廣州地鐵5號線列車空氣制動異常施加故障原因分析及改進

陳通武

（廣州地鐵運營事業總部 車輛中心，廣東廣州510000）

城軌車輛通常運行在人口密集地區，承載有大量旅客，對于列車行車安全就顯得尤為重要，因此就要求城軌車輛的空氣制動系統必須安全可靠，在任何時候、任何狀況下都能夠有效減速和停車。但是，空氣制動異常施加對列車同樣也是有害的，將導致列車設備損傷，造成經濟損失。

廣州地鐵5號線發生的一起空氣制動系統異常施加故障。在該故障中，一個單元車中的7個軸夾鉗異常施加（第8個軸安裝了信號測速裝置，為測速準確，該軸在ATO運行時空氣制動被切除，得以免除），造成制動盤過熱燒傷，如圖1所示，制動盤因摩擦產生高溫而發藍，需全部更換。由于該單元車的制動缸壓力只有170kPa（保壓制動模式），制動缸壓力相對較小，制動夾鉗并沒有完全抱死制動盤，輪對、軌道并沒有擦傷。否則，需要對輪對進行旋修，還要打磨鋼軌，經濟損失更大，有可能還會影響后續正線運營。

圖1 制動盤因摩擦產生高溫而發藍

1 原因分析

1.1 空氣制動系統及相關接口

廣州地鐵5號線列車是直線電機車輛，六輛全動車編組。空氣制動系統采用架控式盤式制動。每輛車由一個G閥（網關閥，Gateway Valve）和一個S閥（智能閥，Smart Valve）組成一個分散式制動控制網絡，通過制動控制總線相連，如圖2所示。G、S閥是機電一體化部件，均包含有氣動閥單元和安裝在氣動伺服閥上的電子控制部分。每個閥靠近轉向架安裝，對轉向架上的制動夾鉗實施控制。G閥提供有與列車管理與控制系統的接口，接收來自列車的指令，并進行相應的反饋。每兩輛車構成一個單元，通過CAN網絡通信。在系統運行時，其中一個G閥作為主G閥，與列車上各系統進行本單元車相關數據的交換，本單元車制動力的計算和分配，以及本單元車空氣制動系統的管理。另一個G閥作為備用，并監視主閥的狀態。一旦主G閥出現故障，將自動取代主G閥的功能，避免了因為一個閥的故障而導致整單元車制動力失效，提高了列車運行的可靠性。

列車與空氣制動系統的接口主要包括3部分，如圖2所示。

（1）列車控制部分

空氣制動系統接收并執行列車當前的駕駛命令，采用的是110V的硬指令線進行傳輸，包括牽引指令、制動指令、保壓制動、緊急制動、快速制動、ATO模式。所要求的制動力大小——制動指令值，則是通過脈寬調制信號進行傳輸。

（2）列車管理部分

通過列車的管理網絡，空氣制動系統將制動系統當前的狀態，制動系統所發生的故障和故障信息上傳到列車管理系統，并保持相關的通信。

（3）牽引系統

圖2 空氣制動系統及與列車接口

空氣制動系統給牽引系統提供載荷信號，并接收所需的電制動退出信號、電制動力實際值、電制動有效信號，如圖3所示。在制動過程中，空氣制動系統結合牽引系統提供的信號，進行本單元車空氣制動力的計算、分配、管理。空氣制動系統還會監控電制動力的施加情況，一旦出現異常，空氣制動力就會馬上補足。

圖3 空氣制動系統與牽引系統之間的接口

1.2 故障分析

經查看故障數據，故障列車在運行過程中，一個單元車的空氣制動系統始終保持施加狀態，而另兩個單元車則正常。并且發現該單元車的牽引逆變器也發生了故障。經過調查，該單元車的保壓制動未緩解。

保壓制動屬于空氣制動的一種模式，施加的制動缸壓力值固定，約為最大的70%。其主要功能是防止列車溜車，在列車將近停車時施加，列車起動并建立了一定的牽引力矩后緩解。該指令在人工控制時，由牽引系統給出，在ATO駕駛時，由信號系統給出。空氣制動系統在接收到指令后，按照預定的程序執行。保壓制動緩解的條件為：牽引指令有效、制動指令無效、保壓制動緩解指令有效、電制動退出指令無效。

經過檢查，如圖2所示貫穿整列車的牽引指令、制動指令、保壓制動緩解指令都是正常的，未出現斷路等問題。因此，初步判斷為由于該車的牽引逆變器故障，造成牽引系統的電制動退出指令輸出異常，因而引起空氣制動系統一直施加保壓制動。

1.3 空氣制動施加封鎖牽引回路未有效保護

為了保護列車，在列車上的控制邏輯中設置了空氣制動施加后封鎖牽引的回路。其詳細邏輯如圖4所示。在牽引指令回路中串入了繼電器PbPR的觸點，只有在繼電器PbPR吸合后，才能將牽引指令送到牽引系統、制動系統中，執行牽引命令。正常空氣制動情況下，各輛車空氣制動施加是或非的關系，除整列車緩解空氣制動外，任何一輛車的空氣制動施加都會使或非門輸出低電平，繼電器PbPR將不會吸合，即封鎖牽引。保壓制動和正常空氣制動在邏輯上是或的關系。在實際應用中，列車起動且電機建立一定的力矩后，保壓制動就將退出，這樣列車不會因為起動力矩不足而在斜坡上發生后溜，也不會因保壓制動施加時間過長導致制動盤磨耗過大。簡而言之，司機推牽引手柄，CCU（中央控制單元）控制PbPR繼電器得電，列車起動，當保壓制動緩解4.5s后，如果制動缸的壓力降到0kPa，則PbPR繼電器保持得電，列車可以繼續牽引；如果當保壓制動緩解4.5s后制動缸壓力大于0kPa，則PbPR繼電器保持失電，列車牽引封鎖。

2 故障模擬確認

經過上述的理論分析，需要進行實際的驗證。因此，進行了故障模擬試驗。模擬是在試車線上以ATO模擬試驗，通過斷開一個單元牽引逆變器的高壓回路，來模擬牽引系統故障，運行列車并采集電制動退出指令、制動缸壓力、列車速度等信號。

如圖5所示，模擬過程中使用制動軟件采集到的數據。可以發現，列車速度從0加速到約23km／h的過程中，期間大約有15s的時間，該單元制動缸壓力始終為170kPa左右（保壓制動壓力），TMS屏顯示閘瓦施加制動，列車制動施加紅燈亮，空氣制動牽引封鎖繼電器PbPR一直得電。同時，無法正常工作的牽引逆變器傳輸給G閥電制動退出指令異常，一直處于高電平。

圖4 空氣制動施加牽引封鎖邏輯

圖5 故障模擬數據采集

因此，可以最終確定該車空氣制動異常施加故障原因是由于牽引逆變器故障，造成牽引系統的電制動退出指令異常輸出。而在空氣制動系統的保壓制動緩解邏輯中，如果空氣制動系統一直接收到電制動退出指令有效，其保壓制動是不能緩解的。由于保壓制動一直沒有緩解，所以CCU檢測到保壓制動緩解4.5s的條件未能執行，因而當一單元車的保壓制動一直施加時，PbPR繼電器仍保持得電，列車的牽引封鎖功能就不能實現。

3 解決措施

針對故障的發生原因，以及空氣制動牽引封鎖回路失效的原因，制定了以下措施：

（1）針對牽引系統故障情況下的電制動退出指令輸出異常，而導致制動異常施加問題，進行了邏輯的修改：僅僅在列車牽引系統工作正常，且電制動向空氣制動轉換前，輸出電制動退出指令。

（2）為防止列車始終施加保壓制動，設置新的邏輯：當列車牽引速度大于10km／h且持續時間超過1s，若保壓制動未緩解時，保壓制動須自動緩解。

（3）為防止列車在施加保壓制動后，列車仍然執行牽引指令，設置新的邏輯：當列車運行速度超過15km／h且保壓制動未緩解，列車須實現牽引封鎖。

4 結束語

通過理論分析和試車線模擬故障試驗驗證，確定了該故障主要原因是由于牽引系統在故障狀態下的電制動退出指令異常輸出，造成單元車保壓制動一直得不到緩解。因而引起一單元車的空氣制動異常施加，同時空氣制動施加牽引封鎖邏輯的缺陷，又未能有效保護列車。針對故障原因制定了一系列措施，提高了列車的可靠性和安全性。

［1］ 葉云岳.直線電機技術手冊［M］，北京：機械工業出版社，2003.