防滑器通常应用于高速机车车辆上，其作用是防止在车轮滚动过程中轮轨之间纵向发生严重的相对滑动，以免造成车轮踏面严重擦伤。制动滑行过程中，制动摩擦力随车轮转速的下降和摩擦系数的急剧增大而剧增，制动力却随轮轨间的纵向相对滑动的急剧增大而急剧减小。防滑器的作用就是要在这短暂的过渡阶段内检测出车轮即将发生滑行的可能，并及时动作，为制动缸内的空气加压以抵抗制动弹簧的压力，使制动力迅速降至小于粘着力，以防止车轮滑行、维持轮轨间的粘着；与此同时，防滑器立刻由发生作用状态恢复到停止作用状态，使制动缸及时再充风，尽量保持较大的制动力。

车辆采用防滑器后。 列车运行中防滑器如果频繁动作,将可能使制动距离延长,超过规定。因此,防滑器应在防止车轮滑行的同时,还应能充分利用轮轨间粘着,防止制动距离过多延长。当然,在粘着不良或粘着下降时,防滑器产生防滑作用,可能使制动距离有所延长。但这是与采用相同制动力而且粘着良好、不产生滑行的情况下相比的。如果没有防滑器作保障,就要降低粘着的利用程度,无法提高制动力,也就不能充分利用粘着、缩短制动距离,甚至有可能超过规定的制动距离要求,所以与这种情况相比,在安装防滑器以后,由于提高了制动力,即使防滑器产生作用,其制动距离也缩短了。

防滑控制与粘着的关系

高速列车运行时动能增加,为缩短制动距离,制动力也要增大。在粘着制动的情况下,当制动力超过轮轨间粘着力时,就会发生滑行。因此,防滑控制就要从控制制动力着手,使之不超过粘着力。理想的制动力控制应使制动减速度的变化趋势与粘着系数的变化趋势相同,并尽可能使制动减速度接近不发生滑行之最大减速度(最大减速度根据粘着系数求得,由减速力不超过粘着力, 以充分利用粘着。

防滑器的防滑控制依据

防滑器是在制动力即将超过粘着力时(此时防滑器判断为“滑行” ) ,降低制动力,使车轮继续处于滚动(或滚滑)状态,避免车轮滑行。因此,关键是在什么时候判断为“滑行” ,判断早了,会使制动力损失过大,无法充分利用轮轨间粘着,使制动距离延长较大; 判断晚了,就会产生滑行,造成踏面擦伤,起不到防滑作用。防滑器判断出“滑行”以后,控制制动力的变化过程也很重要。由于防滑器普遍采用了微处理器控制(或称微机控制) ,在判断出滑行后,并不是简单地降低制动力,而应通过对制动缸压力反复进行减压、保压和升压,最大限度地利用轮轨间粘着,所以防滑器对制动力的控制既要能防止滑行,又要不致使制动力损失过大,以利用粘着。

目前,已有的防滑器在判断“滑行”时,采用了许多判据,主要依据的是速度差、减速度、滑移率、减速度微分等,其中速度差和减速度采用的较为普遍。防滑器根据速度差、减速度等的变化,相应地控制制动力变化, 以避免车轮滑行。但无论采用哪一种判据,都应把防滑与充分利用粘着作为主要目的。 有时虽然两种防滑器采用相同的判据,但效果却不同,这主要是由于判据参数的选取和对制动力的控制过程不同造成的。

根据速度差变化控制制动力与粘着利用

速度差是某一轴的速度与车辆速度(由于车辆速度的取得比较困难,防滑器一般采用接近车辆速度的模拟速度,称之为参考速度)之差值。当速度差达到滑行判断标准时,即认为该轴发生滑行,防滑器进行防滑控制,控制该轴的制动力。防滑器根据速度差变化来控制制动力时,一般采用三个过程,即对制动缸压力进行减压、保压和增压。制动缸开始减压、保压、增压时,其速度差值的确定,对粘着利用是至关重要的这些防滑器速度差判据的值有采用变化值的,也有采用定值的,而且值的大小各不相同,而速度差值的大小与粘着利用有关。国外曾进行过试验,如德国的试验表明: 速度差大约为10 km /h～20 km /h时,可得到最佳粘着,并据此确定防滑器速度差判定值。

通过分析不难看出,低速时,判断滑行时的速度差值要小于高速时的速度差值。因此,随着车辆速度的提高,判断滑行时的速度差值也要稍有增加,即速度差判据的大小是变化的,这对充分利用粘着有利。

另外,制动缸减压、升压速度,即防滑排风阀的充排气速度以及减压、升压过程的控制,对粘着利用也很重要。防滑排风阀的充、排气速度根据制动缸的容积和阀的灵敏度而定,以不应使制动力降低过快(慢)或增加过快(慢)为原则,为了尽可能使制动力与粘着力相匹配,对制动缸压力减压、升压过程的控制,许多防滑器采用了阶段式(也称脉冲式)减压、升压的方式,每一过程由减压、保压、再减压、再保压(或增压、保压、再增压)不断地交替进行,直至达到下一个判断点为止。这种方式在高速时采用,应该说对粘着利用是有益的。低速时由于车轮很可能在瞬间即被抱死,很难采用这种控制方式。采用阶段式减(增)压的方式对控制单元(主机)和防滑排风阀的要求较高, 特别对防滑排风阀来说,要具有较高的动作灵敏度。

根据减速度变化控制制动力与粘着利用

当一辆车中某一轴或几根轴,甚至所有轴的减速度达到减速度判定标准时,防滑器即进行防滑控制,控制制动缸压力。特别是在所有轴同时滑行时,用速度差是无法判断的,必须用减速度判断。

与速度差判断标准值的确定一样,减速度判断值的确定对粘着利用也同样重要。 已有的防滑器一般都在减速度达到3 m /s～4 m /s时降低制动缸压力,而且作为定值,不受速度变化的影响。当然实际运用时, 根据不同情况,也可能不在3 m /s～4 m /s的减速度范围内取值。

对于制动缸压力的控制,根据减速度控制和根据速度差控制基本一样,都要考虑防滑和利用粘着。为了尽量减少使用减速度判断时,因防滑排风阀动作的延迟,使制动缸减压、升压作用滞后(有可能无法起到良好的防滑或充分利用粘着作用) ,有的防滑器(如安装在法国TGV—A上的防滑器)在减速度判断的同时,引入了减速度微分进行辅助判断。通常情况下,防滑器在a1时判断出“滑行”,经过延迟时间t后,使防滑排风阀动作,此时两个减速度值分别为a和a2’, 这就有可能造成减速度变化快的防滑作用不良,而减速度慢的粘着利用不良。引入减速度微分后,有可能解决上述问题。 ,假如根据a+ ( da /dt )·t 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粘着。这种判断方式对防滑器要求较高,控制单元要有相当快的计算速度。

根据滑移率的变化控制制动力与粘着利用

滑移率是某一轴的速度与参考速度之差值同参考速度的比值。当防滑器在采用滑移率作为判据时,认为某一轴的滑移率达到一定值时便发生滑行,即对该轴的制动缸压力进行控制。根据滑移率变化控制制动缸压力,应与根据前两种判据的变化进行控制的方法一样。国外的试验已经表明: 滑移率与粘着利用是密切相关的,控制滑移率可以达到充分利用粘着的目的。日本的试验表明: 当粘着系数为最大值时,滑移率随轨道情况而变化,干燥轨道滑移率一般在3% ～10% 范围内。所以认为“在微小滑行时,即使不产生缓解作用也会再粘着的情况很多” ,“对超过适当大小的滑行才进行缓解,能有助于缩短制动距离”。根据法国的试验结果 ,除轻微滑移(蠕滑)的滑移率为1. 5% 时达到一个粘着系数峰值外,与粘着有关的较大滑移, 滑移率在5% ～25% 之间有最大粘着值 。

在日本,曾专门进行过试验,试验中把滑移率维持在10% 以下。当滑移率低于5% 时,瞬时粘着系数变化很小; 滑移率超过5% 时,粘着系数趋于下降。这表明如果制动缸压力能被准确地控制,即车轮滑移率能维持在确定水平,粘着就能得到有效地利用。针对使用常规防滑器时制动距离延长较大,根据上述试验结果日本研制出了一种由滑移率控制的高性能防滑器,装在东日本铁路客运公司E501电动车组上进行试验。试验结果表明: 湿轨与干轨状态时(防滑器不动作)的制动距离比较,防滑器动作时的制动距离变化很小。从这个结果看,轮轨间粘着得到了有效利用。在日本Ky ushus—883系摆式车组(最大速度130 km /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器,仅延长3% 以内。现已计划将滑移率控制的防滑器应用于新干线。

综上所述,防滑器根据滑移率控制制动力,即通过控制制动力使车轮滑移率保持在某一范围内,完全能够在防止滑行的基础上,充分利用粘着,防止制动距离延长过大。

防滑器能否改善粘着

通过前面的分析不难看出,防滑器合理选择判据参数,正确控制制动缸压力,就能够达到充分利用轮轨间粘着的目的。防滑器控制得当,能起到改善粘着的作用。前面已经提到,保持车轮在钢轨上有微小的滑动(小滑移率) ,可充分利用粘着,这同时也应该对钢轨表面和车轮踏面有一定的清扫作用,改善轮轨的表面状况,从而改善轮轨间的粘着。所以高性能的防滑器是能改善粘着的。

结束语

既要防滑器有良好的防滑作用,又要能充分利用轮轨间粘着,二者缺一不可。要达到这个目的,可采取下列方法:

(1) 合理选择防滑判据,正确控制制动力的变化。防滑器是根据选择的判据来控制制动力的,选择何种判据,选择多大的判据参数,借以系统地控制制动缸的压力变化,对防滑作用和粘着利用非常重要。

(2) 根据滑移率控制制动力, 其充分利用粘着效果显著,而且有可能改善粘着。因此,防滑器防滑控制模式的选择是非常重要的,只有兼顾防滑作用和粘着利用,防滑器的设计才是成功的。

国内外快速货车的制动系统现状及防滑控制

国外铁路货物快运方面,走在前列并具有代表性的是德国和法国。德国铁路为了加强与公路竞争,从20世纪90年代起就利用既有线和新投入运营的高速铁路套跑的办法开行城市间特快货物列车,最高速度达到160 km /h。法国铁路货物列车的运行速度在80 年代开始普遍有了提高,快速货车的速度从100 km /h～120 km /h逐步提高到140 km /h～160 km /h,还试运过160 km /h 以上、甚至200 km /h 左右的高速货车。

国外的快速货车在速度达到160 km /h 时, 其制动系统主要采用盘形制动或盘形制动加踏面制动、无级空重车调整装置、防滑器等,有的还采用电空制动装置。防滑器的使用上,起初普遍采用机械式防滑器,但由于机械式防滑器存在一些固有的缺点以及快速货车上电源问题的解决(如用轴装发电机发电) ,使得微机控制防滑器的使用成为可能,因此,国外的快速货车开始采用微机控制防滑器。

近几年,我国先后开发了快运集装箱平车专列、P65快运行包专列、冷藏车专列等快速货物列车, 最高运行速度达到120 km /h。制动系统基本采用传统的货车制动方式,制动装置包括120型控制阀、旋压式制动缸、闸调器、空重车调整装置等,采用踏面制动。今后几年,我国还将发展最高速度为140 km /h～160 km /h 的快速货车,制动装置可能采用盘形制动或盘形制动加踏面制动、空重车调整装置、机械式防滑器、带闸调器的单元制动缸等。防滑器将首次在货车上使用。

防滑器的作用性能及我国防滑器的发展

我国于20世纪60年代中期研制出机械-电气式防滑器,安装在当时的25. 5 m客车上, 70年代后期改为机械-空气式,并在一批新设计的25. 5 m客车上装用过,后来均停止使用。90年代初开发出微机控制防滑器,应用在快速客车上。随着快速货车的开发研制, 又开始了快速货车用机械式防滑器的研制。

防滑器能根据判据参数的变化控制制动力,使其不超过粘着力,达到防滑目的。机械式防滑器只根据轮对的减速度变化控制制动力。 微机控制防滑器则可根据多个判据参数来控制制动力。 微机控制防滑器无论在作用性能还是在可靠性等方面,都远远优于机械式防滑器。

2. 1 机械式防滑器的结构组成及作用原理

机械式防滑器有机械-空气式和机械-电气式2种,主要由防滑传送器和防滑排风阀组成,还包括安全阀等其他附件。 空气式和电气式的差别只在于传送器和防滑排风阀之间的联络方式不同,后者在轮对滑行时接通电触点(需要有电源) ,驱动电磁阀使防滑排风阀排风。防滑排风阀分别通制动缸管、制动缸和副风缸,防滑传送器安装在轴头上,通过圆柱销与轴承压板相连。

2. 1. 1 车辆正常运行时的防滑器状态

当副风缸充风时,副风缸里的压力空气到防滑排风阀膜板下部室, 并经小孔到上部室, 然后经连接管到传送器的排气阀室。 由于膜板上部室及其连通容积很小,副风缸容积大,充风慢,所以膜板两侧形成不了足够的压力差用以克服膜板弹簧的安装力。因此,膜板保持与副风缸无压力时相同的位置,即下阀口关闭、上阀口开启。正常运行状态的防滑传送器,由轴承压板上的圆柱销带动转动盘、轴承套筒和主动杆等随车轴一起转动。由于调整弹簧的压紧力作用,使主动杆两端的小轴承落在凸轮盘斜面的坡谷里。当主动杆随车轴转动时, V 型斜面受到2个小轴承的推力作用,克服飞轮轴承阻力而带动凸轮盘和飞轮随车轴同步转动。此时,移动杆与排气阀之间保持一定间隙,因而排气阀呈关闭状态。保持防滑排风阀膜板上部压力不变,防滑排风阀下阀口关闭、上阀口开启,不影响制动缸在制动、缓解过程中的充气和排气作用。

2. 1. 2 出现滑行时防滑器的作用过程

当某轮对发生滑行时,其转速急剧下降,飞轮因其惯性作用,克服主动杆小轴承对凸轮斜坡的作用力和轴承的阻力等所形成的力矩作用,引起飞轮、凸轮盘与车轴、主动杆之间的相对转动,使小轴承带动主动杆沿斜坡上爬,推动移动杆左移,打开排气阀,使排气阀室和防滑排风阀膜板上部室的压力空气迅速排向大气。

防滑排风阀因膜板下方的副风缸压力空气来不及经小孔向膜板上部室补气,当膜板两侧形成一定压力差之后,克服膜板弹簧向下的作用力而使膜板上移, 迅速打开下阀口并关闭上阀口,遮断分配阀制动缸管与制动缸之间的通路,同时使制动缸的压力空气经下阀口排入大气。因而,制动力很快减小,使该轮对随即恢复正常转动状态,以免长时间滑行擦伤车轮。

2. 1. 3 滑行结束后防滑器的动作

当主动杆两端的小轴承爬到凸轮坡顶时,主动杆与橡胶挡接触,使飞轮与车轴间的相对转动停止。在轮对恢复正常转动过程中,飞轮与车轴之间出现反向相对转动时,在调整弹簧的作用下,小轴承带动主动杆沿凸轮斜坡下滑,又落到坡谷里。此后,凸轮斜坡又受到小轴承的反作用力,使飞轮与车轴继续保持同步转动,同时,移动杆右移,使排气阀口关闭,停止防滑排风阀膜板上部室排入大气过程, 于是下部副风缸压力空气向上部室充气。 当膜板两侧压力接近平衡时,靠膜板弹簧压力压下膜板,使防滑排风阀下阀口关闭、上阀口打开,恢复正常位置。

2. 2 机械式防滑器的缺点

虽然机械式防滑器在防止滑行、避免车轮擦伤方面具有一定作用,但由于机械式防滑器的固有模式,不可避免地存在以下缺点:

2. 2. 1 灵敏度低,防滑性能不稳定

主要表现在:

(1) 为防止误动作,一般设定的动作减速度较大( 3 m /s～4 m /s) ,有可能在已经出现滑行时,防滑器才动作。

(2) 机械式防滑器无法根据实际粘着条件调节制动力,防滑时使制动缸排气到零,这不但浪费了大量压缩空气,而且不能充分利用粘着,因而延长了制动距离。

(3) 防滑作用滞后时间长,造成防滑性能下降。特别在低速时,减速度达到一定值,瞬间即可使车轮抱死滑行,所以,低速时防滑性能必然下降。需要向制动缸充气时,防滑器也要经过一段时间才能使制动缸充气。

(4) 试验表明,在同样的试验条件下,开始动作时的减速度范围波动很大。

2. 2. 2 可靠性差

一是会发生误动作,二是容易损坏。因为它有相对转动磨耗,根据调查结果,经过一段时间运用之后, 有的机械式防滑器会失去作用。由于机械式防滑器存在上述一些缺点,所以很难从根本上解决防滑控制的问题。

2. 3 微机控制防滑器的结构组成及作用原理

微机控制防滑器主要由主机、防滑排风阀、速度传感器、压力开关等组成。防滑器主机根据速度传感器传来的脉冲信号计算出每根轴的速度、速度差、减速度及滑移率等,作为防滑控制的判据。根据这些判据的变化,判断车轮是否会出现滑行,进而控制防滑排风阀的排气、保压、充气作用, 达到控制制动缸压力,实现防滑的目的。

2. 4 微机控制防滑器的特点

微机控制防滑器几乎弥补了机械式防滑器的所有不足之处,普遍具有以下几个特点:

(1) 运算速度快,控制精度高。微机控制防滑器并不是等到已经造成滑行,才控制制动力,而是在将要出现滑行之前,即对制动缸压力进行调整。

(2) 可采用多判据进行防滑控制。

(3) 能充分利用粘着。微机控制防滑器能够根据粘着的变化,有效地控制制动力,并不是一旦排气,就简单地使制动缸压力降到零。

(4) 具有故障检测和存储功能。

(5) 速度传感器无磨耗。

(6) 系统响应时间短。

(7) 防滑作用的可靠性较高。

我国快速货车上使用防滑器的可行性

我国已经完成或正在开发的快速货车,主要是最高运行速度为120 km /h的货车,均不安装防滑器,这一点已基本达成共识。正在研制的140 km /h～160 km /h 快速货车,将采用全新的制动系统,类似于快速客车,可能采用盘形制动或盘形加踏面制动,制动缸也将是带闸调器的单元制动缸,计划安装机械式防滑器。对于依靠粘着制动实现减速停车的快速货车来说,防滑器是一种安全保障装置。制动过程中,制动力超过粘着力,车轮就会出现滑行。随着列车速度的提高,如果制动力和减速度增大,车轮出现滑行的可能性也将增大。 即使按照理论上的粘着变化趋势设计制动力,也有可能出现滑行,因为粘着系数是随机变化的,当粘着不良时,制动力就有可能超过粘着力,从而造成车轮滑行。特别是车辆速度提高时,一旦出现滑行,造成的危害会更大,所以为防止车轮擦伤、保障行车安全,快速车辆应当安装防滑器。从国外的经验看,当货车速度提高到160 km /h以上, 均安装了防滑器。因此,我国在发展140 km /h～160 km /h 的快速货车时,也应当考虑安装防滑器。

机械式防滑器在我国还没有成熟的产品,而且由于机械式防滑器本身一些不可克服的缺点,难以较好地解决防滑控制的问题,有可能造成制动距离超限、防滑作用失效等问题,再加上我国整体工艺水平较低,国产的机械式防滑器性能可能更差,所以应慎重考虑防滑器的使用问题。

国外在快速货车上采用机械式防滑器时,使用的是客车上运用过的成熟产品,而且有较高的工艺水平做保证,大大提高了防滑器的可靠性。况且随着快速货车不断采用新技术,如电空制动等,供电电源问题的解决(如采用轴头发电机发电) ,随之便采用了微机控制防滑器。所以,要最终解决快速货车的防滑问题,必须采用微机控制防滑器。

目前条件下,我国140 km /h～160 km /h 快速货车只能安装机械式防滑器,这方面可借鉴快速客车的经验,我国快速客车防滑器的使用经过了国外引进和自行研制同时进行的过程。快速货车防滑器的使用,在国内没有成熟产品的条件下,也不妨引进国外成熟的产品,因为防滑器是一种安全保障系统,如果防滑器本身不可靠,必然会增加新的不安全因素。待国产机械式防滑器成熟后再采用。国内外快速货车的编组形式基本上都采用快速货车之间的连挂或与旅客车辆连挂,所以容易采用新技术,制约新技术的使用因素主要是成本及维修等问题。如果随着技术的发展,将来我国快速货车解决了电源问题,并具备了运用条件,也应使用微机控制防滑器。

结论

综上所述,我国140 km /h～160 km /h 快速货车应安装防滑器,防滑器的使用上,应遵循以下原则:

(1) 目前条件下,应考虑安装机械式防滑器,但也应考虑到机械式防滑器的不足之处。

(2) 在国内没有成熟的机械式防滑器的情况下, 可使用国外成熟的产品。 同时加快国产机械式防滑器的研制和完善,尽快达到能够装车运用的水平。

(3) 微机控制防滑器能够较好地解决快速货车的防滑问题,将来条件成熟时,应采用微机控制防滑器。