地鐵車輛架控制動(dòng)系統(tǒng)功能分析

劉政 張新永 劉中華 張英亮 屈小爭(zhēng) 曹軍偉

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

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；架控制動(dòng)系統(tǒng)；制動(dòng)功能；控制邏輯；控制過程；信號(hào)傳輸 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

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

1 概述

當(dāng)今，我國城市軌道交通車輛在城市交通運(yùn)輸中起著越來越重要的作用，制動(dòng)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(yùn)輸能力。我國城軌車輛制動(dòng)系統(tǒng)采用電制動(dòng)與空氣制動(dòng)混合的制動(dòng)模式，空氣制動(dòng)采用微機(jī)控制的直通式制動(dòng)系統(tǒng)，早期車輛采用車控方式，即一輛車配置一個(gè)BCU（制動(dòng)控制單元）；為了更充分地利用制動(dòng)力提高制動(dòng)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(gè)BCU。架控制動(dòng)系統(tǒng)其產(chǎn)品主要分為國內(nèi)和國外兩種，國內(nèi)制動(dòng)系統(tǒng)主要包括鐵科院機(jī)輛所研制的EP09制動(dòng)系統(tǒng)、四方所研制的JK02制動(dòng)系等，國外制動(dòng)系統(tǒng)主要包括克諾爾EP2002制動(dòng)系統(tǒng)、法維萊EPAC2制動(dòng)系統(tǒng)等。各供應(yīng)商制動(dòng)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(dòng)、緊急制動(dòng)、停車保持制動(dòng)、停放制動(dòng)等。

2 常用制動(dòng)

列車正常運(yùn)行時(shí)，實(shí)施常用制動(dòng)。制動(dòng)力設(shè)定與制動(dòng)控制手柄的扳動(dòng)角度成比例，另外也可由ATP（列車保護(hù)系統(tǒng)）來定義。常用制動(dòng)可以由司機(jī)控制器、ATO（列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng)）以及ATP發(fā)出。

2.1 控制邏輯

制動(dòng)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(dòng)力。在緊急牽引模式下，制動(dòng)系統(tǒng)讀取來自硬線的控制指令，此時(shí)僅施加最大常用制動(dòng)。當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)接收到列車的制動(dòng)模式指令及制動(dòng)需求指令后，根據(jù)不同制動(dòng)需求，優(yōu)先使用電制動(dòng)，如電制動(dòng)能力達(dá)不到列車需求，空氣制動(dòng)將自動(dòng)補(bǔ)充電制動(dòng)力缺失的部分。在常用制動(dòng)過程中，若收到來自列車的快速制動(dòng)或緊急制動(dòng)指令，根據(jù)不同的激活指令，將自動(dòng)轉(zhuǎn)為相應(yīng)的制動(dòng)模式。

2.2 控制過程

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

由于電制動(dòng)施加時(shí)不存在磨耗，所以優(yōu)先使用動(dòng)車上的電制動(dòng)力作為主要的制動(dòng)力。一般情況下，電制動(dòng)力正常發(fā)揮時(shí)無需空氣制動(dòng)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(dòng)力不能滿足列車制動(dòng)力需求的情況下，空氣制動(dòng)將自動(dòng)補(bǔ)充制動(dòng)力缺失的部分，所補(bǔ)的制動(dòng)力考慮載重條件和黏著水平。

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

2.3 實(shí)施原則

2.3.1 制動(dòng)方式的選擇是自動(dòng)的。

2.3.2 優(yōu)先次序是電制動(dòng)、空氣制動(dòng)。

2.3.3 在整列車范圍內(nèi)進(jìn)行分配電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力。

3 緊急制動(dòng)

緊急制動(dòng)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(dòng)，具有故障導(dǎo)向安全的功能。緊急制動(dòng)發(fā)生后，牽引系統(tǒng)將被封鎖，車輪防滑系統(tǒng)啟動(dòng)。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(dòng)由硬線控制，通過獨(dú)立的、貫穿列車的緊急制動(dòng)環(huán)路控制緊急制動(dòng)的施加和緩解，該環(huán)路獨(dú)立于常用制動(dòng)，不受微處理器控制。緊急制動(dòng)環(huán)線采用常得電方式，一旦失電列車自動(dòng)實(shí)施緊急制動(dòng)。當(dāng)觸發(fā)緊急制動(dòng)后，緊急制動(dòng)環(huán)路斷開，失電觸發(fā)緊急制動(dòng)，迅速產(chǎn)生緊急制動(dòng)壓力，同時(shí)緊急制動(dòng)狀態(tài)通過MVB網(wǎng)絡(luò)傳送到TCMS。

3.2 控制過程

緊急制動(dòng)列車線信號(hào)傳送給每個(gè)BCU，BCU內(nèi)部有獨(dú)立的電磁閥控制緊急制動(dòng)的施加和緩解。當(dāng)緊急制動(dòng)列車線失電時(shí)，BCU根據(jù)空氣簧壓力對(duì)緊急制動(dòng)制動(dòng)缸壓力進(jìn)行獨(dú)立的閉環(huán)控制。同時(shí)，BCU據(jù)最大常用制動(dòng)壓力設(shè)定一個(gè)緊急制動(dòng)壓力值作為備份。

3.2.1 制動(dòng)觸發(fā)條件：（1）觸發(fā)司機(jī)室中的警惕裝置；（2）按下司機(jī)室控制臺(tái)上的緊急制動(dòng)按鈕（擊打式按鈕）；（3）列車脫鉤；（4）總風(fēng)欠壓；（5）當(dāng)列車在運(yùn)行狀態(tài)下，方向手柄為零位；（6）緊急制動(dòng)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(dòng)指令；（9）ATP系統(tǒng)發(fā)出列車超速緊急制動(dòng)指令。

3.2.2 觸發(fā)方式與信號(hào)傳輸。緊急制動(dòng)環(huán)路斷開后，施加緊急，同時(shí)緊急制動(dòng)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(dòng)環(huán)路狀態(tài)信號(hào)，用于故障診斷。

3.2.3 施加方式。當(dāng)緊急制動(dòng)環(huán)路斷開后，緊急制動(dòng)閥失電觸發(fā)緊急制動(dòng)。BCU軟件不對(duì)緊急制動(dòng)閥進(jìn)行控制，并在常用制動(dòng)回路冗余施加（減速度與緊急制動(dòng)減速度相等）。

3.2.4 緩解方式。制動(dòng)控制單元的緊急制動(dòng)電磁閥由緊急制動(dòng)環(huán)路控制。觸發(fā)緊急制動(dòng)后，零速聯(lián)鎖由CCU完成。制動(dòng)控制單元監(jiān)測(cè)到緊急制動(dòng)環(huán)路恢復(fù)后，將緊急制動(dòng)緩解，并通過網(wǎng)絡(luò)反饋CCU。

3.3 實(shí)施原則

3.3.1 動(dòng)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(dòng)，車輛必須以緊急制動(dòng)減速度制動(dòng)。

3.3.3 緊急制動(dòng)作用時(shí)，有防滑保護(hù)。

3.3.4 在整個(gè)緊急制動(dòng)過程中，其他制動(dòng)方式不起作用。

3.3.5 緊急制動(dòng)不受沖動(dòng)極限限制。

4 停車保持制動(dòng)

停車保持制動(dòng)是常用制動(dòng)的一部分，用于低速情況下停車，該過程中空氣制動(dòng)會(huì)逐步取代電制動(dòng)。

4.1 控制邏輯

在制動(dòng)作用下列車速度持續(xù)降低，電制動(dòng)力無法再根據(jù)制動(dòng)指令值的變化而改變。此速度點(diǎn)即為電空轉(zhuǎn)換點(diǎn)，電制動(dòng)在此速度點(diǎn)開始以一定的斜率進(jìn)行衰減，同時(shí)空氣制動(dòng)以相同的斜率進(jìn)行增加，保證列車總的制動(dòng)力不會(huì)變化。直至系統(tǒng)檢測(cè)到零速信號(hào)，如果當(dāng)前制動(dòng)級(jí)位大于保持制動(dòng)力，列車保持該制動(dòng)力停車，否則自動(dòng)切換至保持制動(dòng)。當(dāng)列車需要重新啟動(dòng)時(shí)，保持制動(dòng)會(huì)在牽引力確保列車不溜逸的情況下自動(dòng)緩解。

4.2 控制過程

停車保持制動(dòng)過程可分為以下階段：

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

4.2.2 純空氣制動(dòng)的停車制動(dòng)。當(dāng)電制動(dòng)衰減至完全退出后，空氣制動(dòng)完全取代電制動(dòng)，所施加的制動(dòng)力滿足制動(dòng)需求和沖動(dòng)限制。此時(shí)列車速度很低，但系統(tǒng)還檢測(cè)不到零速。

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

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

4.3 實(shí)施原則

4.3.1 停車保持制動(dòng)過程一旦發(fā)起不可取消。

4.3.2 停車后，保持制動(dòng)為純空氣制動(dòng)。

4.3.3 保持制動(dòng)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(dòng)功能失效。

5 快速制動(dòng)

快速制動(dòng)指令由司機(jī)控制器的快速制動(dòng)位觸發(fā)，所需的制動(dòng)力由電制動(dòng)和空氣制動(dòng)混合提供，與緊急制動(dòng)的制動(dòng)率相同。電制動(dòng)故障時(shí)，快速制動(dòng)缺失的制動(dòng)力自動(dòng)由空氣制動(dòng)提供（自動(dòng)轉(zhuǎn)換），但制動(dòng)減速度一般會(huì)比緊急制動(dòng)減速度低一些。

5.1 控制邏輯

緊急制動(dòng)列車線環(huán)路閉合時(shí)，快速制動(dòng)列車線被激活或網(wǎng)絡(luò)上有快速制動(dòng)指令，此二指令任一指令信號(hào)有效時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)都執(zhí)行快速制動(dòng)。當(dāng)司機(jī)控制器的手柄離開快速制動(dòng)位時(shí)快速制動(dòng)即可緩解。

5.2 控制過程

快速制動(dòng)控制過程與常用制動(dòng)相同。

5.3 實(shí)施原則

5.3.1 電空復(fù)合的快速制動(dòng)減速度與緊急制動(dòng)相同。

5.3.2 快速制動(dòng)為可恢復(fù)的制動(dòng)方式，可隨時(shí)緩解。

5.3.3 具備防滑保護(hù)，受沖擊極限限制。

6 停放制動(dòng)

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

6.1 控制邏輯

停放制動(dòng)是獨(dú)立于BCU控制的一種制動(dòng)方式，通過司機(jī)室按鈕來控制停放制動(dòng)的施加和緩解。停放制動(dòng)采用彈簧儲(chǔ)能的方式，每根軸安裝一個(gè)帶停放制動(dòng)的基礎(chǔ)制動(dòng)單元，車輛緩解停放是通過向基礎(chǔ)制動(dòng)單元停放制動(dòng)缸施加壓縮空氣抵消彈簧力達(dá)到緩解停放制動(dòng)的目的，停放制動(dòng)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(shí)施停放制動(dòng)。

6.2 控制過程

當(dāng)觸發(fā)停放制動(dòng)施加按鈕后，停放制動(dòng)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(gè)電磁鐵模塊，分別控制停放制動(dòng)的施加和緩解。當(dāng)控制停放制動(dòng)施加的電磁鐵得電后，脈沖電磁閥會(huì)排出下游（通往停放缸）的壓縮空氣，從而使停放制動(dòng)施加。此時(shí)，只有當(dāng)控制停放制動(dòng)緩解的電磁鐵得電才能被緩解。每車設(shè)有1個(gè)截?cái)嗳T能夠切除故障停放制動(dòng)，該截?cái)嗳T集成在輔助控制模塊中。切除狀態(tài)會(huì)在司機(jī)HMI上顯示。切除停放制動(dòng)后，可通過手動(dòng)緩解裝置緩解，一旦手動(dòng)緩解了停放制動(dòng)，停放制動(dòng)失效，當(dāng)總風(fēng)壓力恢復(fù)到正常范圍時(shí)，打開停放切除截?cái)嗳T，并進(jìn)行一次制動(dòng)操作，停放制動(dòng)自動(dòng)恢復(fù)。

6.3 實(shí)施原則

6.3.1 列車運(yùn)行時(shí)，不能施加停放制動(dòng)，否則會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)。

6.3.2 列車入庫停放后，隨著總風(fēng)壓力的降低，車輛狀態(tài)會(huì)由緊急制動(dòng)狀態(tài)制動(dòng)切換成停放制動(dòng)狀態(tài)。

6.3.3 只有總風(fēng)壓力達(dá)到一定程度之后停放制動(dòng)才能夠被緩解。

7 結(jié)語

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

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

（責(zé)任編輯：王 波）