列车制动减速度控制问题的探讨

第 31卷第 1期 铁 道 学 报 Vol. 31 No. 1 2 0 0 9 年 2月 JOURNAL OF TH E CH INA RAILWAY SOCIETY February 2009 文章编号: 1001-8360( 2009) 01-0094-04 列车制动减速度控制问题的探讨 吴萌岭, 程光华, 王孝延, 金碧筠 (同济大学 铁道与城市轨道交通研究院, 上海 200331) 摘 要:针对高速列车或城市轨道交通列车高精度停车距离的要求, 依靠 ATP 或司机根据前方停车距离不断修 正制动指令来实施停车制动这一方法大多情况下是有效的,但是对于弯道和坡道等特殊情况下的制动,这一方法 难以满足要求。为了更好地在各种路况下精确停车,本文首先对目前各列车制动控制模式进行比较,并 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 各自 不足,提出减速度控制方法; 分析减速度控制采用车体减速度的必要性, 并分析建立了直线下坡道以及下坡道和 弯道同时存在情况下减速度计算模型,运用 Matlab 软件对模型进行了计算。计算结果表明:制动减速度可以用 列车绝对纵向减速度近似代替。这一结果为减速度控制中减速度的获取提供了理论依据。最后对减速度控制作 了展望。 关键词: 制动; 制动减速度; 减速度控制 中图分类号: U260. 35 文献标志码: A Discussion of Braking Deceleration Control of Railway Vehicles WU Meng-ling, CHENG Guang- hua, WANG Xiao-yan, JIN B-i yun ( T he Inst itute of Railw ay and Urban Rail Trans it, T ongji U niver sity, S hang hai 200331, C hina ) Abstract: At present, the high-speed train and urban r ail t ransport vehicles r equire high-precision braking dis- tances. Braking relying on AT P or the w ay that driver s keep on amending the braking inst ruct ions according to the forw ard braking distance is pr oved ef fective in most cases, but it is dif ficult fo r these methods to meet the braking requirements on curves and grades. In or der to stop accurately in various condit ions of railw ay lines, on the basis o f comparison among the current t rain braking control modes and analy sis o f their r espect ive w eaknes- ses, deceleration control is pr opo sed in this paper . T hen the reasons of using body decelerat ion are intr oduced. The decelerat ion model for st raight dow n g rades and for coex ist ing cur ves and down grades is established and calculated by Mat lab. Calculat ion results show that the braking deceler at ion speeds may be subst ituted by the absolute long itudinal decelerat ion speeds appr oximately. This result provides a theo ret ical basis for gett ing the deceleration speeds in deceleration contr ol. Furthermore prospects of braking deceler at ion contro l are lo oked fo rw ard to. Key words: brake; br aking deceler at ion; decelerat ion control 高速列车和城市轨道交通列车大多采用微机控制 的直通电空制动系统。该制动系统由于运用微机控制 技术,使电空配合、空重车调整以及防滑等控制都变得 更容易、更精确。但针对高精度停车距离的要求, 目前 是依靠 ATP 或司机根据前方停车距离不断修正制动 指令来弥补的。在大多数情况下, 这种方式是有效的。 收稿日期: 2007-12-21; 修回日期: 2008-09-17作者简介: 吴萌岭( 1959 ) ) , 男, 云南大理人, 教授, 博士。 E-mail: wuml_sh@ 163. com 但在一些特殊情况下,如路况起伏较大、高速时摩擦副 摩擦系数变化较大等, 这种方式会呈现不足。城轨列 车往往会出现不能定点停车,车门与站台屏蔽门不能 对准, 从而影响乘车方便和列车准点运行。日前部分 高速动车组进站停车完全依靠司机手动调整制动手 柄,这样造成制动时列车冲动过大的现象,直接影响乘 坐舒适性。导致以上现象虽有多重原因, 但改善制动 系统的制动控制模式将有利于改变这一状况。 1 制动控制模式的比较 高速列车和城市轨道交通列车制动系统目前采用 的制动控制模式主要有理论制动力控制和速度黏着控 制[ 1]。由于各种原因, 此 2种控制模式还不能很好地 控制精确停车, 为此本文将介绍 1种新的制动控制模 式,即减速度控制模式。 1. 1 理论制动力控制 理论制动力控制是指在制动控制时, 微机控制系 统根据制动指令,采用理想的闸片(闸瓦)摩擦系数,并 不考虑黏着条件计算得到所对应的制动缸压力,并控 制制动缸压力达到计算值。在整个制动过程中,制动 力保持不变。 这种控制模式对参与控制的软、硬件要求较低,实 现较容易。但黏着利用率较低, 制动距离会较长。在 防滑器动作情况下, 如提高制动力,则高速区段将超过 黏着限制,可能产生高速滑行或制动距离延长,且由于 实际摩擦系数与理想摩擦系数的差异(可达到 10%左 右) 使实际制动效果偏差较大,因而要达到精确控制 制动距离比较困难。 1. 2 速度黏着控制 速度黏着控制是在理论制动力控制基础上,在高 速区段控制车辆理论减速度沿着黏着限制曲线变化, 即:在整个制动过程中,处于高速区段时, 理论减速度 不断上升,当列车速度降到速度较低的区段时,为避免 制动减速度过大,保持理论减速度不变直至列车速度 为零。制动控制装置按理论减速度计算所需的制动 力,再转换成制动缸压力来实施控制。理论减速度是 指计算列车减速度时, 采用设定的闸瓦(闸片)摩擦系 数,并考虑理想的黏着条件限制而得到的列车在平直 道上的减速度。 这种控制模式能较好地利用黏着力, 制动距离较 短,避免了不必要的滑行, 有利于保证 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的制动距 离。虽然速度黏着控制弥补了理论制动力控制的不 足,但由于其控制基础是采用在平直道情况下得到的 理论减速度,具有一定的局限性,因此速度黏着控制也 难以精确控制制动距离。 1. 3 减速度控制 由于实际闸瓦(闸片)摩擦系数的不确定性和列车 运行区间路况(如坡道、弯道等)的不确定性, 使理想减 速度与制动减速度存在一定差别。制动控制系统直接 利用制动减速度作为反馈值,根据减速度目标值与制 动减速度的差别来调整制动力大小。这种方法称为减 速度控制模式。这种控制模式能弥补理论制动力控制 和速度黏着控制的缺点, 使精确停车成为可能。 实现减速度控制模式,首先必须获得制动减速度 av。通常 av可通过对车轴端测得的速度进行计算得到 或直接加装减速度传感器测得, 但由于车轴端测得的 速度受轮径磨耗是否及时修正等因素的影响,往往不 精确,由此计算出的制动减速度误差会更大, 使 av难 以直接表达。而车体减速度虽然存在车体振动因素的 影响,但它更接近制动减速度,所以减速度控制考虑用 车体减速度作为 av。 根据列车运行过程中路况的不同, a v会在 3个绝 对方向产生分量,即绝对横向减速度 ax , 绝对纵向减 速度 ay ,绝对垂向减速度 a z。实际应用中, ax、ay和a z 可通过传感器得到。但直接测量 a v比较困难, 下面我 们对减速度进行建模,利用 matlab 软件计算几种不同 路况下的 a v ,并分析 ay和a v的关系。 2 减速度模型分析 假定列车为一质点,车体为刚性车体。在此条件 下按照列车制动时力的作用效果对列车 3个绝对方向 的减速度进行 K (车体横向)、J (车体纵向)及 L (车体 垂直方向)3个方向的分解, 建立减速度方程, 计算得 到制动减速度 av。这里分析 2 种情况下的模型:一是 在直线坡道上的制动, 二是下坡和弯道同时存在的困 难路段时的制动。由于在水平弯道上制动时,列车绝 对纵向减速度 ay不受超高角的影响, 其方向与列车运 行速度方向相同,列车减速度可直接用 ay表示, 所以 此处不单独讨论对于水平弯道上制动的情况。 2. 1 直线下坡道 图 1为车体纵向平面减速度分解示意图, 图中 B 为坡道角度。根据运动合成,列车在此情况下主要表 现为 J 方向的运动, 则 av = az + ay ( 1 ) 在 L 方向由于无减速度产生,则 az cosB= ay sinB ( 2 ) 在 J 方向合成可得 a v = az sinB+ aycosB ( 3 ) 95第 1 期 列车制动减速度控制问题的探讨 link 铅笔 link 铅笔 link 铅笔 link 铅笔 link 铅笔 link 铅笔 link 打字机 直接进行分配，不构成闭环 由式( 2 )、式( 3 )可得 av = 1 cosB ay ( 4 ) 2. 2 下坡和弯道同时存在的困难路段 图 2为下坡和弯道同时存在情况下的减速度示意 图(图中 J、K、L 箭头方向为正向)。图中 B为坡道角 度, r 为超高造成的车体倾角; 欠超高值为 hd = 115. 5 mm。根据我国专门试验研究结果及建议值, 并参照 国外客运专线采用 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 , 京沪、沪杭、秦沈、武广等高速 客运专线线路弯道的允许最大欠超高值一般建议采 用:一般地段 80 mm ,困难地段 110 mm[ 2]。同时根据 当量欠超高值 115. 5 mm 与未被平衡离心加速度的关 系,此处未被平衡离心加速度取 0. 077g, 这是一般旅 客能长时间承受的未被平衡的离心加速度[ 3]。因此本 文将超高值定为比文献[ 2]中的建议值稍高些。ax可 视为离心加速度,根据离心加速度在列车纵向有未被 平衡的分量, 将 axcosr + az sinr 看作类似于未被平衡 的离心加速度, r 按下式计算 r = arcsin hd s ( 5 ) 式中, s为两钢轨顶面中心距离, s= 1 500 mm[ 3] 。 图 3为 az分解详图。矩形三条相互垂直的邻边 分别与 J、K、L 三坐标重合, 沿矩形对角线 eq 的减速 度为a z。a z按下式进行分解 az = aef + a fn + anq ( 6 ) 从以上的分析可得减速度分解及合成情况如表 1所 示。 表 1 减速度分解合成表 方向 ax分解值 ay分解值 az分解值 合成减速度结果 J ) ay cosB az cos rsinB av= az sinB+ ay cosB K axcosr ) az sin r ax cosr+ az sinr= 0. 077g L - ax sinr - ay sinB az cosr cosB az cosrcosB- ax sinr - ays inB= 0 3 Matlab仿真运算 假定列车绝对纵向减速度 ay为已知可测, 根据式 ( 4 )计算得到实际行车方向减速度a v ,并绘出 ay与a v 的变化曲线以及 ay的误差与角B和角 r 的关系曲线。 仿真运算过程在 Matlab[ 4] 中完成。Matlab是一种功 能强大的科学计算软件, 能简单快捷地解决复杂的数 值计算、符号运算、图形处理和建模仿真等问题。尤其 是在解决科学研究和复杂的工程计算问题时, Matlab 能弥补手工推导和计算机编程等带来的不便。 3. 1 直线下坡道情况下的计算分析 由于 a z、ay、av是因坡道制动产生, 因此本文以不 同的 B和 ay的设定值计算a v以及误差 e。 e = av - ay a v 并绘出 ay-a v , ay-e 在不同坡度时的变化曲线。运算 时, 取坡度 i 分别为 15 j、20 j、25 j、30j、35j、 40j ,根据 i= tanB换算得到B。程序在运行过程中, 针对每个 i 值, ay会产生 140个不同值( ay从 0. 01至 1. 4, 步长为 0. 01) , 根据式( 4 )计算出 av , 绘出 6条 ay-a v , ay-e 曲线。 在 Matlab命令窗口输入计算程序得到输出图形 如下。 在图 4( a)中,坡度分别为 15 j、20j、25 j、30j、 35j、40j时所得到的 ay-a v曲线几乎都与 45b线重合, 形成一条直线; 从图 4( b)可见,当坡道坡度一定时,误 差值恒定且非常小, 可以忽略。 96 铁 道 学 报 第 31 卷 3. 2 下坡和弯道同时存在的困难路段下的计算分析 根据表 1中的减速度合成结果方程消去 ax得到 ay和 a v的关系式,此处与 3. 1节不同的是对 K 方向的 近似计算 ax cosr+ az sinr = 0. 077g ( g = 0. 981 m/ s 2) 以及对车体倾角 r 的计算。根据式( 5 )及hd和 s 值可 得 r = arcsin hd s = ar csin 115. 5 1 500 U 4. 5b 整个运算程序设计方法与 3. 1节相同。 在 Matlab输入命令窗口输入计算程序得到输出 图形,见图 5。 在图 5( a)中,坡道坡度分别为 15j、20j、25j、 30j、35j、40j的 ay-a v曲线也都几乎与 45b线重合, 成为一条直线; 从图 5( b)可知, 误差与 ay 成反比, 当 ay> 0. 1 m / s 2 , 误差值小于 2%。因此当 av大于 0. 1 时,实际应用中产生的误差值将小于 2% , 可以忽略。 4 结果及展望 从计算结果得出,若采用减速度控制,制动减速度 av可以用绝对纵向减速度 ay近似代替。因此实际应 用中宜在车体上安装减速度传感器以得到制动减速 度。另外由于空气制动机的摩擦非线性和滞后性[ 5] , 减速度控制过程中需不断改变制动缸压力, 所以减速 度控制的实时性和准确性将是制动控制单元需要解决 的下一个问题。 参考文献: [ 1] 张曙光. 铁路高速列车应用基础理论与实践[ M ] . 北京: 科 学出版社, 2007: 219. 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