郑州地铁4号线车辆启动原理分析与冲击优化

程相勋，赵慧阳，关琼浩

(郑州地铁集团有限公司，河南 郑州 450000)

随着我国城市轨道交通的快速发展，人们日益关注列车运行品质，对城轨车辆运行的舒适性与稳定性提出了更高的要求。而列车冲击率就是衡量舒适性的重要指标，因此车辆启动冲击的检测、控制与优化便成为当前各大地铁运营单位新车调试阶段的重要内容。

由于列车冲击反映的是车辆所受合力变化率的变化趋势，而车辆合力主要包括牵引力、制动力和运行阻力，因此研究车辆启动冲击就必然要研究三者间的交互作用关系[1]。通过建立车辆启动作用力-时间曲线，准确快速评价不同力学关系下车辆的运行品质，进而构建良好的车辆启动控制逻辑，不仅能使乘客获得舒适的乘坐体验，对于提升新车调试质量，保证列车运行安全都具有重要意义。

郑州地铁4号线车辆为B型车体，采用4动2拖编组方式，最高运行速度80 km/h，平均启动加速度(0～40 km/h)≥1.0 m/s2，平均加速度(0～80 km/h)≤0.6 m/s2，列车纵向冲击率≤0.75 m/s3，线路最大坡度为35‰。

调试初期，技术人员发现该车启动冲击较为明显。经测试，在“保持制动缓解阈值为130 kN，牵引力上升斜率0.75，保持制动缓解斜率0.75，满级位启动”情况下，列车启动冲击为0.709 m/s3，符合“列车纵向冲击率≤0.75 m/s3”的设计要求。但为确保列车运营后能够使乘客获得更为舒适的乘坐体验，整合车辆、牵引、制动、网络等多专业力量联合攻关，开展大量的理论分析和试验测试，以达到运营安全、运营效率与乘坐舒适度的最优化。

3.1 车辆受力特点分析

为明确车辆启动冲击影响因素，开展车辆启动受力状况分析，其特点如下。

3.1.1车辆所受牵引力的特点

当牵引系统收到网络发出的牵引指令和级位需求时，便开始以速率k1线性增长。为确保车辆能够在坡道上安全启动，设置保持制动缓解阈值F0，即当牵引力F增长至当前载荷G(含车辆自重)在极限坡度θ上所受下滑力大小时，网络才会发出保持制动缓解指令(记该时刻为t1)。随后，牵引力继续线性上升，直至达到网络级位要求(记该时刻为t3)。

3.1.2车辆所受保持制动力的特点

列车停稳后，车辆持续受到保持制动力B0作用，以防止溜车(含极限坡道情况下)。当接收到保持制动缓解信号后，制动系统控制相关阀件放气，制动缸压力以斜率k2线性下降，当制动缸压力下降至25 kPa时，可认为保持制动完全退出(记该时刻为t4)。

3.1.3车辆所受运行阻力的特点

车辆启动时受到的运行阻力主要由基本阻力和附加阻力组成，由于受多重因素影响，且计算条件较为复杂，因此对于车辆运行阻力的计算，主要依据TB/T 1407—1998《列车牵引计算规程》中推荐的经验公式来进行[2]，其计算公式见式(1)～式(4)：

W0=a+bV+cV2

(1)

(2)

Wi=i

(3)

W=m(W0+Wr+Wi)

(4)

式中：W0——单位基本阻力；

V——车速；

a、b、c、A——试验测定常数；

R——曲线半径；

i——坡道坡度；

W——车辆运行阻力；

m——车辆质量(含自重及负载)。

由于基本阻力计算时已包含隧道附加阻力，因此车辆附加阻力主要考虑曲线附加阻力Wr和坡道附加阻力Wi的影响[3]。

3.2 车辆启动作用力-时间曲线分析

根据牵引、制动特性曲线，结合受力特点分析，绘制车辆启动作用力-时间曲线，具体如图1所示。其中，Δt14为保持制动缓解用时，t2为车辆开始运动时刻，Δt23为牵引力上升与保持制动力下降叠加时段。

图1 车辆启动作用力-时间曲线

分析车辆启动作用力-时间曲线可知，调整保持制动缓解阈值F0、启动级位初始值和保持制动缓解斜率k2，可有效改变Δt23时长大小，增强或减弱牵引力上升与保持制动力下降叠加效应，改变t3时刻牵引合力C变化率的突变趋势，实现牵引冲击的改变[4]，因此车辆启动冲击优化的关键点在于选取合适的保持制动缓解阈值、启动级位初始值和保持制动缓解斜率。

3.3 车辆启动时刻冲击优化方案

车辆启动冲击优化需满足两个前提：一是保持制动缓解阈值需满足最恶劣条件下的坡道启动，不出现溜车现象；
二是应满足整个加速过程中平均加速度的最低要求，保证平均旅行速度。同时，结合车辆启动冲击优化关键点分析，提出优化控制策略如下：

(1) 增大保持制动缓解阈值。根据车辆启动作用力-时间曲线，k1、k2不变，增大保持制动缓解阈值F0，则t3与Δt14不变，保持制动缓解开始时间t1变大，使得t2变大，Δt23减小，Δt23时段内保持制动力下降幅值减小，牵引力上升与保持制动力下降叠加效应减弱，启动冲击降低[5]。但该方案增加了保持制动缓解全过程用时(即t4变大)，需注意满足线路平均旅行速度的要求。

(2) 降低启动级位初始值。在k1、k2不变的情况下，降低启动级位初始值，t2不变，t3减小，进而减小Δt23时段牵引力上升和保持制动力下降幅值，有效避免两者叠加，降低启动冲击。按照该思路，可采用牵引分段发力控制，以“减少初始阶段牵引力输出”的方式降低启动冲击，但需注意设置适当的启动级位初始值，以满足最恶劣条件下的坡道启动要求，同时需考虑牵引分段发力的控制时间，避免牵引力上升和保持制动力下降幅值过大，造成启动二次冲击。

(3) 降低保持制动缓解斜率。在k1不变的情况下，降低保持制动缓解斜率k2，则t2变大，t3不变，Δt23变小，且因保持制动力下降速率降低，因此牵引力上升与保持制动力下降叠加效应明显减弱，车辆启动冲击状况明显改善。但该方案会增加制动控制阀件动作次数，降低相关阀件使用寿命，且需满足线路平均旅行速度要求。

为验证车辆启动冲击优化方案，通过控制变量法，研究不同参数变化对于车辆启动冲击的影响。

4.1 保持制动缓解阈值调整试验结果

在“牵引力上升斜率设定为0.75、启动牵引级位100%”的情况下，通过设置不同的保持制动缓解阈值，观察车辆启动冲击状况，具体测试结果如表1所示。

表1 调整保持制动缓解阈值的测试结果

从表1测试结果可知，适当增大保持制动缓解阈值，启动冲击率呈下降态势，说明该方案可改善车辆启动冲击，但若持续增加该限值，将延长牵引启动过程用时，不利于线路平均旅行速度管控。

4.2 启动级位初始值调整试验结果

在“保持制动缓解阈值设定为130 kN、牵引力上升斜率设定为0.75、初始启动级位锁定时间1.5 s(模拟信号控车方式)”的情况下，通过设置不同的启动级位初始值，观察车辆启动冲击状况，具体测试结果如表2所示。

表2 调整启动级位初始值的测试结果

从表2测试数据可知，牵引启动采用分段发力控制方式，在起步阶段降低启动级位，可观察到启动冲击明显改善，特别是在40%级位时，启动冲击可降至0.364 m/s3。

4.3 保持制动缓解斜率调整试验结果

为观察“在同一条件下，不同保持制动缓解斜率”与“在同一条件下，不同启动级位初始值”交互作用结果，设置9组对比试验，观察车辆启动冲击状况，具体结果如表3所示。

表3 综合调试测试结果

从表3可以看出，降低保持制动缓解斜率，即使在满牵状态下，牵引启动仍可明显降低，同时，结合级位控制，可进一步优化启动冲击率，若将保持制动缓解曲线斜率k2设定为0.5，启动级位初始值设置为最大牵引级位的40%，锁定时间设置为1.5 s，则冲击率可降低至0.354 m/s3左右，相较于“保持制动缓解斜率0.75、未采取牵引分段控制”的情况，可使启动冲击降低50.07%。但该方案对制动系统控制阀件、闸瓦磨耗以及线路运营管理均有影响，因此后续需做进一步的观察研究。

根据上述测试结果，针对郑州地铁4号线电客车，通过采用“牵引启动分段控制，设定级位锁定时间且适当调整保持制动缓解斜率”的方案，可有效降低车辆启动冲击率，提高乘客乘坐舒适度。

同时，该方案可为常规项目在新车调试阶段启动冲击优化提供参考，但由于不同项目车体、转向架、轨道线路等因素的不同，造成列车启动冲击敏感因素存在差异，因此不同项目应基于车辆启动作用力-时间曲线，结合新车调试实际情况，有针对性地制定牵引启动冲击优化方案。同时在信号联调阶段，可根据测试结果向信号供应商提交车辆启动阶段级位控制策略，实现牵引启动分段控制，进一步降低车辆启动冲击率。

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