防滑控制的机理与判断标准的探讨

项目7　防滑原理和防滑控制

【项目描述】

随着人们生活节奏的加快，人们对城轨列车运行平稳性的要求越来越高，“快速、舒适、安全”已成为基本要求。这就要求城轨车辆有很大的牵引及制动能力，但车辆的牵引及制动力不能无限增大，当大于轮轨之间的黏着力时，车辆将发生空转/滑行，这样反而降低了乘客乘坐的舒适度和安全性。所以如何有效地控制车辆充分利用黏着已成为城轨列车能否“快速、舒适、安全”运营的关键。

下图为某城轨轨道交通车辆一个控制单元在车辆制动滑行相关数据的记录。由图可知5、6车为一控制单元，当5车在制动发生滑行时，此时5、6车相关数据的变化情况。

【学习目标】

1.了解城市轨道交通车辆防滑技术的发展。

2.在理解的基础上了解城轨列车防滑的必要性。

3.熟悉城轨列车防滑系统的基本组成。

4.掌握城轨列车空气制动防滑系统的基本工作原理。

【技能目标】

1.能够对现场列车轮对出现擦伤的原因进行简单分析。

2.通过学习本内容，能够通过一些手段判断列车防滑功能是否良好。

3.能够掌握列车防滑系统各设备日常维护的方法。

任务1　防滑控制的必要性与基本要求的认识

【活动场景】

如右图所示城轨列车在运行过程中，在遇到紧急情况需要紧急制动，在施行紧急制动作用时，如果司机操作不当或制动系统防护不当将会导致车轮被闸瓦抱死而出现滑行现象，导致轮对踏面被擦伤而造成踏面的行车事故。

【任务要求】

1.认识列车防滑控制的必要性。

2.了解当防滑系统出现故障后可能会出现的后果。

3.了解防滑控制系统有哪些基本要求。

【知识准备】

目前城市轨道交通车辆向安全、高速、环保和舒适性的方向发展，高速度不断促进单轴牵引功率和制动功率的提高，城轨车辆采用动力制动等强力制动的措施，一方面有效提高了城轨运营的安全保障，同时也带来了因制动力过大而导致列车制动滑行事故发生上升的倾向；列车的制动滑行会使城轨车辆轮轨发热、轮轨表面擦伤等现象不断发生，严重时还会使城轨的线路出现失稳，产生胀轨等故障。因此，有效地防止列车制动滑行极为重要。

1.防滑控制的必要性

（1）城轨列车防滑技术研究的主要原因

①制动黏着系数是城轨车辆制动设计和牵引设计的基本参数之一。城轨车辆制动黏着系数的测试研究结果表明，对应某一运行速度的黏着系数是一组成正态分布的随机变量，选取其中某个确定值，实际上是指5%打滑率的值。因此只能保证车辆轮对不会滑行的概率仅仅为95%左右。

②低速制动的黏着系数离散度比较大也是城轨列车制动黏着系数分布的特点之一。在速度为50km/h以下的低速段，一般是在列车进站和出站的区段。一般情况下站台两侧轨面状态比较复杂，轨面污染也比较严重是造成黏着系数离散大的主要原因。从制动黏着系数测试结果可知，有时站台两侧测得的黏着系数甚至比速度为120km/h时的黏着系数还要低。因此，列车在低速段时的车轮滑行和擦伤的问题更为突出。

③车轮踏面擦伤问题一直困扰着轨道交通的运营部门，虽然采取了很多措施来降低轮轨表面擦伤的事故的发生，但收效甚微，其根本原因主要是在列车制动过程中，制动力的设定基本上是一个定值，而黏着系数却是一个变化的量，黏着力不可能总是大于制动力，一旦遇到低于黏着的情况，造成制动力超过黏着力，车轮便会产生滑行，甚至可能造成车轮踏面的擦伤。

④城市轨道交通车辆一般都是在较高的速度下行驶，一旦出现车轮踏面擦伤，其危害也会随运行速度的提高而增加。因为车轮踏面擦伤造成的车轮踏面不圆或凹坑会产生对轨面的垂向冲击，而且车轮的垂向冲击加速度会随着运行速度的提高而加剧。从而也会降低旅客的乘坐舒适性，并且会使轴承发热，轨道受损，严重时将会危及行车安全。

总之，车轮踏面擦伤的根本原因在于列车制动过程中制动力超过黏着力。而这种可能性无论是在高速段还是在低速段均有可能发生。因此随着列车运行速度的提高，车轮踏面擦伤所造成的后果将更具危险性。解决这一问题的主要途径是加装防滑器或防滑系统。防滑器或防滑系统能够控制车辆制动过程中的制动力，并且能使随时检测和调整制动力大小，使之始终小于并接近即时的黏着力，防止滑行的发生。

（2）影响黏着系数的主要原因分析

滑行是由于列车的制动力大于轮轨之间的黏着力引起，黏着力与轮轨之间的黏着系数有直接关系，但影响轮轨之间黏着系数的因素很多，主要包括以下因素：

1）车轮踏面与钢轨表面状态

干燥、清洁的车轮踏面与钢轨表面的黏着系数高；但如果踏面或轨面受到污染，则黏着系数就很快下降。有试验结果表明，干燥、清洁的轨面，其黏着系数可达0.3；而受到雨雪浸湿的轨面，其黏着系数仅为0.12。对城市轨道交通来说，地铁、轻轨和有轨电车的轨面由于所处环境的不同，其黏着系数有很大的差别。晴天，地面的轨面要比潮湿隧道里轨面的黏着系数高；但雨雪天气，隧道里轨面黏着系数反而比地面的要高。冰霜凝结在轨面上小毛毛细雨打湿轨面时，黏着系数非常低，但大雨冲刷、雨后生成的薄锈却使黏着系数大大增加。油的污染最会使轨面黏着系数下降，撒砂则能使轨面黏着系数增加。

2）线路质量

钢轨越软、道床下沉越大，轨面的黏着系数越小；钢轨不平或直线地段两侧钢轨顶部在同一水平面，以及动轮所处位置的轨面状态不同，都会使黏着系数减小。

3）车辆运行速度和状态

车辆运行速度增加加剧了动轮对钢轨的纵向滑动和横向滑动及车辆振动，使黏着系数减小。特别是在车轮和钢轨表面被水污染的情况下，黏着系数随速度增加急剧下降。车辆运行中由于各种因素导致轴重转移，也会影响黏着系数。例如，车辆过弯道，造成车辆车轮一侧加载，另一侧减载，使黏着系数大幅下降，如果曲线半径越小，黏着系数下降就越多。牵引和制动工况对黏着系数也有一定的影响，牵引时的黏着系数比制动时的黏着系数要大一些。

由于黏着系数受上述诸多因素的影响，城轨列车在制动时，轮对发生滑行是常有的事，但由于静摩擦系数大于动摩擦系数，列车一旦发生滑行，靠自身是无法调整的，此时必须靠防滑系统来适当地减小制动力来调整再黏着，不然轮对会被抱死，将轮对擦伤，降低列车舒适性，同时也降低了制动能力，使制动距离变大。所以防滑系统在制动系统中是非常重要的。

2.防滑控制的基本条件

（1）灵敏度高

在较高的速度范围内，由于黏着系数较低，本来就容易发生滑行，而且即使是在很短的时间内，因滑行距离较长，危害也是相当严重的，因此防滑控制系统应该具有高灵敏度，灵敏度受滑行标准，滑行检测速度和防滑装置的制动时间等诸多因素的影响。

一旦某根车轴发生了滑行，系统要迅速被检测出来，不但要采用多种标准，而且关键问题在与这些标准的具体设置。标准定得越高，使检测灵敏、动作快，可以使滑行很快地被制止；但标准定得太高，会使滑行控制的稳定性变差，以致一些微小的滑行也使滑行系统动作，从而延长了制动距离，危及运营安全。滑行标准若定得太低，使滑行性能不安全，同时会使滑行检测滞后时间延长。因此。制订防滑标准是一个复杂的技术工作，要充分考虑到防滑装置的结构及线路，使用的速度范围以及车轮的磨耗等因素。

（2）防滑特性良好

所谓防滑控制系统的防滑特性，就是当车轮发生滑行时，防滑控制系统检测到之后，通过逻辑线路及机械装置，立即减少制动力（减少电机电流或降低制动缸压力从而使摩擦制动力减小）；而当车轮停止滑行并恢复再黏着以后，牵引电机电流或制动缸又重新充气恢复之前状态。防滑性能不但取决于检测系统、机械部件的灵敏性，而且主要决定于防滑控制采用的控制方法和算法。防滑特性好，将取得良好的防滑效果，使制动距离延长较短等。

一个好的防滑特性可以保证制动效率高、防滑反复动作次数少，制动距离延长不是太多、节约压力空气。

（3）电制动防护系统与空气制动防滑系统应该具有良好的配合关系

3.防滑系统的现状与发展

早期研究人员发现由于制动强度过大，车轮踏面上会摩擦出一些小平面，称为车轮踏面擦伤。踏面擦伤后，车轮由于存在不圆度就不能平稳地旋转，将会产生很大的冲击皮动和噪声。最初的防滑装置被安装到城轨车辆上后，意外地发现制动距离也在减小。此后又由德国发明了ABSC装置，它是由装在车轮上的电磁式转速传感器和控制液压的电磁阀组成。当制动液压力上升、车轮抱死时，转速传感器的输出为零，电磁阀动作，关闭制动液进口，使制动液压力降低。制动缓解后车轮再次旋转，转速传感器的输出恢复正常，电磁阀动作，打开制动液进口，液压随之上升再次对车轮制动。1948年，美国的一家公司开发了铁路机车专用的ABS防滑装置，该装置利用安装在车轴上的转速传感器测出车轴的减速度，然后使电磁闸动作，控制制动空气的压力，防止车轴滑行。防滑装置经历了不断发展完善和进步的过程，早期的列车防滑器为机械离心式或电气混合式结构。我国铁路在20世纪60年代也曾采用过电气混合式结构的列车防滑器装置。随着计算机控制技术在工业控制中的迅速发展，相继进行了微机控制的防滑系统的研究与开发。进入20世纪80年代，国外推出的高速列车已无一例外地采用了微机控制防滑器。例如德国的MGS-1型防滑器、法国的TGV列车高性能防滑器等。

我国在20世纪80年代后期也对单板机防滑系统进行了研究，比如青岛四方机车车辆研究所。20世纪90年代，我国又在引进、吸收国外技术经验的基础上，对采用微机控制的防滑系统进行广泛而深入的研究，并取得很大的进展，当然与国外的先进技术水平相比还有一定的差距。近年来，我国轨道交通发展很快，防滑控制的理论研究不断提高，防滑控制的很多参考条件也不停地发生变化，需要更深入的研究与开发。但是高速车辆用防滑器则要求在具有良好防滑性能的同时，还要具有改善和提高黏着的性能。但是我国很多轨道车辆安装的是国外进口的防滑控制系统，价格较为昂贵，因此设计出具有高灵敏度的防滑控制系统对于我国轨道交通的发展具有非常重大的意义。

【任务实施】

本项目任务的实施可通过以下几种途径：

①条件允许的情况下，组织学员制造轮轨滑行模型，进行滑行试验，让学员掌握轮轨之间的黏着都受哪些因素的影响。

②组织学员到城市轨道交通车辆的检修基地进行现场教学，让学员通过观察一些典型的轮轨擦伤、路面剥离等事故，认识防滑的必要性和重要性。

③组织学员通过多媒体课件认识一些城市轨道交通车辆和我国铁路铁道车辆典型的轮轨事故，认识防滑的必要性和重要性。

【效果评价】

评价表

任务2　防滑控制的机理与判断标准的探讨

【活动场景】

右图为防滑阀外观图。

【任务要求】

1.了解参考速度的选取原则。

2.了解滑行的判断依据都有哪些，都有什么利弊。

【知识准备】

1.防滑的机理分析

（1）黏着机理

研究城轨列车的防滑控制，必须深入了解黏着机理。黏着是表示轮轨关系的轨道交通专用术语。黏着力是指轮轨接触面切线方向传递的力。轮轨之间的黏着是轨道交通车辆形成制动力和牵引力的基本依据。

黏着系数是表示了轮轨黏着的利用程度，它是具有一定离散性的随机因数，符合统计学上的规律。黏着系数的大小与滑移率大小有直接相关，两者的相关规律只有通过大量试验数据才能得出。据各种试验数据分析认为：在滑移率大于35%时，应视为黏着状态被破坏，出现宏观滑行的界限。当然，这条界限也是有些余地的，但这时黏着系数已随滑移率的增加呈明显下降趋势，而且量值已下降到0.25以下，难以保证列车进行正常制动。

改善黏着条件，提高黏着的利用率，不仅可以充分发挥列车的制动和牵引性能，同时还能有效地防止滑行和空转，减少对列车和线路设备等的损伤。无论是摩擦制动还是动力制动，都是利用轮轨间的黏着力的作用，都属于黏着制动。摩擦制动力过大，会把车轮抱死而发生滑行。动力制动时制动力如超过轮轨黏着力，此时车轮的反力矩过大，会导致车轮的逆转。

改善黏着的方法之一是在钢轨上撒砂，这种方法对列车启动时的防空转比较有效，但在高速制动时，由于无法保证砂子正好撒在钢轨面上，因此效果不是很理想。尽管有的国家研制出先进的撒砂器或把砂子制成悬浮体直接喷洒在轨面上取得了一定的成功，但由于成本太高，也没有得到推广应用。采用化学方法清洗轨面，尽可以明显地改善轮轨间的黏着，但这也只能用于黏着状态特别不良的区间。国际铁路联盟试验研究所也进行了电火花处理轨面的试验，清除了表面油污，使轨面活化，明显地提高了黏着，但由于电火花处理轨面消耗功率较大，以及对轨道电路和通信产生干扰等原因，所以该方法也没有被广泛应用。其实影响利用黏着的因素还很多，例如车轮滚动圆的偏心、车辆的蛇行运动、车体与转向架的垂直振动等。这些因素涉及很多技术问题，要充分利用黏着，必须全面考虑。

（2）蠕滑理论

从20世纪60年代以来，众多学者的研究指出：滑动实际上包含了利与弊两个方面。一般来说，滑动反映的是传力条件，而黏着反映的是滚动条件。在力的方向上，接触面前沿的黏着区消失，这时的滑动是有害的；反之，则是有利的。这就是著名的蠕滑理论。然而，黏着系数不代表传统的摩擦系数，根据近代滚动理论的发展，它实际上是静摩擦系数、法向压力、接触面积轴长比以及材料弹性常数四个参数。

从宏观上看，轮轨相对滚动时，法向力是切向力存在的必要条件。除了接触表面状态之外，轮轨切向力的大小还决定于轮轨相对运动状态。简单说来，蠕滑是宏观上车轮的非纯滚动的状态，由于轮轨的三维弹性形变，轮轨接触面存在着微观的黏着区和相对滑动区，因而车轮在钢轨滚动时存在着一定的相对滑动，即车轮轮心实际前进速度，总是低于以车轮的圆周速度ωRi计算的理论值。这是由于在旋转力矩M的作用下，轮轨接触面产生向后的弹性变形所致，这个现象称为蠕滑。蠕滑大小的程度可用滑移率来表示，即

但是在实际应用蠕滑理论控制黏着的过程，一般都把轮对的轮周速度与轮心位移速度之差与轮心位移速度的比值定义为滑移率。这是因为在列车上比较容易测出轮对转速和列车实际运行速度。虽然这种表示方法也是一种近似的表示方法，但便于获得检测信号使防滑控制系统获得控制信号。

此外在一些滚动接触理论中，滑移率定义为有切向力作用时车轮滚过距离与无切向力作用时车轮滚过距离之差的变化率。也就是说，如果轮轨之间不存在相对滑行，那么车轮将在钢轨上作纯滚动，滚过的距离等于车轮所转圈数乘以车轮圆周长所得距离，即

然而，由于相对滑动的存在，车轮的滚动已不再是纯滚动，而是伴随着有车轮相对钢轨滑动的发生，这也反映了接触面间由于滑动干摩擦所引起能量的消耗。车轮实际滚过的距离与纯滚动距离之差的变化率用滑移率来描述，即

滑移率=（车轮实际滚过的距离-纯滚动距离）÷纯滚动距离　（7.3）

蠕滑是一种轮轨设备都可以接受和容忍的微量滑行现象，理论上可以将这种微量滑行按其滑移量的大小划分为贯穿整个滑移发展过程的若干发展阶段。

1）正常运行区

正常运行区又可划分为以两个阶段：

①微量滑移阶段（弹性形变阶段σ≤0.2%）

②轻度滑移阶段（弹塑性形变阶段0.2≤σ≤1%）

2）稳态运行区

稳态运行区又可分为以下两个阶段：

①稳定滑移阶段：σ=10%～25%。

②振荡滑移阶段：σ=26%～35%。

3）稳态运行区

非稳态运行区只有一个阶段即打滑阶段：σ＞35%。

4）销轴滑行区

在销轴滑行区，轮对速度下降，直至停止转动，处于完全在钢轨上的滑行状态。防滑控制一般是在σ=26%～35%进行，也就是在稳态运行区中进行。我们还可以把稳态运行区按照滑移程度的不同又分成3个阶段。

①稳定滑移阶段：σ＜10%，此阶段可以不进行控制或只作低级控制。该阶段应充分挖掘黏着潜力，提高制动性能。

②自滑移阶段：σ=10%～26%，此阶段已有滑移量迅速扩大的趋势，必须采用防滑措施进行滑移量的控制。它是防滑控制的主要区域。

③临界滑移阶段：σ=26%～35%，此时黏着已经破坏，并已进入宏观滑行的界限，随着黏着系数的迅速下降和滑移率的增大，轮轨间已无能力产生可与连续制动力相平衡的切向力。必须在此区域实行高级别的控制以抑制滑移发展成为宏观上的滑行。

（3）车轮滑行的形成

研究表明，轮轨间的切向力与轮轨间的滑动是同时存在的。黏着控制就是要通过对微观滑移量的检测，给控制系统以控制信号，通过控制滑移使列车处于最佳的黏着条件。因此，控制滑移率，也是为了提高黏着的利用率。

如图7.1所示是通过大量的实验研究和分析，在理想的、干燥的和无污染的条件下得到的滑移理论曲线。由图可知：当黏着系数随滑移率的增大而达到最大值时，若继续增大滑移率，将会使黏着系数急剧下降。这种性质是干摩擦本身所固有的，然而对于列车运行来说却是灾难性的。如果这时制动力的下降速度赶不上黏着系数的下降速度，那么由这种下降速度不平衡而建立起来的力的不平衡，将只能由车轮自己来消化，因此产生滑行。

图7.1　滑移理论曲线

2.防滑标准的判断

（1）车辆参考速度的确定

车辆的参考速度是判断轮对发生滑行的重要数据。地铁车辆参考速度的选取一般遵循如下规则：

车辆在制动工况时，系统将选取一个制动控制模块所控制的所有轴中的最大速度为本制动控制单元滑行判断的参考速度。例如西安地铁2号线车辆制动系统采用车控方式，即一个制动控制模块控制一节车的4根轴，列车在制动时选取这4个轴中的最大速度作为滑行判断的参考速度。

【注意】车辆在牵引工况时，系统将选取一个牵引控制模块所控制的所有轴中的最小速度作为判断本牵引控制单元是否发生空转的参考速度。例如西安地铁2号线车辆一个牵引逆变器控制一节车的4台电机，系统在牵引时选取本节车4个轴的最小速度为空转判断的参考速度。

（2）滑行的判断标准

1）速度差

当车辆某一轴车轮发生滑行时，此轴的速度比其他轴的速度明显减小，所以通过速度的差值能够判断某一轮是否发生滑行。

通过速度差判断的方法：车辆每根轴检测的速度与车辆参考速度进行比较，当差值大于规定值时，则判定此轮发生了滑行，从而使防滑行系统起作用。

2）滑移率

当通过速度差进行滑行判定时，如果速度差为定值，则车辆在高速运行时，虽然速度差达到了规定的标准值，可车辆此时只是微小的滑动，此时如果进行了滑行的控制，车辆就未充分利用黏着。据此，对于高速列车引入滑移率作为判定滑行的依据。一般，只有当速度差和滑移率均达到判定值则认为发生了滑行，这样既充分利用了黏着，同时又防止了车辆的滑行。

图7.2　滑行的判断依据

3）减速度

当一节车所有轮对同时发生空转/滑行时，通过速度差已经不能判断出空转/滑行，此时虽然速度差未达到标准值，可车辆已经发生了空转/滑行。在此种情况下通过减速度来作为空转/滑行的判断依据就可以解决此种问题。当车辆某一轴发生空转/滑行时，此时此轴的减速度明显增大/减小，当减速度超过规定的数值时，则认为此轴发生了空转/滑行。

4）减速度的微分

应用以上3种判定方法均不能解决如下问题：由于整个防滑系统要有一个响应时间，因此防滑排风阀的动作有了延迟，因此，减速度变化快的防滑作用不良，而减速度慢的则黏着利用不良，据此引入了减速度的微分作为判定依据。

如图7.3所示，有两条不同的减速度曲线，一条变化快，一条变化慢，即减速度微分的大小不同，通常情况下，防滑器在a1时判断出“滑行”，经过延迟时间Δt后，使防滑排风阀动作，此时两个减速度值分别为a2、a′2，利用这两个判据，减速度变化快的就有可能出现滑行，而减速度变化慢的很可能出现黏着不能完全利用，而制动力不足的现象。

当引入减速度微分后，如图7.3所示，假如根据a+（da/dt）*Δt达到规定值判断为“滑行”，则经过延迟时间后，无论减速度变化快还是变化慢，防滑排风阀动作时，即制动缸压力变化时的减速度值a2都是相同的。而只有控制制动缸压力变化时的减速度，才能保证良好的防滑作用和充分利用黏着。

滑移率以及减速度的微分一般在要求精度更高，速度更快的高速列车上采用。对于最高运行速度80km/h的地铁车辆而言，采用速度差和减速度来判断空转/滑行已经满足要求，西安地铁2号线车辆就以速度差和减速度同时达到确定值为判断依据。

图7.3　滑行的判断依据

【任务实施】

本项目的实施可通过以下途径完成：

①结合轮轨间关系的模型讨论以下问题：

组织学员一起讨论滑行时为何选取单元车所有轮对的最大速度作为参考速度，选取最小速度不行吗？同时，目前地铁车辆判断滑行的依据为何为速度差和减速度，只要其中一个作为判断滑行的标准不行吗？为什么？

②分析典型案例，进一步认识防止车轮滑行的重要性和必要性。

【效果评价】

评价表

任务3　防滑控制系统的组成及工作原理认识

【活动场景】

城市轨道列车车辆的防滑系统主要由控制单元、速度传感器、机械部件和防滑电磁阀等组成。由于我国城市轨道交通车辆的供应商不同，具体的城轨车辆的防滑系统虽然有一定区别，但总体结构和作用是一致的。

【任务要求】

1.掌握城轨列车制动防滑系统的基本组成。

2.了解防滑系统各部件的作用及工作原理。

3.掌握空气制动防滑系统的工作原理。

【知识准备】

通过前面任务的完成，我们知道城轨车辆轮对滑行即黏着失去的根本原因是制动力大于所能实现的黏着力，而恢复黏着的有效手段就是降低制动力，以满足制动力小于所能实现的黏着力，而黏着一旦被破坏，单靠轮轨系统本身是不可能恢复的，需要借助外部机构才能使黏着恢复。电子防滑控制装置就是帮助轮轨间恢复黏着的外部装置之一。防滑控制装置的基本原理就是当检测到因外界因素或制动力过大引起黏着系数下降时，就立即实施控制，尽快使黏着恢复。这种恢复应尽量接近当时条件所允许的最佳黏着，即黏着恢复必须充分提高黏着利用率。

1.防滑系统的基本结构

典型的防滑控制系统主要由控制单元、速度传感器、机械部件和防滑电磁阀组成。其中控制单元是防滑控制系统的核心部分，如图7.4所示。

防滑控制系统可以通过速度传感器检测出列车的正常速度以及列车与被抱死车轮间的速度差。这两个检测信号被传送到防滑控制系统的微处理器，微处理器根据比较和判断，然后发出防滑控制指令。防滑控制系统的执行装置按防滑控制指令的要求采取措施，使该车轮的制动力迅速降低，快速解除该车轮的滑行。当滑行消失时，微处理器得到消失后的速度信号后，重新发出指令，恢复该车轮的制动力。

图7.4　电子防滑器控制示意图

1—制动主管；2—防滑阀；3—速度传感器；4—制动缸

图7.5　速度传感器示意图

1—速度传感器探头；2—测速速齿轮

用于检测列车速度和轮对速度的装置称为速度传感器，也称为速度信号发生器。它安装在轮对上，其结构如图7.5所示。速度传感器由测速齿轮和速度传感器探头以及电缆线所组成。测速齿轮与速度传感器探头之间有一个空隙，永磁式的传感器会在间隙中感应磁力线。

当车轮旋转时，齿顶、齿根交替切割磁力线，从而在永磁式的传感器中产生一个频率正比于运行速度的电脉冲信号。这个电脉冲信号就是送入微处理器的速度信号。

2.防滑电磁阀

如图7.6所示，防滑电磁阀是城市轨道交通车辆中电子防滑系统的主要组成部分，是防滑控制回路中的执行机构。防滑阀由电子开关装置控制，借助防滑阀，制动气缸压力C能够逐级降低或者再次升高到由控制阀设定的数值D。目前城轨车辆所使用的电磁阀主要有GV12A、GV12-1B、GV12-2、GV12-ES1A等。

（1）防滑电磁阀在城轨车辆制动系统中的排布

防滑阀D室与控制阀或压力转换器进行气动连接，C室与其控制的制动气缸连接；与防滑电子装置的电气连接相对应采用三芯线；在防滑阀上设置了一个三极插头分离点，芯线Ⅰ和芯线Ⅱ是用来对排气和进气的两个阀用电磁铁进行控制，芯线Ⅰ是共用回路。

（2）结构设计

防滑阀主要由一个带有两个换向膜板的通道板、一个双阀用电磁铁、两个阀将用电磁铁与通道板连接在一起的侧板和一个阀门支架组成。

通道板上有两个阀座（VD和Vc）。每个阀座都能够通过PD膜板打开或关闭。PD膜板可以接通或者断开从D室C室（到制动气缸）的连接。PC膜板可以使C室和O（空气）相连。双阀用电磁铁由两个二位三通换向阀（VM1和VM2）组成。其线圈在一个共用的塑料外壳里。用于电气连接的触销被浇铸在外壳上。

电磁阀在未励磁状态下，两个电枢通过电枢弹簧的弹力将外面的阀口密封；内部的阀口被打开，如图7.6所示。两个侧板中包括膜板控制室SD和Sc以及通向双阀用电磁铁的输入管路。阀门拧在阀门支架上。支架上有D和C管路的两个连接螺纹口。阀门从支架上拆上后，喷嘴dD和dC便很容易接近（并非所有的型号都配备喷嘴）。

图7.6　防滑器GV12原理图

1—外部阀口；2—内部阀口；3—双阀用电磁铁；4—侧板；5—电枢弹簧；6—通道板；
7—PD膜板；8—锥形弹簧；9—控制室SD；10—阀座VD；11—喷嘴dD（并非所有型号）；
12—阀门支架；13—喷嘴dC（并非所有型号）；14—阀座VC；15—PC膜板；16—控制室SC

（3）功能说明

1）无防滑系统的制动和松闸（阀用电磁铁VM1和VM2不励磁）

①缓解状态。缓解状态下如图7.6所示，阀门处于无压状态。PD膜板通过锥形弹簧保留在阀座VD上。

②制动状态。D管路内的压力作用PD膜板，由于控制室SD仍然没有压力，膜板顶着锥形弹簧压向右侧末端，阀座VD开启。与此相反，通过开启的VM1内部阀口给控制室加载D管路内的压力。D管路内的压力（与阀口C的面积有关）作为一种闭合力作用于PC膜板，阀座VC被关闭，D与C管路间的通道开通。车辆可以无阻碍地进行制动。

③制动的解除。在制动解除时阀门仍保持上述制动状态中所述位置，即D与C之间的通道是开通的，如图7.7所示。当锥形弹簧的弹力超过了D管路内压力（与膜板的有效而积有关），在D管路内压力小的情况下PD膜板就关闭。这样随着D管路内压力不断降低，VC阀座上的C管路内压力也会降低。

图7.7　防滑阀G12的结构原理图

2）通过防滑系统松闸

两个阀用电磁铁励磁。通过VM2给控制室SD加载D管路内的压力，如图7.7所示。在PD隔膜上压力平衡，锥形弹簧将隔膜压到阀座VD上。D管路内的压力被阻断。

通过VM1给控制室SC排气。C管路内的压力将PC隔膜压向左面。阀座VC打开；C压力通过VC流向O。

3）通过防滑系统再次制动

两个阀用电磁铁不励磁。控制室SD排气，SC进气，如图7.7所示。功能相应于上述无防滑器所述。

4）通过防滑系统保持压力恒定

阀用电磁铁VM1不励磁，VM2励磁。给两个控制室（SD，SC）加载D管路内的压力。如图7.8所示，隔板将阀座VD和VC关闭。C管路内压力与D管路内和O的通道都关闭。

通过有效操作阀用电磁铁的控制不仅可以在排气阶段也可以在进气阶段产生恒压等级。因此，可以根据防滑系统调节逻辑的要求，快速（无级地）或慢速（一级一级地）增压或降压。

进气或排气的压力梯度（无级）是由喷嘴dD和dc决定的。喷嘴的大小取决于需控制的C管路容积（并非所有型号都配有喷嘴）。

图7.8　防滑阀GV12原理图

5）防滑电磁阀在车辆上的安装

将防滑阀固定在车身上时须使排气口方向向下。为了保持尽可能低的无效时间和气流损失，须注意要使通向受控的制动气缸的输入管路要短而且不能被节流。

防滑阀（除GV12A外）在阀门支架上有一个C管路压力的测量接口。这个测量接口在车辆投入使用之前必须密闭起来。安装尺寸和技术数据请参见相关的安装图纸。

3.防滑控制

列车防滑控制的逻辑框图，如图7.9所示。防滑控制是在制动力即将超过黏着力时，降低制动力，使车轮恢复处于滚动或滑滚混合状态，避免车轮滑行。然而防滑控制的关键是：首先要正确判断滑行即将开始的时刻。判断提前，会使制动力损失过大，无法充分利用轮轨间的黏着，使制动距离延长；判断延后，就会产生滑行，造成踏面擦伤，起不到防滑作用。

目前，各种防滑控制系统在判断滑行时，使用了多种判据。这些判据主要有速度差、减速度、减速度微分和滑移率等。其中速度差和减速度使用最为普遍。无论采用哪一种判断依据，都把防滑和充分利用黏着作为主要目的，有时两种防滑系统采用相同的判据，但效果却不同，这主要是由于判据参数的选取以及对制动力的控制的过程不同造成的。

图7.9　滑移控制过程逻辑框图

（1）速度差判据控制

速度差是根据某一根轴的速度，与列车运行速度的差值。防滑时可针对速度差制订滑行检测标准。对于速度差标准，车轮磨耗的允许值为60%～70%，再加上其他公差，因此速度差范围很大。如果速度差标准定得过高，会造成防滑控制系统误动作；但如果速度差标准定得过低，也会导致灵敏度降低（日本的轨道交通一般取速度差标准值为15km/h）。如果按高速范围制订速度差标准值，到低速时就不一定能保证正常的防滑作用。因此，速度差标准就不能是一个固定值，而应当是速度的函数。也就是说，速度差值应随着列车速度的减小而逐渐减小，所以确定速度差是否超限的数值是随列车速度变化而变化的一个函数，这就使系统变得较为复杂。

能否精确地测定轮对间的速度差值是系统能否正常工作的关键。由于每个动轮直径不是绝对相同的，并且在运行中的磨耗也各不相同，所以轮对间的速度差总是存在的，尽管此时并没有发生滑动。这就要求在检测轮径速度差时，必须考虑此轮径差异的因素，并对轮径差异设置校正功能。我国列车运行允许的轮径差同一车辆为10mm，同一转向架为7mm。速度差控制就是当一辆车的4条轮对中的一条轮对发生滑行时，该轮对轴的速度必然低于其他没有滑行的轮对车轴的速度，将该轴速度与各轴速度进行比较并判定滑行轴的速度与参考轴的速度的差值；当比较差值大于滑行判定标准时，该车的防滑装置动作，降低所控制的该轴制动缸压力，此时该轴的减速度逐渐减小；当比较差值达到某个预定值时，防滑装置将使制动缸保压，让车轴速度逐渐恢复；当其速度差值小于滑行判定标准时，防滑装置将使制动缸压力恢复。

实践表明，轮对在连续滑行时，采用速度差判据控制，它需要把各根车轴联系在一起。同时，由于它往往受速度范围的制约且对于车轮磨耗造成的轮对圆周尺寸的误差特别敏感，因此速度差标准的制订和设计是个复杂的问题。

（2）减速度判据控制

一辆车的某根轴滑行或4根轴以接近速度同时滑行，用速度差是判别不了的，这时就需要采用减速度判据进行控制。当车轮速度发生突变时，减速度值也相应增大。当减速度值大于预定值时，防滑装置降低它所控制的制动缸压力；当减速度值逐渐减小，恢复到预定值时，防滑装置将使制动缸保压；当减速度值进一步恢复，小于预定值时，防滑装置将使制动缸压力逐渐恢复。

减速度的标准是相对独立的，被检测的轴与其他轴无关。由于具有这个特点，所以绝大多数防滑控制系统（无论是机械离心式防滑器或电子防滑器）都采用此标准作为判据。减速度判据值的确定对黏着利用也十分重要，部分防滑控制系统一般在3～4km/s2时降低制动缸压力，而且作为定值，不受速度变化的影响。

（3）减速度微分判据控制

上述使用减速度判据也有不足之处。由于防滑机械部分动作的延迟使制动缸的压力变化作用滞后。例如安装在法国TGV车上的防滑器，在使用减速度判据的同时，还引入了减速度微分进行辅助判断，因为当减速度达到判据标准时，虽然防滑装置动作，但需经过延迟时间后制动缸压力才开始变化，延迟时间内减速度的变化快慢会不同，即减速度的微分不同，这就有可能造成减速度变化快的，防滑作用不良，而减速度变化慢的，黏着利用不良。引入减速度微分控制后，就有可能解决上述问题。减速度微分控制的判据是

式中　a——始检测计算时的减速度值；

　——速度微分；

　Δt——时间。

假定判据达到了滑行的判定值，则防滑系统动作，经过延时时间后，无论减速度变化快还是慢，制动缸压力开始变化的减速度都是相同的。控制制动缸压力开始变化时的减速度，可以充分利用黏着和良好的防滑作用。但这种判断方式对防滑系统的要求较高，控制单元要求要有较高的运算速度。

（4）滑移率判据控制

滑移率是某一轴的速度与参考速度之差值和参考速度的比值。采用滑移率作为判据时，认为某一条轴的滑移率达到某一定值时就会发生滑行，防滑系统就会对该轴的制动缸压力进行控制，其控制过程与以上几种基本相同。

滑移率与黏着的利用密切相关，控制滑移率可以达到充分利用黏着的目的。日本的研究表明：当黏着系数为最大值时，滑移率将随着轨道的状况而发生变化，干燥轨道的滑移率一般在3%～4%，所以认为“在微小滑行时，即使不产生缓解作用也会产生再黏着的情况很多，超过适当大小的滑行才会进行缓解，这样将会有助于缩短制动距离”。

针对滑移率，日本进行了专门试验，试验中把滑移率维持在10%以下。当滑移率低于5%时，瞬时黏着系数变化很小；当滑移率超过5%时，黏着系数趋于下降。这表明，如果制动缸压力能被准确地控制，即车轮的滑移率能维持在确定水平，黏着就能得到有效利用，相应的也可防止滑行的产生。在日本883系摆式车组（最大速度为130km/h）的制动试验中，使用常规防滑器，制动距离延长15%；而采用滑移率控制的防滑系统仅延长3%以内。

综上所述，根据轮轨间极限摩擦力水平，滑行控制的主要出发点是：在合理控制滑移率量值的基础上，充分利用和挖掘列车的黏着潜力，通过控制制动力使车轮滑移率保持在一定范围内，完全能在防止滑行的基础上，充分利用黏着，防止制动距离延长过大。

4.防滑系统的基本要求

（1）灵敏度高

在较高的速度范围内，由于黏着系数较低，本身容易发生滑行，而且，即使是在很短的时间内，因滑行距离较长，危害也是相当严重的，因此防滑控制系统应该具有高灵敏度。同时，灵敏度也受滑行标准、滑行检测速度等诸多因素的影响。

一旦某根车轴发生了滑行，要迅速被检测出来，不但要采用多种标准，而且关键问题在于这些标准的具体设置。标准定得高，使检测灵敏、动作快，可以使滑行很快地被制止。但是标准定得过高，会使滑行控制的稳定性能变差，以至一些微小的滑行也使防滑控制系统动作，从而延长了制动距离，危及运行安全；滑行标准若定得过低，会使滑行性能不安全，同时会使检测滞后时间延长。因此，制订防滑标准是一个复杂的技术工作，要充分考虑到防滑装置的结构及线路、使用的速度范围以及车轮的磨耗等诸多因素。

（2）防滑特性良好

所谓防滑控制系统的防滑特性，就是当防滑控制系统检测到车轮发生滑行之后，通过逻辑线路和机械装置，立即切断动力制动并且使摩擦制动的制动缸快速缓解；而当车轮停止滑行并恢复黏着以后，制动缸又重新充气的整个过程的特性。它不但取决于检测系统、机械部件的灵敏性，而且主要决定于防滑控制采用的控制方法及算法。防滑特性好，将会取得良好的防滑效果，使制动距离延长较短等。

通常一个具有良好防滑特性的防滑系统可以保证：制动效率高、防滑反复动作次数少、制动距离适当延长、节约压力空气等特性。

【任务实施】

本次任务的完成，我们是通过分析西安地铁2号车辆防滑的基本原理和实际效果进行的。

1.西安地铁2号线车辆防滑系统的基本组成

图7.10所示为西安地铁2号线车辆空气制动防滑系统简图。空气制动防滑系统主要包括BECU（制动控制单元）、防滑阀、防滑速度传感器等。

图7.10　空气制动防滑系统简图

（1）防滑阀

如图7.10所示，在每个制动缸进气管路上安装防滑阀。每个防滑阀包括两个电磁阀，一个电磁阀控制制动缸的进风，另一个控制制动缸的排风。这两个阀的动作组合可形成3个不同状态：“充风”两阀均失电，空气进入制动缸；“保压”进风阀得电，排风阀失电，制动缸被隔离，空气压力恒定；“排风”两阀均得电，空气从制动缸排出。

（2）防滑速度传感器

车辆在每个轴的轴端均安装防滑速度传感器，通过每个轴端安装的速度传感器时时监控各轴的瞬时速度，并传输给本节车的制动控制单元（BECU）。

如图7.11所示是城轨车辆速度传感器的工作原理图，一般采用齿式速度传感器，主要包括和车轴同轴度并固定在车轴上的齿轮，永磁式的速度探头，探头与齿轮间的空气隙以及速度输出信号线等。车辆速度传感的工作原理和普通的交流电机工作原理相同。永久磁铁产生一定强度的磁场，车辆在运行时，齿圈在磁场中旋转，齿圈齿顶和探头之间的间隙（一般在0.2～1.5mm）不断变化，这样就会使齿圈和探头组成的磁路中的磁阻发生变化，其结果使磁通量周期性增减，此时在线圈两端产生正比于磁通量增减的交流电压信号，产生的电压信号波形见图7.11（b），交流电压的频率与车轮角速度成正比，交流电压信号的振幅随转速的变化而变化。而v=ω2D（D为车轮的轮径值），所以产生的电压信号正比于车辆的速度。

图7.11　速度传感器的工作原理

（3）制动控制单元（BECU）

车辆在运行时，制动控制单元时时采集本节车的4个轴的速度，然后通过计算各轴的速度差及减速度，判断车辆各轴是否发生滑行并进行控制。

2.空气制动滑行控制的原理

车辆在正常空气制动时，制动控制单元接收司机发出的制动力指令和车辆的载荷信号（载重量）综合计算出本节车所需制动力，然后通过常用电磁阀产生预控制压力给中继阀，中继阀将预控制压力放大产生BC压力给各制动缸，从而推动闸瓦进行制动。同时车辆各轴端速度传感器将速度时时传给BECU，BECU将各轴的速度进行比较计算，当判断出某一轴发生了滑行时（通过速度差及减速度），BECU将控制本轴防滑阀进行排气，此时制动缸压力降低，制动力减小，此轮对恢复黏着。如此通过“速度传感器（采集速度）—EBCU（进行判断）—防滑阀（排气/进气）—制动缸压力（降低/增大）—速度（增大/减小）—速度传感器（采集速度）”形成闭环控制系统，通过控制防滑阀的排气、进气、保持，最终使车辆最大程度的利用黏着。如图7.12所示为车辆发生滑行及防滑的时序图。

图7.12　车辆发生滑行及防滑的时序图

【效果评价】

评价表

项目小结

地铁车辆在制动时能够节能环保、无冲击，制动的控制策略是非常重要的，为充分利用电制动，降低空气制动对环境的影响及闸瓦的磨耗，地铁车辆一般首先施加电制动，当电制动不足时，首先在拖车上施加空气制动，如果拖车空气制动施加的空气制动达到所能承受的最大值后，开始在动车上施加空气制动，这样最大限度使用黏着。研究列车的防滑控制，必须深入了解黏着机理。黏着是表示轮轨关系的轨道交通专用术语。黏着力是指轮轨接触面切线方向传递的力。轮轨之间的黏着是轨道交通车辆形成制动力和牵引力的基本依据。

城轨车辆轮对滑行即黏着失去的根本原因是制动力大于所能实现的黏着力，而恢复黏着的有效手段就是降低制动力，以满足制动力小于所能实现的黏着力，而黏着一旦被破坏，单靠轮轨系统本身是不可能恢复的，需要借助外部机构才能使黏着恢复。电子防滑控制装置就是帮助轮轨间恢复黏着的外部装置之一。防滑控制装置的基本原理就是当检测到因外界因素或制动力过大引起黏着系数下降时，就立即实施控制，尽快使黏着恢复。这种恢复应尽量接近当时条件所允许的最佳黏着，即黏着恢复必须充分提高黏着利用率。

典型的防滑控制系统主要由控制单元、速度传感器、机械部件和防滑电磁阀组成。其中控制单元是防滑控制系统的核心部分。

思考与练习

1.简单说明防滑系统对列车速度的提高有没有限制性作用？

2.列车的防滑系统为何以速度差和减速度同时作为判断防滑的依据，简单说明原因。

3.空气制动防滑系统是如何进行防滑控制的？

4.简述列车防滑控制的必要性。

5.城轨车辆常用的防滑控制系统由哪几部分组成？

6.车辆制动时为什么会产生“滑行”？有什么危害？最重要的防滑方法是什么？

7.简述防滑控制的依据有哪些？

8.简述减速度判据控制的基本方法。