电客车牵引制动架控与车控研究

电客车牵引制动架控与车控研究

罗镇堂

西门子交通技术（北京）有限公司广州分公司 广东广州 510620

摘要：随着我国地铁行业的蓬勃发展，为缓解交通压力，地铁成为最关键的交通工具。而地铁的运行安全与车辆性能密不可分，因此地铁车辆的可靠性越来越引起人们的重视。在运营安全与列车性能可靠性是地铁交通的两大考核指标，而运营安全与列车性能可靠性之间具有密切关系。列车性能可靠性直接影响到运营安全。本文通过介绍地铁电客车车控与架控在牵引系统、制动系统、车下设备、故障影响等方面的优缺点，从而对比电客车架控与车控的区别。

关键词：电客车;牵引系统;车控研究

引言

牵引系统对于地铁车辆的作用十分重要，不仅可以给地铁车辆提供所需要的牵引力，而且可以给车辆提供电制动力，但当车辆牵引系统出现异常，则会影响到很多方面，尤其与行车安全、准时到达等方面密切相关。

1电客车的牵引及制动

1.1动力学仿真模型

在惰行工况下，对电客车进行动力学仿真研究，主要以车辆垂向、横向的动力学指标作为计算对象。可以直接采用标准惰行工况模型完成常规动力学性能指标的计算工作。但是如果要对电客车的纵向动力学性能、悬挂部件纵向力进行仿真计算，则需要引入牵引制动工况仿真模型。在构建电客车牵引制动模型的过程中，需要从电客车的转向架采集模型参数。其中，一系悬挂为轴箱的V型弹簧，二系悬挂由横向和垂向减震器、中心牵引装置、抗侧滚扭杆等部分组成。在构建整车动力学仿真模型后，需要对模型合理性进行验证，采用标准模型验证方法，对其动力学指标进行判断，确定电客车运行稳定性指标。在电客车制动过程中，主要采用电制动与空气制动共同作用的方式。由于电制动产生的制动力会随车辆速度变化，速度越低时产生的制动力越小，因此在地铁制动过程中需要配合采用空气制动系统。另一方面，提升制动力可以缩短电客车的制动距离，但并不是制动力越大效果越好。在动力学仿真模型设计过程中，需要遵守粘着定律，如果制动力大于轮轨粘着力，则会引发轮轨滑行问题，导致车轮被闸瓦抱死，不仅会影响制动效果，还容易对轨面造成损伤。

1.2标准模型验证

在标准模型验证过程中，主要是对电客车的基本动力学性能进行判定，包括横向平稳性指标、垂向平稳性指标、蛇行稳定性指标、轮轴横向力指标、轮重减载率指标和脱轨系数指标等。其中，稳定性指标验证是重点工作。电客车的蛇行稳定性指标计算方法较为简单，可截取一段50m长的不平顺时域谱作为激扰，电客车匀速通过不平顺路段之后继续在直道上运行，主要根据刚体位移收敛及发散特性对车辆蛇行失稳情况进行判断。

2地铁车辆牵引制动工况的仿真

2.1模型简化

为方便计算，可以对地铁车辆牵引制动模型进行简化，将让牵引力和制动力仅负责本车运行，在模型四个轮轴分别施加牵引力和制动力，对典型城市地铁轨段牵引制动工况进行模拟，地铁车辆运行过程中前一站的启动到后一站的停止。从仿真计算结果来看，地铁车辆的牵引制动工况与理论计算结果基本一致，说明设计的牵引制动工况符合城市地铁运行的实际情况，对地铁车辆动力学性能设计具有参考价值。可以通过对牵引制动工况仿真结果进行计算分析，更好的认识地铁车辆在牵引制动工况下的动力学特点，从而为相关设计工作提供参考，优化地铁车辆的动力学性能。

2.2工况设计

根据地铁车辆的线路运量要求，在牵引制动系统设计过程中，要保证车辆具有足够高的牵引制度加速度，一般情况下要达到0.8~1m/s²，在紧急制动情况下要达到1.2~1.3m/s²。且要保障地铁车辆牵引制动加速度并不受载客量和轮轨黏着变化等影响，出现明显的变化。根据这一要求，在地铁车辆牵引制工况的设计过程中，为了更好的确定实际工况条件下悬挂部件受力情况，需要明确轮轴牵引力和制动力的方向及大小。在仿真工况设计过程中，地铁车辆牵引制度加速度取值为1m/s²。从理论计算结果来看，地铁车辆牵引工况下的行驶速度为0~80km/h，在速度为0~40km/h阶段的加速度逐渐增加值1m/s²，然后开始减小，经过32s时间，运行距离为427m。在惰行工况下，地铁车辆行驶速度为80km/h，经过19s，行程为423m。在制动工况下，地铁车辆运行速度从80km/h逐渐下降为0，加速度为-1m/s²，经过22.5s的时间停止，行程为250m。从仿真结果来看，地铁车辆牵引工况下的行驶速度为0~77.8km/h，加速度增加至0.95m/s²后开始减小，行驶时间32s，行程为443m。在惰行工况下，车辆运行速度为77.8km/h，运行时间19s，行程410m。在制动工况下，车辆运行速度从77.8km/h逐渐下降为0，加速度为-0.995m/s2，经过22s停止运行，行程为255m。

3不同控制方式与不同制动的配合

3.1架控的牵引+车控的制动

当转向架电制动力失效，使用空气制动时，避免因制动力过度叠加而导致车轮抱死。在某些情况下，需要切断故障车辆另一个转向架的电制动力，造成电制动力的浪费，增加了机械制动的磨损。因此这种方法很少采用。

3.2车控或架控的牵引+架控的制动

VVVF牵引逆变器故障不会导致转向架上制动力的叠加，电空制动的匹配性能好。

3.3牵引为车控+制动为车控

单节车VVVF牵引逆变器故障，单节车制动力全部为空气制动，单节车制动力不会叠加。

4列车车底的比较

通过对车下设备的比较，得出车控式列车中每节动车只使用了一台VVVF牵引逆变器，车底剩余空间较大，设备布局更合理；而架控所使用的VVVF牵引逆变器数量多于车控，车底的空间比较紧密。由于一节车有两个转向架，所以架控所使用的VVVF牵引逆变器数量是车控所使用VVVF牵引逆变器数量的两倍，架控的车底设备安装比较紧凑，车底的剩余空间较小，不利于列车车底设备的安装调试及日常维护。

5故障影响及冗余性

5.1车控式

每辆车有一套制动控制单元，对于小编组车辆来说，安全性影响比较大,其动拖比为2:1，若其中一套制动系统故障，则列车会损失该节车的制动力，其制动距离也会延长，此时列车需要限速，清客，回库检修。如果列车牵引采用车控方式，部件故障使得整辆列车故障的几率较小。如一列地铁列车在AW3工况下，共四台VVVF牵引逆变器，每台VVVF牵引逆变器的最大牵引力45kN， 列车的最大牵引力180kN，行驶过程中一台VVVF牵引逆变器故障，剩下三台牵引逆变器正常工作，导致列车剩余135kN的牵引力。

5.2架控式

每节车有2套制动控制单元，对于小编组列车，一套制动系统故障，列车仅失去单个转向架的制动力,其动拖比为1:1，若其中一套制动系统故障，则列车只会损失该节车的一个转向架的制动力，对制动距离的影响较小。如果列车牵引采用架控方式，相对车控每节动车增加了一台VVVF牵引逆变器，将会增加整车发生故障的几率。当一台VVVF牵引逆变器发生故障时，则列车只会损失该节车的一个转向架的牵引力。如一列地铁列车在AW3工况下，共八台VVVF牵引逆变器，每台VVVF牵引逆变器的最大牵引力22.5kN， 列车的最大牵引力180kN，行驶过程中一台VVVF牵引逆变器故障，剩下七台牵引逆变器正常工作，导致列车剩余157.5kN的牵引力。

结束语

架控列车因单节动车要增加一台VVVF牵引逆变器，采购和维护成本增加，车下空间紧张，但牵引性能强，且故障时能保存较多动力。车控列车车下VVVF逆变器较少，当发生故障时损失动力较多，但维护故障点相对较少。车控列车相比较而言维护成本低，且车下可扩展性较强。车控列车车下VVVF逆变器较少，当发生故障时损失动力较多，但维护故障点相对较少。车控列车相比较而言维护成本低，且车下可扩展性较强。对于制动系统来说，车控的制动系统较优于架控制动系统，但架控制动系统的控制精度高于车控的制动系统，在控制原理上有更强的安全性和可靠性。

参考文献

［1］岳远洋（1995—），男，山东菏泽人，学士，助理工程师，主要从事轨道交通方面的研究。

［2］杜广林（1987—），男，山东青岛人，硕士，工程师，主要从事轨道交通方面的研究。

［3］王磊．电客车司机控制器的研究［D］．冈崎: 愛知学泉大学，2015．