青島地鐵6號線車輛制動系統(tǒng)設計

李 莉

(中車青島四方車輛研究所有限公司 制動事業(yè)部，山東 青島 266031)

傳統(tǒng)城市軌道交通項目一般采用“軌旁聯(lián)鎖+軌旁區(qū)域控制+車載列車防護+控制中心”的架構(gòu)，設備配置多，系統(tǒng)接口復雜，故障影響范圍大，建設維護成本高，施工調(diào)試周期長，互聯(lián)互通困難。青島地鐵集團有限公司聯(lián)合中車青島四方車輛研究所有限公司研究開發(fā)了一套以“車—車”通信為基礎(chǔ)、以列車為主體和控制核心，具有列車主動進路、列車自主防護、列車自主調(diào)整以及無人駕駛(DTO)功能，并支持車輛段和正線一體化的新型列車自主運行系統(tǒng)(TACS)。TACS采用了車載列控子系統(tǒng)與列車控制管理系統(tǒng)(TCMS)、牽引、制動等其他控制系統(tǒng)深度融合的方案。其中車輛制動系統(tǒng)由JK02型制動控制閥、輔助控制單元、基礎(chǔ)制動裝置、防滑系統(tǒng)等組成，目前已完成了裝車試驗。

1 制動系統(tǒng)

青島地鐵6號線地鐵列車采用4動2拖編組，如圖1所示。制動系統(tǒng)作為TACS的重要組成部分，除了需要完成傳統(tǒng)城市軌道交通車輛要求的常用制動、快速制動、緊急制動、停放制動等制動系統(tǒng)功能外，還需要完成與車輛網(wǎng)絡控制系統(tǒng)融合、與ATO(列車自動駕駛系統(tǒng))子系統(tǒng)融合的任務。其中與ATO子系統(tǒng)融合是要求ATO子系統(tǒng)集成在電子制動控制單元EBCU設備中，并能夠通過EBCU實時獲得車輛自身以及車輛牽引系統(tǒng)、制動系統(tǒng)等的狀態(tài)，為實現(xiàn)ATO子系統(tǒng)精確控制提供更精準的技術(shù)條件。圖1所示的JK02S_A型制動控制單元集成了ATO子系統(tǒng)[1]。

2 制動系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

青島地鐵6號線車輛制動系統(tǒng)主要由風源系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動裝置、防滑系統(tǒng)、空氣懸掛供風裝置等子系統(tǒng)組成。制動控制系統(tǒng)以轉(zhuǎn)向架為單位進行制動控制，每臺轉(zhuǎn)向架可以單獨進行常用制動控制和緊急制動控制，融合的車輛網(wǎng)絡代替了傳統(tǒng)的CAN 總線網(wǎng)絡，將列車單元內(nèi)的全部控制閥連接起來實現(xiàn)整列車的制動力分配。

2.1 風源系統(tǒng)

風源系統(tǒng)主要由無油渦旋式空氣壓縮機、冷卻系統(tǒng)、前置過濾器、干燥器等組成，為制動系統(tǒng)等用風設備提供壓縮空氣。每列車有2 套風源系統(tǒng)，分別吊裝在2輛拖車的底架上。

Tc1、Tc2.帶司機室的拖車；M1、M2、M3.動車；CCU.中央控制單元；DCU.牽引控制單元；JK02S_A、JK02S_B.制動控制單元；TB.拖車轉(zhuǎn)向架；MB.動車轉(zhuǎn)向架。圖1 青島地鐵6號線車輛制動控制系統(tǒng)組成圖

2.2 制動控制系統(tǒng)

制動控制系統(tǒng)包括JK02S_A型主控制閥制動控制單元和JK02S_B型輔控制閥制動控制單元。JK02S_B型輔控制閥制動控制單元具備網(wǎng)絡通信、制動管理、防滑控制、故障記錄等功能。JK02S_A型制動控制單元除了具備JK02S_B型制動控制單元的所有功能，還具備ATO功能和制動系統(tǒng)維護端口。

制動控制單元內(nèi)的EBCU由EB01通信板、CB01控制板、ATO控制板(JK02S_A型)組成。列車所有制動控制單元通過列車以太網(wǎng)實現(xiàn)載荷、制動百分比、電制動力實際值等信息的共享，按照整列制動力分配的制動計算獨立實現(xiàn)本轉(zhuǎn)向架的制動力計算，實現(xiàn)整車的電空混合制動任務。各控制單元均向TCMS傳輸本轉(zhuǎn)向架制動單元的狀態(tài)和故障信息，可以通過列車顯示屏顯示。

JK02S_A型主控制閥制動控制單元實現(xiàn)ATO功能， ATO板卡集成到此EBCU內(nèi)，ATO可實時獲取制動系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)的狀態(tài)信息。該設計實現(xiàn)了ATO與牽引、制動系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時共享，方便ATO進行實時閉環(huán)控制，有利于優(yōu)化ATO對牽引、電制動及空氣制動的控制。當主控制閥的ATO功能失效時，車輛另一端的JK02S_A型制動控制單元成為主控制閥，繼續(xù)實現(xiàn)ATO功能。

2.3 基礎(chǔ)制動裝置

基礎(chǔ)制動裝置采用盤形制動形式，每套盤形制動裝置由夾鉗、輪裝制動盤和閘片組成。每臺轉(zhuǎn)向架裝有4 套夾鉗，其中2 套帶停放制動功能，在轉(zhuǎn)向架上呈對角線布置。基礎(chǔ)制動裝置由制動控制系統(tǒng)控制，產(chǎn)生符合制動指令要求的制動力。

2.4 防滑系統(tǒng)

防滑系統(tǒng)由防滑控制板、防滑閥、測速齒輪及速度傳感器等組成，能在充分利用輪軌黏著的前提下有效地防止車輪滑行擦傷。防滑控制板和防滑閥集成在制動控制單元中，防滑控制計算、滑行判斷、防滑動作的執(zhí)行由制動控制單元完成，采用軸控防滑方式。

2.5 空氣懸掛供風裝置

空氣懸掛供風裝置包括安裝在制動控制單元中的溢流閥和減壓閥，還包括安裝在轉(zhuǎn)向架上的高度控制閥和差壓閥，每臺轉(zhuǎn)向架上分左右裝有2個高度控制閥和1個差壓閥。

3 制動系統(tǒng)主要功能

TCMS將制動指令信號通過以太網(wǎng)發(fā)送給各制動控制單元。列車網(wǎng)絡正常時，制動系統(tǒng)優(yōu)先使用網(wǎng)絡傳送的制動指令；當網(wǎng)絡故障時，制動系統(tǒng)根據(jù)列車硬線信號根據(jù)當前載荷條件施加相應的常用制動；當緊急制動時，各個制動控制單元根據(jù)自己的載荷，施加緊急制動。

3.1 常用制動管理

常用制動采用電空混合制動，優(yōu)先使用電制動，電制動力不足或者失效時，由空氣制動補足或者替代，電制動與空氣制動實時連續(xù)協(xié)調(diào)配合。

制動控制系統(tǒng)根據(jù)空氣彈簧提供的載荷壓力，在常用制動時對制動力進行計算，制動控制系統(tǒng)將載荷壓力值傳輸至TCMS。各制動控制單元共享列車載荷信息，并且提供給牽引控制系統(tǒng)，牽引控制系統(tǒng)根據(jù)制動百分比信息和列車載荷信息計算并施加電制動力，同時將實際電制動力反饋給各制動控制單元。制動控制單元將實際電制動力與列車所需制動力進行比較，如果電制動力能夠滿足列車制動需求，動車和拖車均不施加空氣制動；如果電制動力無法滿足列車的制動需求，不足部分用拖車優(yōu)先原則補充空氣制動[2]。

3.2 保持制動施加與緩解功能

保持制動的施加與緩解一方面影響車輛的安全停車，另一方面，在自動駕駛時，對精確停車有很大影響。非自動駕駛模式下，車速小于1 km/h時，制動系統(tǒng)自動施加保持制動。自動駕駛模式下的保持制動施加由信號系統(tǒng)控制，制動系統(tǒng)接收到ATP(列車自動防護系統(tǒng))發(fā)送的“保持制動施加由信號控制”及“保持制動施加”這2個信號后，施加保持制動?；贏TO融合于EBCU的新設計，自動駕駛模式下可以更加快捷準確地實現(xiàn)保持制動完全由信號系統(tǒng)根據(jù)站點信息進行控制，進而實現(xiàn)精準安全停車。

網(wǎng)絡正常并且處于牽引狀態(tài)時，TCMS會發(fā)出保持制動緩解信號。網(wǎng)絡故障牽引狀態(tài)下，制動系統(tǒng)自行進行車速與指令判斷，實施保持制動緩解。

3.3 緊急制動功能

緊急制動采用“得電緩解”方式，貫穿整個列車的連續(xù)電源線控制制動系統(tǒng)的緩解，此線路一旦斷開，列車編組中的所有車輛會實施緊急制動，全部制動力由空氣制動獨立承擔。列車中各制動控制單元實時采集緊急列車線的狀態(tài)，并且發(fā)送給TCMS。當緊急制動指令發(fā)出時，立刻施加緊急制動，此時電制動被自動切除。一旦施加緊急制動，列車停車前不能緩解。

3.4 防滑控制管理

動車的防滑功能由電制動和空氣制動共同完成，電制動與空氣制動的防滑控制系統(tǒng)獨立工作。牽引控制單元DCU 完成電制動防滑的控制，電空混合制動時一旦出現(xiàn)滑行，首先由DCU進行電制動的防滑控制，同時把電制動滑行信號傳給制動控制單元，此時空氣制動不因電制動力的減小而進一步補充。如果DCU 防滑控制超過某一設定時間仍然滑行，則切除滑行車的電制動，由空氣制動的防滑控制來實施防滑功能。

拖車的防滑功能由空氣制動獨立完成。防滑系統(tǒng)根據(jù)速度差或減速度判定滑行程度的大小，通過防滑閥控制制動缸進行保壓/排氣/充氣，以維持/減小/增加作用于該軸上的制動力，避免車輪出現(xiàn)滑行[3]。

3.5 與ATO的融合功能

制動系統(tǒng)實現(xiàn)了ATO 與BCU 的深度融合，將ATO 功能集成至車輛制動系統(tǒng)EBCU 中。ATO通過與制動系統(tǒng)的直接通信，獲取列車載重信息、牽引系統(tǒng)狀態(tài)、制動系統(tǒng)狀態(tài)，根據(jù)計算的列車速度，生成ATO 曲線，并據(jù)此控制列車運行。從而避免了因多節(jié)點設備中部分故障導致的制動力不足(包括電制動力、空氣制動力)，以及因軌道濕滑引起的列車滑行等情況下外部設備給ATO 控制帶來的不利影響。同時，ATO 可根據(jù)當前整車的載荷、制動力需求、電制動能力等信息，更加合理地分配電制動與空氣制動，充分利用制動級位，盡可能保證列車高速段不使用空氣制動，實現(xiàn)真正的綠色停車。與此同時，ATO 與制動功能的融合實現(xiàn)了信號系統(tǒng)與制動、牽引系統(tǒng)的信息共享，信號系統(tǒng)將輪徑校準應答器信息發(fā)送給制動系統(tǒng)，制動系統(tǒng)利用此信息可以更加準確地實現(xiàn)輪徑校核，該功能有助于更精準地進行制動管理和防滑控制。

4 創(chuàng)新項點

青島地鐵6號線采用列車自主運行系統(tǒng)(TACS)，與傳統(tǒng)城市軌道交通項目相比具有多個創(chuàng)新點。例如：以列車之間數(shù)據(jù)通信為基礎(chǔ)，以車載控制為核心；車載控制系統(tǒng)深度融合；智能化駕駛控制；車輛段設備與行車控制等。制動系統(tǒng)與之相適應，做出了一些創(chuàng)新設計。

4.1 網(wǎng)絡升級

網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)架控制動系統(tǒng)不同，如圖2所示，傳統(tǒng)模式的制動控制系統(tǒng)組建獨立的CAN網(wǎng)絡進行制動計算，實現(xiàn)制動力分配；而TACS利用整車的以太網(wǎng)資源組建制動網(wǎng)，制動系統(tǒng)作為節(jié)點加入整車的以太網(wǎng)。該設計一方面提高了信息的傳遞速度，同時可以大幅增加傳遞的信息量，實現(xiàn)了TACS要求的融合設計。

圖2 制動控制系統(tǒng)網(wǎng)絡升級示意圖

4.2 ATO功能

傳統(tǒng)城市軌道交通的ATO是一個相對獨立的設備，TACS實現(xiàn)了制動系統(tǒng)融合ATO的功能?；贏TO與制動系統(tǒng)共享相同的速度信號源，并且可以直接共享信號系統(tǒng)的控車信號，制動系統(tǒng)可以獲取更多的制動性能數(shù)據(jù)，所以使制動系統(tǒng)減少了惰行時間，提高了行車效率，另一方面控車也更加精確。

ATO融合使制動系統(tǒng)增加了跳躍模式，制動系統(tǒng)收到跳躍模式指令會自動施加最大常用制動20%的保持制動力，可以配合ATO實現(xiàn)車輛站停調(diào)節(jié)。增加的另一個模式是自動洗車模式，在該模式下，ATP向TCMS發(fā)送自動洗車標志與洗車牽引/制動命令，由TCMS統(tǒng)一向牽引/制動系統(tǒng)發(fā)送指令。接近洗車終點時，由TCMS轉(zhuǎn)發(fā)信號系統(tǒng)的洗車制動命令，制動系統(tǒng)施加最大常用制動實現(xiàn)停車，完成自動洗車。

4.3 輪徑校準升級

列車出庫，通過輪徑校正區(qū)域時，制動控制系統(tǒng)開始進行輪徑校準(圖3)。制動控制系統(tǒng)接收到輪徑校準應答器1的信號后，對基準軸速度傳感器的脈沖信號開始計數(shù)，接收到輪徑校準應答器2的信號后，停止對基準軸速度傳感器的脈沖信號計數(shù)。經(jīng)過輪徑校準區(qū)域脈沖計數(shù)為N，速度齒盤齒數(shù)為n，輪徑校準區(qū)域兩個輪徑校準應答器之間的距離為S，則基準軸輪徑值D為：D=S×n/(N×π)。由此可以實現(xiàn)自動輪徑較準。

圖3 輪徑校準示意圖

5 結(jié)束語

該項目的實施有利于提高城軌制動產(chǎn)品的設計水平，豐富城軌車輛架控制動系統(tǒng)產(chǎn)品的多樣性，提升制動系統(tǒng)國產(chǎn)化的競爭力。目前該制動系統(tǒng)已完成所有的例行試驗和型式試驗，并且完成了裝車前的各項調(diào)試，均滿足裝車要求。青島地鐵6號線作為列車自主運行系統(tǒng)(TACS)的示范工程，制動系統(tǒng)有大幅創(chuàng)新改進，制動控制能力更為精準，車輛運行更加安全、可靠。