城市軌道車輛架控制動裝置故障及可靠性研究

孟繁輝，尚小菲，高靖添，馬永靖，曲志及，楊 東

（中車長春軌道客車股份有限公司，長春 130062）

自2005 年架控制動裝置在國內地鐵應用以來，由于集成度高、冗余度高，尤其更適合短編組地鐵列車的特點，其在國內地鐵車輛的應用逐年增多。根據不完全統計，截止2020 年裝車數量累計超過3 萬輛。制動控制裝置是制動系統的核心部件，其故障情況直接影響地鐵車輛運營的可靠性和安全性，為此對架控制動裝置的故障分析和可靠性研究具有較重要意義。

1 結構原理和故障影響

1.1 結構原理

國內地鐵項目應用的架控制動裝置結構及原理存在差異，從結構上有集成式和箱體式2 種，集成式是將電子控制單元和氣動控制部分緊湊集成在密閉閥體內；而箱體式是將電子控制單元和氣動控制部分安裝在箱體內，電子制動單元采用獨立機箱。

從氣動原理上可根據常用制動壓力控制與防滑氣路控制是否集成區分為兩大類，下面以集成式架控制動裝置開展相關介紹，氣路控制原理如圖1 所示［1］。

圖1 架控制動裝置氣路控制原理

氣動控制單元部分主要由緊急制動調壓部分、遠程緩解控制部分、常用制動調壓和防滑部分等組成［2］。

根據上述結構及原理，可以看出架控制動裝置主要由以下零部件組成：

（1）電子板卡：包括供電板卡、輸入輸出板卡、主控板卡、通信板卡等。

（2）氣動部件：壓力傳感器、電磁閥、活塞閥、中繼閥、減壓閥等。

（3）輔助部件：電氣連接器、氣路板、密封件等。

1.2 故障影響

故障根據對列車運營的影響一般分為3 個等級，1 級故障為車輛無法繼續運行，需立即停車處理；2 級故障為車輛功能受限，可以帶限制繼續運行；3 級故障為車輛可以繼續運行，但應回庫后進行維護。與架控制動裝置本身相關的主要故障及其影響見表1。

表1 故障分類及影響

2 故障統計及分析

2.1 故障定義

為評估系統的可靠性，地鐵列車根據故障對運營的影響情況對故障的定義見表2。

表2 故障定義

2.2 故障調查

為調查架控制動裝置的實際故障情況，從北京、深圳、重慶、西安、南昌、蘭州等6 個城市中選取已經交付運營的12 個地鐵車輛項目，收集從2019年到2021 年近3 年車輛運營后的故障數據，共統計出113 起制動控制裝置相關故障。

重點故障主要集中于系統自檢不通過故障31起、制動缸壓力低16 起、壓力傳感器故障16 起、制動不緩解16 起、氣動閥漏氣8 起、通信故障4 起，以上故障共計91 起，占比總故障數量約80.5%；偶發的單點故障總共22 起，占比總故障數量約19.5%。

所有113 起故障中導致列車發生服務故障的數量為18 起，其余95 起為碎修/列檢故障。所有涉及的故障部件以及服務故障分布情況見表3。

表3 故障統計

2.3 可靠性評估

2.3.1 可靠性計算輸入條件

（1）列車列份：所選取的12 個地鐵項目共計351 列車。

（2）運行時間：平均每天運營時間16 h，平均運營時間365 d/年。

（3）計算時間：2.5 年。

（4）服務故障：18 起。

（5）碎修和列檢故障：95 起。

2.3.2 可靠性計算

根據上述輸入條件計算，架控制動控制裝置的平均無故障時間（MTBF）：

平均服務故障率（每列車）=總服務故障數量/（列車列份×運行時間）=18/（351×16×365×2.5）=3.51×10-6。

平均無故障時間MTBF（服務故障）=1/（服務故障率）≈28.5 萬h。

采用相同計算方式，碎修和列檢故障的平均無故障時間MTBF≈5.4 萬h。

2.3.3 可靠性評估結果

由圖6可知，附加一個閉環零點，超調量增大，上升時間和峰值時間下降。并且閉環零點越遠離虛軸，系統超調量越小。

根據上述評估結果，架控制動控制裝置的碎修、列檢故障可滿足指標要求，服務故障超出指標要求，但如果綜合晚點故障指標，可滿足指標要求。可靠性評估結果見表4。

表4 可靠性評估

3 典型故障分析

3.1 控制電磁閥故障

架控制動裝置控制電磁閥故障主要集中在常用制動進氣電磁閥、排氣電磁閥及相關電氣連接器，其故障可直接影響常用制動的控制，會導致架控制動裝置出現制動缸壓力低、制動不緩解、系統自檢不通過、閥泄漏等問題，下面介紹幾種主要故障表現形式。

（1）排氣電磁閥卡滯

排氣電磁閥為兩位三通常開電磁閥［3］。失電時1 口（進氣口）與2 口（用氣設備接口）導通，3 口（排氣接口）截止；得電時2 口與3 口導通，1 口截止。通過電樞閥芯得失電吸合的動作切換，控制底部閥座的通斷，最終實現電磁閥1 口、2 口及3 口的切換。電磁閥內部結構如圖2 所示。

圖2 排氣電磁閥內部結構

將故障電磁閥在試驗臺上測試發現，排氣電磁閥在長期通電的高溫情況下偶發電樞閥芯與活塞套管卡滯情況，導致失電時電樞閥芯不動作，從而導致制動缸壓力低故障的發生。

制動缸壓力低故障原理如圖3 所示。

圖3 制動缸壓力低故障原理

當制動處于完全緩解狀態時，所有排氣和充風電磁閥均處于得電狀態。而施加制動時，兩組電磁閥通常為一組處于非工作狀態（處于保壓狀態），排氣電磁閥失電，充風電磁閥得電；另一組處于制動狀態，排氣和充風電磁閥均失電。

（2）進氣電磁閥泄漏

進氣閥為兩位三通常閉電磁閥；得電時1 口與2 口導通，3 口截止；失電時2 口 與3 口導通，1 口 截止。電磁閥內部結構如圖4 所示。

圖4 進氣電磁閥內部原理

將故障電磁閥拆解，發現電磁閥內部活塞、閥芯、閥座等部件磨損嚴重，表面附著顆粒物。與未磨損電磁閥對比，內部磨損的電磁閥部件在切換運動時存在卡滯感；較大的靜摩擦力阻礙電磁閥壓力的正常切換，導致進氣電磁閥內部漏氣，也就是2 口的壓力有一部分直接通過3 口排向大氣，產生泄漏。

制動不緩解故障氣路原理如圖5 所示。正常制動緩解狀態下，所有進氣和排氣電磁閥均處于得電的狀態，此時進氣活塞閥關閉，排氣活塞閥打開，架控制動裝置整體處于緩解狀態。當進氣電磁閥出現漏氣現象時，進氣活塞閥在進氣電磁閥漏氣時異常開啟，產生邊充邊排的制動不緩解現象。

圖5 制動不緩解故障氣路原理

經調查，出現異常磨損的原因與具體項目列車的拖車電磁閥動作次數過多有關，動作次數約65 次/km，而電磁閥動作次數過多的原因與ATO控車、電制動能力以及電空復合制動邏輯相關，該項目車輛在高速運行階段存在頻繁補充空氣制動的情況。

（3）電磁閥線圈開路

部分故障電磁閥的漆包線及內部線圈存在不同程度的磕碰破損、斷裂等現象，部分電磁閥線圈與引腳焊點異常，具體情況如圖6 所示。

圖6 電磁閥線圈開路缺陷

仍假設軸2 排氣電磁閥線圈失效。參照圖5，當列車完全緩解時，所有電磁閥得電，由于軸2 排氣電磁閥線圈開路實際處于“失電”狀態，此時軸2進排氣活塞閥頂部無預控壓力，使得軸2 進氣活塞閥異常打開，而軸2 排氣活塞閥異常關閉，使得壓縮空氣進入軸2 制動缸，并通過連通閥給軸1 制動缸同時充氣，同時通過軸1 的排氣閥排向大氣，將形成一個穩定的壓力差，導致兩個軸同時存在一個穩定的殘余壓力，從而導致制動不緩解故障。

（4）電氣連接器插針接觸不良

部分制動不緩解故障與電氣連接器插針接觸不良有關，對故障閥進行檢查發現電氣連接器母針夾緊力偏小導致電氣信號接觸不良。當車輛制動完全緩解時，實際制動缸壓力已經緩解到0，但由于電氣連接器插針接觸不良，導致架控制動裝置輸出的“制動緩解”的硬線信號無法正確傳輸到車輛系統，最終車輛誤報制動不緩解故障。

經查母針夾緊力偏小的原因是母針開口過大，導致母針與公針安裝后的夾緊力偏低，同時壓合位置不佳，造成套管端部出現張口現象，無法提供穩定的夾緊力。

3.2 壓力傳感器故障

架控制動裝置內部設有多種壓力傳感器，用于監測閥內部壓力，其包括：空氣簧壓力傳感器、制動缸壓力傳感器、制動風缸壓力傳感器、緊急稱重壓力傳感器、停放制動缸壓力傳感器、總風壓力傳感器等。

空氣簧壓力傳感器故障影響：對應設置2 個傳感器，架控制動裝置將輸出“輕微故障”。

制動缸壓力傳感器故障影響：可能架控制動裝置誤報出制動不緩解故障，導致列車牽引封鎖。

制動風缸壓力傳感器故障影響：可能誤報制動風缸壓力低，導致架控制動裝置不可用。

停放壓力傳感器故障影響：可能誤報停放制動狀態不正常。

總風壓力傳感器故障影響：可能導致空壓機泵風不止或不能啟動。

緊急稱重壓力傳感器故障影響：可能導致架控制動裝置不可用，輸出“閥中等故障”。

將故障壓力傳感器在25、-40、70 ℃環境下進行測試，發現故障傳感器存在3 種故障情況：傳感器超壓故障、傳感器開路故障和傳感器偏差故障。傳感器超壓故障會使得傳感器輸出的壓力始終超出最高壓力的名義電壓值上限；傳感器開路故障會使得傳感器輸出的電壓始終為0；傳感器偏差故障會使得傳感器輸出的電壓超出各種輸入壓力下的名義值的公差。

對部分故障傳感器進行檢查，發現內部軟排線焊點存在虛焊情況，這是由于焊接時間過短使得焊錫未充分熔化導致。此外部分壓力傳感器故障為內部集成電路IC 功能失效。

4 結論

文中對架控制動裝置的故障調查、影響和典型故障進行了分析，12 個地鐵項目的架控制動控制裝置服務故障稍微超出可靠性指標要求，綜合晚點故障評估可滿足指標要求；根據分析結果，架控制動裝置故障主要集中在控制電磁閥、壓力傳感器、氣動活塞閥和軟件等問題。為提高架控制動裝置安全和可靠性，需從地鐵列車運營影響和失效模式方面開展深入分析，從設計、制造和質量管控多方面研究制定提高架控制動裝置質量的措施。