閥的交替動作使得軸速趨近于車速的同時，仍能獲得一定的制動力，對提高動車組制動能力有重要作用。參考軸的防滑控制：參考軸通常選用拖車軸，每個牽引單元設置一根參考軸，為獲得準確的車速用于判斷其它各軸速度，需要對參考軸的防滑控制做特殊設計。尤其在粘著條件較差的情況下，制動工況容易產生較大的速度波動。為避免在制動過程中失去真實車速，通常采用防滑閥排風方式降低或取消參考軸制動力，使其始終保持和車速一致。二、牽引控制系統(tǒng)與空轉保護1．牽引變流器高速動車組采用“交-直-交”的交流傳動系統(tǒng)，主要包括四象限斬波器、中間直流環(huán)節(jié)、脈寬調制逆變器、牽引控制單元、冷卻單元等。牽引變壓器原邊電壓為來自接觸網的25Kv交流電，次邊1900V交流電輸入給牽引變流器，在牽引變流器內經四象限斬波器變?yōu)橹绷魈峁┙o中間直流環(huán)節(jié)，再經脈寬調制逆變器變?yōu)槿嘟涣麟婒寗訝恳姍C。牽引控制單元監(jiān)控各環(huán)節(jié)相關參數，通過調節(jié)三相交流電的頻率、電壓按牽引級位控制牽引力輸出大小。2．牽引電機高速動車組選用的牽引電機多為三相鼠籠式異步牽引電動機，在牽引工況時為動車組提供驅動力，在電制動工況時可為動車組提供電制動力。牽引電機在定子鐵心、驅動端軸承、非驅動端軸承設置有溫度傳感器，用以監(jiān)控電機溫度；在非驅動端設置速度傳感器和測速齒輪，用以監(jiān)控電機轉速。3．空轉保護牽引控制單元通過電機速度傳感器檢測本車各軸速度，與參考速度對比，當軸速超過車速一定值時，觸發(fā)空轉保護。牽引控制單元將空轉信息通過列車網絡傳遞到HMI上，HMI產生聲光報警，提示司機發(fā)生空轉。同時車組將自動控制撒砂系統(tǒng)工作改善輪軌粘著條件，牽引控制單元降低本車牽引力輸出，降低輪周驅動力。通過多種方式保護，避免車輪踏面和軌面發(fā)生損傷。保護動作完成后，根據列車速度、當前級位等，以一定斜率恢復牽引力，盡快恢復本車驅動能力。如果再次發(fā)生空轉，則再次進入空轉保護。三、速度檢測原理動車組的空轉、滑行檢測主要依靠安裝速度傳感器直接或間接監(jiān)控軸速實現，動車組速度檢測通常設置在各軸端、電機等位置，通過傳感器檢測轉速。常采用霍爾原理的傳感器進行轉速檢測，有單通道、雙通道等類型，常見工作電壓15V、24V等。傳感器與測速齒輪配合，齒輪旋轉時，齒劃過傳感器端部，傳感器內部霍爾元件感應到磁場強度發(fā)生變化，通過信號處理電路生成方波信號，傳遞給車輛牽引控制單元、制動控制單元等，由各控制單元采集方波信號，計算出信號頻率，然后根據測速齒輪參數、輪徑、齒輪箱傳動比等硬件參數計算得到速度，用于空轉、滑行控制等功能。由牽引控制單元、制動控制單元將速度信息通過網絡傳遞給中央控制單元，中央控制單元綜合判斷各速度信號后向網絡發(fā)布列車速度。牽引控制單元通過網絡獲得預先設置好的拖軸輪徑，通過拖軸速度傳感器獲得拖軸轉速，經控制單元處理后獲得拖軸速度；通過電機速度傳感器獲得電機轉速，按照齒輪箱傳動比計算本車動軸轉速；根據拖軸速度、動軸轉速計算動軸輪徑，動軸輪徑=拖軸輪徑*拖軸轉速/動軸轉速。此過程稱為輪徑校正，輪徑校正是牽引控制單元重要的功能之一，可以獲得真實的動軸輪徑，用以計算動軸速度，作為判斷動軸空轉的依據之一。四、影響粘著力的條件影響粘著的條件有很多，主要包括環(huán)境因素、線路因素等。環(huán)境因素：雨雪天氣等空氣濕度大的條件下，軌面濕滑甚至結冰，粘著條件變差。線路原因：線路的大曲率、大坡度等也會導致粘著條件變差。五、改善粘著條件的方法為了改善粘著條件，在低粘著的條件下獲得良好的牽引力和制動距離，高速動車組設置了撒砂功能、踏面清掃功能等增粘措施。撒砂裝置布置在部分輪對旁，在動車組發(fā)生空轉、滑行時可自動觸發(fā)撒砂功能，也可以根據需要手動撒砂。啟動撒砂后，通過壓縮空氣將存儲在砂箱的石英砂噴灑在車輪和鋼軌之間，在雨雪油污等條件破壞鋼軌表面水膜、油膜，粘著情況改善效果明顯。踏面清掃設置在每個車輪上，由中央控制單元控制，按照預定的周期進行踏面清掃，去除踏面上的雜質，改善粘著條件。六、結語我國高速鐵路發(fā)展快速，動車組制造技術水平與日俱增，作為影響運行安全的空轉、滑行控制功能，仍是人們關注的重點問