廣州地鐵APM列車制動機理分析

(廣州地下鐵道總公司，廣東 廣 州 5 10385)

廣州市珠江新城旅客自動運輸系統（APM）列車是美國龐巴迪公司生產的CX100車型列車，采用全自動無人駕駛控制模式。APM列車沒有單獨司機室，其牽引、制動等子系統均無獨立的控制單元，全部控制由車載ATC系統及區域ATC系統來完成。列車控制系統車載ATC控制所有車載的安全和非安全的操作，其由車載ATP和車載ATO組成。車載ATP主要負責列車安全方面的功能：與區域ATP通信，確認列車的具體位置，保護列車行進，車門允許動作使能，監控系統安全和自我診斷；車載ATO主要負責列車非安全方面的功能：與區域ATO和車載ATP通信，控制列車行進，與牽引制動控制接口，操作車門動作，乘客信息控制，與ORS通信，接觸屏終端接口和自我診斷等。

APM列車的制動方式包括動態制動、摩擦制動兩種。動態制動[1~2]又稱電制動，是列車上的主要制動形式；摩擦制動[3~4]又稱氣制動，是動態制動的補充。氣制動又分為緊急制動和常用制動兩種，二者最終控制的制動機構是相同的，都是摩擦制動閘瓦機構。但二者的控制原理完全不同，施加與否也各自獨立。在自動模式下，當列車速度大于10 km/h時，系統投入動態制動；在自動模式下，當列車速度小于10 km/h時，系統投入摩擦制動，在手動模式下列車的制動方式為摩擦制動；當列車在緊急狀況或在維修區時會施加緊急制動。其中緊急制動又被稱為彈簧制動或停車制動。

1 動態制動

圖1所示是APM電客車的動態制動的電路原理圖。當動態制動時，BS接觸器會閉合，同時LS接觸器和牽引整流接觸器PRC會保持斷開。制動電阻變壓器會在中央抽頭供應一個47V交流電到TH4-TH5晶閘管控制電路，晶閘管控制電路輸出0至21伏的直流電來控制電機勵磁。此時電機勵磁電流從F2流向F1(與牽引時反向)電機電樞的極性反轉，并作為一個直流發電機運行。動態制動二極管為正向偏置，使電流流過制動電阻器，將車輛動能轉化為熱能。

圖1 APM電客車動態制動電路

2 摩擦制動

2.1 常用制動

APM列車摩擦制動裝置原理如圖2所示。該摩擦制動裝置可分為三大部分：彈簧制動室、常用制動室和制動器。

彈簧制動裝置使用壓縮空氣擠壓制動室中的彈簧，使得彈簧制動得以緩解。當壓縮空氣不足或故障安全緊急閥門（即FSE電磁閥）未啟用時，制動室內的彈簧會啟動彈簧制動。啟用緊急彈簧制動是不可撤消的操作，也不允許對制動操作進行改動。除了壓縮空氣外，也可用圖中最左端的螺栓組件機械釋放彈簧制動。手動擰緊螺母的過程即是壓縮彈簧的過程，起到和充入壓縮空氣一樣的效果。

圖2 APM電客車摩擦制動裝示意圖

常用制動室則是充氣施加，放氣緩解，同彈簧制動相反。無論是彈簧制動還是常用制動，其最終效果都是推動圖正中的桿件發生向右的軸向移動，從而使楔形塊擠壓閘瓦機構發生動作（動作方向如圖中右側兩個箭頭方向）。閘瓦動作后和輪轂貼合摩擦，起到制動的效果。

氣制動系統為摩擦制動器提供壓縮空氣。APM車輛的氣制動系統包括空氣壓縮機、空氣控制設備、輔助釋放設備、兩套制動控制設備（前后轉向架各一套）、常用制動室、故障-安全制動室、摩擦制動器及相關氣路管道。

空氣壓縮機及其驅動電機作為一個單獨裝置安裝在底架隔振器上懸掛的機架上。該安裝方法隔離了壓縮機，從而防止將壓縮機的振動傳至車輛上。一臺3馬力電機通過雙V形皮帶帶動二級活塞式壓縮機。壓縮機吸入空氣，壓縮至155 PSI的壓力，并保存在兩個存儲器中，當壓力降至120 PSI以下時，CSO壓力開關啟動電機工作，當壓力達到155 PSI時，即關閉電機。

當壓縮機運行時，排氣閥關閉，來自壓縮機的熱空氣將通過內置過濾器進入干燥器。空氣在壓力下經過干燥劑處理，進入空氣干燥器室的上部，最后進入主儲氣罐。空氣干燥器包括一個壓力室，在壓力室內一個更換方便的盒子內裝有干燥劑。空氣干燥器底部裝有排氣閥，便于排出裝置內的空氣。當壓縮機運行時，排氣閥關閉，來自壓縮機的熱空氣將通過內置過濾器進入干燥器。空氣在壓力下經過干燥劑處理，進入空氣干燥器室的上部，最后進入主風缸。

來自干燥器的空氣將通過兩個主風缸，這兩個風缸為串行連接，安裝在空氣控制設備的背后。空氣干燥器與第一個主風缸之間裝有止回閥，可防止主風缸通過干燥器排氣閥排出空氣。第一個風缸裝有卸壓閥，第二個風缸可將壓縮空氣分別送往空氣彈簧、兩套制動控制設備、輔助釋放設備、故障安全緊急制動系統及換向器。

空氣控制設備也裝有閥門及壓力開關，可調節各項功能的氣壓。例如當主風缸壓力低于95 PSI時，MRP(主風缸壓力開關)動作，向ATC和手動控制器顯示屏發出“主風缸壓力低”報警信息，同時列車無法自動解鉤；當彈簧制動氣路氣壓低于65 PSI時，PBR(停車制動釋放壓力開關)向ATC發送“彈簧制動施加”報警信息，同時手動控制器的彈簧制動緩解燈熄滅。空氣控制設備裝有兩個故障安全應急閥門（FSE1和FSE2），以便在單個部件出現故障時緊急備用。FSE為三向電磁控制閥。當BIR（制動插入式繼電器盒）為該電磁閥加電時，該閥門讓空氣進入，保持緊急制動停用狀態。當FSE斷電時，該閥門會排出FSE內的空氣，啟用緊急制動。因此，無論是缺少電力或氣壓（保持緊急制動停用需要的條件），均會啟用緊急制動。

空氣控制設備也裝有兩個快速釋放閥QRV，QRV是為緊急制動專門服務的，受FSE控制。當FSE失電時，會使得QRV快速釋放彈簧制動室中的空氣，使緊急制動施加。在QRV輸出端口之間使用了止回閥，因此在加壓期間，閥門以串聯形式工作，在排氣時以并聯形式工作。

輔助釋放設備裝有一個儲氣罐，在正常供氣中斷情況下可提供取消緊急制動的備用氣源。該儲備氣源通過雙止回閥作用于制動系統。雙止回閥允許通過車輛底下的手控閥或手動控制器來人工操控儲備氣源。

空氣常用制動的動力來自壓縮機/儲氣系統，該系統由各軸制動控制設備上的比例氣閥（PAV）控制。而PAV則由自動列車控制系統ATC控制。ATC會向PAV發出信號，告知PAV停車需要多大氣壓。PAV可用作中繼閥（威廉閥）的控制閥，中繼閥可按要求啟用或釋放摩擦制動器。制動系統使用安裝在中繼閥輸出上的壓力傳感器（與閥門電路相連），通過閉合回路反饋保持精確控制。來自閥門的模擬輸出信號將反饋給ATC，以監控常用制動壓力。該閥門的電源電壓為24 V直流電，指令信號為0.7至10.7 V直流電壓信號對應的壓力0-100 PSI。指令信號或壓力請求均來自制動牽引板。反饋信號來自壓力傳感器為0至10V直流模擬信號，對應的壓力0~100 PSI。

2.2 緊急制動

緊急制動系統是一套故障安全系統，電氣或氣動故障（或ATC檢測到的其它不安全情況）會啟用緊急制動。車上有一條緊急列車線，這條線把24V電供給BIR(制動插入式繼電器)，BIR則在得電時供電給2個FSE（故障安全緊急電磁閥），而當任意一個FSE失電時，緊急制動施加。換言之，正常運行時緊急制動緩解的必要條件是緊急列車線得電。這條列車線上串聯了3個緊急制動按鈕的共6組觸點、列車端位選擇開關（即YES/NO選擇開關）的觸點、觸停繼電器的觸點、ATC控制的觸點等，當有任意觸點的動作導致列車線無法供電給BIR時，緊急制動就會施加。

3 結束語

廣州市珠江新城旅客自動運輸系統（APM）自從2010年11月8日正式運營至今制動系統總體來說是比較穩定，主要發現兩種常見故障：

第一種：常用制動室內壁粗糙，在常用制動反復施加的過程中將密封橡膠圈磨破，導致漏氣，將橡膠密封圈更換，同時將常用制動室內壁打磨光滑后，故障消除。

第二種：因為空壓機安全閥松動漏氣，導致空壓機無法打氣至正常值，壓縮機電機頻繁啟動最終導致過熱保護裝置跳閘，重新緊固安全閥后不再漏氣，空壓機工作恢復正常。以上兩種故障都是制動裝置的元器件的品質或安裝品質造成，APM電客車的制動系統的功能是比較成熟、可靠的，其能實現電氣指令制動控制系統協調空氣制動，最終實現其制動功能。

[1]李明誠.空調壓縮機的控制原理及維修要點[J].汽車維修與保養，2012，(5):64-66.

[2]高永斌.鐵路旅客列車空調壓縮機故障原因分析及建議[J].上海鐵道科技，2011，(4):44-45.

[3]朱忠明.AC-07列車單車摩擦制動故障判斷及處置[J].輕工科技，2012，(2):47-48.

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