廣州地鐵四號線直線電機(jī)車輛制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化及改進(jìn)

唐鵬飛 勞建江 施奇堅(jiān)

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營事業(yè)總部，廣州 510000）

?

廣州地鐵四號線直線電機(jī)車輛制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化及改進(jìn)

唐鵬飛 勞建江 施奇堅(jiān)

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營事業(yè)總部，廣州 510000）

摘 要：根據(jù)廣州地鐵四號線直線電機(jī)車輛制動(dòng)特點(diǎn)，分析直線電機(jī)車輛運(yùn)營期間出現(xiàn)的各種問題的原因，并對四號線列車氣制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)優(yōu)化和改進(jìn)，有效保障了運(yùn)營安全，提高了乘客的乘坐舒適度，降低了運(yùn)營成本。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)系統(tǒng) 停車沖擊 緊急制動(dòng) 磨耗率

1 四號線直線電機(jī)車輛制動(dòng)系統(tǒng)概述

空氣制動(dòng)主要是通過摩擦將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽瑥亩a(chǎn)生制動(dòng)作用。城軌車輛常用的摩擦制動(dòng)主要有踏面制動(dòng)、盤式制動(dòng)和磁軌制動(dòng)等。結(jié)合轉(zhuǎn)向架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，四號線車輛采用了盤式制動(dòng)。

廣州地鐵四號線直線電機(jī)車輛制動(dòng)采用架控式系統(tǒng)，即由一個(gè)電子控制單元獨(dú)立控制一個(gè)轉(zhuǎn)向架，制動(dòng)控制系統(tǒng)由智能閥和網(wǎng)關(guān)閥組成。與傳統(tǒng)的制動(dòng)控制系統(tǒng)相比，架控式制動(dòng)系統(tǒng)具有集成化程度高、空走時(shí)間短、故障冗余能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，控制網(wǎng)絡(luò)如圖1所示。

圖1 架控式制動(dòng)控制系統(tǒng)

列車制動(dòng)是以（A+B）兩輛車為單元組成的控制網(wǎng)絡(luò)。兩個(gè)網(wǎng)關(guān)閥互為備份，一個(gè)網(wǎng)關(guān)閥為主閥，另外一個(gè)網(wǎng)關(guān)閥作備用。網(wǎng)關(guān)閥負(fù)責(zé)系統(tǒng)與列車總線的信號通訊和硬線通訊。網(wǎng)關(guān)閥與智能閥之間通過內(nèi)部CAN總線通訊，每一個(gè)控制單元負(fù)責(zé)各自轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)及防滑控制。列車制動(dòng)時(shí)，網(wǎng)關(guān)閥接收列車總線或硬線上的制動(dòng)信號，通過內(nèi)部計(jì)算后由CAN總線送給本身的電控單元以及本車的智能閥，最后由閥內(nèi)部的氣閥單元?jiǎng)幼鳎刂浦苿?dòng)風(fēng)缸和基礎(chǔ)制動(dòng)單元制動(dòng)缸之間的壓力空氣流通，從而使得制動(dòng)施加和緩解。圖2為制動(dòng)控制通訊示意圖。

圖2 制動(dòng)控制通訊示意圖

2 列車制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用情況

廣州地鐵四號線是國內(nèi)首次使用中大運(yùn)量直線電機(jī)列車。前期設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)，未充分考慮直線電機(jī)車輛電制動(dòng)不受粘著系數(shù)影響等特點(diǎn)，列車的氣制動(dòng)按照傳統(tǒng)模式設(shè)計(jì)，在實(shí)際運(yùn)營中出現(xiàn)了較多問題，主要表現(xiàn)為進(jìn)站停車沖擊較大、陰雨天氣緊急制動(dòng)距離延長、制動(dòng)盤及閘片磨耗率偏高等問題。

2.1 四號線列車停車沖擊較大

列車平穩(wěn)性是地鐵運(yùn)營必須考慮的重要內(nèi)容，直接影響乘客的乘坐舒適度。根據(jù)列車縱向動(dòng)力學(xué)的理論分析，列車的縱向沖擊主要由列車牽引和制動(dòng)引起。它直接影響列車運(yùn)行的穩(wěn)定性和乘客乘坐的舒適度。

為了掌握廣州地鐵四號線列車運(yùn)營的穩(wěn)定性，通過實(shí)驗(yàn)采集四號線列車正線運(yùn)行時(shí)車體縱向加速度值，對四號線列車正線ATO（列車自動(dòng)駕駛）運(yùn)營期間進(jìn)、出站加速度進(jìn)行記錄，進(jìn)而分析實(shí)際沖擊情況。

選取四號線運(yùn)營牽引和制動(dòng)沖擊最大區(qū)間進(jìn)行分析，如圖3所示。

圖3 黃閣站進(jìn)站沖擊測試

圖3上部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線為四號線車在黃閣汽車城至東涌上行的加速度變化，下部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線則為對應(yīng)的縱向沖擊變化曲線。由試驗(yàn)結(jié)果可知，列車在該區(qū)間內(nèi)牽引、制動(dòng)過程中，列車的最大牽引沖擊為0.46m/s3，最大制動(dòng)沖擊為1.23m/s3。

廣州地鐵對四號線其他車站的沖擊數(shù)據(jù)進(jìn)行了測試和統(tǒng)計(jì)，具體測試數(shù)據(jù)如表1所示。

四號線列車平均牽引沖擊為0.54m/s3，進(jìn)站時(shí)的平均制動(dòng)沖擊為0.95m/s3?？梢?，列車整體沖擊較大，其中進(jìn)站停車時(shí)制動(dòng)沖擊比牽引沖擊更大。

2.2 陰雨天氣情況下緊急制動(dòng)距離延長

表1 進(jìn)站停車沖擊數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

廣州地鐵四號線運(yùn)營初期，列車的緊急制動(dòng)設(shè)計(jì)為“失電制動(dòng)，得電緩解”原理，由貫穿整個(gè)列車的DC110V連續(xù)電源線進(jìn)行控制。當(dāng)要求實(shí)施緊急制動(dòng)時(shí)，無論是否已經(jīng)實(shí)施常用制動(dòng)，必須實(shí)施緊急制動(dòng)。

四號線列車緊急制動(dòng)具有如下特點(diǎn)：

（1）電制動(dòng)不起作用，僅空氣制動(dòng)；

（2）高速斷路器斷開；

（3）不受沖擊率極限的限制；

（4）緊急制動(dòng)實(shí)施后是不能撤除的，列車必須減速，直到完全停下來；

（5）具有防滑保護(hù)和載荷修正功能。

純空氣制動(dòng)性能取決于輪軌間的粘著作用。在軌面粘著系數(shù)較低且列車下坡情況下，列車可能觸發(fā)防滑保護(hù)，導(dǎo)致安全制動(dòng)距離延長。廣州地鐵四號線高架線路較長且大坡道線路較多，在陰雨天氣時(shí)，列車在高架線路輪軌粘著系數(shù)會下降，容易造成純空氣的緊急制動(dòng)距離延長，影響列車運(yùn)營安全。

2.3 制動(dòng)部件磨耗率較高

四號線列車制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片是車輛制動(dòng)系統(tǒng)的一部分。該部件用來減慢車輪的運(yùn)動(dòng)，通過摩擦將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱量。制動(dòng)盤與制動(dòng)閘片摩擦后，溫度升高，旋轉(zhuǎn)車輪通風(fēng)作用所產(chǎn)生的氣流對其進(jìn)行冷卻。制動(dòng)盤和車輪腹板之間的氣流穿過放射狀排列的散熱片，帶走制動(dòng)過程中產(chǎn)生的熱量。

廣州地鐵四號線制動(dòng)盤和閘片的外形及尺寸需根據(jù)制動(dòng)夾鉗來設(shè)計(jì)。運(yùn)營初期，制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的磨耗較高，制動(dòng)盤的磨耗率為0.108mm/萬公里，制動(dòng)閘片的磨耗率為0.667mm/萬公里。按照此磨耗率，制動(dòng)盤的使用里程為64.81萬公里，制動(dòng)閘片的使用里程為44.98萬公里。四號線列車每年運(yùn)營里程為19萬公里，制動(dòng)盤的使用壽命為3.41年，制動(dòng)閘片使用壽命為2.36年。相對于其他地鐵車輛，制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的使用壽命為6-10年?？梢姡瑥V州地鐵四號線列車制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的使用年限較短，異常磨耗嚴(yán)重，運(yùn)營成本明顯增加。

3 列車制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)化及改進(jìn)建議

為了更好地適應(yīng)既有線路運(yùn)營條件，提高乘客的乘坐舒適度，降低運(yùn)營成本，廣州地鐵針對四號線列車制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)營期間出現(xiàn)進(jìn)站停車沖擊較大、陰雨天氣情況下緊急制動(dòng)距離延長、制動(dòng)盤及閘片磨耗率偏高等問題，進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn)。

3.1 進(jìn)站停車沖擊優(yōu)化及改進(jìn)

為解決列車進(jìn)站停車沖擊較大的問題，提高乘客舒適性，廣州地鐵經(jīng)過充分論證，鑒于牽引沖擊相對平穩(wěn)，主要針對列車進(jìn)站制動(dòng)沖擊進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。通過對氣制動(dòng)控制進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到改善列車平穩(wěn)性目的。

四號線列車的現(xiàn)有保壓制動(dòng)是為防止車輛在停車前的沖擊，使車輛平穩(wěn)停車。其中，保壓制動(dòng)分兩個(gè)階段實(shí)施，如圖4所示。

圖4 保壓制動(dòng)過程示意圖

第一階段：當(dāng)列車制動(dòng)到速度＜6km/h，牽引控制單元觸發(fā)電制動(dòng)退出信號輸出給網(wǎng)關(guān)閥，由VVVF控制的電制動(dòng)逐步退出，由制動(dòng)控制單元計(jì)算所需的制動(dòng)力大小，并施加氣制動(dòng)。在此階段，混合制動(dòng)階段總制動(dòng)力保持不變，直至電制動(dòng)完全退出，氣制動(dòng)完全接替電制動(dòng)。

第二階段：接近停車時(shí)，制動(dòng)網(wǎng)關(guān)閥保壓制動(dòng)請求命令后，發(fā)出一個(gè)小于制動(dòng)指令（最大制動(dòng)指令的70%）的保壓制動(dòng)，即瞬時(shí)地將制動(dòng)缸壓力降低，列車進(jìn)入停車保壓狀態(tài)。

當(dāng)列車發(fā)出牽引命令使?fàn)恳ι仙乃查g，氣制動(dòng)力還是保持原來停車時(shí)的壓力；當(dāng)牽引力慢慢上升，制動(dòng)系統(tǒng)收到保壓制動(dòng)請求信號為0時(shí)，氣制動(dòng)逐漸退出并降為零，保壓制動(dòng)被緩解，列車被牽引。

結(jié)合列車保壓制動(dòng)原理，對列車低速時(shí)制動(dòng)控制邏輯優(yōu)化，減小列車在低速階段的制動(dòng)級位，相應(yīng)輸出較小的制動(dòng)缸壓力，從而緩解停車時(shí)瞬間沖擊：

（1）當(dāng)列車速度≤3km/h且非零速情況時(shí)，若BCU（制動(dòng)控制單元）接收到的制動(dòng)指令大于30%全常用制動(dòng)，施加30%全常用制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)缸壓力；

（2）當(dāng)列車速度≤3km/h且非零速情況時(shí)，若制動(dòng)指令≤30%全常用制動(dòng)，制動(dòng)缸壓力則按照實(shí)際的制動(dòng)指令執(zhí)行。

制動(dòng)軟件控制邏輯優(yōu)化后，經(jīng)過試車線與正線的調(diào)試，以及后期正線載客運(yùn)營，列車牽引、制動(dòng)等各項(xiàng)功能正常。圖5為選取的相同列車和正線區(qū)間進(jìn)行的對比測試情況。

圖5 新版制動(dòng)軟件沖擊測試

圖5上部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線為四號線車在黃閣汽車城至東涌上行的加速度變化，下部分?jǐn)?shù)據(jù)曲線則為對應(yīng)的縱向沖擊變化曲線。由試驗(yàn)結(jié)果可知，列車在該區(qū)間內(nèi)牽引、制動(dòng)過程中，列車的最大牽引沖擊為0.49m/s3，最大制動(dòng)沖擊為0.53m/s3，列車制動(dòng)沖擊明顯改善。

廣州地鐵四號線對其余車站的沖擊數(shù)據(jù)進(jìn)行抽樣測試，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 進(jìn)站停車沖擊統(tǒng)計(jì)

通過對比發(fā)現(xiàn)，列車在停車階段減速度沖擊變化較為平緩，最大制動(dòng)沖擊明顯減小?？梢?，四號線列車平穩(wěn)性改善效果顯著，有效提高了乘客舒適性。

3.2 列車緊急制動(dòng)優(yōu)化及改進(jìn)

為有效解決陰雨天氣下緊急距離延長問題，廣州地鐵充分利用直線電機(jī)車輛電制動(dòng)不受粘著限制的特點(diǎn)，結(jié)合四號線高架線路特點(diǎn)，提出列車緊急制動(dòng)優(yōu)先采用電制動(dòng)的優(yōu)化方案。列車緊急制動(dòng)電氣原理圖，如圖6所示。

廣州地鐵結(jié)合四號線列車電路圖開展改造：

（1）在FBR繼電器（快速制動(dòng)繼電器）電路前端增加一個(gè)緊急制動(dòng)回路觸點(diǎn)，用于列車實(shí)施電空混合的緊急制動(dòng)時(shí)，讓快速制動(dòng)繼電器FBR線圈得電；

（2）在四號線列車每個(gè)單元的B車增加一個(gè)緊急制動(dòng)箱，安裝兩個(gè)繼電器，分別為EDR1（緊急制動(dòng)繼電器1）和EDR2（緊急制動(dòng)繼電器2）；

（3）每一組VVVF（牽引逆變器）與網(wǎng)關(guān)閥之間的“電制動(dòng)有效”指令上驅(qū)動(dòng)繼電器EDR1（緊急制動(dòng)繼電器1）和EDR2（緊急制動(dòng)繼電器2），當(dāng)某一組VVVF電制動(dòng)有效時(shí)，EDR1和EDR2線圈得電，反之線圈失電。

圖6 列車緊急制動(dòng)電氣原理圖

改造后，四號線列車兩種不同緊急制動(dòng)模式實(shí)現(xiàn)方式如下。

第一，列車常規(guī)安全保護(hù)情況下產(chǎn)生緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)環(huán)路失電，導(dǎo)致緊急制動(dòng)繼電器EBR1和EBR2失電，觸發(fā)快速制動(dòng)繼電器FBR得電，列車快速制動(dòng)指令線410得電，快速制動(dòng)有效，從而實(shí)現(xiàn)緊急制動(dòng)時(shí)加入電制動(dòng)。當(dāng)速度低于6km/h時(shí)，氣制動(dòng)開始施加。

第二，在任何情況下，司機(jī)拍擊蘑菇頭按扭（EBPB1或EBPB2）時(shí)，都將同時(shí)切斷緊急環(huán)路416線和快速制動(dòng)指令410線，使緊急制動(dòng)指令線和快速指令線斷電，列車產(chǎn)生純空氣的緊急制動(dòng)，從而為車輛提供最后的安全保障。由于電制動(dòng)受到多種因素的限制，如網(wǎng)壓、VVVF是否正常工作等，為了保證列車行車安全，列車能實(shí)現(xiàn)在電制動(dòng)失效情況下自動(dòng)轉(zhuǎn)換為純空氣的緊急制動(dòng)［1］。

經(jīng)過優(yōu)化后的列車制動(dòng)系統(tǒng)，充分利用了直線電機(jī)電制動(dòng)不受輪軌粘著影響的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了緊急制動(dòng)時(shí)優(yōu)先使用電制動(dòng)的功能，同時(shí)還實(shí)現(xiàn)了全列車電制動(dòng)失效時(shí)自動(dòng)切換為純空氣的緊急制動(dòng)的功能。此外，當(dāng)某個(gè)車輛的電制動(dòng)失效時(shí)，該車輛所在單元將自動(dòng)轉(zhuǎn)為純空氣制動(dòng)，而另一個(gè)單元仍然保持采用電制動(dòng)優(yōu)先的控制方式，最大限度地發(fā)揮了電制動(dòng)功能，有效解決了廣州地鐵四號線原設(shè)計(jì)車輛輪軌粘著系數(shù)降低時(shí)緊急制動(dòng)距離延長的問題。

3.3 制動(dòng)部件磨耗率優(yōu)化及改進(jìn)

制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片通過摩擦將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱量，因此制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片均屬于易損易耗件，其使用壽命與厚度、材質(zhì)、面積、表面壓力、工作溫度有關(guān)。應(yīng)用過程中，具體起決定因素的則是摩擦制動(dòng)時(shí)間頻率、摩擦制動(dòng)力大小、電制動(dòng)力的能力、制動(dòng)力的分配原則、電制動(dòng)和空氣制動(dòng)的轉(zhuǎn)換速度等［2］。

鑒于此，為了降低制動(dòng)盤和閘片的磨耗率，節(jié)約運(yùn)營成本，結(jié)合實(shí)際運(yùn)營情況，廣州地鐵針對影響磨耗率各種因素，開展以下優(yōu)化。

3.3.1 優(yōu)化氣制動(dòng)施加邏輯，充分發(fā)揮架控式制動(dòng)優(yōu)勢，合理分配列車制動(dòng)力

直線電機(jī)車輛開始按照通常的制動(dòng)力分配方案運(yùn)行。當(dāng)列車小指令制動(dòng)時(shí)，雖然需要的氣制動(dòng)力較小，但整列車同時(shí)施加氣制動(dòng)對整車的摩擦副磨耗較大。而制動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)常施加小制動(dòng)力，制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤不能充分接觸，磨耗率更高。為此，中大運(yùn)量直線電機(jī)車輛更改小指令時(shí)的氣制動(dòng)力分配方案：當(dāng)整車所需的制動(dòng)力較小時(shí)，僅由個(gè)別轉(zhuǎn)向架施加制動(dòng)。施加制動(dòng)的轉(zhuǎn)向架由智能閥根據(jù)日期進(jìn)行調(diào)整，可以保證整車磨耗均勻。

3.3.2 優(yōu)化制動(dòng)盤及閘片的材質(zhì)

通過優(yōu)化制動(dòng)盤及閘片的材質(zhì)對二者進(jìn)行合理搭配，以降低磨耗率。中大運(yùn)量直線電機(jī)車輛采用蠕墨鑄鐵材質(zhì)的制動(dòng)盤替換最初灰鑄鐵材質(zhì)的制動(dòng)盤，大幅降低了制動(dòng)盤的磨耗率。通過調(diào)整樹脂含量等方法對閘片材質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，并與蠕墨鑄鐵材質(zhì)的制動(dòng)盤進(jìn)行匹配，最終降低了閘片的磨耗率。

3.3.3 優(yōu)化電制動(dòng)與空氣制動(dòng)的配合

在確保安全的前提下，根據(jù)直線電機(jī)特性，在常用制動(dòng)最初階段對空氣制動(dòng)設(shè)定延時(shí)，避免氣制動(dòng)頻繁使用。

經(jīng)過各項(xiàng)優(yōu)化措施后，直線電機(jī)車輛制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的磨耗率明顯改善。優(yōu)化后的制動(dòng)盤磨耗率為0.047mm/萬公里，制動(dòng)閘片磨耗率為0.25mm/萬公里。按照此磨耗率，全新制動(dòng)盤的使用里程為148.93萬公里，全新制動(dòng)閘片的使用里程為120萬公里。四號線列車每年運(yùn)營里程為19萬公里，制動(dòng)盤的使用壽命為7.83年，制動(dòng)閘片使用壽命為6.31年?？梢?，制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片的使用壽命大幅度提高，有效節(jié)約了運(yùn)營成本。

4 結(jié)束語

廣州地鐵結(jié)合實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，對四號線車輛制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化和改進(jìn)，并且運(yùn)用效果良好，有效保障了安全運(yùn)營，降低了運(yùn)營成本。

通過優(yōu)化列車在低速階段制動(dòng)級位輸出，減少列車停車沖擊的方案，為后續(xù)列車提高列車平穩(wěn)性開拓新的思路。但是，減小制動(dòng)極位輸出后可能導(dǎo)致列車正線運(yùn)營對標(biāo)問題不準(zhǔn)確，需重新進(jìn)行列車聯(lián)合調(diào)試，以確認(rèn)列車正線停車精度。

同時(shí)，緊急制動(dòng)加入電制動(dòng)，為后續(xù)直線電機(jī)車輛設(shè)計(jì)提供參考。在牽引和制動(dòng)時(shí)應(yīng)充分發(fā)揮直線電機(jī)車輛電制動(dòng)優(yōu)勢，更多地利用直線電機(jī)與感應(yīng)板之間的電磁力，進(jìn)一步減少制動(dòng)部件磨耗。

參考文獻(xiàn)

［1］鄭沃奇.緊急制動(dòng)優(yōu)先采用電制動(dòng)在直線電機(jī)車輛上的應(yīng)用［J］.機(jī)車電傳動(dòng)，2012，（3）：65-67.

［2］巫紅波.廣州地鐵4號線車輛制動(dòng)盤異常磨耗調(diào)查分析及解決對策［J］.鐵道機(jī)車車輛，2013，（2）：84-86.

Optimization and Improvement of the Braking System of the Linear Motor Vehicle in Guangzhou Metro Line Four

TANG Pengfei，LAO Jianjiang，SHI Qijian
（Guangzhou Metro Group Co.， Ltd.， Guangzhou，51000）

Abstract:according to the Guangzhou Metro No.4 Line linear motor vehicle braking characteristics， an analysis of the problems during the operation of linear m otor vehicle and on the 4th line train air brake system were corresponding optimization and improvement， can effectively protect the safe operation， improve the passenger ride comfort， reduce operating costs.

Key words:braking system， parking impact， emergency brake， wear rate