停放制動原理分析及故障診斷

杜群威， 張遠(yuǎn)東， 謝川川

(1 中車唐山機車車輛有限公司， 河北唐山 063035；2 中國鐵路北京局集團有限公司， 北京 100860；3 中國鐵路沈陽局集團有限公司， 沈陽 110001)

停放制動是可以在規(guī)定的坡道上，以規(guī)定的載荷永久保持住列車的制動模式。目前停放制動通常采用蓄能彈簧的方式進(jìn)行施加，停放制動施加時，通過蓄能彈簧壓緊制動盤，產(chǎn)生停放制動力，當(dāng)需要緩解時，停放制動缸充氣，彈簧被壓縮，停放制動緩解[1]。在停放制動控制方式上，都采用停放電磁閥進(jìn)行控制，同時進(jìn)行制動缸壓力的防疊加設(shè)計，但在具體的控制方式上卻不盡相同，導(dǎo)致外圍氣路和控制環(huán)路也發(fā)生變化[2]。在停放制動設(shè)計時，要根據(jù)實際的車輛配置和使用需求確定停放制動的選型，之后再設(shè)計外圍氣路和控制環(huán)路。

隨著對運營安全性與可靠性認(rèn)識的不斷加深，停放制動的監(jiān)控和故障診斷也有了新的要求，通過分析常見的停放制動組成及控制方式，梳理停放制動的控制與監(jiān)控原理，完善停放制動的故障診斷邏輯，為后續(xù)停放制動的設(shè)計提供借鑒。

1 停放制動執(zhí)行方式

停放制動的執(zhí)行部件為停放制動缸，內(nèi)部安裝有預(yù)壓緊的彈簧。在停放制動缸排氣狀態(tài)時，在彈簧力的作用下，停放制動活塞桿伸出。當(dāng)停放制動缸充氣時，彈簧被壓縮，停放制動緩解。停放制動作為一種被動式制動，通常與常用制動缸集成為復(fù)合式制動缸使用，如圖1所示，停放制動缸部分進(jìn)行停放制動的施加和緩解，常用制動缸接口連接BCU，進(jìn)行緊急制動、常用制動和保持制動的控制。動車組與城鐵車輛的基礎(chǔ)制動一般采用常用制動缸+復(fù)合式制動缸，根據(jù)停放坡度和列車總質(zhì)量確定總停放制動力，之后進(jìn)行停放制動力的選型，并確定復(fù)合式制動缸在基礎(chǔ)制動裝置中的布置。由于停放制動彈簧力較大，一根車軸上最多布置一個復(fù)合制動缸。在一些低地板輕軌車輛液壓制動系統(tǒng)中，動車的基礎(chǔ)制動為單停放制動缸的配置形式，與常規(guī)BCU控制不同的是：液壓油增壓時緩解制動，液壓油減壓時施加制動，當(dāng)需要施加停放制動時，液壓油壓力為零。

圖1 復(fù)合式制動缸結(jié)構(gòu)簡圖

2 停放制動氣路分析

停放制動由電磁閥進(jìn)行控制，包括雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥和兩位三通電磁閥，停放制動的氣路供應(yīng)分為總風(fēng)管直接供風(fēng)和制動風(fēng)缸供風(fēng)。在防疊加功能上制動缸管路通過雙向逆止閥或電磁閥排氣口兩種方式。常見的停放制動控制氣路如圖2所示，A1為供氣口，通過外部氣源給電磁閥供風(fēng)；A2為常用制動缸管路接口，通過此接口接入制動缸壓力進(jìn)行停放制動的防疊加；A3為停放制動缸管路接口，通過此接口輸出停放制動控制壓力，進(jìn)行停放制動控制。B1為雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥，閥芯不帶復(fù)位彈簧，通過布置在閥芯兩側(cè)的脈沖電磁閥控制閥芯動作，每次電磁閥動作完成后閥芯停留在此位置，直至下一次工作。B2為兩位三通電磁閥，當(dāng)電磁閥得電時，氣路導(dǎo)通，A1供氣口的壓縮空氣進(jìn)入A3停放制動缸管路；當(dāng)電磁閥失電時，電磁閥截止。B3為雙向逆止閥，也成為邏輯“或”閥，輸出口與兩個輸入口中壓力較大的通路導(dǎo)通，兩個輸入口處于關(guān)閉狀態(tài)。

A1-供氣口； A2-常用制動缸管路；A3-停放制動缸管路；B1-雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥；B2-兩位三通電磁閥；B3-雙向逆止閥。圖2 停放制動模塊氣路原理圖

圖2為4種常見的停放制動氣路布置，其編號①②③④分別對應(yīng)雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥+雙向逆止閥、兩位三通電磁閥+雙向逆止閥、雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥、兩位三通電磁閥的停放制動氣路布置方案。雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥僅通過兩側(cè)的脈沖電磁閥控制閥芯的運動狀態(tài)，其控制信號為脈沖信號，持續(xù)100 ms即可完成電磁閥的切換，停放制動的電氣控制通過兩根列車線進(jìn)行控制，分別為停放制動施加指令列車線和停放制動緩解指令列車線，電磁閥的狀態(tài)為兩根控制列車線中最后得電的那根列車線的控制狀態(tài)。雙穩(wěn)態(tài)電磁閥兩側(cè)帶有外部操作機構(gòu)，可以手動控制閥芯狀態(tài)，通過按下操作機構(gòu)，帶動閥芯運動另一側(cè)，方便進(jìn)行手動操作。部分雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥的閥芯和操作結(jié)構(gòu)直接連接，通過查看操作結(jié)構(gòu)的位置就可以確定閥芯的狀態(tài)。

兩位三通電磁閥為帶彈簧復(fù)位的單閥頭電磁閥，其電磁閥線圈工作率為100%，可以保證長時間得電工作。其控制信號為持續(xù)的控制信號，停放制動的電氣控制通過一根列車線進(jìn)行控制：為停放制動施加指令列車線，此列車線得電時停放制動緩解，當(dāng)此列車線失電時停放制動施加，此種特性可以保證列車關(guān)閉或意外斷電時停放制動可以自動施加，當(dāng)列車再次上電，可以通過司機操作控制停放制動列車線得電后緩解停放制動。兩位三通電磁閥較雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥，外形尺寸小，安裝緊湊，方便集成。

停放制動的防疊加功能是防止同時產(chǎn)生常用制動缸和停放制動缸壓力，避免兩者同時產(chǎn)生制動力而造成制動力過大，引發(fā)車輪抱死和閘片過熱現(xiàn)象。停放制動的防疊加功能使用場景有：(1)停放制動施加+空氣制動緩解，此時常用制動缸和停放制動缸都沒有壓縮空氣。施加空氣制動之后，BCU給常用制動缸充氣，常用制動缸壓力進(jìn)入停放制動缸中，去緩解部分停放制動力，起到防疊加作用，但此場景下的充風(fēng)容積增加了停放制動管路和停放制動缸，制動響應(yīng)時間要大于正常值。(2)停放制動緩解+常用制動施加，此時常用制動缸和停放制動缸都有壓縮空氣，之后施加停放制動，此時電磁閥從A1口的供氣通道關(guān)閉，常用制動缸管路開始給停放制動缸充風(fēng)，去緩解部分停放制動力，起到防疊加作用，但此場景下停放制動缸和停放制動管路內(nèi)的壓縮空氣流進(jìn)常用制動管路中，造成常用制動缸壓力上升，需要BCU快速排氣，來調(diào)節(jié)下游制動缸壓力。

雙向逆止閥通過安裝在電磁閥下游，兩個進(jìn)氣口分別連接電磁閥出口與常用制動缸管路，取兩者中壓力較大的輸出到停放制動管路中。兩個進(jìn)氣口中只要一個有壓力，即可輸出停放制動缸壓力，保證停放制動的防疊加。在上面的場景1中，雙向逆止閥右側(cè)管路沒有壓縮空氣，左側(cè)管路開始充入常用制動壓縮空氣，雙向逆止閥下游充入常用制動壓縮空氣。在上文的場景2中，雙向逆止閥兩側(cè)管路均有壓縮空氣，且右側(cè)壓力大于左側(cè)壓力，雙向逆止閥閥芯截斷左側(cè)管路，之后右側(cè)管路壓力排空，雙向逆止閥閥芯截斷右側(cè)管路，下游高壓力壓縮空氣流向左側(cè)，利用BCU的壓力調(diào)節(jié)功能將其調(diào)節(jié)常用制動壓力起到防疊加作用。

采用排氣口出口連接常用制動缸壓力作為防疊加功能，此時電磁閥的供氣要保證可靠，不能出現(xiàn)壓力不穩(wěn)的情況，即便是在回送等情況下，此時建議使用制動風(fēng)缸供風(fēng)，因為制動風(fēng)缸與總風(fēng)管之間設(shè)置單向閥，可以保證制動風(fēng)缸的壓力穩(wěn)定性，不受總風(fēng)管壓力下降的影響。在上面的場景1中，電磁閥A3與A2接通，常用制動時通過此通道將常用制動壓縮空氣充入停放制動管路。在上文的場景2中，通過電磁閥，A1與A3接通，A2內(nèi)有常用制動壓縮空氣，且A3的空氣壓力大于A2的空氣壓力，當(dāng)電磁閥失電后，A3與A2接通，停放制動缸內(nèi)的壓縮氣體流入到常用制動管路中通過BCU進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。

表1 停放制動氣路對比

3 停放制動電氣控制

停放制動的電氣控制包括停放制動指令列車線和停放制動狀態(tài)環(huán)路，停放制動指令列車線數(shù)量參照停放電磁閥選型。在停放制動管路上設(shè)置壓力開關(guān)，用來檢測每個停放控制模塊施加狀態(tài)，將所有的壓力開關(guān)狀態(tài)串入停放制動狀態(tài)環(huán)路，通過環(huán)路可以判斷停放制動的狀態(tài)。常見的雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥的停放制動電氣結(jié)構(gòu)為：兩根停放制動指令列車線+兩個停放制動狀態(tài)環(huán)路，如圖3所示。

圖3 雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥的停放制動電氣結(jié)構(gòu)

如圖3中停放制動狀態(tài)環(huán)路，壓力開關(guān)連接繼電器，通過檢測停放制動壓力，控制繼電器線圈動作，繼而控制狀態(tài)環(huán)路。當(dāng)列車上所有壓力開關(guān)產(chǎn)生一致的動作后，狀態(tài)回路建立，可以通過司機臺LED給司機顯示停放制動的施加緩解狀態(tài)。在車輛的具體配置上，可以對狀態(tài)環(huán)路進(jìn)行簡化，保留緩解狀態(tài)回路，當(dāng)緩解回路建立后認(rèn)為停放制動緩解，其他情況均認(rèn)為停放制動施加，此簡化方案與兩位三通電磁的停放制動電氣結(jié)構(gòu)為：停放制動緩解指令列車線+停放制動緩解狀態(tài)環(huán)路，如圖4所示。

圖4 兩位三通電磁的停放制動電氣結(jié)構(gòu)

4 停放制動故障診斷

停放制動主要運用在車輛靜止后需要長時間在坡道上停放，在一般項目中，停放制動的整列配置比為2:1或4:1，停放制動力大于常用制動力，在車輛運動過程中意外施加停放制動會產(chǎn)生過大的制動力而擦傷車輪，所以車輛增加運動過程中的停放制動意外施加的故障保護，列車?yán)^電器回路的故障保護原理見圖5所示，在車輛運行過程中，停放制動未被旁路的情況下，停放制動緩解回路失效后列車立刻施加緊急制動，并封鎖牽引力。

圖5 繼電器回路的故障保護原理

在停放制動管路上會設(shè)置壓力傳感器與電觸點截斷塞門，通過BCU(或TCMS)采集停放制動壓力與塞門狀態(tài)，在HMI上顯示停放制動施加、緩解或切除狀態(tài)。此時壓力傳感器的判斷閾值與壓力開關(guān)一致才能保證顯示結(jié)果的同步性。在一些項目中取消壓力開關(guān)，僅通過壓力傳感器進(jìn)行停放制動的故障診斷，此時BCU(或TCMS)采集的信息除了在HMI上顯示外還進(jìn)行停放制動的診斷，以一列車有A車和B車安裝有停放制動為例，BCU(或TCMS)通過故障診斷后判斷列車停放制動是否已緩解，可以通過控制一個繼電器去觸發(fā)緊急制動，如圖6所示。

圖6 BCU(或TCMS)停放制動緩解狀態(tài)診斷邏輯

5 結(jié) 論

通過介紹停放制動缸的工作原理，對停放制動的施加方式和電磁閥組成進(jìn)行匯總，對4種常見的停放控制氣路進(jìn)行細(xì)致分析，從控制方式、使用場景逐個進(jìn)行討論。通過分析停放制動的電路控制，完成了兩種電磁閥的停放控制整車控制原理。最后對停放制動的故障保護和診斷進(jìn)行討論，按照實際實現(xiàn)途徑闡述了壓力開關(guān)與壓力傳感器的兩種診斷方式。最后梳理并匯總了停放制動的氣路與電氣控制方案，對后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計和性能研究提供支持。