近些年来，中国城市轨道交通行业迅速发展，伴随而来许多技术的革新和改善。运行速度超过80 km/h的轨道交通车辆多采用盘形制动器[1]。盘形制动器是通过闸片与安装在车轮或者车轴上的制动盘摩擦，相比于踏面制动器，盘形制动器拥有大制动功率和对车轮磨损较少的优势。然而，盘形制动器无法解决其中一个问题。在列车运行中，轮轨之间会由于环境因素存在如水膜、油膜等，从而出现空转、滑行、踏面擦伤等不良反应[2-4]。踏面清扫器可帮助去除附着于车轮上的液体膜或杂物，增强黏着力；与此同时，踏面清扫器可以修正轮缘形状，减少列车振动[3，5]，闸瓦与轮缘摩擦产生的金属颗粒可改善轮轨黏着力[2-3]。

在现实应用中，很多轨道交通车辆都应用了踏面清扫系统。现从控制工程理论的角度出发，分析目前轨道交通车辆踏面清扫系统存在的不足，对踏面清扫系统提出改善建议。与此同时，控制工程理论也可以应用于动车、机车等踏面清扫系统中，以此来提高轨道交通车辆踏面清扫系统性能。

1 控制工程

控制工程是一门在现实生产中实用性很强的学科，随着计算机和互联网技术的发展，在各领域的自动化与智能化中发挥了重要作用，如汽车领域、军事工程行业等。控制工程理论中根据系统不同的属性分类很多，本文中讨论的踏面清扫系统，本质上是一种单输入单输出的闭环系统，该系统在控制工程理论中的基本系统模型如图1所示。

在控制工程理论中，一些基本的概念在实际的应用中对于完善产品功能有着十分重要的指导意义。在本文中，关于控制工程理论强调以下两个概念：

图1 单输入单输出控制系统框图[6]

(1)系统完整性。系统的完整性对于系统功能、质量、可控性和可观测性都有着十分重要的影响。如图1，完整的系统须包括输入输出信号、系统、控制器、反馈及前馈信号等；控制器使系统输出可控，正反馈则是处理提前预判的干扰信号等。

(2)反馈。反馈信号需要具备有两个特征：完整性和有效性。反馈信号完整性强调采集便于监测和控制系统所有信号，而反馈信号的有效性强调采集的信号可以实现对系统实时的动态的监测和调整。

2 踏面清扫系统

根据控制工程理论来看，踏面清扫系统(如图2)包括以下部分：输入(踏面清扫按钮和来自CCU(或者VCU)的网络指令)，输出(踏面清扫器执行动作)，系统(安全塞门、减压阀、电磁阀、压力开关、踏面清扫器及管路等)，控制器(CCU)、反馈信号(压力反馈、电反馈信号等)及前馈信号(对现实运行环境的预测而增加的紧急制动信号和列车速度信号等)。从系统完整性角度看，踏面清扫系统是相对完善的系统。

1-踏面清扫隔离塞门；2-减压阀；3-压力表；4-踏面清扫控制电磁阀；5-压力开关；6-踏面清扫器气缸；7-踏面清扫闸瓦；8-车轮。黑色箭头：信息流。图2 踏面清扫系统组成及信息流

目前的踏面清扫系统组成和信息流在图2(以架控为例，也可以采用车控)中展示，其工作流程如下：首先，踏面清扫系统工作的前提：踏面清扫隔断塞门处于打开位置，总风压力符合列车要求。其次，踏面清扫按钮按下或者CCU发出自动清扫指令，踏面清扫控制电磁阀得电，打到施加位，总风经安全隔离塞门、减压阀、电磁控制阀向踏面清扫器气缸充风，踏面清扫器执行踏面清扫动作，一定时间后，控制电磁阀失电，切换到关闭位置，踏面清扫器气缸连接大气，弹簧作用下，踏面清扫闸瓦离开车轮踏面，完成一次踏面清扫动作。

其中，踏面清扫隔离塞门是负责系统的投入和切除；减压阀是为了保证稳定的踏面清扫力，减少过量的磨损和清扫力变化；控制电磁阀控制踏面清扫的施加与缓解；压力开关向司机显示器反馈踏面清扫工作状态[3]。其中反馈信号包括踏面清扫按钮电信号、压力开关电信号、踏面清扫自动指令电信号及踏面清扫指示灯等。

踏面清扫系统工作模式有自动模式和手动模式两种，其控制逻辑介绍如下：

(1)自动控制：当车辆进行紧急制动或起动速度首次超过一定速度时或司控器置于电制动位，CCU发出踏面清扫指令，完成一次踏面清扫动作。

(2)手动控制：司机操作台设置有自复位式踏面清扫按钮，按下按钮，踏面清扫器执行一次踏面清扫动作。

3 案例分析

在运用中发现某轨道交通车辆车轮冒火星，经回库检查发现车轮冒火星原因是踏面清扫器一直施加，踏面清扫闸瓦磨损殆尽。

文章来源：《控制工程》 网址: http://www.kzgczzs.cn/qikandaodu/2021/0315/628.html

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