基于安全及運(yùn)營需求的城市軌道交通制動系統(tǒng)模式研究

武青海

(中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所,100081,北京∥副研究員)

基于安全及運(yùn)營需求的城市軌道交通制動系統(tǒng)模式研究

武青海

(中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所,100081,北京∥副研究員)

從城市軌道交通制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則出發(fā),分別介紹了車控制動系統(tǒng)和架控制動系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)。分析制動系統(tǒng)故障類別不同對不同編組列車運(yùn)營造成的影響,并給出相應(yīng)的限速建議和制動系統(tǒng)控制策略。從技術(shù)層面給出了選用制動系統(tǒng)模式的合理化建議：4節(jié)及以上編組列車可任意采用車控制動系統(tǒng)或架控制動系統(tǒng),3節(jié)及以下編組列車優(yōu)先選用架控制動系統(tǒng)。

車控制動系統(tǒng); 架控制動系統(tǒng); 車輛編組

制動系統(tǒng)作為城市軌道交通車輛的一個(gè)重要子系統(tǒng),需滿足停車頻繁及精確停車等要求。其性能的好壞對車輛的安全運(yùn)營具有重要影響。目前國內(nèi)主要采用車控制動系統(tǒng)和架控制動系統(tǒng)[1-2]。兩者均采用直通電空制動技術(shù)[3-4]。本文從故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)原則出發(fā)來分析兩種城市軌道交通車輛制動模式的特點(diǎn),以及故障情況下兩種制動模式對運(yùn)營的影響,并給出相應(yīng)地合理化建議。

1 制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和功能要求

1.1 制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

制動系統(tǒng)按照“故障導(dǎo)向安全”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)在列車牽引運(yùn)行或惰行時(shí),制動系統(tǒng)“故障導(dǎo)向安全”的原則是要避免產(chǎn)生不期望的制動力,以使列車能夠維持運(yùn)行;當(dāng)列車制動停車時(shí),制動系統(tǒng)“故障導(dǎo)向安全”的原則是要保證有足夠的制動力,確保列車能夠安全停車。

保證故障導(dǎo)向安全的措施為:

?采用常時(shí)帶電方式的獨(dú)立緊急制動安全環(huán)路,一旦失電,列車自動實(shí)施緊急制動,即緊急制動為“失電制動”;

?采用“失電緩解”的常用制動控制模式,當(dāng)電子制動控制單元失電時(shí),常用制動處于緩解狀態(tài);

?采用有安全狀態(tài)的監(jiān)控制動控制器;

?采用有安全狀態(tài)的監(jiān)控防滑控制器;

?制動不足檢測;

?不緩解檢測和強(qiáng)迫緩解;

?確保安全的部件冗余和故障功能降級措施。

制動系統(tǒng)故障從影響列車安全和影響列車運(yùn)營的角度可劃分為以下3類:

?I類(嚴(yán)重故障):需要清客,在緊急牽引模式下回庫或等待救援;

?II類(中等故障):只能運(yùn)行到終點(diǎn)站,回庫后檢查;

?III類(次要故障):當(dāng)日運(yùn)營結(jié)束后回庫檢查。

根據(jù)上述故障分類,制動系統(tǒng)主要故障如表1所示。

表1 制動系統(tǒng)主要故障

1.2 制動系統(tǒng)功能

制動系統(tǒng)應(yīng)具有常用制動、緊急制動、防滑控制及沖動限制等功能。常用制動為調(diào)節(jié)列車運(yùn)行速度或使列車在預(yù)定地點(diǎn)停車的制動,采用空電混合制動方式。緊急制動為由列車緊急安全環(huán)路失電控制緊急制動閥實(shí)施的制動,采用純空氣制動方式。防滑控制,即當(dāng)車輪發(fā)生滑行時(shí),為滿足實(shí)際輪軌的制動粘著條件,通過控制防滑控制閥的動作減少制動力,并按減速度和速度差等判據(jù)來調(diào)整制動力。沖動限制,即制動過程中對制動減速度的變化率進(jìn)行控制,以滿足旅客舒適度的要求。

目前國內(nèi)城市軌道交通車輛車控制動系統(tǒng)和架控制動系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟,兩者均能滿足上述制動系統(tǒng)功能要求。

2 車控制動和架控制動系統(tǒng)的技術(shù)特性

以北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司研制的車控制動系統(tǒng)EP08和架控制動系統(tǒng)EP09為例來簡要介紹車控制動系統(tǒng)和架控制動系統(tǒng)技術(shù)特性。

2.1 車控制動系統(tǒng)技術(shù)特性

假設(shè)列車為6節(jié)編組,則車控制動系統(tǒng)是以每節(jié)車輛為單位來設(shè)置制動控制單元(BCU)的制動由司機(jī)控制器或ATO(列車自動運(yùn)行)信號系統(tǒng)發(fā)出的制動控制指令,通過MVB(多功能車輛總線)傳送到每節(jié)車輛的BCU。然后，BCU通過制動指令和電制動信息來計(jì)算本車所需制動力以及應(yīng)施加的空氣制動力。制動指令也通過貫穿全列的硬線來傳送,從而形成對指令網(wǎng)絡(luò)傳送的冗余,以提高系統(tǒng)的可靠性。常用制動指令一般通過MVB傳送,而緊急制動指令通過列車硬線傳遞。網(wǎng)絡(luò)控制模式下優(yōu)先采用電制動。只有當(dāng)電制動不能滿足制動力要求時(shí),才需要補(bǔ)充空氣制動。在緊急牽引模式下沒有電制動,BCU會根據(jù)本車的載重和列車硬線指令來控制本車的空氣制動。

控制方式,即每節(jié)車輛均配置有1個(gè)獨(dú)立的BCU(如圖1中所示的EP08),用于控制本車的制動力。圖1為車控制動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖1 車控制動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

緊急制動為純空氣制動,由貫通全列的緊急安全環(huán)路來控制。一旦環(huán)路線失電,就產(chǎn)生緊急制動作用。緊急制動也可由按壓緊急制動按鈕或由ATP(列車自動防護(hù))系統(tǒng)來自動實(shí)施。緊急制動發(fā)生后,在列車完全停止前不允許緩解制動。

常用制動采用空電混合制動方式,電制動與空氣制動實(shí)時(shí)配合、電制動優(yōu)先、空氣制動延時(shí)投入。當(dāng)電制動不足時(shí),才由空氣制動進(jìn)行補(bǔ)充。

2.2 架控制動系統(tǒng)技術(shù)特性

架控制動系統(tǒng)是以每個(gè)轉(zhuǎn)向架為單位來設(shè)置制動控制單元的制動控制方式。和傳統(tǒng)的車控制動方式相比,架控制動系統(tǒng)是一種分散式的控制方式[5]。同樣假設(shè)列車為6節(jié)編組,則圖2為架控制動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖。

圖2 架控制動系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

架控制動系統(tǒng)采用基于CAN(控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線的分布式控制方案。每個(gè)轉(zhuǎn)向架都有1個(gè)獨(dú)立的BCU以控制本轉(zhuǎn)向架的制動力。每輛車有2套BCU。架控制動系統(tǒng)將6套BCU(3節(jié)車輛)作為1個(gè)控制網(wǎng)段,同一個(gè)控制網(wǎng)段上的BCU可以通過制動系統(tǒng)CAN總線進(jìn)行通信。圖2中的6節(jié)編組列車有2個(gè)控制網(wǎng)段。

在每個(gè)網(wǎng)段上的2個(gè)制動控制單元(EP09G)具有網(wǎng)關(guān)的功能,為制動網(wǎng)關(guān)單元。只有本轉(zhuǎn)向架制動控制功能而沒有網(wǎng)關(guān)功能的BCU(EP09S)為本地制動控制單元或智能制動控制單元。EP09G同時(shí)具有與MVB和列車控制線的通信接口。EP09G通過MVB和列車硬線接收制動指令和電制動信息,并計(jì)算出本單元中各個(gè)轉(zhuǎn)向架上應(yīng)施加的空氣制動力,然后通過制動系統(tǒng)CAN總線傳送給本網(wǎng)段上的各轉(zhuǎn)向架的EP09S。通常情況下,1個(gè)單元內(nèi)的EP09G只有1個(gè)工作在網(wǎng)關(guān)模式;而另1個(gè)作為備用網(wǎng)關(guān),只進(jìn)行本地控制,相當(dāng)于EP09S。

架控制動系統(tǒng)的緊急制動為純空氣制動,由貫通全列的緊急安全環(huán)路來控制。一旦環(huán)路線失電就會產(chǎn)生緊急制動作用。緊急制動發(fā)生后,在列車完全停止前不允許緩解制動。

2.3 空氣制動的實(shí)施原則

無論是車控制動系統(tǒng)還是架控制動系統(tǒng),常用制動時(shí)均優(yōu)先采用電制動,當(dāng)電制動不足時(shí)補(bǔ)充空氣制動。常用制動時(shí)實(shí)施空氣制動可采用“等黏著”原則或者“等磨耗”原則[6]。

2.3.1 “等黏著”原則

(1) 當(dāng)各M車(動車)電制動正常發(fā)揮時(shí),電制動力總和等于本列列車所需要的制動力總和。此時(shí)，Tc車(拖車)及動車均不補(bǔ)充空氣制動力。

(2) 當(dāng)M2車和M3車電制動力下降時(shí),電制動力總和不能滿足本列列車總制動力需求,但能夠滿足4輛動車所需的制動力。此時(shí)，所需要補(bǔ)充的空氣制動力僅由拖車補(bǔ)充,而動車均不補(bǔ)充空氣制動力。

(3) 當(dāng)M1車、M2車、M3車和M4車電制動力均下降時(shí),電制動力總和不能滿足本列列車總制動力需求。此時(shí)，每輛拖車只補(bǔ)充自身所需要的空氣制動力,每輛動車也僅補(bǔ)充自身所需要的空氣制動力。

2.3.2 “等磨耗”原則

(1) 當(dāng)各M車電制動正常發(fā)揮時(shí),電制動力總和等于本列車所需要的制動力總和,拖車及動車均不補(bǔ)充空氣制動力。

(2) 當(dāng)M2、M3和M4車電制動力下降時(shí),電制動力總和不能滿足本列車總制動力需求,則所需補(bǔ)充的空氣制動力在各車輛間平均分配。

(3) 當(dāng)M2、M3和M4車電制動力繼續(xù)下降時(shí),所需補(bǔ)充的空氣制動力由各車輛平均承擔(dān)。此時(shí)，如M1車電制動力和空氣制動力之和超出本車黏著極限,則M1車按照黏著極限補(bǔ)充空氣制動力,其余所需空氣制動力由其它5節(jié)車輛平均承擔(dān)。

3 制動系統(tǒng)故障對城市軌道交通運(yùn)營影響分析

對于制動系統(tǒng)來說,產(chǎn)生故障的級別有系統(tǒng)級別故障、單元級別故障和部件級別故障3種。本文假定列車最大設(shè)計(jì)常用減速度為1.0 m/s2、設(shè)計(jì)緊急制動減速度為1.2 m/s2，并進(jìn)行分析。

3.1 系統(tǒng)級別故障

當(dāng)整列列車發(fā)生制動系統(tǒng)故障(如整車MVB通信故障或制動指令邏輯異常)時(shí),無論是車控制動系統(tǒng)還是架控制動系統(tǒng),均會將故障安全導(dǎo)向到緊急制動狀態(tài),待安全停車后等待救援或在緊急牽引模式下限速運(yùn)行回庫。此類故障均屬于運(yùn)營中的第I類嚴(yán)重故障。

3.2 單元級別故障

3.2.1 車控制動系統(tǒng)

3.2.1.1 列車為6節(jié)及以上車輛編組

一旦發(fā)生單節(jié)車輛緊急制動故障,則列車將喪失1/6以下的空氣制動能力,從而造成列車緊急制動減速度的降低和制動距離的延長。以6節(jié)編組列車為例,設(shè)計(jì)速度為100 km/h的列車發(fā)生單車輛緊急制動故障時(shí)，緊急制動減速度由1.2 m/s2降至1.0 m/s2左右,緊急制動距離延長70 m左右。設(shè)計(jì)速度為80 km/h的6節(jié)編組列車發(fā)生單節(jié)車輛緊急制動故障時(shí)，其緊急制動距離延長40 m左右。為保證安全運(yùn)營,緊急制動距離必須滿足設(shè)計(jì)要求,故需采取限速運(yùn)行的措施。根據(jù)緊急制動距離及摩擦副熱容量能力，出現(xiàn)此類故障時(shí),建議將設(shè)計(jì)速度為100 km/h的列車運(yùn)行速度降低到80 km/h，將設(shè)計(jì)速度為80 km/h的列車運(yùn)行速度降低到60 km/h；待故障列車限速運(yùn)行到終點(diǎn)后退出運(yùn)營。這樣可將對正線運(yùn)營的影響降至最低。此類故障可以歸屬于第II類中等故障。

假設(shè)如采用“等磨耗”原則，列車制動初速度v0為100 km/h,緊急制動減速度a0為1.2 m/s2。

則當(dāng)列車制動無故障時(shí)

F總=Ma

式中：

F總——6節(jié)編組列車總制動力；

M——6節(jié)編組列車總質(zhì)量;

a——列車制動減速度;

v0——列車制動初速度;

S——列車緊急制動距離,代入上述數(shù)值，可得S=321.5 m。

當(dāng)發(fā)生單節(jié)車輛緊急制動故障，喪失1節(jié)車輛制動力時(shí)，列車總制動力為：

F1=5/6×F總

此時(shí),制動減速度:

a1=F1/M=1.0 m/s2

相應(yīng)的緊急制動距離為:

遵循“故障導(dǎo)向安全”原則,在喪失1節(jié)車輛制動力后,應(yīng)保證最小緊急制動距離Smin為321.5 m,則相應(yīng)的制動初速度應(yīng)限制為:

由于列車處于故障模式,因此應(yīng)保證有足夠的安全裕量(安全裕量一般不小于20%)。本文建議限速為80 km/h。

當(dāng)發(fā)生單節(jié)車輛常用制動故障時(shí),如果制動系統(tǒng)采用“等黏著”策略，則在常用制動減速度為0.8 m/s2及以下(目前城市軌道交通車輛制動普遍為無級控制,最大常用制動減速度為1.0 m/s2)時(shí),喪失的空氣制動力可通過提高制動級別指令進(jìn)行補(bǔ)償。如果制動系統(tǒng)采用“等磨耗”策略,則在常用制動減速度為0.8 m/s2及以下時(shí),喪失的空氣制動力將自動由其它車輛補(bǔ)償。對于目前國內(nèi)城市軌道交通車輛常規(guī)運(yùn)營來說,進(jìn)站時(shí)列車速度為50 km/h左右,制動減速度一般不高于0.8 m/s2。因此，即使發(fā)生單節(jié)車輛常用制動故障，也基本可以保證列車正常運(yùn)營到終點(diǎn)后再退出運(yùn)營。因此,此類故障歸屬于第II類中等故障。

3.2.1.2 列車為4節(jié)車輛編組

當(dāng)發(fā)生單節(jié)車輛緊急制動故障時(shí),4節(jié)編組列車將喪失1/4的空氣制動能力。設(shè)計(jì)速度為100 km/h的列車緊急制動減速度由1.2 m/s2降低至0.9 m/s2左右,緊急制動距離延長110 m左右；設(shè)計(jì)速度為80 km/h的列車緊急制動距離延長70 m左右。經(jīng)計(jì)算可得，建議將設(shè)計(jì)速度為100 km/h的列車運(yùn)行速度降低到65 km/h;建議將設(shè)計(jì)速度為80 km/h的列車運(yùn)行速度降低到50 km/h。出現(xiàn)此類故障時(shí),建議列車限速運(yùn)行到終點(diǎn)再退出運(yùn)營。此故障屬于第II類中等故障。

當(dāng)發(fā)生單節(jié)車輛常用制動故障時(shí),無論制動系統(tǒng)采用的是“等黏著”原則還是“等磨耗”原則,都將影響到列車的正常運(yùn)營。建議故障列車限速運(yùn)行到終點(diǎn)再回庫檢查。這樣可將對運(yùn)營的影響降低到最小。建議將設(shè)計(jì)速度為100 km/h的列車運(yùn)行速度降低到75 km/h;將設(shè)計(jì)速度為80 km/h的列車運(yùn)行速度降低到60 km/h。此類故障可歸屬于第II類中等故障。

3.2.1.3 列車為3節(jié)車輛編組

當(dāng)發(fā)生單節(jié)車輛緊急制動故障時(shí),由于整車的制動熱容量能力大大降低,嚴(yán)重影響了列車的安全性能；因此，建議故障列車降速運(yùn)行到最近一站后清客,然后回庫檢查?？梢?，此類故障應(yīng)屬于第I類嚴(yán)重故障。

當(dāng)發(fā)生單節(jié)車輛常用制動故障時(shí),建議將設(shè)計(jì)速度為100 km/h的列車運(yùn)行速度降低到60 km/h;建議將設(shè)計(jì)時(shí)速80 km/h的列車運(yùn)行速度降低到40 km/h。待故障列車降速運(yùn)行到終點(diǎn)后再退出運(yùn)營。此類故障屬于第II類中等故障。

3.2.2 架控制動系統(tǒng)

3.2.2.1 列車為4節(jié)或以上車輛編組

當(dāng)發(fā)生單架緊急制動故障時(shí),列車將喪失1/8的空氣制動能力。以4輛編組列車為例,設(shè)計(jì)速度為100 km/h的列車緊急制動減速度由1.20 m/s2降至1.05 m/s2左右,緊急制動距離延長50 m左右；設(shè)計(jì)速度為80 km/h的列車緊急制動距離延長30 m左右。建議將設(shè)計(jì)速度為100 km/h的列車運(yùn)行速度降低到90 km/h，將設(shè)計(jì)速度為80 km/h的列車速度降低到70 km/h。出現(xiàn)此類故障時(shí),建議故障列車限速運(yùn)行到終點(diǎn)，再退出運(yùn)營。此類故障可屬于第II類中等故障。

當(dāng)發(fā)生單架常用制動故障時(shí),如果制動系統(tǒng)采用“等黏著”原則,則在常用制動減速度為0.9 m/s2及以下時(shí),喪失的空氣制動力可通過提高制動級別指令進(jìn)行補(bǔ)償。如果制動系統(tǒng)采用“等磨耗”原則,則喪失的空氣制動力將自動由其它車輛補(bǔ)償,并能保證故障列車正常運(yùn)營到終點(diǎn)后再退出運(yùn)營。此類故障可屬于第II類中等故障。

3.2.2.2 列車為3節(jié)車輛編組

當(dāng)發(fā)生單架緊急制動故障時(shí),列車將喪失1/6以下的空氣制動能力。設(shè)計(jì)速度為100 km/h的列車緊急制動減速度由1.2 m/s2降至1.08 m/s2左右,緊急制動距離延長70 m左右;設(shè)計(jì)速度為80 km/h的列車緊急制動距離延長40 m左右。建議將設(shè)計(jì)速度為100 km/h列車的運(yùn)行速度降低到80 km/h;將設(shè)計(jì)速度為80 km/h的列車運(yùn)行速度降低到60 km/h。出現(xiàn)此類故障時(shí),建議故障列車限速運(yùn)行到終點(diǎn)后再退出運(yùn)營。此類故障屬于第II類中等故障。

當(dāng)發(fā)生單架常用制動故障時(shí),如果制動系統(tǒng)采用“等黏著”原則,則在常用制動減速度為0.8 m/s2及以下時(shí),喪失的空氣制動力可通過提高制動級別指令進(jìn)行補(bǔ)償。如果制動系統(tǒng)采用“等磨耗”原則,則在常用制動減速度為0.8 m/s2及以下時(shí),喪失的空氣制動力自動由其它車輛補(bǔ)償。這樣基本可以保證故障列車正常運(yùn)營到終點(diǎn)后再退出運(yùn)營。此類故障可屬于第II類中等故障。

3.3 部件級別故障

無論是車控制動系統(tǒng)還是架控制動系統(tǒng),在“故障導(dǎo)向安全”的設(shè)計(jì)理念下,均對涉及到安全的部件進(jìn)行了冗余或故障功能降級設(shè)計(jì)。如當(dāng)常用預(yù)控壓力傳感器發(fā)生故障時(shí),可通過制動缸壓力傳感器來反饋制動指令執(zhí)行的正確性。當(dāng)某軸速度傳感器故障時(shí),可采用相鄰速度傳感器信號來補(bǔ)償該軸速度傳感器信號;當(dāng)某節(jié)車輛防滑控制系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),雖該車的防滑功能失效,但不影響該節(jié)車輛制動力的輸出,也能保證列車的安全。

因此，在出現(xiàn)部件級別故障時(shí),列車可以在結(jié)束當(dāng)天的正常運(yùn)營后再進(jìn)行檢查。此類故障歸屬于第III類次要故障。

4 結(jié)論

目前,在國內(nèi)城市軌道交通車輛上使用的車控制動系統(tǒng)和架控制動系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)非常成熟。通過從技術(shù)角度分析制動系統(tǒng)故障對城市軌道交通運(yùn)營的影響,得出如下結(jié)論:

(1) 對于城市軌道交通車輛運(yùn)營來說,6節(jié)或以上編組列車的車控制動系統(tǒng)和架控制動系統(tǒng)基本沒有差別,均能滿足使用要求。

(2) 4節(jié)編組列車的架控制動系統(tǒng)比車控制動系統(tǒng)更具優(yōu)勢。但是,車控制動系統(tǒng)如果在發(fā)生故障時(shí)采取合理控制策略及降級運(yùn)行的措施,也可以同樣滿足城市軌道交通車輛運(yùn)營的需求。

(3) 3節(jié)及以下編組列車的架控制動系統(tǒng)比車控制動系統(tǒng)優(yōu)勢更明顯,因而建議采用架控制動系統(tǒng)。

城市軌道交通列車制動系統(tǒng)方案是選用車控制動系統(tǒng)或是架控制動系統(tǒng),除了從技術(shù)方面考慮,還需考慮車輛的一次性采購成本及后期的維護(hù)和維修成本。應(yīng)經(jīng)過綜合論證后再適當(dāng)選取合適的制動模式為宜[7-8]。

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Urban Rail Brake System Mode Based on Safety and Operation Requirements

WU Qinghai

Based on the design principles of urban rail brake system, the technical characteristics of vehicle brake system and bogie brake system modes applied on urban rail vehicles are introduced. The effects of different malfunctions happened in brake system on urban rail vehicle operation are analyzed, corresponding measures like speed limitation and control strategy of the brake system are proposed. Rational technical suggestions are put forward for the selection of brake system: a four or more vehicles marshalling train could adopt both vehicle and bogie brake systems; a three or less vehicles marshalling train is recommended to adopt the bogie brake system.

vehicle brake system; bogie brake system; vehicle marshalling

Locomotive & Car Research Institue,China Academy of Railway Sciences,100081,Beijing,China

U 270.35

10.16037/j.1007-869x.2017.03.011

2016-05-19)