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摘 要： 空气制动仍然是当前各国列车所采取的主要制动方式之一，而实现空气制动主要是通过气缸来实现的，由于气缸的压力状态变化，也对应着车轮在紧急制动时，车轮圆周方向的切向力变化，反映出车轮是空转、微滑还是打滑的实际的运行状态，因而，对气缸压力状态实现实时监测，就具有相当现实的意义，可以从本质上改良我国高速客车在满足快速化、高速化进程中的制动性能，在防滑技术上有所突破。因而，这一新技术在我国高速列车上的应用，具有相当现实的实用价值。
关键词： 防滑系统；气缸监测状态；气缸干扰观测器
中图分类号：U260.35 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0910021－02
1 概述
铁路客车提速和重载是我国铁路运输的主要发展方向。从根本上说，这两者均是对列车制动系统性能的考核。实质上，制动系统是铁路客车最高等级的安全保障系统。在任何恶劣环境下，客车发生任何故障时，制动系统都必须保证客车在规定的制动距离内停车。但是提速以来列车脱轨、断钩事故仍有所发生。其中有的事故是在客车制动工况下发生的，因此提高我国铁路客车的制动性能，特别是长大客车的制动性能己是迫在眉睫的当务之急，在国际上也是各国铁路竟相研究的热点。另一方面，旅客列车快速化、高速化进程中制动系统的发展仍是三大关键技术之一，而其中最为关键的问题，也是世界各国还在集中研究的问题是进一步改进电子防滑器性能，以便在制动过程中尽可能充分地利用最佳粘着。由于我国铁路高速客车当前仍然以通过高压气缸来实现对列车制动，在整组列车每列车厢均采用电子防滑装置，整列车组的制动，实际上也是通过各列车轮的制动来实现的，因而电子防滑器的工作状态及性能，对于制动的实际效果有着重要影响。在列车实际运行中，对于电子防滑器的工作状态，列车操纵人员就必须随时掌握其基本信息与正常工作的指数，以便在危险时实行安全有效的紧急制动，以防止列车打滑，引发事故与造成损耗。
通常，高速客车在运行过程中发生打滑，是与轮轨间的滑移率有密切关系的。笔者经过仿真研究发现，高速客车在制动过程中，如果轮轨间滑移率超过了最佳滑移率，车轮就会打滑甚至空转，损伤车轮和轨道。为避免这种现象的产生，笔者在大量研究国内外对于解决这一问题的当前最实用技术的基础上，及及通过实际运行模拟试验，建立了制动气缸压力的非线性模型，在当前防滑系统装置上，针对气缸设计了一个干扰观测器作为对于气缸的状态进行实时监测，即时对黏着系数进行估计，运用递归最小二乘法预测切向力系数与滑移率关系曲线的斜率，采用滑模变结构与逻辑门限值相结合的控制方法对系统进行控制。仿真结果表明，这种方法能够有效地使车轮圆周方向的切向力保持在最大值附近，使滑移率保持在最佳值附近，防止因车轮打滑而损伤轮轨，达到了期望的控制效果。也就是在当前电子防滑器的基础上，增加一个干扰观测器，对制动气缸压力状态进行实时监测，并预测切向力系数与滑移率并系曲线的斜率。从而确保切向力保持大最大值附近，使滑移庇保持在最佳值附近，防止因车轮打滑打滑损伤轮轨。
这一技术具有很强的实际应用性，由于所对应的各项状态参数采集均是通过电子装置实现，以及逻辑运算来获得临界值，并将对电子防滑系统的状态监控功能集成到一个模块，因而具有成本低、经济实用的特性。
2 设计方案
1）笔者根据我国铁路高速列车的安全运行基本规程（详见安全标准），在满足我国列车紧急制动时，必须保障列车的安全性、舒适性、可靠性这三个基本原则的前提上，针对现行的电子防滑系统，对气缸工作状态与车轮空转与打滑之间缺乏有效的直接联系监测与控制，从而所提出的这一改良设计。改良目的是为了推动我国旅客列车快速化、高速化进程中制动系统的发展，在防滑的核心技术应用上有所突破。从而提高列车运行整体的安全性、舒适性与可靠性。即这一设计方案考虑了以下基本原则：
① 安全性原则
笔者在研究国内外比较有代表性的列车型号的紧急制动距离的基础上，考察各种高速列车在必要的安全裕量的情况，对紧急制动距离的要求。以及气缸压力的非线性变化，建立相应的确保安全原则上的紧急制动模型。具体参数详见表1：
当然，要达到最短的制动距离，就必须有足够高的制动功率。这是满足安全原则的前提。
② 舒适性原则
由于高速列车的制动力作用以及减速度远大于普通列车，因而，制动力作用时间以及减速度也是恒量舒适性的重要指标之一。要确保紧急制动下列车车轮不发生空转以及打滑，列车在这一工况下，确保乘客舒适，无强烈震动和噪声发生，显然，存在一个较佳的适应值。由于高速列车制动系统采用微机控制的电气指令装置和盘形制动装置，因而对纵向要求的舒适性指标较高。这一数值范围详见表2：
③ 可靠性原则
高速客车必须保证有随时可停车的足够的制动力。针对各种不良状态，紧急制动均能保证在良好的灵敏的反应范围里，确保列车安全停止运行。其中不良状态主要表现为：硬件电路设计包括计算机网络或电空制动故障、供電网络失电（无动力制动）、下坡道停车时的可靠性设计等等。在表一所列出的不良状态距离，就是考虑了可靠性的纯空气制动作用距离。在制动系统中，就必须考虑该距离设计，将失电情况下空走时间延长和盘形制动摩擦因数误差对延长制动距离的影响并考虑在内，例如京沪300km/h高速列车按计算距离4100m增加10%左右后为4500m，可以保证在失电情况下制动停车的可靠性。而对气缸干扰观测器的设计，就是在充分考虑不良状态下，防滑制动系统在保障可靠性的前提下，对于气缸状态参数的监测，而且是在满足以上工况要求下，对于气缸的正常工作状态即时反映。若无法满足这一条件，就会出现及时的报警信号。提示气缸工作状态可能无法保障列车的防滑制动系统，在紧急制动时的足够动力供给。无法保障车轮切向力保证在最佳值范围，车轮有可能发生空转与打滑。
2）笔者注意到，在现有的防滑系统满足紧急制动时，气缸压力变化与车轮切向力变化是有直接关联的，而车轮切向力变化，又与车轮实际状态有密切关系，车轮是否处于空转以及打滑状态，还是微滑状态，通过车轮切向力变化能直观地表现出来。而车轮切向力与车轨粘着系数又有密切关联。在考虑这些关系的基础上，笔者进行了模拟试验，并在此基础上建立气缸非线性变化模拟模型。气缸干扰观测器就是基于这一基本思路设计的。设计的目的就是能直观地监测与控制气缸的压力状态。从而确保在紧急制动时，车轮切向力保持在最佳范围时。以有效防止车轮发生空转或打滑。
3）在设计上，结构采用滑模变结构与逻辑门限值相结合的控制系统。滑模变结构有利于根据气缸压力变化进行随机适应性调整，从而确保车轮圆周方向的切向力保挂在最佳值。各接触点与响应点，以及逻辑运算电路，都集成在一个同一块电路板上，实行对防滑系统的状态监测与控制，实现模块功能集成化，使得基本的电路保持低成本，经济和实用。核心部件主要是要对采集的数据进行分析与逻辑运算。主要是通过逻辑门电路实现。然后根据逻辑门限值，来确定响应值。
3 硬件设计
气缸压力干扰观测装置采取AVR系列单片机MEGA8作为控制核心。MEGA8是增强型RASC结构内载FLAS的单片机，具有可以在线编程，高速，低功耗、抗干扰能力强以及总成本低等特点。同时还将大量的模块整合到片内。适合构成较完整的片上系统。其供电电压只需通过微电压控制即行，一般在1.5至5.5伏的弱电压范围里，只需单节锂电池就能实现直接供电，无需复杂的稳压设置。
4 通信协议
气缸压力干扰观测装置及操作人员遥控装置数据传输，可以基于同一无线电频率来开展工作。采用双向通道的访问与应答方式来实现数据传输。观测装置应答气缸压力状态，并通过逻辑运算，将数据转换成车轮圆周方向切向力状态。通过对预测到的车轨粘着系数，以及其它状态参数，整合到逻辑运算电路，从而计算出车轮圆周方向的切向力最佳值。这样就可以供列车操纵人员及时了解气缸压力在列车运行中的动态信息。并应对紧急状态下，启动防滑系统时，可以根据监测的数据，实行安全性、舒适性紧急制动，避免车轮在紧急制动时发生空转和打滑。因此，通信传输采取CRC循环纠错方式。通信协议按照安全性原则设计。在防滑系统的设备发生故障，气缸压力发生非常态变化时，就可以及时的提示操作人员注意，从而有效地避免故障进一步升级。
5 结语
本设计通过合理选择元件，围绕低成本，低功耗，体积小等原则，采用含有高度集成的逻辑电路的电子装置作为气缸压力干扰观测装置，在各种型号列车上均具有一定的通用性，实际上，对高速列车在紧急制动的防滑系统装置，有了积极的技术改进，降低了调车人员的劳动强度，使相关作业标准也有所降低，因而，在我国高速列车上，具有较强的实用价值。
参考文献：
[1]张卫华，高速轮轨粘着机理的试验研究[J].铁道学报，2000（4）：20-25.
[2]罗仁、曾京，铁道车辆防滑控制仿真[J].机械工程学报，2008，44（3）：29-34.
[3]魏伟、文辉，列车空气制动系统数值仿真[J].铁道学报，2003，25（1）：38-42.
[4]耿志修、李学峰、张波，大秦线重载列车运行仿真计算研究[J].中国铁道科学，2008，29（2）：88-93.
关键词： 防滑系统；气缸监测状态；气缸干扰观测器
中图分类号：U260.35 文献标识码：A 文章编号：1671－7597（2011）0910021－02
1 概述
铁路客车提速和重载是我国铁路运输的主要发展方向。从根本上说，这两者均是对列车制动系统性能的考核。实质上，制动系统是铁路客车最高等级的安全保障系统。在任何恶劣环境下，客车发生任何故障时，制动系统都必须保证客车在规定的制动距离内停车。但是提速以来列车脱轨、断钩事故仍有所发生。其中有的事故是在客车制动工况下发生的，因此提高我国铁路客车的制动性能，特别是长大客车的制动性能己是迫在眉睫的当务之急，在国际上也是各国铁路竟相研究的热点。另一方面，旅客列车快速化、高速化进程中制动系统的发展仍是三大关键技术之一，而其中最为关键的问题，也是世界各国还在集中研究的问题是进一步改进电子防滑器性能，以便在制动过程中尽可能充分地利用最佳粘着。由于我国铁路高速客车当前仍然以通过高压气缸来实现对列车制动，在整组列车每列车厢均采用电子防滑装置，整列车组的制动，实际上也是通过各列车轮的制动来实现的，因而电子防滑器的工作状态及性能，对于制动的实际效果有着重要影响。在列车实际运行中，对于电子防滑器的工作状态，列车操纵人员就必须随时掌握其基本信息与正常工作的指数，以便在危险时实行安全有效的紧急制动，以防止列车打滑，引发事故与造成损耗。
通常，高速客车在运行过程中发生打滑，是与轮轨间的滑移率有密切关系的。笔者经过仿真研究发现，高速客车在制动过程中，如果轮轨间滑移率超过了最佳滑移率，车轮就会打滑甚至空转，损伤车轮和轨道。为避免这种现象的产生，笔者在大量研究国内外对于解决这一问题的当前最实用技术的基础上，及及通过实际运行模拟试验，建立了制动气缸压力的非线性模型，在当前防滑系统装置上，针对气缸设计了一个干扰观测器作为对于气缸的状态进行实时监测，即时对黏着系数进行估计，运用递归最小二乘法预测切向力系数与滑移率关系曲线的斜率，采用滑模变结构与逻辑门限值相结合的控制方法对系统进行控制。仿真结果表明，这种方法能够有效地使车轮圆周方向的切向力保持在最大值附近，使滑移率保持在最佳值附近，防止因车轮打滑而损伤轮轨，达到了期望的控制效果。也就是在当前电子防滑器的基础上，增加一个干扰观测器，对制动气缸压力状态进行实时监测，并预测切向力系数与滑移率并系曲线的斜率。从而确保切向力保持大最大值附近，使滑移庇保持在最佳值附近，防止因车轮打滑打滑损伤轮轨。
这一技术具有很强的实际应用性，由于所对应的各项状态参数采集均是通过电子装置实现，以及逻辑运算来获得临界值，并将对电子防滑系统的状态监控功能集成到一个模块，因而具有成本低、经济实用的特性。
2 设计方案
1）笔者根据我国铁路高速列车的安全运行基本规程（详见安全标准），在满足我国列车紧急制动时，必须保障列车的安全性、舒适性、可靠性这三个基本原则的前提上，针对现行的电子防滑系统，对气缸工作状态与车轮空转与打滑之间缺乏有效的直接联系监测与控制，从而所提出的这一改良设计。改良目的是为了推动我国旅客列车快速化、高速化进程中制动系统的发展，在防滑的核心技术应用上有所突破。从而提高列车运行整体的安全性、舒适性与可靠性。即这一设计方案考虑了以下基本原则：
① 安全性原则
笔者在研究国内外比较有代表性的列车型号的紧急制动距离的基础上，考察各种高速列车在必要的安全裕量的情况，对紧急制动距离的要求。以及气缸压力的非线性变化，建立相应的确保安全原则上的紧急制动模型。具体参数详见表1：
当然，要达到最短的制动距离，就必须有足够高的制动功率。这是满足安全原则的前提。
② 舒适性原则
由于高速列车的制动力作用以及减速度远大于普通列车，因而，制动力作用时间以及减速度也是恒量舒适性的重要指标之一。要确保紧急制动下列车车轮不发生空转以及打滑，列车在这一工况下，确保乘客舒适，无强烈震动和噪声发生，显然，存在一个较佳的适应值。由于高速列车制动系统采用微机控制的电气指令装置和盘形制动装置，因而对纵向要求的舒适性指标较高。这一数值范围详见表2：
③ 可靠性原则
高速客车必须保证有随时可停车的足够的制动力。针对各种不良状态，紧急制动均能保证在良好的灵敏的反应范围里，确保列车安全停止运行。其中不良状态主要表现为：硬件电路设计包括计算机网络或电空制动故障、供電网络失电（无动力制动）、下坡道停车时的可靠性设计等等。在表一所列出的不良状态距离，就是考虑了可靠性的纯空气制动作用距离。在制动系统中，就必须考虑该距离设计，将失电情况下空走时间延长和盘形制动摩擦因数误差对延长制动距离的影响并考虑在内，例如京沪300km/h高速列车按计算距离4100m增加10%左右后为4500m，可以保证在失电情况下制动停车的可靠性。而对气缸干扰观测器的设计，就是在充分考虑不良状态下，防滑制动系统在保障可靠性的前提下，对于气缸状态参数的监测，而且是在满足以上工况要求下，对于气缸的正常工作状态即时反映。若无法满足这一条件，就会出现及时的报警信号。提示气缸工作状态可能无法保障列车的防滑制动系统，在紧急制动时的足够动力供给。无法保障车轮切向力保证在最佳值范围，车轮有可能发生空转与打滑。
2）笔者注意到，在现有的防滑系统满足紧急制动时，气缸压力变化与车轮切向力变化是有直接关联的，而车轮切向力变化，又与车轮实际状态有密切关系，车轮是否处于空转以及打滑状态，还是微滑状态，通过车轮切向力变化能直观地表现出来。而车轮切向力与车轨粘着系数又有密切关联。在考虑这些关系的基础上，笔者进行了模拟试验，并在此基础上建立气缸非线性变化模拟模型。气缸干扰观测器就是基于这一基本思路设计的。设计的目的就是能直观地监测与控制气缸的压力状态。从而确保在紧急制动时，车轮切向力保持在最佳范围时。以有效防止车轮发生空转或打滑。
3）在设计上，结构采用滑模变结构与逻辑门限值相结合的控制系统。滑模变结构有利于根据气缸压力变化进行随机适应性调整，从而确保车轮圆周方向的切向力保挂在最佳值。各接触点与响应点，以及逻辑运算电路，都集成在一个同一块电路板上，实行对防滑系统的状态监测与控制，实现模块功能集成化，使得基本的电路保持低成本，经济和实用。核心部件主要是要对采集的数据进行分析与逻辑运算。主要是通过逻辑门电路实现。然后根据逻辑门限值，来确定响应值。
3 硬件设计
气缸压力干扰观测装置采取AVR系列单片机MEGA8作为控制核心。MEGA8是增强型RASC结构内载FLAS的单片机，具有可以在线编程，高速，低功耗、抗干扰能力强以及总成本低等特点。同时还将大量的模块整合到片内。适合构成较完整的片上系统。其供电电压只需通过微电压控制即行，一般在1.5至5.5伏的弱电压范围里，只需单节锂电池就能实现直接供电，无需复杂的稳压设置。
4 通信协议
气缸压力干扰观测装置及操作人员遥控装置数据传输，可以基于同一无线电频率来开展工作。采用双向通道的访问与应答方式来实现数据传输。观测装置应答气缸压力状态，并通过逻辑运算，将数据转换成车轮圆周方向切向力状态。通过对预测到的车轨粘着系数，以及其它状态参数，整合到逻辑运算电路，从而计算出车轮圆周方向的切向力最佳值。这样就可以供列车操纵人员及时了解气缸压力在列车运行中的动态信息。并应对紧急状态下，启动防滑系统时，可以根据监测的数据，实行安全性、舒适性紧急制动，避免车轮在紧急制动时发生空转和打滑。因此，通信传输采取CRC循环纠错方式。通信协议按照安全性原则设计。在防滑系统的设备发生故障，气缸压力发生非常态变化时，就可以及时的提示操作人员注意，从而有效地避免故障进一步升级。
5 结语
本设计通过合理选择元件，围绕低成本，低功耗，体积小等原则，采用含有高度集成的逻辑电路的电子装置作为气缸压力干扰观测装置，在各种型号列车上均具有一定的通用性，实际上，对高速列车在紧急制动的防滑系统装置，有了积极的技术改进，降低了调车人员的劳动强度，使相关作业标准也有所降低，因而，在我国高速列车上，具有较强的实用价值。
参考文献：
[1]张卫华，高速轮轨粘着机理的试验研究[J].铁道学报，2000（4）：20-25.
[2]罗仁、曾京，铁道车辆防滑控制仿真[J].机械工程学报，2008，44（3）：29-34.
[3]魏伟、文辉，列车空气制动系统数值仿真[J].铁道学报，2003，25（1）：38-42.
[4]耿志修、李学峰、张波，大秦线重载列车运行仿真计算研究[J].中国铁道科学，2008，29（2）：88-93.