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【摘 要】随着我国高速铁路动车组的不断完善和发展，如何优化动车组的黏着性能是值得研究探讨的课题之一。本文在介绍轮轨黏着机理的基础上，总结了动车组校正型黏着控制方法中应用最广泛的几种空转判据并介绍了其理论基础和优缺点，最后对结合多种空转判据的组合校正法黏着控制进行了系统阐述。
【关键词】动车组;轮轨黏着;空转判据;黏着控制;组合校正法
0 引言
车轮和轨面间的黏着状态对动车组列车牵引/制动性能具有重要影响，当车轮发生空转/滑行状况时，仅凭借司机主观判断和操作并不能完全避免列车的空转/滑行现象。动车组一般会装有黏着控制系统来防止出现空转/滑行。目前应用最多的为校正型黏着控制方法，其中采用多种空转判据相结合的即为组合校正法[1]。
1 轮轨黏着机理
1.1 黏着与蠕滑
列车的重量表现为车轴载荷 ，在其作用下，车轮踏面和钢轨接触处发生变形并产生一个椭圆形的接触面。“黏着”是指在正向压力作用下，轮轨接触处保持相对静止而不产生相对滑动的一种状态。在轮轨间黏着未被破坏时，静摩擦力 即是黏着力。图1中 的反向力 源于驱动转矩 的作用。动轮滚动时，由于 的作用，车轮踏面和钢轨间的接触面会产生新的弹性形变并发生微量的滑动，即出现“蠕滑”。
提出如下两个概念来表示轮轨间的蠕滑及蠕滑程度：
1.2 黏着系数及黏着特性曲线
定义黏着系数如下：
采用黏着系数和蠕滑速度/蠕滑率来表述黏着特性，绘制的曲线如图2所示。整个区域可以分为微滑区、大滑区和空转区。在微滑区，黏着力 不大，即牵引电机提供的驱动转矩 较小，蠕滑速度或蠕滑率亦很小，黏着系数 与 或 基本表现为线性关系。而后大滑区内，驱动转矩 和 的不断增加，致使 或 也逐渐增大， 达到最大值，这一最值即当前轨面状态下的最佳黏着状态。若继续增大 ， 或 迅速增大，轮轨间将产生较大的相对滑动， 则迅速下降，此时，轮轨间失去黏着，出现车轮空转现象[2]，此段区域被称为空转区。在蠕滑区状态行驶时，列车轮轨间始终保持黏着状态。而在空转区，轮对发生空转后，牵引力会急速下降，牵引电机易出现损伤，并且轮轨间的磨耗加剧，易造成钢轮、轮箍松弛等事故，因此，列车不可工作于空转状态，必须避免[3]。
2 轮对的空转识别方法
2.1 基于速度差的空转识别
速度差定义为轮对的最大轮周线速度与给定车速的差值。若速度差大于预设值，应立刻采取措施抑制并降低蠕滑速度。实际情况下，通常先降低功率，然后启动撒砂装置进行撒砂。速度差数据处理简单并且能够反映列车当前的最大蠕滑情况，是列车空转状态判别的指标之一。在进行低速空转状态检测时，检测结果的精确度和可信度很高。
但是采用速度差进行列车空转状态判别时具有明显的不足。首先，列车行驶中的绝对速度基本难以检测，通常是采用最低轮对的轮周线速度来近似代替。根据黏着理论，两者之间的误差为蠕滑速度。另外，若列车多个轴同时出现空转状态，传感器得到的轮速和车速同时呈现增加趋势，二者之间的差值存在继续维持在设定阈值内的可能。此时，列车已经出现了空转，但速度差判据并不能准确将空转状态识别出来[4]，因此速度差识别方法在多轴同时发生空转时并不可靠。
2.2 基于轮对角加速度和加速度微分的空转识别
为了提高空转状态判别的准确性，可以采用加速度判据。加速度为单位时间内角速度的增量即角速度对时间的导数。通过检测各轴的加速度，从而判别出列车是否处于多轴同时空转状态。更进一步可将轮对角加速度对时间进行求导，求得加速度的微分。与轮对角加速度相比，加速度微分作为判据时能够识别出轻微空转，具有更高灵敏度，在轨面状态突变从而出现空转现象时更为适用[5]。
2.3基于蠕滑率的空转识别
由图2所示的特性曲线可知，黏着系数 具有最大值 ，即车轮踏面和钢轨间最大可利用黏着。在 下的 或 代表最优蠕滑率和最优蠕滑速度，对应为曲线上的A点，该点即为当前行驶轨面条件下所能到达的黏着峰值点。显然，若想轮轨间能传递最大的牵引力，列车行驶过程中轨面状态应保持在A点。而在列车实际行驶时，通常不能实现最大黏着利用，以蠕滑率为空转判据的黏着控制方法的目标就是在列车行驶过程中，实际黏着工作点能不断逼近黏着峰值点，从而获得更大的黏着牵引力。控制系统先进行各轴速度比较，对最小的轴速采用微分、限幅值和积分等方式得到列车参考速度，而后通过轮对角速度和列车参考速度计算蠕滑率。若蠕滑率较大，超出阈值，应调整牵引电机的输出转矩;否则，判定列车为正常行驶，使列车黏着工作点时常保持在黏着峰值点附近[6]。
3组合校正法黏着控制
3.1组合校正法控制流程
目前国内动车组列车的黏着控制多采用组合校正的方式，该方法结合了加速度判据和蠕滑率判据。当列车发生轻微空转时，采用蠕滑率控制，通过调节牵引电机的输出转矩，确保列车黏着状态维持在 附近并不断趋近 ，实现黏着的高利用;如出现较严重空转现象，蠕滑率控制不能迅速起效时，则采用加速度控制来实现轮轨黏着再恢复[7]。
以CRH5型动车组[8]为参考对象，对其制定一种基于组合校正法的黏着控制方法，控制方法流程图如下：
3.2组合校正法仿真分析
基于CRH5型动车组，对单动轴的黏着控制方法展开研究，在Matlab中搭建采用组合校正法的列车牵引传动系统仿真模型进行仿真验证。仿真条件为：在10.5s时轨面状态由干燥转变为潮湿，在18.5s时轨面恢复为干燥状态。司控室内给定的初始转矩设为 ，列车由静止状态进行加速。绘制两种轨面状态下的黏著特性曲线如图4所示。
列车行驶过程中轮对加速度的变化曲线图7所示。据图可得，在10.50s即轨面状态突变时，轮对加速度也产生突变，并在10.55s时超出设定的阈值 ，此时，黏着控制系统应用加速度标准法控制。 在0.6s内将给定转矩降至初始转矩的40%，并保持该转矩1s，空转现象在这1.6s内得到了有效缓解和抑制。接下来在1.5s内将转矩增加到87.5%并再次检测加速度和蠕滑率。此时，轮对加速度未超过阈值，蠕滑率曲线则如图8所示。由于蠕滑率超过阈值0.1，黏着控制系统判定此时列车出现空转，再次将给定转矩在0.6s内降至初始转矩的40%并保持这一转矩1s。
在13.65s～15.25s内空转得到抑制，而后在1.5s内将转矩升至87.5% 并再次进行检测，由于蠕滑率仍超过阈值0.1，列车再次被判定出现空转。按上述步骤重复控制流程，在16.75s～18.35s内空转再次得到抑制。在18.35s时轨面状态变为干燥，在之后的1.5s内将转矩再次增加到87.5% ，检测后轮对加速度与蠕滑率均未超过阈值。此后的2s内，将给定转矩逐渐增至初始转矩 。
在21.85s时电机输出转矩恢复至给定值，再次检验轮对加速度和蠕滑率，二者均保持在各自阈值内。此时，保持初始转矩不变，列车恢复至良好的黏着状态，牵引电机输出转矩变化图分别如图7所示。
4结论
本文以传统牵引电机矢量控制为基础，在模型中增加了组合校正法控制模块，对动车组列车在轨面突变路况下的各变量进行了全面分析，仿真结果表明组合校正法能够对轮对空转现象进行有效地抑制，证明了该控制方法的有效性和可行性。
参考文献：
[1] Ohsawa H，Furuya T，Cao M，et al.Measurement of tractive force during acceleration and deceleration periods.Advanced Motion Control，2007.AMC '04：177-181.
[2] 连级三，张大勇.电传动列车概论[M].北京：中国铁道出版社，2011.
[3] 鲍维千.关于列车黏着的一些概念及提高列车黏着性能的措施[J].内燃列车，2005，35（1）：8-15.
[4] 陈哲明，曾京，罗仁.列车牵引黏着控制及其仿真[J].现代制造工程，2009，（6）：8-12.
[5] 林文立，刘志刚，方攸同.地铁列车牵引传动再黏着优化控制策略[J].西南交通大学学报，2010，47（3）：465-470.
[6] 李云峰.基于最优蠕滑率的黏着控制方法研究[D].成都：西南交通大学，2011.04.
[7] 李江红，陈华国，胡照文，徐立恩，彭辉水.高效抑制机车空转和滑行的卸载新算法[J].机车电传动，2015（6）：6-10.
[8] 张曙光.CRH2型动车組[M].北京：中国铁道出版社，2007.
（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）
【关键词】动车组;轮轨黏着;空转判据;黏着控制;组合校正法
0 引言
车轮和轨面间的黏着状态对动车组列车牵引/制动性能具有重要影响，当车轮发生空转/滑行状况时，仅凭借司机主观判断和操作并不能完全避免列车的空转/滑行现象。动车组一般会装有黏着控制系统来防止出现空转/滑行。目前应用最多的为校正型黏着控制方法，其中采用多种空转判据相结合的即为组合校正法[1]。
1 轮轨黏着机理
1.1 黏着与蠕滑
列车的重量表现为车轴载荷 ，在其作用下，车轮踏面和钢轨接触处发生变形并产生一个椭圆形的接触面。“黏着”是指在正向压力作用下，轮轨接触处保持相对静止而不产生相对滑动的一种状态。在轮轨间黏着未被破坏时，静摩擦力 即是黏着力。图1中 的反向力 源于驱动转矩 的作用。动轮滚动时，由于 的作用，车轮踏面和钢轨间的接触面会产生新的弹性形变并发生微量的滑动，即出现“蠕滑”。
提出如下两个概念来表示轮轨间的蠕滑及蠕滑程度：
1.2 黏着系数及黏着特性曲线
定义黏着系数如下：
采用黏着系数和蠕滑速度/蠕滑率来表述黏着特性，绘制的曲线如图2所示。整个区域可以分为微滑区、大滑区和空转区。在微滑区，黏着力 不大，即牵引电机提供的驱动转矩 较小，蠕滑速度或蠕滑率亦很小，黏着系数 与 或 基本表现为线性关系。而后大滑区内，驱动转矩 和 的不断增加，致使 或 也逐渐增大， 达到最大值，这一最值即当前轨面状态下的最佳黏着状态。若继续增大 ， 或 迅速增大，轮轨间将产生较大的相对滑动， 则迅速下降，此时，轮轨间失去黏着，出现车轮空转现象[2]，此段区域被称为空转区。在蠕滑区状态行驶时，列车轮轨间始终保持黏着状态。而在空转区，轮对发生空转后，牵引力会急速下降，牵引电机易出现损伤，并且轮轨间的磨耗加剧，易造成钢轮、轮箍松弛等事故，因此，列车不可工作于空转状态，必须避免[3]。
2 轮对的空转识别方法
2.1 基于速度差的空转识别
速度差定义为轮对的最大轮周线速度与给定车速的差值。若速度差大于预设值，应立刻采取措施抑制并降低蠕滑速度。实际情况下，通常先降低功率，然后启动撒砂装置进行撒砂。速度差数据处理简单并且能够反映列车当前的最大蠕滑情况，是列车空转状态判别的指标之一。在进行低速空转状态检测时，检测结果的精确度和可信度很高。
但是采用速度差进行列车空转状态判别时具有明显的不足。首先，列车行驶中的绝对速度基本难以检测，通常是采用最低轮对的轮周线速度来近似代替。根据黏着理论，两者之间的误差为蠕滑速度。另外，若列车多个轴同时出现空转状态，传感器得到的轮速和车速同时呈现增加趋势，二者之间的差值存在继续维持在设定阈值内的可能。此时，列车已经出现了空转，但速度差判据并不能准确将空转状态识别出来[4]，因此速度差识别方法在多轴同时发生空转时并不可靠。
2.2 基于轮对角加速度和加速度微分的空转识别
为了提高空转状态判别的准确性，可以采用加速度判据。加速度为单位时间内角速度的增量即角速度对时间的导数。通过检测各轴的加速度，从而判别出列车是否处于多轴同时空转状态。更进一步可将轮对角加速度对时间进行求导，求得加速度的微分。与轮对角加速度相比，加速度微分作为判据时能够识别出轻微空转，具有更高灵敏度，在轨面状态突变从而出现空转现象时更为适用[5]。
2.3基于蠕滑率的空转识别
由图2所示的特性曲线可知，黏着系数 具有最大值 ，即车轮踏面和钢轨间最大可利用黏着。在 下的 或 代表最优蠕滑率和最优蠕滑速度，对应为曲线上的A点，该点即为当前行驶轨面条件下所能到达的黏着峰值点。显然，若想轮轨间能传递最大的牵引力，列车行驶过程中轨面状态应保持在A点。而在列车实际行驶时，通常不能实现最大黏着利用，以蠕滑率为空转判据的黏着控制方法的目标就是在列车行驶过程中，实际黏着工作点能不断逼近黏着峰值点，从而获得更大的黏着牵引力。控制系统先进行各轴速度比较，对最小的轴速采用微分、限幅值和积分等方式得到列车参考速度，而后通过轮对角速度和列车参考速度计算蠕滑率。若蠕滑率较大，超出阈值，应调整牵引电机的输出转矩;否则，判定列车为正常行驶，使列车黏着工作点时常保持在黏着峰值点附近[6]。
3组合校正法黏着控制
3.1组合校正法控制流程
目前国内动车组列车的黏着控制多采用组合校正的方式，该方法结合了加速度判据和蠕滑率判据。当列车发生轻微空转时，采用蠕滑率控制，通过调节牵引电机的输出转矩，确保列车黏着状态维持在 附近并不断趋近 ，实现黏着的高利用;如出现较严重空转现象，蠕滑率控制不能迅速起效时，则采用加速度控制来实现轮轨黏着再恢复[7]。
以CRH5型动车组[8]为参考对象，对其制定一种基于组合校正法的黏着控制方法，控制方法流程图如下：
3.2组合校正法仿真分析
基于CRH5型动车组，对单动轴的黏着控制方法展开研究，在Matlab中搭建采用组合校正法的列车牵引传动系统仿真模型进行仿真验证。仿真条件为：在10.5s时轨面状态由干燥转变为潮湿，在18.5s时轨面恢复为干燥状态。司控室内给定的初始转矩设为 ，列车由静止状态进行加速。绘制两种轨面状态下的黏著特性曲线如图4所示。
列车行驶过程中轮对加速度的变化曲线图7所示。据图可得，在10.50s即轨面状态突变时，轮对加速度也产生突变，并在10.55s时超出设定的阈值 ，此时，黏着控制系统应用加速度标准法控制。 在0.6s内将给定转矩降至初始转矩的40%，并保持该转矩1s，空转现象在这1.6s内得到了有效缓解和抑制。接下来在1.5s内将转矩增加到87.5%并再次检测加速度和蠕滑率。此时，轮对加速度未超过阈值，蠕滑率曲线则如图8所示。由于蠕滑率超过阈值0.1，黏着控制系统判定此时列车出现空转，再次将给定转矩在0.6s内降至初始转矩的40%并保持这一转矩1s。
在13.65s～15.25s内空转得到抑制，而后在1.5s内将转矩升至87.5% 并再次进行检测，由于蠕滑率仍超过阈值0.1，列车再次被判定出现空转。按上述步骤重复控制流程，在16.75s～18.35s内空转再次得到抑制。在18.35s时轨面状态变为干燥，在之后的1.5s内将转矩再次增加到87.5% ，检测后轮对加速度与蠕滑率均未超过阈值。此后的2s内，将给定转矩逐渐增至初始转矩 。
在21.85s时电机输出转矩恢复至给定值，再次检验轮对加速度和蠕滑率，二者均保持在各自阈值内。此时，保持初始转矩不变，列车恢复至良好的黏着状态，牵引电机输出转矩变化图分别如图7所示。
4结论
本文以传统牵引电机矢量控制为基础，在模型中增加了组合校正法控制模块，对动车组列车在轨面突变路况下的各变量进行了全面分析，仿真结果表明组合校正法能够对轮对空转现象进行有效地抑制，证明了该控制方法的有效性和可行性。
参考文献：
[1] Ohsawa H，Furuya T，Cao M，et al.Measurement of tractive force during acceleration and deceleration periods.Advanced Motion Control，2007.AMC '04：177-181.
[2] 连级三，张大勇.电传动列车概论[M].北京：中国铁道出版社，2011.
[3] 鲍维千.关于列车黏着的一些概念及提高列车黏着性能的措施[J].内燃列车，2005，35（1）：8-15.
[4] 陈哲明，曾京，罗仁.列车牵引黏着控制及其仿真[J].现代制造工程，2009，（6）：8-12.
[5] 林文立，刘志刚，方攸同.地铁列车牵引传动再黏着优化控制策略[J].西南交通大学学报，2010，47（3）：465-470.
[6] 李云峰.基于最优蠕滑率的黏着控制方法研究[D].成都：西南交通大学，2011.04.
[7] 李江红，陈华国，胡照文，徐立恩，彭辉水.高效抑制机车空转和滑行的卸载新算法[J].机车电传动，2015（6）：6-10.
[8] 张曙光.CRH2型动车組[M].北京：中国铁道出版社，2007.
（作者单位：中车青岛四方机车车辆股份有限公司）