一种抗侧风分块式风阻制动装置的协同控制方法

本发明涉及高速列车空气动力学及列车制动系统控制领域，具体涉及一种抗侧风分块式风阻制动装置的协同控制方法。

背景技术：

1、风阻制动以高速列车高速运行阶段空气作为主要制动动力源，进行高速列车基础制动的有效补充制动，其制动平稳性和安全性受外界风环境的直接影响，装配风阻制动装置高速列车列车运行时，随着侧风强度的增大，侧风效应愈加突出，高速列车气动性能急剧恶化，气动横向力、升力均呈非线性增加，其所受的气动载荷严重影响着列车车辆轨道动力学性能，将可能导致列车脱轨、倾覆和人员伤亡事故，对高速列车运行安全存在严重威胁。风阻制动装置作为高速阶段的辅助制动，其最佳适用速度范围为350km/h以上，运行速度越高，有效制动力越大，随之而来的横风效应越明显，此时减小这一威胁的主要措施是减速运行，而减速运行又直接影响着风阻制动装置的制动效率。

2、目前，国内外已研发了多种风阻制动装置，主要有日本早期研制开发的“猫耳”型风阻制动装置、分散式风阻制动装置、“蝶形”风阻制动装置及液压式风阻制动装置等。

3、（一）申请公布号为cn108099944a，发明名称为一种高速列车风阻制动装置的中国发明专利申请，公开了一种高速列车风阻制动装置，包括箱体，所述箱体固定嵌入于列车顶部，所述体内设有开启机构、锁闭装置、驱动机构、传动机构、锁定机构及角度传感器，所述驱动机构与传动机构相连接，所述开启机构和锁闭装置上端与所述制动风翼板内表面中部相接触，装有摇臂，所述摇臂基于止档轴承座旋转，所述锁定机构用于控制摇臂的旋转角度，所述摇臂上安装有制动风翼板，所述角度传感器用于测量摇臂的旋转角度。

4、（二）授权公告号为cn110435613b，发明名称为一种轨道列车双向风阻制动装置的中国发明专利，公开了一种轨道列车双向风阻制动装置，包括底座，第一气缸，和第二气缸，所述轨道列车双向风阻制动装置还包括：第一风阻板和第二风阻板，所述第一风阻板尾部与底座铰接，所述第一风阻板还包括第一支撑杆，所述第一支撑杆一端铰接在所述第一风阻板中部，另一端与所述第一气缸连接；所述第二风阻板尾部与底座铰接，所述第二风阻板还包括第二支撑杆，所述第二支撑杆一端铰接在所述第二风阻板中部，另一端与所述第二气缸连接；所述第一风阻板与所述第二风阻板镜像对称设置。

5、（三）申请公布号为cn111976754a，发明名称为一种双层风阻制动装置、双层司机室结构及高速列车的中国发明专利申请，公开了一种双层风阻制动装置、双层司机室结构及高速列车，双层风阻制动装置包括安装于列车变截面区域的外层风阻制动板和内层风阻制动板，外层风阻制动板包括沿变截面区域外部轮廓横向设置的多块外层制动单元板，内层风阻制动板包括沿变截面区域外部轮廓横向设置的多块内层制动单元板，高速列车司机室上安装开合驱动机构，外层风阻制动板和内层风阻制动板打开时，内层制动单元板位于外层制动单元板内侧且位于相邻的外层制动单元板间隙中。

6、（四）申请公布号为cn111976755a，发明名称为一种具有风阻制动装置的高速列车司机室及高速列车的中国发明专利申请，公开了一种具有风阻制动装置的高速列车司机室及高速列车，高速列车司机室包括司机室本体，司机室本体的变截面区域上安装有多组风阻制动板，多组风阻制动板沿司机室本体的长度方向并排布置，每组风阻制动板均包括沿变截面区域外部轮廓横向间隔设置的多块制动单元板，相邻的两组风阻制动板中的制动单元板错位安装，司机室本体上安装有用于收拢或打开制动单元板的开合驱动机构。

7、（五）授权公告号为cn109878473b，发明名称为风阻制动装置的中国发明专利，公开了一种风阻制动装置，包括至少一套第一组件，该组件包括：底座和制动板，制动板上设置有第一延伸部；可控制制动板打开或关闭的驱动装置，第一导轨及其上的第一滑块，第一滑块具有第一突出端；第一拉杆一端与第一滑块可旋转地连接，另一端与第一延伸部可旋转地连接；靠近第一导轨第一端处设有第一电控锁，靠近第二端处设有第二电控锁；第一组件还包括与驱动装置、第一电控锁和第二电控锁电连接的控制单元；所述控制单元可控制驱动装置运行，带动第一延伸部打开或关闭制动板；所述控制单元可控制电控锁限制或者不限制第一突出端。

8、（六）申请公布号为cn113895474a，发明名称为一种新型高速列车风阻制动装置的中国发明专利申请，明公开了一种新型高速列车风阻制动装置，主要包括基座、制动风翼板、驱动装置及控制单元、侧板、车顶流线型外观补偿组件、风翼板限位组件及复位缓冲组件等。制动风翼板为前后两排分别于沿基座前后边缘处安装固定架上转动安装，前后对称布置，制动工作时可选用单排制动或双排制动的方式。该新型高速列车风阻制动装置可实现制动工作时制动力多级调控。

9、综上所述，现有技术公开的全部为整块式风阻制动装置，不能很好的适应变速度运行时的多目标风阻制动力调控，尤其不能保障侧风环境中装配风阻制动装置高速列车的风阻制动安全和运行稳定性。提出一种分块式风阻制动装置具备抗侧风运行的协同控制方法，确保列车在侧风环境中高速制动阶段稳定可靠制动、可多级调控、智能监测、制动效率高，实现协同控制的方法是目前亟待解决的问题之一。

技术实现思路

1、为了弥补现有技术空白，提出目前研发设计阶段适用于抗侧风分块式风阻制动装置的协同控制方法，满足列车在侧风环境中高速制动阶段稳定可靠的制动力输出、可多级调控、智能监测、制动效率高，实现整车风阻制动装置协同控制的技术要求。

2、为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现：

3、一种抗侧风分块式风阻制动装置的协同控制方法，所述方法以高速列车车顶布置工作模式可多级切换抗侧风分块式风阻制动装置为控制对象，以高速列车在恶劣风环境中运行时高速阶段或紧急制动阶段运行稳定性和制动安全为目标，集成现阶段列车运行控制系统、车载安全监控设备及标准化网络控制系统，按适配8编组中国标准动车组列车布局8套所述抗侧风分块式风阻制动装置，每节车厢顶部嵌入式安装1套，进行多组多模式高速列车抗侧风分块式风阻制动装置在侧风环境下的协同控制，具体协同控制方法包括以下步骤：

4、1）高速列车制动启动任务等待就绪：列车运行过程中，实时安全监控并保障风阻制动系统和基础制动系统工作状态良好；

5、2）列车实时运行工况监测：通过车载设备进行列车实时运行速度监测，通过铁路系统列车综合信息共享平台进行运行风环境数据监测；

6、3）运行环境判断：在步骤2）的基础上，当高速列车不在侧风环境运行时，则选择常规制动，转入步骤14）；当高速列车在侧风环境运行时，则转入下一步骤；

7、4）制动速度选择：当列车制动初速度＜200km/h时，不启用风阻制动系统制动，采用基础制动系统进行制动；当列车制动初速度≥200km/h时，则转入下一步骤；

8、6）风阻制动安全速度范围判断：对照侧风环境下的风阻制动安全区域范围进行判断，其中高速列车在速度为20m/s横风环境运行时，风阻制动安全速度不超过186.1km/h；速度为15m/s横风环境运行时，风阻制动安全速度不超过324.6km/h；速度为10m/s横风环境运行时，风阻制动安全速度不超过370.1km/h；判断不在风阻制动安全速度范围内时，不启用风阻制动系统制动，采用基础制动系统进行制动；判断在安全范围内时，则转入下一步骤；

9、7）确定制动力需求：在基础制动系统的基础上，根据行车速度和制动距离要求，确定所需风阻制动力需求；

10、8）若干组风阻制动装置开启进行制动运行：根据步骤7）所确定的风阻制动力要求，通过控制单元调控若干组风阻制动装置开启进行风阻制动运行；

11、9）侧风环境下带风阻制动装置高速列车所受力矩监测：在步骤8）所确定的若干组制动工作的风阻制动装置的基础上，进行高速列车三坐标方向的偏航力矩、滚转力矩、俯仰力矩监测；

12、10）若干组风阻制动装置辅风翼板打开调控并实时力矩监测：根据实时监测的高速列车三坐标方向的偏航力矩、滚转力矩、俯仰力矩不平衡情况，打开所述抗侧风分块式风阻制动装置的两侧辅风翼板，通过所述辅风翼板风压数据采集分析系统进行实时补偿调控，其中所述辅风翼板抗侧风制动第一角度（rb）和抗侧风制动第二角度（rc）工作范围为165°~185°；

13、11）监测并实时计算判断高速列车三坐标方向的偏航力矩、滚转力矩、俯仰力矩是否满足基本安全运行条件，是则进入下一步骤；否则返回步骤10）继续优化调整；

14、12）在步骤10）~11）抗侧风调控基础上，进行制动力检算优化，判断是否满足制动力需求，不满足则返回步骤8）继续优化调整；满足则进入下一步骤；

15、13）在步骤12）的条件上进行风阻制动并实时进行抗侧风调控，与此同时，进行实时最低运行时速监测，随着列车运行速度的逐渐降低，选择从后往前恢复辅风翼板非工作位，同时依次关停若干组风阻制动装置；当制动实时速度小于最低运行速度50km/h时，列车风阻制动装置制动停止；当制动实时速度大于最低运行速度50km/h时，返回执行步骤8）继续优化调整，直至结束。

16、14）包含以下详细步骤：

17、141）制动模式选择：无侧风环境的常规制动，实时检算明确制动模式，判断是否需要风阻制动系统作为辅助制动，不需要则不启用风阻制动系统制动，采用基础制动系统进行制动；需要则进入下一步骤；

18、142）通过控制单元调控若干组风阻制动装置开启进行风阻制动运行：运行时保持所述抗侧风分块式风阻制动装置的辅风翼板工作角度为常态化制动角度（ra），所述常态化制动角度（ra）工作范围为165°~175°；

19、143）在步骤142）开启若干组风阻制动装置制动工作的基础上，进行制动力检算优化，判断是否满足制动力需求，不满足则返回步骤142）继续优化调整；满足则进入下一步骤；

20、144）进行实时最低运行时速监测，随着列车运行速度的逐渐降低，选择从后往前恢复辅风翼板非工作位，同时依次关停若干组风阻制动装置；当制动实时速度小于最低运行速度50km/h时，列车风阻制动装置制动停止；当制动实时速度大于最低运行速度50km/h时，返回执行步骤8）继续优化调整，直至结束。

21、作为优选地，所述抗侧风分块式风阻制动装置的风阻制动板采用包含中部1块主风翼板和和两侧对称多块辅风翼板的结构形式，可选择为3块式、5块式、7块式、9块式，其中两侧对称数量布设的所述辅风翼板连续顺次转动连接。

22、作为优选地，步骤10）所述风压数据采集分析系统为所述辅风翼板表面受压数据采集和处理，分别从布设的多个动态压力传感器输出动态压力信号，经过信号调理，至数据采集卡，在计算机中进行实时存储和处理；所述动态压力传感器为压电式压力传感器于左右两侧所述辅风翼板的迎风面对称布设。

23、作为优选地，适用高速列车车辆级采用mvb-emd总线，所述抗侧风分块式风阻制动装置（wcu）、网络内部各设备以及第三方设备均连接至mvb-emd总线上，智能设备采用以太网连接到交换机上，采用通信线路双通道冗余设计。

24、本发明的有益效果为：该抗侧风分块式风阻制动装置的协同控制方法能够给现阶段高速列车装配块式风阻制动装置智能控制提供一个典型参考方案，有效填补该方面的技术空白。能够有效解决现有高速列车风阻制动装置不同运行环境、不同运行工况和不同制动模式下的风阻制动系统智能协同调控，同时有效应对复杂风环境所引起的列车行车稳定性及制动安全问题，尤其是侧风情况下面临的气动力矩不平衡等问题。