北京地鐵昌平線制動系統總風欠壓故障分析與探討

王群偉， 范榮巍， 金 哲， 曹 斌

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

北京地鐵昌平線車輛為6輛編組，制動系統采用EP08車控系統[1]，每個車輛配置一套制動控制裝置；基礎制動采用制動夾鉗和輪盤制動方式，充分滿足車輛運用時的熱負荷的要求。在列車的2車和5車配置了風源系統，滿足車輛制動及空氣彈簧(簡稱：空簧)等耗風的需求。

北京昌平線004車正線運營至西二旗乘降作業時，車輛總風壓力快速下降至620 kPa以下，總風壓力開關動作，車輛觸發緊急制動。按司機室強泵按鈕，2車空壓機工作正常，5車空壓機間斷啟停、不能正常供風。總風壓力維持在600 kPa左右，低于車輛正常運營要求。

總風欠壓是指地鐵車輛在載荷急劇增加時，空簧耗風劇烈，導致總風管路的壓力降低，超出總風壓力正常范圍，總風壓力開關觸發，車輛為導向安全自動施加緊急制動。緊急制動施加后，總風壓力需要達到規定的設定值才能緩解緊急制動。此外，總風管路的意外破損漏風也會導致總風欠壓。因此在實際車輛運營中，如發生總風欠壓故障，會導致運營秩序受到影響。

針對昌平線折返時出現的總風欠壓故障導致緊急制動進行了深入分析和研究，對導致總風欠壓的空壓機問題及客流急劇變化因素的解決措施進行了探討和實施，解決了現場出現的問題；對后續車輛運營及制動系統的優化設計具有現實的意義。

1 故障現象及邏輯分析

1.1 故障現象

總風欠壓故障時，列車正處于乘降作業，同時疊加了空壓機間斷運行的故障，導致總風壓力維持在600 kPa

左右，低于車輛正常運營要求，導致列車晚點。

分析車輛記錄的空簧及耗風數據，復現故障時候的情況，空簧參數和實際車輛總風狀態符合當時的實際客流情況：車輛折返時處于晚高峰，乘客在18:50至18:52上車后，圖1空簧壓力數值表明車輛處于AW3狀態，空簧大量充風，導致總風壓力快速下降至600 kPa以下(18:52時，總風壓力為589 kPa)，進而觸發緊急制動。

圖1 CP004-5車耗風情況18:52—19:05

1.2 邏輯分析

風源系統根據網絡單、雙日的設定進行主輔空壓機選擇，車輛單日運行時，2車空壓機為主空壓機，車輛雙日運行時5車空壓機為主空壓機。當總風壓力低于680 kPa 時，兩臺空壓機同時啟動打風，直至總風達到900 kPa停機。若空壓機啟動時總風壓力大于680 kPa、小于750 kPa，則主空壓機啟動開始打風直至總風壓力達到900 kPa停機。若空壓機啟動裝置初次通電時總風壓力高于750 kPa，兩臺空壓機都不工作。空壓機啟動裝置使用壓力開關監測總風壓力。

總風欠壓壓力開關在頭車的制動控制裝置內，直接連接總風，當總風壓力低于600 kPa時，壓力開關動作觸發緊急制動；當總風壓力高于700 kPa時，壓力開關動作，閉合信號與車輛控制連鎖，車輛恢復正常。

通過對故障現象及車輛制動系統邏輯的分析，導致總風欠壓因素：

①當總風壓力低于680 kPa時，5車空壓機不能正常供風，導致壓力上升慢；

②折返站，載客變化率由AW0變化至AW3，導致空簧急劇用風，空簧急劇用風后總風壓力降到了總風欠壓保護點。

2 空壓機故障的分析和改進

5車空壓機起動3 s后LVD三相電源控制器[2]過壓保護指示燈點亮變紅，空壓機停機，通過強泵功能復測，故障現象反復、持續。對調2車、5車風源系統LVD，故障現象隨LVD轉移，即5車風源系統啟動正常，2車風源系統頻繁啟停，故定位故障為LVD器件保護導致。

LVD三相電源控制繼電器作為保護性器件，造成保護的原因：

①供電異常(過壓、欠壓、缺相及相序錯誤)；

②器件自身故障。

空壓機正常工作時，主回路AC 380 V電源一旦出現過壓(超過420 V)、欠壓(低于340 V)、缺相及相序錯誤時，LVD保護，相應的指示燈亮，同時其串聯在DC 110 V控制回路中的常開觸點斷開，串聯的TD1延時繼電器失電，其常開觸點同時斷開，CMK主接觸器失電，空壓機電機斷電，空壓機停止工作。如圖2所示。 由于現場調換LVD后，故障現象轉移，因此可以確定本次故障由于LVD自身故障導致。

對故障LVD進行拆解測試，其內部輸入端為典型的阻容(RC)降壓電路，降壓電容的電容標稱為220 nF的X2安規電容，但是實際測試值為129 nF、56 nF和58 nF；當降壓電容出現問題，容值變化勢必會影響降壓后供給后續電子器件的電流，從而對后續邏輯器件的判斷產生影響，導致非正常的動作。

對故障件進行更換，同時選擇質量更加可靠的產品進行試裝替換，確保運營安全。

3 應對大客流乘降急劇耗風的參數調整研究

3.1 原理分析

列車在折返時存在載荷從AW0到AW3的極限工況，該工況下的需要給空氣簧充風以保持車輛的平衡，空氣簧耗風量極大[3]。圖2為空簧懸掛部分原理圖。制動系統在空簧管路設置了溢流閥。溢流閥在前端壓力達到設定值時開啟；減壓閥確保壓力穩定并保護空簧壓力上限。制動系統溢流閥(L1)的開啟壓力為(650～670) kPa，關閉壓力≥580 kPa。在車輛載荷增加時，高度閥(L5)的閥口打開給空簧(L7)充風；差壓閥(L6)保證一個轉向架兩個空簧的壓力差值在設定范圍內。

圖2 風源系統電氣原理

L1-溢流閥；L4-減壓閥；L5-高度閥；L6-差壓閥；L7-空簧。圖3 空簧懸掛原理

為避免大客流乘降急劇耗風導致的低壓，可以從兩方面考慮：一是增加風源的供給。在風源系統不變的情況下，更改空壓機啟動運行的壓力，提前工作給系統充風；二是在總風壓力到達緊急制動設定點前，不再給空簧供風，待總風壓力上升后再供風。

3.2 模擬計算分析

利用制動計算軟件，對調整空壓機啟動壓力和調整溢流閥值兩種方案進行了對比分析[4]。模擬計算在車輛AW0載荷30 s內變化為AW3載荷時，空簧壓力、總風壓力變化的情況。

計算工況如表1所示。

表1 計算工況 kPa

圖4 工況1數據

從圖4數據可以看出，19 s時，總風壓力由900 kPa下降至680 kPa，啟動第2個空壓機。30 s時，總風壓力由900 kPa下降至580 kPa。溢流閥關閉，空簧壓力不再增加，總風壓上升。在30 s內空簧壓力由276 kPa上升至458 kPa，但是未達到對應于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)。

圖5 工況2數據(曲線定義同圖4)

從圖5數據可以看出，13 s時，總風壓力由900 kPa下降至750 kPa，啟動第2個空壓機。30 s時，空簧壓力由276 kPa上升至458 kPa，但是未達到對應于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)。32 s時，總風壓力由900 kPa下降至580 kPa。

從工況1和工況2的數據可以看出，空壓力啟動壓力提高后，并不能彌補乘降急劇耗風的空簧用風，總風壓力還是會很快達到緊急制動壓力。

圖6 工況3數據(曲線定義同圖4)

從圖6數據可以看出，19 s時，總風壓力由900 kPa下降至680 kPa，啟動第2個空壓機。24 s時，總風壓力由900 kPa下降至630 kPa。溢流閥關閉后，總風壓力不再下降。

在30 s內空簧壓力由276 kPa上升至437 kPa，但是未達到對應于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)。119 s 時，空簧壓力達到對應于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)，而且高度閥杠桿恢復到水平位。空簧達到規定值的時間與工況1的基本相同。

圖7 工況4數據(曲線定義同圖4)

從圖7數據可以看出13 s時，總風壓力由900 kPa下降至750 kPa，啟動第2個空壓機。25 s時，總風壓力由900 kPa下降至630 kPa。

在30 s內，空簧壓力由276 kPa上升至443 kPa，但是未達到對應于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)。112 s時，空簧壓力達到對應于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)，而且高度閥杠桿恢復到水平位。

從工況3和工況4可以看出，調整空壓機啟動壓力，對空簧壓力的提高速度基本沒有影響，但是調整溢流閥設定值，可以有效防止總風欠壓的發生。由于客流急劇變化發生在車輛靜止狀態，溢流閥截止后，可能會造成空簧實際壓力不能反應實際的客流載荷。在總風壓力沒有達到開啟溢流閥的時間內，該載荷信號可能不真實。由于載荷信號在車門關閉后鎖定，因此行車過程中的載荷信號會小于實際載荷(差值不大)。運行過程中的調速和牽引，可以進行級別的追加，因此這個差異的影響比較有限。因此，建議采用調整溢流閥設定值的方法，不會對制動系統的功能和整體性能產生影響。

3.3 溢流閥設定值調整

選取一列車將目前溢流閥的開啟壓力由650 kPa提高到680 kPa，關閉壓力由≥580 kPa提高到≥630 kPa，使其關閉值高于緊急壓力設定值600 kPa。車輛在實際與運用過程中沒有出現總風欠壓的情況，并且在早晚客流高峰期間以及折返乘降時，列車風源系統供風和溢流閥工作均正常，沒有總風壓力低的情況發生。

圖8～圖9為早高峰時段的數據，總風壓力最低為666 kPa，列車風源系統供風和溢流閥工作均正常，沒有總風壓力低于600 kPa情況發生

圖8 早高峰期間空簧壓力與 總風壓力變化 6:34—7:10

圖9 早高峰期間空簧壓力與 總風壓力變化7:54—8:36

4 結束語

對該起總風欠壓故障進行深入分析，原因為疊加了空壓機LVD故障和乘降作業時急劇耗風而導致的。通過對空壓機LVD的研究對風源系統部件的選擇進行了優化，為后續產品選型提供了參考，避免類似故障和隱患再次發生。對乘降作業時急劇耗風的解決方案進行了分析和研究，并在實際車輛上進行了實施，取得了良好的應用效果，為制動系統參數的設計提供借鑒。在制動系統的設計中，應充分考慮載客流量變化對用風的需求，同時設置合理的控制參數，增加車輛的可用性，避免發生影響運營秩序的故障。