一種空氣制動牽引起動封鎖功能的故障分析與改進

張紅江，綦聲波，劉丙林

(1 中國海洋大學 工程學院，山東青島266100;

2 青島地鐵集團有限公司 運營分公司，山東青島266000)

一種空氣制動牽引起動封鎖功能的故障分析與改進

張紅江1，綦聲波1，劉丙林2

(1 中國海洋大學 工程學院，山東青島266100;

2 青島地鐵集團有限公司 運營分公司，山東青島266000)

分析了某軌道交通地鐵車輛空氣制動牽引起動封鎖功能的控制邏輯，指出了該控制邏輯存在的嚴重缺陷，得出在保持制動施加情況下導致列車抱閘牽引運行的原因。針對控制邏輯存在的缺陷，提出了空氣制動牽引起動封鎖控制邏輯的改進方案，該方案采用故障導向安全的設計理念，控制邏輯完善可靠，能夠為列車提供強有力的安全保護。

制動系統;空氣制動;保持制動;牽引封鎖;失效

軌道交通運營中必須保證車輛的安全運營，這就要求在軌道車輛設計時以故障導向安全作為基本的設計原則。某市軌道交通地鐵車輛要求列車TMS系統應具有空氣制動牽引起動封鎖功能，即當列車施加空氣制動時應當封鎖牽引指令禁止列車實施牽引。該市軌道交通地鐵車輛根據制動系統傳輸的相關數據由列車TMS控制系統設計實現上述功能。但是，該地鐵列車運營3年后發生了一次因部分轉向架保持制動未緩解(屬于空氣制動施加方式)卻仍就可以牽引行駛的故障。經調查發現，該車輛發生這次故障之前設計的氣制動牽引起動封鎖功能具有一定缺陷，導致在系統異常情況下空氣制動牽引起動封鎖功能失效。

1 故障經過及現象

1.1 故障現象

2012年某軌道交通地鐵車輛以ATO模式進行駕駛，在運營中發現A019車車廂內有刺激性氣味及煙霧(無明火，駕駛端A019)，造成該次列車清客退出服務，并嚴重影響線路運營。

列車回庫后，檢查發現A019/B019車除A019車四軸以外(該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)，其余7條軸上共計14個制動盤均有明顯因高溫發藍的現象，如圖1所示，抽取發藍盤的閘片與正常盤的閘片對比，發藍盤閘片摩擦面有輕微焦灼，如圖2所示。

1.2 視頻監控回放和事件記錄儀數據分析

通過列車視頻監控的錄像回放，可以發現:(1)操縱臺右側的氣制動施加指示燈一直點亮。(2)TMS顯示屏監控主頁界面A019/B019車轉向架除A019車四軸以外的制動狀態都顯示為紅色(制動)狀態。(3)操縱臺右上方的制動氣壓表氣壓指示有較大的保持制動壓力，制動處于未緩解狀態。

圖1 發藍制動盤

圖2 發藍盤對應閘片(右側)摩擦面有輕微焦灼，左側為正常閘片

下載ER事件記錄儀數據發現，A019/B019車從某站開始施加空氣制動后一直未緩解(高電平表示施加，低電平表示緩解)，見圖3中紅框內。在此站之前的還有多次制動施加緩解過程，但此單元動作已與其他單元存在差異。

圖3 事發前后的ER曲線截屏(部分)

1.3 TMS故障記錄

檢查TMS列車管理系統數據，發現B019單元短時間內存儲有大量濾波電容2欠電壓故障，見圖4。拆開B019車牽引逆變器箱蓋后，發現逆變器輸入濾波電容2左上角已燒損開裂，已無法正常使用，見圖5。

圖4 TMS故障數據B019單元濾波電容欠電壓

圖5 燒損開裂的濾波電容

2 空氣制動牽引起動封鎖失效分析

2.1 空氣制動牽引起動封鎖的設計邏輯

發生此次的故障地鐵車輛設計有空氣制動牽引起動封鎖功能，此功能是根據制動系統傳輸的相關數據由列車TMS控制系統通過軟件邏輯實現的，由列車TMS控制系統輸出接口驅動空氣制動牽引起動封鎖繼電器PbPR。其邏輯如圖6所示。

根據圖6，列車制動系統將每個制動控制單元的制動狀態和保持制動狀態通過網絡傳輸給TMS控制系統，由TMS控制器控制PbPR繼電器的工作狀態，對應的控制時序圖，見圖7。在不考慮TMS顯示屏軟件旁路功能的情況下，即Y4=0時，實現以下功能:

(1)列車由靜止狀態下起動時，列車處于保持制動施加狀態(Y3=1)，雖然同時空氣制動施加(Y2=1)，但是為了讓列車正常起動起來具有速度，仍舊允許靜止的列車可以發出牽引指令(Y5=1)，列車開始起動加速。這種情況下，圖6中的TD定時器未開始定時，即Y3=Y3"=1。

圖6 控制邏輯

(2)列車電機轉矩達到一定值時，牽引系統發出保持制動緩解請求信號給制動控制單元，當所有制動控制單元的保持制動緩解(Y3=0)時，由于制動缸排氣需要一定時間大約3 s，導致空氣制動由施加(Y2=1)變為緩解(Y2=0)狀態落后于保持制動由施加(Y3=1)變為緩解(Y3=0)狀態約 3 s。當所有保持制動都緩解(Y3=0)時，TD定時器開始計時，繼續使Y3"=1保持4.5 s，從而允許牽引(Y5=1)，4.5 s后Y3"=Y3=0，而Y2=0，從而將繼續允許牽引(Y5=1)。如果不采用定時器延時4.5 s使Y3"=1，則列車在起動過程中將由于保持制動緩解(Y3"=Y3=0)但空氣制動施加(Y2=1)導致封鎖牽引(Y5=0)，造成列車在起動過程中由牽引加速狀態突然失去牽引力變為惰行，約3 s后空氣制動緩解(Y2=0)繼續牽引加速，進入正常運行。

圖7 控制時序圖

(3)延時4.5 s后，列車在正常運行過程中所有制動控制單元的保持制動都應是緩解狀態(Y3=0)，如果此時任何一個單元的空氣制動施加(Y2=1)，則將實現牽引封鎖(Y5=0);

本次研究以PO2、PCO2、6 min步行實驗、術后住院天數、胸管留置時間、胸管引流總量為效果判定指標。6 min步行實驗以病房區走廊內的30 m為范疇，要求患者在下午3時到4時之間進步行，并測試步行前后的脈氧、脈搏、血壓等指標。同時，以Borg分級方法對胸外科患者的呼吸困難及全身疲勞情況進行評價，共劃分為四個等級：1級不足300 m；2級介于300 m到375 m；3級介于375 m到450 m；4級超過450 m。級別越高則說明胸外科患者的心肺功能恢復情況越高，3級或者4級是心肺功能正常的表現。

2.2 故障原因

在ATO模式下，根據故障現象采用模擬方式對列車的故障進行了再現，發現由于牽引逆變器VVVF濾波電容器2開裂，無法正常工作的VVVF控制單元輸出的電制動退出指令異常。通過制動軟件的監測數據可以發現無法正常工作的VVVF給G閥傳輸的電制動退出指令一直處于高電平。電制動退出指令應當在制動狀態下、電制動與空氣制動混合前才給出高電平，其余時間應當是低電平狀態。電空制動混合的邏輯指令時序圖，見圖8。

根據制動系統廠商的解釋，制動控制單元的保持制動緩解的條件是:牽引請求指令高電平、保持制動請求低電平，且電制動力退出指令低電平。

通過故障模擬驗證，ATO情況下在牽引過程中故 障單元VVVF一直輸出電制動力退出指令低電平，造成故障動力單元的制動單元無法緩解保持制動;根據圖7的時序圖可知，由于故障單元的制動單元保持制動無法緩解，TD定時器沒有啟動定時，導致Y3"=Y3=1，是造成列車抱閘牽引事故的直接原因。

圖8 電制動與空氣制動混合過程時序圖

由于保持制動的功能是在列車制動停止時，由空氣制動系統對列車施加一定的制動力防止列車在坡道上向后溜車，因此它在列車具有一定速度后應當緩解。而故障車輛TMS網絡控制系統的空氣制動牽引起動封鎖功能沒有考慮采用速度信號作為保持制動不緩解時封鎖牽引的條件，同時制動控制系統的保持制動緩解條件也沒有采用速度信號，因此兩者的軟件邏輯設計都存在缺陷。這是導致故障狀態下空氣制動牽引封鎖失效的根本原因。

3 空氣制動牽引起動封鎖邏輯改進

為徹底杜絕列車運行過程中出現保持制動施加或制動施加仍舊允許抱閘牽引的情況，必須對空氣制動牽引起動封鎖邏輯及制動控制系統系統的保持制動緩解條件加以改進和完善。從TMS系統和制動系統兩個方面考慮，都將速度信號作為空氣制動牽引起動封鎖功能實施的邏輯條件之一。

3.1 制動系統方面的防護邏輯

圖9 制動控制單元保持制動控制邏輯

3.2 TMS系統方面的防護邏輯

當TMS控制系統檢測到列車速度大于15 km/h (可根據情況調整速度大小)時，若制動控制單元仍舊未緩解保持制動，則TMS控制系統輸出切除牽引指令。上述條件下輸出了切除牽引指令之后，只有當TMS檢 測到保持制動緩解或者檢測到列車速度變為0km/h時才允許再次輸出牽引允許指令，見圖10。

圖10 TMS空氣制動牽引封鎖控制邏輯

3.3 改進效果

采用上述方案對該軌道交通車輛的控制邏輯進行改進后，經過現車驗證，可以徹底杜絕列車運行過程中出現保持制動施加或制動施加仍舊允許抱閘牽引的情況，方案效果良好。

4 結束語

分析得出某軌道交通地鐵空氣制動牽引封鎖失效的根本原因在于沒有采用速度信號作為保持制動不緩解時封鎖牽引的條件，也沒有將速度信號作為制動控制系統的保持制動緩解條件。對此缺陷，提出了空氣制動牽引起動封鎖控制邏輯的改進方案，該方案從TMS系統和制動系統兩個方面設計空氣制動牽引起動封鎖的防護邏輯，可以有效防止列車運行過程中出現制動施加狀態下繼續牽引的故障。

［1］ Mitsubishi Electric Co.，Function Desefiption 0f TMS，Version E［Z］，2008.

［2］ Mitsubishi Electric Co.，Blending control for electric brake and pneumatic brake，Version K［Z］，2005.

Failure Analysis and Improvement for a Function on Traction Starting Interlock Protection Applied Pneumatic Braking

ZHANG Hongjiang1，QI Shengbo1，LIU Binglin2
(1 College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100 Shandong，China; 2 Operation Branch，Qingdao Metro Group Co.，Ltd.，Qingdao 266000 Shandong，China)

This paper analyzes the control logic for traction starting interlock applied pneumatic brake on one of the Urban rail vehicles，and points out the defect of this logic and the cause that the train is continuously running when holding brake or pneumatic brake is applied.For the defect，this paper proposes the improvement scheme on traction starting interlock protection applied pneumatic brake.The control logic of this scheme is perfect and reliable for its fault-safety principle，so it is believed that it can provide strong protection for the train.

braking system;pneumatic brake;holding brake;traction starting interlock;fault

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.30

1008－7842(2015)02－0125－05

8—)男，高級工程師(

2014－08－31)