城市軌道交通車輛清潔制動(dòng)問(wèn)題探討

孟 磊， 管佳佳

(鄭州市軌道交通有限公司運(yùn)營(yíng)分公司， 鄭州 450000)

鄭州地鐵1號(hào)線一期車輛為6節(jié)編組的B型車，共42列，設(shè)計(jì)速度90 km/h，最高運(yùn)營(yíng)速度80 km/h，牽引采用西門子SIBAS32系統(tǒng)，制動(dòng)采用克諾爾EP2002電空制動(dòng)系統(tǒng)，正線使用ATO駕駛模式，采用大小交路運(yùn)營(yíng)的方式。在每天早上列車首次投入運(yùn)營(yíng)的前幾個(gè)區(qū)間，列車執(zhí)行踏面清潔制動(dòng)過(guò)程中，HMI提示轉(zhuǎn)向架氣壓低故障，運(yùn)營(yíng)列車產(chǎn)生全常用制動(dòng)(FSB)，嚴(yán)重影響了正常運(yùn)營(yíng)。通過(guò)對(duì)該故障的原因進(jìn)行了分析，并提出了解決方法，通過(guò)整改，問(wèn)題得到了解決。

1 清潔制動(dòng)介紹

1.1 清潔制動(dòng)設(shè)置的目的

城市軌道交通車輛制動(dòng)包括電制動(dòng)和空氣制動(dòng)，電制動(dòng)是牽引系統(tǒng)通過(guò)對(duì)電機(jī)的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用電動(dòng)機(jī)的可逆性原理，將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，牽引電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，這時(shí)牽引電動(dòng)機(jī)軸上施加與電樞旋轉(zhuǎn)方向相反的力矩，此力矩在車輛輪上產(chǎn)生制動(dòng)力，使列車減速或停車?？諝庵苿?dòng)又稱摩擦制動(dòng)，以壓縮空氣為動(dòng)力，通過(guò)車輪踏面與閘瓦(或制動(dòng)夾鉗與制動(dòng)盤)摩擦后將列車動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能并最終耗散于大氣中，能夠在電制動(dòng)不足或特殊情況下為列車提供部分或全部制動(dòng)力，最終實(shí)現(xiàn)列車減速的目的。

電制動(dòng)與空氣制動(dòng)協(xié)調(diào)配合，優(yōu)先使用電制動(dòng)，電制動(dòng)力不足或故障時(shí)由空氣制動(dòng)補(bǔ)充不足的制動(dòng)力。隨著電力牽引控制技術(shù)的進(jìn)步，電制動(dòng)能力越來(lái)越強(qiáng)大，不需要空氣制動(dòng)參與，僅電制動(dòng)能夠滿足整個(gè)列車的制動(dòng)力需求。西門子SIBAS32系統(tǒng)具有強(qiáng)大的電制動(dòng)能力，能夠?qū)崿F(xiàn)電制動(dòng)減速到零，因此閘瓦使用頻率低，磨耗量小，鄭州一號(hào)線車輛數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)為動(dòng)車平均磨耗0.35 mm/萬(wàn)km，拖車平均磨耗0.55 mm/萬(wàn)km。

這使得制動(dòng)閘瓦與輪對(duì)踏面、閘片與制動(dòng)盤摩擦頻率大幅較少，影響到閘瓦或閘片表面的狀態(tài)，使得閘瓦或閘片的摩擦力下降，嚴(yán)重降低了空氣制動(dòng)的性能。因此，有必要定期或不定期的使用列車空氣制動(dòng)，使得閘瓦與車輪踏面、閘片與制動(dòng)盤之間產(chǎn)生一定程度的摩擦，提高清潔摩擦副的效果，這種為了清潔制動(dòng)摩擦副而施加的空氣制動(dòng)稱之為清潔制動(dòng)。

1.2 清潔制動(dòng)過(guò)程

為了改善制動(dòng)閘瓦或閘片的表面狀態(tài)，使其處于正常工作狀態(tài)，在緊急制動(dòng)情況下達(dá)到最佳的制動(dòng)效果，每天早上列車出庫(kù)后，盡快完成清潔制動(dòng)。清潔制動(dòng)的原則：首先清潔制動(dòng)過(guò)程中，撤出電制動(dòng)，完全投入空氣制動(dòng)。其次，為了更好更快的完成清潔制動(dòng)，列車必須具有較高的運(yùn)行速度，因?yàn)樵诘退偾闆r下摩擦效果不明顯。

一次完整的清潔制動(dòng)過(guò)程可以描述為：早上時(shí)間4:00 之后，列車還未完成一次清潔制動(dòng)，運(yùn)行速度大于65 km/h，且制動(dòng)指令有效時(shí)，發(fā)出清潔制動(dòng)指令。列車控制管理系統(tǒng)(TCMS)系統(tǒng)切除電制動(dòng)，摩擦制動(dòng)施加需求的制動(dòng)力，制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)視整車氣閘瓦磨耗熱量，并將是否達(dá)到設(shè)定值的結(jié)果反饋至TCMS，當(dāng)累積能量達(dá)到設(shè)定值后，當(dāng)天的清潔制動(dòng)完成。如果清潔制動(dòng)過(guò)程中速度低于30 km/h時(shí)，將暫停清潔制動(dòng)，待下次條件滿足后繼續(xù)進(jìn)行。

圖1 TCMS清潔制動(dòng)控制邏輯

在每天列車投入運(yùn)營(yíng)前由TCMS系統(tǒng)產(chǎn)生清潔制動(dòng)請(qǐng)求指令，閘瓦獲得滿足一次清潔制動(dòng)所需的摩擦能量后，退出清潔制動(dòng)。目前鄭州地鐵1號(hào)線的清潔制動(dòng)能量定義：在AW2載荷下，列車從65 km/h到29.5 km/h施加一次最大制動(dòng)的能量為78.95 MJ，考慮到系統(tǒng)的安全性，能量值定為90 MJ)。該值是由牽引系統(tǒng)供應(yīng)商與制動(dòng)系統(tǒng)提供商根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況核算得出。

2 清潔制動(dòng)存在的問(wèn)題

鄭州地鐵1號(hào)線二期線路于2017年1月15日開(kāi)通試運(yùn)營(yíng)，采用大小交路運(yùn)營(yíng)方式。列車運(yùn)行中的頻繁出現(xiàn)轉(zhuǎn)向架風(fēng)壓低信息提示，并且產(chǎn)生FSB的故障。檢查故障列車空氣管路的氣密符合設(shè)計(jì)要求5 min泄漏量小于20 kPa的要求，測(cè)試空壓機(jī)打風(fēng)能力均無(wú)異常。事件記錄顯示故障均是列車清潔制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的，且故障時(shí)間均為列車當(dāng)日首趟運(yùn)營(yíng)，故障時(shí)間集中在工作日7:00左右客流高峰期，故障區(qū)間集中在小交路運(yùn)營(yíng)的前幾個(gè)固定區(qū)間，由此推斷是在清潔制動(dòng)過(guò)程中消耗了大量的風(fēng)壓。

2.1 故障分析

列車回庫(kù)查看故障記錄，故障記錄顯示：“Low air pressure bogie”。該故障是由制動(dòng)系統(tǒng)EP2002閥診斷的，通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)傳遞給列車中央控制單元(VCU)，并且在HMI上顯示，同時(shí)VCU將制動(dòng)系統(tǒng)健康狀態(tài)反饋給車載控制器(CC)，此時(shí)信號(hào)系統(tǒng)觸發(fā)FSB。

如圖2所示，每輛車設(shè)置1個(gè)總風(fēng)缸(A06)和1個(gè)制動(dòng)風(fēng)缸(B03)，來(lái)自總風(fēng)管的壓縮空氣通過(guò)端口0 進(jìn)入制動(dòng)控制模塊。壓縮空氣流經(jīng)管道過(guò)濾器(B01)、單向閥(B02)和塞門(B04)通過(guò)端口10進(jìn)入制動(dòng)風(fēng)缸(B03)，1制動(dòng)風(fēng)缸(B03)為2個(gè)轉(zhuǎn)向架的8個(gè)踏面制動(dòng)單元(C02、C03)的制動(dòng)缸提供壓縮空氣，因此空氣制動(dòng)過(guò)程中踏面制動(dòng)單元制動(dòng)缸的壓縮空氣首先被消耗，然后制動(dòng)風(fēng)缸向制動(dòng)缸補(bǔ)充壓縮空氣，總風(fēng)缸再向制動(dòng)風(fēng)缸補(bǔ)充壓縮空氣。列車對(duì)各風(fēng)缸壓力進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)總風(fēng)缸壓力低于550 kPa時(shí)列車產(chǎn)生緊急制動(dòng)，當(dāng)制動(dòng)風(fēng)缸壓(B03)低于650 kPa時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)向架風(fēng)壓低的信息提示。制動(dòng)風(fēng)缸內(nèi)的壓縮空氣由一個(gè)管道過(guò)濾器(B01) 進(jìn)行清潔處理，并由一個(gè)單向閥 (B02) 來(lái)進(jìn)行保護(hù)，使得制動(dòng)風(fēng)缸不受總風(fēng)缸內(nèi)空氣壓力低的影響。

B00.B04,B00.L06-普通塞門；B05-帶電接點(diǎn)的塞門；B00.B01-濾塵器；B03-風(fēng)缸；B00.B02-止回閥；B00.B01-縮堵；B00.B11-二位三通閥；B00.B09-二位三通電磁閥；B00.B22-壓力控制器；B00.L04-測(cè)試頭；智能閥，網(wǎng)關(guān)閥-EP2002閥；B40,B41-軟管；C02,C03-基礎(chǔ)制動(dòng)單元。圖2 空氣制動(dòng)系統(tǒng)管路圖

根據(jù)制動(dòng)風(fēng)缸風(fēng)壓變化曲線(如圖3所示)，可以確定列車制動(dòng)風(fēng)缸風(fēng)壓低是真實(shí)存在的。牽引系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)的接口協(xié)議定義：制動(dòng)缸風(fēng)壓低于650 kPa時(shí)，發(fā)出制動(dòng)缸壓力低預(yù)警信息。列車空氣制動(dòng)系統(tǒng)配備2臺(tái)VVV120型空氣壓縮機(jī)，當(dāng)制動(dòng)系統(tǒng)總風(fēng)壓力低于750 kPa時(shí)啟動(dòng)單臺(tái)空壓機(jī)，低于700 kPa時(shí)2臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，采用網(wǎng)絡(luò)加硬線的冗余控制方式，列車供風(fēng)能力強(qiáng)大，正常情況不會(huì)出現(xiàn)列車總風(fēng)低于700 kPa的情況。

圖3 列車速度與風(fēng)壓變化曲線

2.2 供風(fēng)能力測(cè)試

統(tǒng)計(jì)10列正線運(yùn)營(yíng)列車，對(duì)清潔制動(dòng)過(guò)程的制動(dòng)風(fēng)缸壓力變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，最多下降為155 kPa，最少下降76 kPa，平均為97 kPa。列車在靜止?fàn)顟B(tài)下，2臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)工作至最高壓力值，打風(fēng)時(shí)間符合設(shè)計(jì)要求。

對(duì)清潔制動(dòng)過(guò)程進(jìn)行驗(yàn)證，設(shè)置的試驗(yàn)條件如下：靜止的AW0載荷的列車總風(fēng)壓力700 kPa，人工駕駛列車加速至80 km/h開(kāi)始制動(dòng)，30 km/h惰行至清潔制動(dòng)完成。列車均未出現(xiàn)轉(zhuǎn)向架制動(dòng)風(fēng)壓低的故障信息，說(shuō)明并非車輛本身存在故障導(dǎo)致制動(dòng)風(fēng)壓低。

由于清潔制動(dòng)過(guò)程中電制動(dòng)切除，僅僅使用空氣制動(dòng)。清潔制動(dòng)所需要的閘瓦磨耗能量是固定的，消耗的制動(dòng)缸風(fēng)壓并未用于列車制動(dòng)。需要進(jìn)一步分析故障時(shí)列車的制動(dòng)狀態(tài)。

2.3 制動(dòng)狀態(tài)

查看故障發(fā)生前列車的制動(dòng)指令曲線，發(fā)現(xiàn)列車制動(dòng)施加緩解操作過(guò)于頻繁(見(jiàn)圖4)，在35 s內(nèi)，牽引指令和制動(dòng)指令轉(zhuǎn)換了10次。列車在牽引工況和制動(dòng)工況之間連續(xù)轉(zhuǎn)換，每轉(zhuǎn)換一次，制動(dòng)執(zhí)行單元閘缸執(zhí)行一次充氣排氣過(guò)程。充氣排氣操作，導(dǎo)致制動(dòng)風(fēng)缸壓力大幅度下降。

牽引指令和制動(dòng)指令轉(zhuǎn)換過(guò)于頻繁問(wèn)題，在鄭州地鐵開(kāi)通運(yùn)營(yíng)初期已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，列車過(guò)于頻繁的施加制動(dòng)指令，導(dǎo)致?tīng)恳到y(tǒng)產(chǎn)生自我保護(hù)，施加牽引封鎖。

ATO模式下，由ATC系統(tǒng)(列車自動(dòng)控制系統(tǒng))對(duì)列車進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)列車的自動(dòng)運(yùn)行，TCMS通過(guò)RS485總線接收牽引和制動(dòng)指令。通過(guò)牽引指令與制動(dòng)指令之間的頻繁切換，控制車輛跟隨設(shè)定的速度曲線運(yùn)行，不但浪費(fèi)電能，還對(duì)列車產(chǎn)生一種沖擊，降低了乘客舒適度。

圖4 ATO模式下制動(dòng)施加緩解指令

3 措施及效果

3.1 臨時(shí)措施

清潔制動(dòng)過(guò)程中風(fēng)壓異常消耗的根本原因是短時(shí)間內(nèi)牽引指令與制動(dòng)指令的頻繁轉(zhuǎn)換，需要信號(hào)系統(tǒng)對(duì)控車方式進(jìn)行優(yōu)化，才能從根本上解決問(wèn)題。然而對(duì)信號(hào)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)困難大，需要時(shí)間漫長(zhǎng)。為了降低故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響，故障發(fā)生后采取了臨時(shí)措施：列車運(yùn)營(yíng)模式由ATO模式(列車自動(dòng)運(yùn)行)降級(jí)至ATP模式(列車自動(dòng)保護(hù)下的人工駕駛)，該故障不再重復(fù)發(fā)生。

因?yàn)锳TP模式下，司機(jī)根據(jù)信號(hào)系統(tǒng)推薦的速度手動(dòng)駕駛車輛，通過(guò)操作司控器發(fā)出牽引指令和制動(dòng)指令，沒(méi)有頻繁的讓列車在牽引工況和制動(dòng)工況之間轉(zhuǎn)換(見(jiàn)圖5)，在一個(gè)區(qū)間運(yùn)行過(guò)程中，僅僅施加了3次制動(dòng)，避免出現(xiàn)ATO模式下?tīng)恳椭苿?dòng)指令切換過(guò)于頻繁的情況。

圖5 手動(dòng)駕駛時(shí)制動(dòng)施加緩解狀態(tài)

將列車ATO模式運(yùn)營(yíng)過(guò)程中牽引指令與制動(dòng)指令轉(zhuǎn)換情況與鄭州地鐵2號(hào)線列車進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖6)，并沒(méi)有出現(xiàn)1號(hào)線如此頻繁轉(zhuǎn)換的情況，在一個(gè)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)，列車沒(méi)有施加制動(dòng)指令，僅僅使用牽引和惰行兩個(gè)工況完成了區(qū)間運(yùn)行。

圖6 地鐵2號(hào)線牽引制動(dòng)指令狀態(tài)

3.2 制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

采用ATP駕駛模式僅僅是臨時(shí)措施，并沒(méi)有消除故障的根本原因。經(jīng)過(guò)與制動(dòng)系統(tǒng)廠家溝通，可以對(duì)車輛制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行修改，將制動(dòng)系統(tǒng)觸發(fā)列車產(chǎn)生轉(zhuǎn)向架制動(dòng)風(fēng)壓低故障的預(yù)警值由650 kPa降低為600 kPa，降低故障發(fā)生的概率。通過(guò)3個(gè)月時(shí)間的驗(yàn)證，該故障僅發(fā)生1次，整改效果明顯。

由于列車每天只進(jìn)行一次清潔制動(dòng)，在首趟運(yùn)營(yíng)的前3個(gè)區(qū)間即可完成，大部分情況下列車總風(fēng)壓力會(huì)高于750 kPa，并且列車總風(fēng)壓力低于550 kPa時(shí)，才會(huì)觸發(fā)緊急制動(dòng)，因此該參數(shù)的修改對(duì)車輛正常運(yùn)營(yíng)并不產(chǎn)生影響。

3.3 措施建議

在以后的工作中，將從以下方面考慮，不斷優(yōu)化清潔制動(dòng)過(guò)程。

(1) 增強(qiáng)空壓機(jī)打風(fēng)能力，當(dāng)總風(fēng)壓力低于800 kPa 的情況下啟動(dòng)單臺(tái)空壓機(jī)，保證列車總風(fēng)壓力維持在較高水平；

(2)修改TCMS系統(tǒng)軟件，在清潔制動(dòng)開(kāi)始時(shí)，啟動(dòng)空壓機(jī)進(jìn)行打風(fēng)，及時(shí)補(bǔ)充壓縮空氣，及時(shí)補(bǔ)充清潔制動(dòng)的消耗；

(3)人工選擇清潔制動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間，避開(kāi)運(yùn)營(yíng)高峰期，提前或者延后進(jìn)行清潔制動(dòng)；

(4)新車采購(gòu)時(shí)，增加列車制動(dòng)風(fēng)缸的容積。

4 結(jié)論及展望

介紹了地鐵列車清潔制動(dòng)的意義及控制邏輯，對(duì)列車清潔制動(dòng)過(guò)程發(fā)生轉(zhuǎn)向架制動(dòng)風(fēng)壓低故障的原因進(jìn)行分析，最終查明風(fēng)壓異常消耗的根本原因是信號(hào)系統(tǒng)施加牽引指令和制動(dòng)指令過(guò)于頻繁。由于信號(hào)系統(tǒng)修改難度大，短時(shí)間內(nèi)不具備升級(jí)的條件，在不影響列車安全運(yùn)營(yíng)的前提下，提出了優(yōu)化車輛制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的解決方法，降低了故障對(duì)地鐵運(yùn)營(yíng)的影響，取得很好效果。建議信號(hào)系統(tǒng)優(yōu)化列車牽引指令與制動(dòng)指令控制方式，在信號(hào)與車輛設(shè)計(jì)聯(lián)絡(luò)過(guò)程中對(duì)接口進(jìn)行詳細(xì)討論，避免埋下故障隱患，影響后續(xù)運(yùn)營(yíng)。

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