地鐵車輛架控制動系統(tǒng)功能分析

劉政 張新永 劉中華 張英亮 屈小爭 曹軍偉

摘要：文章介紹了當前國內(nèi)地鐵車輛架控制動系統(tǒng)主要的制動系統(tǒng)功能、控制邏輯，對制動系統(tǒng)各制動功能模式下的控制邏輯、控制過程、實施原則、信號傳輸?shù)冗M行了較全面的闡述和分析，并總結(jié)了各制動模式的功能特點。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；架控制動系統(tǒng)；制動功能；控制邏輯；控制過程；信號傳輸 文獻標識碼：A

中圖分類號：U266 文章編號：1009-2374（2016）10-0112-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.10.055

1 概述

當今，我國城市軌道交通車輛在城市交通運輸中起著越來越重要的作用，制動系統(tǒng)作為城軌車輛的關(guān)鍵組成部分，其作用是使列車減速，并使列車在規(guī)定的減速度和距離內(nèi)停車，確保列車行車安全和提高鐵路運輸能力。我國城軌車輛制動系統(tǒng)采用電制動與空氣制動混合的制動模式，空氣制動采用微機控制的直通式制動系統(tǒng)，早期車輛采用車控方式，即一輛車配置一個BCU（制動控制單元）；為了更充分地利用制動力提高制動系統(tǒng)可靠性，近年來絕大多數(shù)地鐵列車均采用架控方式，即一輛車配置兩個BCU。架控制動系統(tǒng)其產(chǎn)品主要分為國內(nèi)和國外兩種，國內(nèi)制動系統(tǒng)主要包括鐵科院機輛所研制的EP09制動系統(tǒng)、四方所研制的JK02制動系等，國外制動系統(tǒng)主要包括克諾爾EP2002制動系統(tǒng)、法維萊EPAC2制動系統(tǒng)等。各供應(yīng)商制動系統(tǒng)的產(chǎn)品各不相同，但其主要功能大體一致，主要包括常用制動、緊急制動、停車保持制動、停放制動等。

2 常用制動

列車正常運行時，實施常用制動。制動力設(shè)定與制動控制手柄的扳動角度成比例，另外也可由ATP（列車保護系統(tǒng)）來定義。常用制動可以由司機控制器、ATO（列車自動駕駛系統(tǒng)）以及ATP發(fā)出。

2.1 控制邏輯

制動指令以網(wǎng)絡(luò)指令優(yōu)先，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)指令的具體要求施加不同的制動力。在緊急牽引模式下，制動系統(tǒng)讀取來自硬線的控制指令，此時僅施加最大常用制動。當制動系統(tǒng)接收到列車的制動模式指令及制動需求指令后，根據(jù)不同制動需求，優(yōu)先使用電制動，如電制動能力達不到列車需求，空氣制動將自動補充電制動力缺失的部分。在常用制動過程中，若收到來自列車的快速制動或緊急制動指令，根據(jù)不同的激活指令，將自動轉(zhuǎn)為相應(yīng)的制動模式。

2.2 控制過程

BCU根據(jù)接收的制動力需求指令（模擬量）和列車載荷計算每輛車所需的總的制動力，同時BCU還將接收和處理已施加的電制動力值，從而完成制動力混合的功能。

由于電制動施加時不存在磨耗，所以優(yōu)先使用動車上的電制動力作為主要的制動力。一般情況下，電制動力正常發(fā)揮時無需空氣制動系統(tǒng)的輔助就可以使各種載重的列車減速到一定程度。在電制動力不能滿足列車制動力需求的情況下，空氣制動將自動補充制動力缺失的部分，所補的制動力考慮載重條件和黏著水平。

補充空氣制動力根據(jù)等磨耗的原則，采用全列平均分配空氣制動力的方式。即：當電制動力不足時，制動控制單元根據(jù)接收的總的制動力指令、已施加的電制動力值、載荷信號等信息計算每輛車每個轉(zhuǎn)向架需要補充的空氣制動力，并發(fā)送相關(guān)數(shù)值給控制每個轉(zhuǎn)向架的制動單元。當某一輛動車電制動丟失時，主制動控制單元會將其視為“拖車”。當動車的空氣制動力達到黏著極限，此時如果仍未達到總的制動力需求，剩余所需的制動力將平均分配到空氣制動可用的拖車轉(zhuǎn)向架上，直到達到黏著限制；當網(wǎng)絡(luò)故障時，電制動力應(yīng)切除，當列車有制動需求時（自動讀取制動硬線指令），將按照硬線模式施加空氣制動。當列車設(shè)定為緊急牽引模式時，將按照硬線模式施加空氣制動。

2.3 實施原則

2.3.1 制動方式的選擇是自動的。

2.3.2 優(yōu)先次序是電制動、空氣制動。

2.3.3 在整列車范圍內(nèi)進行分配電制動力和空氣制動力。

3 緊急制動

緊急制動由列車安全環(huán)路硬線直接控制，環(huán)路失電觸發(fā)緊急制動，具有故障導向安全的功能。緊急制動發(fā)生后，牽引系統(tǒng)將被封鎖，車輪防滑系統(tǒng)啟動。由于有零速聯(lián)鎖，在列車完全停止前不允許緩解。

3.1 控制邏輯

緊急制動由硬線控制，通過獨立的、貫穿列車的緊急制動環(huán)路控制緊急制動的施加和緩解，該環(huán)路獨立于常用制動，不受微處理器控制。緊急制動環(huán)線采用常得電方式，一旦失電列車自動實施緊急制動。當觸發(fā)緊急制動后，緊急制動環(huán)路斷開，失電觸發(fā)緊急制動，迅速產(chǎn)生緊急制動壓力，同時緊急制動狀態(tài)通過MVB網(wǎng)絡(luò)傳送到TCMS。

3.2 控制過程

緊急制動列車線信號傳送給每個BCU，BCU內(nèi)部有獨立的電磁閥控制緊急制動的施加和緩解。當緊急制動列車線失電時，BCU根據(jù)空氣簧壓力對緊急制動制動缸壓力進行獨立的閉環(huán)控制。同時，BCU據(jù)最大常用制動壓力設(shè)定一個緊急制動壓力值作為備份。

3.2.1 制動觸發(fā)條件：（1）觸發(fā)司機室中的警惕裝置；（2）按下司機室控制臺上的緊急制動按鈕（擊打式按鈕）；（3）列車脫鉤；（4）總風欠壓；（5）當列車在運行狀態(tài)下，方向手柄為零位；（6）緊急制動電氣列車線環(huán)路中斷或失電；（7）DC110V控制電源失電；（8）ATO系統(tǒng)發(fā)出緊急制動指令；（9）ATP系統(tǒng)發(fā)出列車超速緊急制動指令。

3.2.2 觸發(fā)方式與信號傳輸。緊急制動環(huán)路斷開后，施加緊急，同時緊急制動環(huán)路繼電器斷開狀態(tài)通過硬線提供給CCU（列車控制單元），CCU讀取的緊急制動環(huán)路狀態(tài)信號，用于故障診斷。

3.2.3 施加方式。當緊急制動環(huán)路斷開后，緊急制動閥失電觸發(fā)緊急制動。BCU軟件不對緊急制動閥進行控制，并在常用制動回路冗余施加（減速度與緊急制動減速度相等）。

3.2.4 緩解方式。制動控制單元的緊急制動電磁閥由緊急制動環(huán)路控制。觸發(fā)緊急制動后，零速聯(lián)鎖由CCU完成。制動控制單元監(jiān)測到緊急制動環(huán)路恢復后，將緊急制動緩解，并通過網(wǎng)絡(luò)反饋CCU。

3.3 實施原則

3.3.1 動指令發(fā)出后是不能撤除的，列車必須減速，直到列車停止。

3.3.2 不管是什么原因引起的緊急制動，車輛必須以緊急制動減速度制動。

3.3.3 緊急制動作用時，有防滑保護。

3.3.4 在整個緊急制動過程中，其他制動方式不起作用。

3.3.5 緊急制動不受沖動極限限制。

4 停車保持制動

停車保持制動是常用制動的一部分，用于低速情況下停車，該過程中空氣制動會逐步取代電制動。

4.1 控制邏輯

在制動作用下列車速度持續(xù)降低，電制動力無法再根據(jù)制動指令值的變化而改變。此速度點即為電空轉(zhuǎn)換點，電制動在此速度點開始以一定的斜率進行衰減，同時空氣制動以相同的斜率進行增加，保證列車總的制動力不會變化。直至系統(tǒng)檢測到零速信號，如果當前制動級位大于保持制動力，列車保持該制動力停車，否則自動切換至保持制動。當列車需要重新啟動時，保持制動會在牽引力確保列車不溜逸的情況下自動緩解。

4.2 控制過程

停車保持制動過程可分為以下階段：

4.2.1 空氣制動取代電制動。在速度小于15km/h的情況下，由制動指令和電制動衰減（EdFadeOut）信號發(fā)起，然后空氣制動逐漸取代電制動，由于空氣制動施加有一定的響應(yīng)時間，電制動力必須在一段時間的延遲后以一定的斜率當速度高于15km/h時，制動系統(tǒng)將忽略電制動衰減信號（即不會發(fā)起停車制動）。

4.2.2 純空氣制動的停車制動。當電制動衰減至完全退出后，空氣制動完全取代電制動，所施加的制動力滿足制動需求和沖動限制。此時列車速度很低，但系統(tǒng)還檢測不到零速。

4.2.3 保持制動施加。在ATO模式下，保持制動的施加由ATO來控制，當列車狀態(tài)滿足ATO保持制動施加判據(jù)時，會向制動系統(tǒng)發(fā)起保持制動施加指令；如果制動系統(tǒng)檢測到非牽引指令和零速超過3秒仍未收到該指令，則自動施加保持制動。非ATO模式下，當制動系統(tǒng)檢測到非牽引指令和零速，則自動施加保持制動。

4.2.4 保持制動緩解。網(wǎng)絡(luò)正常時，保持制動緩解信號由網(wǎng)絡(luò)發(fā)出，制動系統(tǒng)收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)出的保持制動緩解信號后緩解保持制動，此時如果制動系統(tǒng)如果檢測到牽引指令和保持制動緩解指令也能自行緩解保持制動。網(wǎng)絡(luò)故障時，制動系統(tǒng)收到牽引硬線指令且當列車非零速信號后，由制動系統(tǒng)自行緩解。

4.3 實施原則

4.3.1 停車保持制動過程一旦發(fā)起不可取消。

4.3.2 停車后，保持制動為純空氣制動。

4.3.3 保持制動力大小需保證超員載荷列車在最大坡道上停住不發(fā)生溜逸。

4.3.4 回送模式下，保持制動功能失效。

5 快速制動

快速制動指令由司機控制器的快速制動位觸發(fā)，所需的制動力由電制動和空氣制動混合提供，與緊急制動的制動率相同。電制動故障時，快速制動缺失的制動力自動由空氣制動提供（自動轉(zhuǎn)換），但制動減速度一般會比緊急制動減速度低一些。

5.1 控制邏輯

緊急制動列車線環(huán)路閉合時，快速制動列車線被激活或網(wǎng)絡(luò)上有快速制動指令，此二指令任一指令信號有效時制動系統(tǒng)都執(zhí)行快速制動。當司機控制器的手柄離開快速制動位時快速制動即可緩解。

5.2 控制過程

快速制動控制過程與常用制動相同。

5.3 實施原則

5.3.1 電空復合的快速制動減速度與緊急制動相同。

5.3.2 快速制動為可恢復的制動方式，可隨時緩解。

5.3.3 具備防滑保護，受沖擊極限限制。

6 停放制動

停放制動用于滿足列車在無電源和氣源的情況下，庫內(nèi)存放時，安全可靠停住的要求。

6.1 控制邏輯

停放制動是獨立于BCU控制的一種制動方式，通過司機室按鈕來控制停放制動的施加和緩解。停放制動采用彈簧儲能的方式，每根軸安裝一個帶停放制動的基礎(chǔ)制動單元，車輛緩解停放是通過向基礎(chǔ)制動單元停放制動缸施加壓縮空氣抵消彈簧力達到緩解停放制動的目的，停放制動的施加則是通過排放停放缸中的壓縮空氣，彈簧自然伸張來實施停放制動。

6.2 控制過程

當觸發(fā)停放制動施加按鈕后，停放制動施加列車線得電，從而激活安裝在輔助控制模塊中的脈沖電磁閥，脈沖電磁閥為雙穩(wěn)態(tài)電磁閥。該閥有兩個電磁鐵模塊，分別控制停放制動的施加和緩解。當控制停放制動施加的電磁鐵得電后，脈沖電磁閥會排出下游（通往停放缸）的壓縮空氣，從而使停放制動施加。此時，只有當控制停放制動緩解的電磁鐵得電才能被緩解。每車設(shè)有1個截斷塞門能夠切除故障停放制動，該截斷塞門集成在輔助控制模塊中。切除狀態(tài)會在司機HMI上顯示。切除停放制動后，可通過手動緩解裝置緩解，一旦手動緩解了停放制動，停放制動失效，當總風壓力恢復到正常范圍時，打開停放切除截斷塞門，并進行一次制動操作，停放制動自動恢復。

6.3 實施原則

6.3.1 列車運行時，不能施加停放制動，否則會觸發(fā)緊急制動。

6.3.2 列車入庫停放后，隨著總風壓力的降低，車輛狀態(tài)會由緊急制動狀態(tài)制動切換成停放制動狀態(tài)。

6.3.3 只有總風壓力達到一定程度之后停放制動才能夠被緩解。

7 結(jié)語

本文介紹了當前國內(nèi)地鐵車輛架控制動系統(tǒng)主要的制動系統(tǒng)功能、控制邏輯，對制動系統(tǒng)各制動功能模式下的控制邏輯、控制過程、實施原則等進行了較全面的闡述和分析；總結(jié)了各制動模式的功能特點，對從功能上了解地鐵制動功能在各工況下所起著的作用以滿足列車的正常運營具有重要意義，對地鐵列車故障診斷具有指導意義。

參考文獻

[1] 吳新宇.克諾爾模擬式地鐵制動系統(tǒng)概述[J].鐵道車輛，2000，38（1）.

[2] 曹宏發(fā)，鄭瓊林，李和平.城軌列車制動系統(tǒng)故障導向安全設(shè)計[J].鐵道機車車輛，2008，（12）.

[3] 林祜亭，李和平.城軌列車微機控制模擬直通制動系統(tǒng)[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2005，（2）.

作者簡介：劉政，男，中車唐山機車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心工程師，工學碩士，研究方向：軌道車輛制動系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計。

（責任編輯：王 波）