地鐵車輛兩種典型制動(dòng)方式的對(duì)比分析

周波 張新永 劉中華

摘要：隨著近年來的技術(shù)進(jìn)步，軌道交通車輛在提高電氣制動(dòng)與空氣制動(dòng)的協(xié)調(diào)性，提高冗余度，最大限度地致力于黏著、小型化、輕量化、模塊化制動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)方面發(fā)揮了重要作用。文章分別對(duì)NABTESCO公司的HRDA制動(dòng)系統(tǒng)、KNORR公司的EP2002制動(dòng)系統(tǒng)的車控與架控兩種制動(dòng)形式進(jìn)行了梳理，介紹了兩種制動(dòng)控制方式原理、制動(dòng)布置方式以及制動(dòng)控制裝置的差別。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛；架控；車控；控制原理；制動(dòng)布置 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：U270 文章編號(hào)：1009-2374（2016）18-0102-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.18.050

1 概述

近年來，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，軌道交通車輛在提高電氣制動(dòng)與空氣制動(dòng)的協(xié)調(diào)性，提高冗余度，最大限度地致力于黏著、小型化、輕量化、模塊化制動(dòng)系統(tǒng)的開發(fā)方面發(fā)揮了重要作用。對(duì)于地鐵車輛來說，制動(dòng)的形式也逐漸成形，主要是分為了車控與架控兩種控制形式，各地鐵車輛公司根據(jù)自身軌道交通環(huán)境的狀況選擇所需的制動(dòng)形式。

2 制動(dòng)系統(tǒng)及制動(dòng)形式

目前國(guó)內(nèi)城市軌道車輛主要應(yīng)用的系統(tǒng)有NABTESCO公司HRDA型系統(tǒng)、KNORR公司EP2002型系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)均為直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，該類型系統(tǒng)具有響應(yīng)時(shí)間短，制動(dòng)力施加準(zhǔn)確，容易控制，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易與牽引、列車監(jiān)控系統(tǒng)（TCMS）及列車自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）配合等特點(diǎn)。由于目前各制動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商均能提供架控制動(dòng)控制單元及車控制動(dòng)控制單元，因此，目前地鐵車輛按照這兩種控制方式建立制動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)，一套為架控制動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)，另一套為車控制動(dòng)系統(tǒng)平臺(tái)，以滿足不同用戶的需求。

2.1 車控制動(dòng)系統(tǒng)

車控制動(dòng)系統(tǒng)主要包括如下系統(tǒng)：供風(fēng)系統(tǒng)、車控制動(dòng)控制單元、輔助控制模塊、防滑控制裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、回送系統(tǒng)。車控制動(dòng)模式下每輛車設(shè)有一套制動(dòng)控制裝置，以每輛車為單位控制制動(dòng)系統(tǒng)。以日本NABTESCO-HRDA型電空制動(dòng)系統(tǒng)為例。

HRDA型電空氣制動(dòng)裝置是反應(yīng)迅速、性能良好的電氣指令制動(dòng)系統(tǒng)，并可與列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)（ATP）配合，是充分考慮安全性而設(shè)計(jì)的系統(tǒng)。該型制動(dòng)系統(tǒng)主要包含兩個(gè)部分：微機(jī)控制部分和空氣制動(dòng)部分。兩個(gè)部分裝于一個(gè)制動(dòng)控制箱內(nèi)。

兩個(gè)部分共同實(shí)現(xiàn)車輛的制動(dòng)控制。制動(dòng)指令由司機(jī)室制動(dòng)手柄發(fā)出，該指令由司機(jī)將制動(dòng)手柄置于不同的位置產(chǎn)生，該位置的電信號(hào)由制動(dòng)手柄模塊中的編碼器轉(zhuǎn)化為PWM信號(hào)，通過列車控制線傳輸給該系統(tǒng)的微機(jī)控制部分。根據(jù)制動(dòng)指令，由控制裝置中的微機(jī)進(jìn)行電空混合制動(dòng)的計(jì)算，最終確定空氣制動(dòng)與電制動(dòng)的分配比例。并據(jù)此向牽引系統(tǒng)及制動(dòng)系統(tǒng)中的EP閥發(fā)出指令，由牽引系統(tǒng)施加電制動(dòng)，由EP閥實(shí)現(xiàn)空氣制動(dòng)。制動(dòng)過程中最主要的制動(dòng)功能為常用制動(dòng)及緊急制動(dòng)。

2.1.1 常用制動(dòng)。常用制動(dòng)指令是由制動(dòng)控制器，通過3根列車貫通線（2進(jìn)制碼）送給制動(dòng)控制裝置。手動(dòng)常用制動(dòng)分為7級(jí)。M車的制動(dòng)電子控制單元，檢測(cè)本車及T車的空氣彈簧壓力（T車的空氣彈簧壓力是通過T車的制動(dòng)電子控制單元檢測(cè)），控制M-T單元的制動(dòng)力。這個(gè)控制不僅是進(jìn)行本車的電空協(xié)調(diào)配合，由再生制動(dòng)優(yōu)先方式，對(duì)T車優(yōu)先使用空氣制動(dòng)補(bǔ)足，采用T車優(yōu)先延時(shí)投入。另外，制動(dòng)電子控制單元為改善常用制動(dòng)時(shí)的舒適性，減少制動(dòng)力的變化率而減少?zèng)_動(dòng)。常用制動(dòng)工作原理如圖1所示：

2.1.2 緊急制動(dòng)。緊急制動(dòng)是列車在緊急情況下才會(huì)施加的制動(dòng)。因此其安全性及可靠性必須被充分考慮。在HRDA型制動(dòng)系統(tǒng)中設(shè)置有貫穿全列的緊急制動(dòng)線。處于故障導(dǎo)向安全的原則，該制動(dòng)線采用失電制動(dòng)。即當(dāng)改線處于斷電狀態(tài)時(shí)，制動(dòng)控制裝置會(huì)將該失電狀態(tài)轉(zhuǎn)化為緊急制動(dòng)指令信號(hào)，控制EP閥施加緊急制動(dòng)。緊急制動(dòng)指令的觸發(fā)因素有很多種，例如ATP指令、司機(jī)制動(dòng)閥指令、緊急制動(dòng)按鈕，而且在列車斷鉤及有較大漏風(fēng)處使得總風(fēng)壓力顯著降低時(shí)。列車往復(fù)線（EB1線、EB2線）組成力列車的緊急制動(dòng)環(huán)路。緊急制動(dòng)工作原理如圖2所示：

2.2 架控系統(tǒng)

架控制動(dòng)系統(tǒng)主要包含如下系統(tǒng)：供風(fēng)系統(tǒng)、架控制動(dòng)控制單元（2套/車）、輔助控制模塊、防滑控制裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、回送系統(tǒng)。

每輛車設(shè)有兩套制動(dòng)控制單元，獨(dú)立控制每個(gè)轉(zhuǎn)向架。其具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）可以測(cè)量每個(gè)轉(zhuǎn)向架上空氣彈簧的準(zhǔn)確壓力，通過電子部件對(duì)空氣彈簧壓力加以平均；（2）可以以轉(zhuǎn)向架為單位，根據(jù)車輛載荷更好地調(diào)整制動(dòng)力；（3）縮短了制動(dòng)單元到制動(dòng)缸管路之間的長(zhǎng)度，降低了制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間；（4）每個(gè)制動(dòng)單元用獨(dú)立的總線連接，如果一個(gè)轉(zhuǎn)向架出現(xiàn)故障，損失的制動(dòng)力可以由制動(dòng)單元內(nèi)其他轉(zhuǎn)向架補(bǔ)償，使損失的制動(dòng)力達(dá)到最??；（5）沒有獨(dú)立的防滑閥排風(fēng)閥，集成于制動(dòng)系統(tǒng)中；（6）快速、獨(dú)立的連接，可以共享關(guān)鍵的事件信息。

架控制動(dòng)系統(tǒng)以KNORR公司的EP2002制動(dòng)系統(tǒng)為例。EP2002電空制動(dòng)控制閥是高度集成的控制單元，其中包括了制動(dòng)控制、防滑、空重車調(diào)整等諸多功能。該控制閥有多種型號(hào)，在地鐵車輛中應(yīng)用的主要為網(wǎng)關(guān)閥和智能閥。網(wǎng)關(guān)閥主要用于制動(dòng)網(wǎng)絡(luò)控制和本車制動(dòng)控制，智能閥用于本車制動(dòng)控制。一般頭車上安裝網(wǎng)關(guān)閥，中間車安裝智能閥。EP2002將防滑功能集成在其內(nèi)，不需要單獨(dú)的防滑排風(fēng)閥。該閥體由數(shù)百個(gè)零件組成，因此維修時(shí)需徹底分解，對(duì)維修條件有很高的要求。

EP2002閥采用車輛多功能數(shù)據(jù)總線與硬線控制相結(jié)合的控制方式，一般制動(dòng)數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)總線在車輛之間進(jìn)行傳輸。當(dāng)數(shù)據(jù)總線出現(xiàn)問題時(shí)由硬線來實(shí)現(xiàn)基本的制動(dòng)控制。制動(dòng)控制原理如圖3所示：

每個(gè)架控制動(dòng)裝置接收制動(dòng)指令，根據(jù)不同級(jí)別的制動(dòng)指令判斷并計(jì)算各轉(zhuǎn)向架所需的制動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)車輛的常用制動(dòng)及緊急制動(dòng)。

2.2.1 常用制動(dòng)控制。系統(tǒng)將從列車總線收到制動(dòng)指令PWM信號(hào)，并由列車硬線線路進(jìn)行備份。只有當(dāng)兩條列車總線完全失效時(shí)，才會(huì)使用另一條列車硬線線路發(fā)出的PWM列車線路信號(hào)。計(jì)算出的制動(dòng)指令會(huì)被譯碼成壓力指令，然后確定與實(shí)際達(dá)到的電制動(dòng)力相混合所需的減壓量，再經(jīng)由制動(dòng)總線分配到制動(dòng)總線上的其他閥。常用制動(dòng)空氣流程圖如圖4所示：

2.2.2 緊急制動(dòng)控制。緊急制動(dòng)系統(tǒng)完全是遵循以“故障導(dǎo)向安全”為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)的，采用純空氣制動(dòng)。在設(shè)計(jì)上是完全獨(dú)立于列車的常用制動(dòng)系統(tǒng)之外的獨(dú)立系統(tǒng)。這樣就可以保證即使在常用制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，不會(huì)影響到緊急制動(dòng)的實(shí)施。緊急制動(dòng)列車線為貫串于全列車的列車環(huán)路，列車緊急制動(dòng)指令線從頭車開始直至尾車，再由尾車回到頭車，利用雙線雙斷的安全原則保證緊急制動(dòng)指令的準(zhǔn)確實(shí)施。緊急制動(dòng)指令線采用失電緊急，得電緩解的形式，以確保在列車中的任何一輛車的緊急制動(dòng)線斷路時(shí)，都能保證緊急制動(dòng)指令線失電，列車實(shí)施緊急制動(dòng)。

EP2002閥接收到緊急制動(dòng)指令時(shí)，會(huì)施加一個(gè)經(jīng)過載荷補(bǔ)償?shù)木o急制動(dòng)力。緊急制動(dòng)空氣流程圖見圖5，圖中虛線部分為出現(xiàn)滑行的緊急制動(dòng)空氣流程圖。

3 結(jié)語

今后，地鐵制動(dòng)系統(tǒng)在系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)上以及制動(dòng)形式設(shè)計(jì)上將還是圍繞這兩種制動(dòng)形式進(jìn)行，制動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、無故障、易維修等還將作為主要的課題。因此，應(yīng)與綜合制動(dòng)系統(tǒng)廠家密切合作，自主而積極地進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)工作。

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作者簡(jiǎn)介：周波，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）