西安地鐵2號線電動客車HRDA制動系統

史富強

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014）

西安地鐵2號線電動客車HRDA制動系統

史富強

（西安鐵路職業技術學院 陜西 西安 710014）

對西安地鐵2號線地鐵車輛采用的日本NABTSCO公司的HRDA制動系統的原理、功能和主要組成部件、控制作用的原理與過程進行了分析，總結出西安地鐵2號線采用HRDA型制動系統的主要特點和HRDA制動系統應用前景。

西安地鐵2號線；HRDA；控制過程；特點；應用前景

西安地鐵2號線是由長春軌道有限責任公司生產的具有車內先進水平的地鐵電動客車，為提高其制動性能上采用了日本NABCO公司的HRDA型電空制動機。HRDA型電空制動機的控制技術能適應地鐵列車站間距離短，列車起動制動頻繁的特點，HRDA型電空制動機的控制技術水平在世界上是較為先進的。它在本車制動力的計算、車輛之間交叉混合制動力的計算與分配、電制動與空氣制動力的控制及監控、防滑等控制方面均采用微機進行控制，所以提高了系統的響應速度和控制精度[1]。

HRDA空氣制動系統是日本的Nabtesco公司為適應城軌車輛發展的需要研制了一套采用微機控制的模擬式電—空制動系統，內設監控終端，具有自診斷和故障記錄功能，系統采用車控方式，是一套高應答性、高可靠性的電氣指令式制動系統，以事故導向安全為設計原則，對列車的運營提供充分的安全保障。主要特點如下：在常用制動、緊急制動功能的基礎外，增加了防滑控制功能；能與 ATP系統配合控制；實現了動車和拖車之間制動力的交叉混合及電空制動的協調配合，優先充分使用電制動，不足部分的空氣制動力是通過反饋來控制的，精度更高；采用微機控制，最大限度地滿足控制精度和乘坐舒適性的要求等[2]。

1 HRDA制動系統的主要組成

HRDA制動系統主要由供風系統、制動控制系統組成，其中制動控制系統中的制動控制單元為HRDA制動的核心部件。

1.1 供風系統

供風系統由空壓機、干燥器、空壓機啟動裝置、冷卻器、干燥器、濾清器、儲風缸、安全閥、總風壓力開關（包含于BCU中）、壓力調節裝置等組成。供風系統為制動系統提供的干燥、足夠的壓縮空氣。整列車配備兩套供風系統，其總能力能夠滿足整列車在各種工況的用風需求，一般情況均留有一定的裕度，以保證在個別特殊情況下整列車制動性能的安全。總體看來，該項目風源系統的集成度較低、所占空間大，給整車的設備布置帶來較大困難。

1.2 制動控制系統

每輛車配備一套制動控制裝置（其中頭車制動控制單元內部配備有總風低壓壓力開關，此信號將串聯至緊急回路），用于進行帶有空重車調整的常用制動和緊急制動以及滑行保護等的控制，此外具有自診斷等諸多功能。制動控制系統主要分為電子制動控制單元BECU和制動控制單元BCU。制動控制裝置內部部件布局如圖1所示[3]。

如圖2所示為HRDA制動系統的主要部件制動控制單元，不僅制動系統的中樞，而且也是與外界各系統聯系的紐帶，它控制著整套系統的正常有序的工作。制動控制裝置由EP電空中繼閥（帶壓力傳感器）、電子控制單元（BECU）、試驗用接頭、過濾器、壓力開關等組成。電子制動控制單元BECU為電氣部件，具有以下功能：1）檢測2個空氣簧的壓力并通過壓力傳感器進行空電轉換，從而保證無論空車還是超員均可以得到穩定的牽引力和制動力。2）進行電空演算，從而進行常用制動控制，并保證優先使用電制動。3）具有滑行檢測和矯正功能。即測定各個車軸的速度，一旦檢測出車輪滑行，則通過控制防滑閥來降低制動缸內部壓力，從而盡快恢復粘著。提供狀態監測和診斷功能。

圖1 制動控制裝置Fig.1 Brake control device

圖2 電子制動控制單元Fig.2 Electronic brake control unit

如圖3所為制動控制單元的內部氣路圖，表1為對應名稱的簡稱對照表。制動控制單元BCU包括常用制動和緊急制動所需的所有電空閥和壓力傳感器。中繼閥（RV）中繼閥為氣動操作閥，可將大量壓縮空氣由制動風缸提供給制動缸。供風壓力等同于中繼閥通過變載截斷閥從制動/緩解和緊急閥獲得的壓力信號。如果壓力信號保持一定，中繼閥將保持恒定的閘缸壓力以防泄露，并自動補充發生的任何泄露[1]。空重車調整閥（VLV）空重車調整閥為機械變壓限制裝置，它可將中繼閥信號閥口的供風壓力限制在稱重緊急制動所需的壓力以下。空重車調整閥只影響緊急制動的壓力并正比于空氣簧壓力。此外通過兩個連接管路上的節流孔來減小空氣彈簧的壓力產生波動。當沒有空氣簧壓力信號時（例如空氣簧爆裂），空重車調整閥將默認空載緊急制動值為缺省值。常用電磁閥（SBV）電子制動控制單元通過壓力傳感器來感應空氣簧的壓力，通過總線接收常用制動指令，從而計算出制動缸的壓力，并通過控制常用電磁閥中的供給閥和排氣閥得電和失電[4]，使實際的制動缸的壓力與計算出的制動缸壓力相符。緊急制動電磁閥（EBV）緊急制動電磁閥采用得電緩解，失電制動的形式。因此車輛在正常運行期間，緊急制動電磁閥必須得電，無論何種原因導致失電，列車將立即施加緊急制動。在緊急制動施加期間，通過空重車調整閥進行空重車調節。

圖3 制動控制單元內部氣路圖Fig.3 Brake control unit of internal gas diagram

表1 制動控制單元簡稱對照表Tab.1 Brake control unit as the control table

1.3 其他主要部件

列車防滑系統，車輪滑動保護系統采用基于單軸的滑動檢測和矯正功能，即每個軸配備一套速度傳感器和防滑閥。停放制動控制裝置，停放制動電磁閥在車輛正常運行狀態下為失電狀態，此時停放制動緩解，并通過停放制動壓力開關進行反饋，壓力設定為500-700 kpa（該壓力可以根據需要調整），即高于700 kpa列車停放制動緩解，低于500 kpa列車制動將隨著壓縮空氣壓力的降低而逐漸施加。安裝在制動模塊上的停放制動隔離塞門由主風進行供風。更換閘瓦時，可操縱此塞門將停放制動裝置隔離并排風以實現手動緩解。主風低壓開關每輛頭車上設有一個壓力開關（制動控制單元內），用以監控主風壓力。當主風壓力降至設定值6 bar以下時，列車緊急回路將斷開，列車將立即實施緊急制動。當壓力升到7 bar以上，緊急制動才可能進行緩解。司機臺儀表；司機臺上設置一雙針壓力表它在駕駛車上顯示主風壓力和制動缸壓力。紅針用于顯示主風缸的壓力，黑針用于顯示頭車第一根軸的制動缸壓力。制動缸隔離塞門HRDA制動系統設置有制動缸隔離塞門（排風塞門），可以分別對轉向架制動力進行緩解。車輛正常運行期間，此塞門的手柄應該與管路平行，一旦操作（即手柄垂直于管路），與其相連的轉向架的空氣制動將丟失，鑒于安全方面的考慮，此塞門的狀態信息將要報告給列車管理系統[5]。

2 HRDA制動系統的控制過程與作用原理

HRDA制動系統具有：常用制動、快速制動、緊急制動、停放制動和防滑控制等功能。

2.1 常用制動控制

如圖4所示制動控制單元的內部原理圖，制動系統收到來自司機控制器（或ATO）或列車監控系統發出的常用制動指令后施加常用制動。常用制動過程中優先采用節能環保的電制動，電制動優先選用再生制動，當再生制動達到能力上限時，系統自動轉為電阻制動。當電制動不能滿足整列車制動力需求時，空氣制動適時補足。通常情況下，空氣制動優先使用拖車的空氣制動力，拖車制動力達到上限要求時仍滿足不了制動力需求時，動車的空氣制動進行補充。制動過程中電制動與空氣制動協調配合。常用制動具有防滑功能且受到列車沖擊極限的限制[6]。

圖4 制動控制單元內部原理圖Fig.4 Schematic diagram of brake control unit

常用制動的指令以PWM信號方式向BECU 發出指令。當BECU 檢測到電制動能力達不到所接收指令需要的制動力時，則發出補足制動力的命令到EP電空轉換中繼閥，通過空氣制動力補足。EP電空轉換中繼閥由常用控制閥、緊急電磁閥以及雙活塞中繼閥等構成，它將所接收的電信號轉換成氣壓信號。常用控制閥根據電信號輸出一個反饋壓力，該壓力通過圖4中AC壓力傳感器反饋給BECU 進行大小的調整。調整后的反饋壓力進入中繼閥增加流量，將其壓力輸出作為制動力大小進入制動缸，常用制動得以施加。常用制動制動力分配采用電制動優先投入，拖車氣制動隨后投入原則，以T-M組合的一動一拖的情況為例，M車的電子控制裝置通過檢測出自身車廂以及拖車的空氣彈簧壓力，同時計算并分配M車自身以及T車的制動作用力。M車的控制系統除用本車的電制動和氣制動外，優先傳達電制動指令，在電制動不能滿足制動要求時，優先通過拖車的空氣制動力補充電制動不足[7]。

2.2 快速制動控制

制動系統收到來自司機控制器（或ATO）或列車監控系統發出的快速制動指令后施加快速制動。快速制動控制方式與常用制動控制方式相同，也是優先使用電制動，電制動不足時由空氣制動承擔，當電制動故障時，制動力全部由空氣制動承擔；減速度與緊急制動的減速度相當，但是快速制動是可逆的，快速制動同樣具有防滑保護功能及受到列車沖擊極限的限制。

2.3 緊急制動控制

列車在運行過程中遇到緊急情況，司機可以通過操作司機臺上的緊急制動按鈕或主控制器拉至緊急制動位（該制動位的設置與否看客戶需求）對列車施加緊急制動，列車一旦施加緊急制動后不能緩解直至列車速度降為零。緊急制動控制系統，采用時常帶電的緊急制動環路進行控制。不論任何原因造成緊急電路失電，全列車將自動實施緊急制動。緊急制動減速度通常為1.2 m/s2，且無沖動限制。緊急制動同樣具有防滑保護功能。

為了確保列車的運行安全，緊急制動采用了復式緊急制動系統回路。當操縱司控器或緊急制動開關，以及當列車分離或風源壓力超低時，BECU 都將接收到緊急制動指令，從而導致緊急電磁閥動作而施加基本的制動力。緊急電磁閥將壓力輸入至中繼閥過程同常用控制閥一樣，輸入的氣體在中繼閥被放大，所放大的壓縮空氣輸入到制動缸并轉換成相應的制動力施加制動。在拖車的制動控制裝置內還設有一個總風壓力開關，它的氣路連接總風管，電路部分與緊急制動復式環路相接。當總風壓力低于一定值時，緊急制動回路立即斷開，系統施加緊急制動。

2.4 停放制動控制

由于列車斷電停放時，制動缸壓力會因管路漏泄無壓力空氣補充而逐步下降到零，所以停放制動不同于一般的充氣—制動，排氣—緩解，它是通過彈簧作用力而產生制動作用，能滿足列車較長時間斷電停放的要求。除在司機臺上設有停放制動施加/緩解按鈕，可以對列車施加緩解停放制動外，當主風壓力降低到某一設定值時，停放制動會自動施加，當主風壓力升到某一設定值時，停放制動自動緩解。同時這種單元制動機還具有手動緩解停放制動的功能，通過操作停放制動手動緩解裝置，可以手動緩解停放制動[8]。

2.5 保持控制

保持制動功能是在ATO模式下，制動過程中列車自動施加的一個相當于3級常用制動力大小的制動力。保持制動可以防止列車由制動施加狀態轉為牽引狀態時由于牽引力不足引發的列車在坡道上后溜情況。

2.6 防滑控制

由于受氣候環境等影響，輪軌間的粘著將會有較大的變化，當粘著低至一定值而不能與制動力距要求相適應時，將出現打滑。HRDA制動防滑系統的工作原理主要是由制動電子控制單元檢測出受制動力的車輪趨于抱死時，發出指令，使系統迅速釋放部分制動力，恢復輪軌間的粘著，防止車輪擦傷。

3 HRDA制動系統的功能

3.1 可變負載功能

可變負載功能即空重車調整功能。地鐵列車的乘客量波動大，乘客量對車輛總重有較大的影響。為了保證列車制動具有一定的減速度，制動系統具備有可變負載功能，即實時地將載荷值傳遞到BECU，轉換成對應的制動力輸出。HRDA制動系統通過前后轉向架空氣彈簧壓力信號的平均值來計算車輛重量，這種信號是由EP 電空中繼閥里的壓力傳感器提供。BECU 接收載荷信號后計算出應施加的列車總制動力，然后再根據電制動能力得出應分配到各輛車的空氣制動力大小，并以電信號的形式傳遞到EP電空中繼閥。EP電空中繼閥輸出相應的空氣壓力，而后進入制動缸。當空氣彈簧發生破裂或壓力傳感器接收的壓力信號小于空車信號時，系統默認按空車狀態的80％進行計算；若接收的信號過大，將按照滿車重量的120％進行計算。當然，根據實際情況可對計算系數作相應調整[9]。

3.2 防滑控制功能

如圖5所示為防滑控制的示意圖，防滑系統由速度傳感器、防滑閥等部件構成。速度傳感器安裝于轉向架軸端，將相應速度的脈沖信號傳遞到BECU。BECU 通過接收的信號來控制各條車軸的防滑閥，而使它操作制動缸的壓縮空氣，即實現BC壓力的排出、供氣和保持。

圖5 防滑控制示意圖Fig.5 Schematic diagram of anti-skid control

防滑控制主要通過兩種方式實現：檢測減速度，若速度傳感器檢測到列車的減速度超過預設值而在車軸產生滑動現象時，BECU 將控制防滑閥使之排氣，減小制動作用力；列車排氣后隨著黏著的恢復而加速，當加速信號超過預設值時，BECU 又發出重新施加制動作用力的指令；檢測速度差：系統比較4個速度傳感器檢測的信號，若任兩條車軸的速度差超過預設值，BECU 將發出指令減小相應車軸的制動力。

3.3 其他功能

HRDA制動系統除具有上述基本功能外，為改善列車的運行性能還開發了其它一些功能。為防沖擊而確保列車乘坐舒適，系統具有沖動控制功能。系統能夠通過接收輸入信號檢測制動是否緩解，即檢測制動不能緩解功能。產生制動不能緩解的狀態時，它可通過強迫緩解開關給強迫緩解指令回路供電，從而控制不能緩解車輛的壓力控制閥，實現緩解制動。BECU 通過壓力傳感器能檢測出施加制動力的不足，此時，緊急制動輔助繼電器動作施加緊急制動，確保列車安全[10]。

4 結 論

HRDA制動系統具有直觀的故障顯示功能，制動控制單元BECU具有故障記錄功能，并能將故障信息發送給列車監控系統，可以提供位數字的故障代碼顯示，有利于工作人員查找故障。互換性好；HRDA制動系統中除M車的制動控制單元BCU與T車的不能互換外，HRDA制動系統同一型號的部件都可以互換；具有制動力補償功能，HRDA制動系統單節車故障失去制動力后，其余車會重新分配制動力，確保整列車制動力滿足制動要求。但HRDA制動系統也存在單點故障對運營影響較大的缺點，由于采用車控控制方式，單節車的制動控制單元故障會導致整節車制動力丟失，對列車運營造成較大影響，另外HRDA制動系統的集成化不高，整套HRDA 制動系統以散件居多，配管、布線占用很大空間，在模塊化設計上還有很大的開發空間；HRDA制動系統的網絡控制功能薄弱，由于采用硬線控制，系統的制動精度難以提高。

目前HRDA型電空制動在西安地鐵2號線已經有將近2年的運行考驗，證明HRDA型電空制動系統在國產地鐵制動系統上的應用是非常成功的，系統以控制技術先進、結構簡單、操縱及檢修也都比較方便等優點得到了用戶的肯定，HRDA型電空制動機的控制技術應是在國產地鐵客車制動系統上優先選用的國外先進制動控制技術之一。目前已經應用在北京地鐵復八線、 HRDA 制動系統可靠性較高，在國內外都有成熟的使用業績，廣泛應用在國內北京、成都、武漢、西安等城市的地鐵列車。

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The HRDA brake system of electric bus Xi'an metro line 2

SHI Fu-qiang
（Xi'an Railway Vocational ＆ Technical Institute，Xi'an 710014，China）

The principle and process principle，functions and main components，control effect of HRDA braking system of Xi'an metro line 2 vehicles using the Japanese NABTSCO company of the analysis，summed up the main characteristics of Xi'an Metro and the application prospect of HRDA brake system using HRDA type braking system of No.2 line.

Xi'an metro line 2；HRDA；control process；characteristics；application prospect

TN05

A

1674-6236（2014）11-0039-04

2013-09-25 稿件編號：201309197

史富強（1971—），男，陜西扶風人，碩士，副教授。研究方向：鐵路軌道車輛技術。