青島地鐵6號線車輛制動系統設計

李 莉

(中車青島四方車輛研究所有限公司 制動事業部，山東 青島 266031)

傳統城市軌道交通項目一般采用“軌旁聯鎖+軌旁區域控制+車載列車防護+控制中心”的架構，設備配置多，系統接口復雜，故障影響范圍大，建設維護成本高，施工調試周期長，互聯互通困難。青島地鐵集團有限公司聯合中車青島四方車輛研究所有限公司研究開發了一套以“車—車”通信為基礎、以列車為主體和控制核心，具有列車主動進路、列車自主防護、列車自主調整以及無人駕駛(DTO)功能，并支持車輛段和正線一體化的新型列車自主運行系統(TACS)。TACS采用了車載列控子系統與列車控制管理系統(TCMS)、牽引、制動等其他控制系統深度融合的方案。其中車輛制動系統由JK02型制動控制閥、輔助控制單元、基礎制動裝置、防滑系統等組成，目前已完成了裝車試驗。

1 制動系統

青島地鐵6號線地鐵列車采用4動2拖編組，如圖1所示。制動系統作為TACS的重要組成部分，除了需要完成傳統城市軌道交通車輛要求的常用制動、快速制動、緊急制動、停放制動等制動系統功能外，還需要完成與車輛網絡控制系統融合、與ATO(列車自動駕駛系統)子系統融合的任務。其中與ATO子系統融合是要求ATO子系統集成在電子制動控制單元EBCU設備中，并能夠通過EBCU實時獲得車輛自身以及車輛牽引系統、制動系統等的狀態，為實現ATO子系統精確控制提供更精準的技術條件。圖1所示的JK02S_A型制動控制單元集成了ATO子系統[1]。

2 制動系統主要結構

青島地鐵6號線車輛制動系統主要由風源系統、制動控制系統、基礎制動裝置、防滑系統、空氣懸掛供風裝置等子系統組成。制動控制系統以轉向架為單位進行制動控制，每臺轉向架可以單獨進行常用制動控制和緊急制動控制，融合的車輛網絡代替了傳統的CAN 總線網絡，將列車單元內的全部控制閥連接起來實現整列車的制動力分配。

2.1 風源系統

風源系統主要由無油渦旋式空氣壓縮機、冷卻系統、前置過濾器、干燥器等組成，為制動系統等用風設備提供壓縮空氣。每列車有2 套風源系統，分別吊裝在2輛拖車的底架上。

Tc1、Tc2.帶司機室的拖車；M1、M2、M3.動車；CCU.中央控制單元；DCU.牽引控制單元；JK02S_A、JK02S_B.制動控制單元；TB.拖車轉向架；MB.動車轉向架。圖1 青島地鐵6號線車輛制動控制系統組成圖

2.2 制動控制系統

制動控制系統包括JK02S_A型主控制閥制動控制單元和JK02S_B型輔控制閥制動控制單元。JK02S_B型輔控制閥制動控制單元具備網絡通信、制動管理、防滑控制、故障記錄等功能。JK02S_A型制動控制單元除了具備JK02S_B型制動控制單元的所有功能，還具備ATO功能和制動系統維護端口。

制動控制單元內的EBCU由EB01通信板、CB01控制板、ATO控制板(JK02S_A型)組成。列車所有制動控制單元通過列車以太網實現載荷、制動百分比、電制動力實際值等信息的共享，按照整列制動力分配的制動計算獨立實現本轉向架的制動力計算，實現整車的電空混合制動任務。各控制單元均向TCMS傳輸本轉向架制動單元的狀態和故障信息，可以通過列車顯示屏顯示。

JK02S_A型主控制閥制動控制單元實現ATO功能， ATO板卡集成到此EBCU內，ATO可實時獲取制動系統與牽引系統的狀態信息。該設計實現了ATO與牽引、制動系統的數據實時共享，方便ATO進行實時閉環控制，有利于優化ATO對牽引、電制動及空氣制動的控制。當主控制閥的ATO功能失效時，車輛另一端的JK02S_A型制動控制單元成為主控制閥，繼續實現ATO功能。

2.3 基礎制動裝置

基礎制動裝置采用盤形制動形式，每套盤形制動裝置由夾鉗、輪裝制動盤和閘片組成。每臺轉向架裝有4 套夾鉗，其中2 套帶停放制動功能，在轉向架上呈對角線布置。基礎制動裝置由制動控制系統控制，產生符合制動指令要求的制動力。

2.4 防滑系統

防滑系統由防滑控制板、防滑閥、測速齒輪及速度傳感器等組成，能在充分利用輪軌黏著的前提下有效地防止車輪滑行擦傷。防滑控制板和防滑閥集成在制動控制單元中，防滑控制計算、滑行判斷、防滑動作的執行由制動控制單元完成，采用軸控防滑方式。

2.5 空氣懸掛供風裝置

空氣懸掛供風裝置包括安裝在制動控制單元中的溢流閥和減壓閥，還包括安裝在轉向架上的高度控制閥和差壓閥，每臺轉向架上分左右裝有2個高度控制閥和1個差壓閥。

3 制動系統主要功能

TCMS將制動指令信號通過以太網發送給各制動控制單元。列車網絡正常時，制動系統優先使用網絡傳送的制動指令；當網絡故障時，制動系統根據列車硬線信號根據當前載荷條件施加相應的常用制動；當緊急制動時，各個制動控制單元根據自己的載荷，施加緊急制動。

3.1 常用制動管理

常用制動采用電空混合制動，優先使用電制動，電制動力不足或者失效時，由空氣制動補足或者替代，電制動與空氣制動實時連續協調配合。

制動控制系統根據空氣彈簧提供的載荷壓力，在常用制動時對制動力進行計算，制動控制系統將載荷壓力值傳輸至TCMS。各制動控制單元共享列車載荷信息，并且提供給牽引控制系統，牽引控制系統根據制動百分比信息和列車載荷信息計算并施加電制動力，同時將實際電制動力反饋給各制動控制單元。制動控制單元將實際電制動力與列車所需制動力進行比較，如果電制動力能夠滿足列車制動需求，動車和拖車均不施加空氣制動；如果電制動力無法滿足列車的制動需求，不足部分用拖車優先原則補充空氣制動[2]。

3.2 保持制動施加與緩解功能

保持制動的施加與緩解一方面影響車輛的安全停車，另一方面，在自動駕駛時，對精確停車有很大影響。非自動駕駛模式下，車速小于1 km/h時，制動系統自動施加保持制動。自動駕駛模式下的保持制動施加由信號系統控制，制動系統接收到ATP(列車自動防護系統)發送的“保持制動施加由信號控制”及“保持制動施加”這2個信號后，施加保持制動。基于ATO融合于EBCU的新設計，自動駕駛模式下可以更加快捷準確地實現保持制動完全由信號系統根據站點信息進行控制，進而實現精準安全停車。

網絡正常并且處于牽引狀態時，TCMS會發出保持制動緩解信號。網絡故障牽引狀態下，制動系統自行進行車速與指令判斷，實施保持制動緩解。

3.3 緊急制動功能

緊急制動采用“得電緩解”方式，貫穿整個列車的連續電源線控制制動系統的緩解，此線路一旦斷開，列車編組中的所有車輛會實施緊急制動，全部制動力由空氣制動獨立承擔。列車中各制動控制單元實時采集緊急列車線的狀態，并且發送給TCMS。當緊急制動指令發出時，立刻施加緊急制動，此時電制動被自動切除。一旦施加緊急制動，列車停車前不能緩解。

3.4 防滑控制管理

動車的防滑功能由電制動和空氣制動共同完成，電制動與空氣制動的防滑控制系統獨立工作。牽引控制單元DCU 完成電制動防滑的控制，電空混合制動時一旦出現滑行，首先由DCU進行電制動的防滑控制，同時把電制動滑行信號傳給制動控制單元，此時空氣制動不因電制動力的減小而進一步補充。如果DCU 防滑控制超過某一設定時間仍然滑行，則切除滑行車的電制動，由空氣制動的防滑控制來實施防滑功能。

拖車的防滑功能由空氣制動獨立完成。防滑系統根據速度差或減速度判定滑行程度的大小，通過防滑閥控制制動缸進行保壓/排氣/充氣，以維持/減小/增加作用于該軸上的制動力，避免車輪出現滑行[3]。

3.5 與ATO的融合功能

制動系統實現了ATO 與BCU 的深度融合，將ATO 功能集成至車輛制動系統EBCU 中。ATO通過與制動系統的直接通信，獲取列車載重信息、牽引系統狀態、制動系統狀態，根據計算的列車速度，生成ATO 曲線，并據此控制列車運行。從而避免了因多節點設備中部分故障導致的制動力不足(包括電制動力、空氣制動力)，以及因軌道濕滑引起的列車滑行等情況下外部設備給ATO 控制帶來的不利影響。同時，ATO 可根據當前整車的載荷、制動力需求、電制動能力等信息，更加合理地分配電制動與空氣制動，充分利用制動級位，盡可能保證列車高速段不使用空氣制動，實現真正的綠色停車。與此同時，ATO 與制動功能的融合實現了信號系統與制動、牽引系統的信息共享，信號系統將輪徑校準應答器信息發送給制動系統，制動系統利用此信息可以更加準確地實現輪徑校核，該功能有助于更精準地進行制動管理和防滑控制。

4 創新項點

青島地鐵6號線采用列車自主運行系統(TACS)，與傳統城市軌道交通項目相比具有多個創新點。例如：以列車之間數據通信為基礎，以車載控制為核心；車載控制系統深度融合；智能化駕駛控制；車輛段設備與行車控制等。制動系統與之相適應，做出了一些創新設計。

4.1 網絡升級

網絡拓撲結構與傳統架控制動系統不同，如圖2所示，傳統模式的制動控制系統組建獨立的CAN網絡進行制動計算，實現制動力分配；而TACS利用整車的以太網資源組建制動網，制動系統作為節點加入整車的以太網。該設計一方面提高了信息的傳遞速度，同時可以大幅增加傳遞的信息量，實現了TACS要求的融合設計。

圖2 制動控制系統網絡升級示意圖

4.2 ATO功能

傳統城市軌道交通的ATO是一個相對獨立的設備，TACS實現了制動系統融合ATO的功能。基于ATO與制動系統共享相同的速度信號源，并且可以直接共享信號系統的控車信號，制動系統可以獲取更多的制動性能數據，所以使制動系統減少了惰行時間，提高了行車效率，另一方面控車也更加精確。

ATO融合使制動系統增加了跳躍模式，制動系統收到跳躍模式指令會自動施加最大常用制動20%的保持制動力，可以配合ATO實現車輛站停調節。增加的另一個模式是自動洗車模式，在該模式下，ATP向TCMS發送自動洗車標志與洗車牽引/制動命令，由TCMS統一向牽引/制動系統發送指令。接近洗車終點時，由TCMS轉發信號系統的洗車制動命令，制動系統施加最大常用制動實現停車，完成自動洗車。

4.3 輪徑校準升級

列車出庫，通過輪徑校正區域時，制動控制系統開始進行輪徑校準(圖3)。制動控制系統接收到輪徑校準應答器1的信號后，對基準軸速度傳感器的脈沖信號開始計數，接收到輪徑校準應答器2的信號后，停止對基準軸速度傳感器的脈沖信號計數。經過輪徑校準區域脈沖計數為N，速度齒盤齒數為n，輪徑校準區域兩個輪徑校準應答器之間的距離為S，則基準軸輪徑值D為：D=S×n/(N×π)。由此可以實現自動輪徑較準。

圖3 輪徑校準示意圖

5 結束語

該項目的實施有利于提高城軌制動產品的設計水平，豐富城軌車輛架控制動系統產品的多樣性，提升制動系統國產化的競爭力。目前該制動系統已完成所有的例行試驗和型式試驗，并且完成了裝車前的各項調試，均滿足裝車要求。青島地鐵6號線作為列車自主運行系統(TACS)的示范工程，制動系統有大幅創新改進，制動控制能力更為精準，車輛運行更加安全、可靠。