地鐵列車制動不緩解故障分析與解決措施

乙永強 陳 磊 魏 松 管凱凱 李大勇

(青島地鐵集團有限公司運營分公司， 266031， 青島∥第一作者， 工程師)

青島地鐵3號線(以下簡為“3號線”)列車采用德國克諾爾集團研制的EP2002制動系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用基于網(wǎng)絡(luò)及硬線冗余的控制方式,其核心部件為EP2002閥。該閥是一個高度集成及智能化的機電一體化設(shè)備，可將制動控制與制動執(zhí)行集成在一起。

列車制動不緩解故障是指在制動緩解指令下達后，制動力在一定時間內(nèi)不能緩解到規(guī)定值，從而導致車輛抱閘。該故障可能造成輪對和軌面的擦傷，甚至需要車輛救援。從運營安全考慮，制動不緩解故障對行車安全的影響較大。

3號線列車正線運行時，列車發(fā)生制動不緩解故障，司機切除故障車B05后，列車限速5 km/h運行。以此故障為例，對制動不緩解故障的檢測邏輯、故障原因等進行分析，并對制動不緩解故障導致的列車限速條件及故障應(yīng)急處理措施進行優(yōu)化。

1 3號線列車制動系統(tǒng)簡介

1.1 EP2002制動系統(tǒng)構(gòu)成

EP2002制動系統(tǒng)是目前世界最先進的空氣制動系統(tǒng)之一。與傳統(tǒng)的車控式空氣制動系統(tǒng)不同，EP2002制動系統(tǒng)采用架控式結(jié)構(gòu)，每個轉(zhuǎn)向架上都有1個EP2002閥，起到獨立控制的作用，各閥通過CAN(控制器局域網(wǎng))總線或車輛總線進行連接,傳遞信息和指令，一旦某個EP2002閥發(fā)生故障，只會影響到1個轉(zhuǎn)向架，這樣就分散了風險，減小了對車輛的影響。

3號線列車EP2002制動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲圖如圖1所示。

注：Tc為帶司機室的拖車;M為無受電弓的動車;MPU為主處理單元;MVB為多功能車輛總線。

通過網(wǎng)關(guān)閥(G 閥)、智能閥(S 閥)形成了分散式制動控制網(wǎng)絡(luò)。每個閥均安裝在轉(zhuǎn)向架附近(每個轉(zhuǎn)向架安裝1個閥)，分別控制對應(yīng)轉(zhuǎn)向架的常用制動、快速制動、緊急制動和車輪滑行保護，EP2002閥之間通過專用的雙通道 CAN總線聯(lián)接通信。圖1中，CAN總線單元內(nèi)的兩個網(wǎng)關(guān)閥都具有與列車管理系統(tǒng)通過MVB(多功能車輛總線)通信的功能，但同一時刻只有1個網(wǎng)關(guān)閥(主網(wǎng)關(guān)閥)與列車管理系統(tǒng)通信，另一個網(wǎng)關(guān)閥處于熱備狀態(tài)作為冗余。CAN總線單元內(nèi)的4個智能閥通過CAN總線與網(wǎng)關(guān)閥進行通信，并與網(wǎng)關(guān)閥的智能閥模塊共同完成車輛的常用制動、快速制動、緊急制動和防滑功能。整車與EP2002制動系統(tǒng)的關(guān)系如圖2所示。

注：ATO為列車自動運行；ATP為列車自動防護。圖2 3號線列車整車系統(tǒng)與EP2002制動系統(tǒng)的關(guān)系

1.2 EP2002閥

在EP2002控制系統(tǒng)中，EP2002閥是最重要的組成部件，且是一個高度集成、高度智能化的機電一體化部件，具有智能處理及網(wǎng)絡(luò)通信的功能，主要包含智能閥和網(wǎng)關(guān)閥。

1) 智能閥：包含1個PVU(氣動閥單元)和安裝在氣動伺服閥上的電子控制部分。通過相應(yīng)CAN總線單元傳輸?shù)闹苿又噶?，每個智能閥對相應(yīng)轉(zhuǎn)向架上的BCP(制動缸壓力)進行控制。智能閥具有常用制動、快速制動、緊急制動和防滑保護功能。智能閥結(jié)合相應(yīng)車軸產(chǎn)生的速度數(shù)據(jù)和單元內(nèi)其他EP2002閥通過CAN總線傳來的速度數(shù)據(jù)，進行車輪防滑保護。圖3展示了智能閥的I/O(輸入/輸出)狀況。

注：ASP為空簧壓力；BCP為制動缸壓力；BSR為制動風缸；Aux為停放壓力;為氣動裝置；為電源；為信號；*為可選設(shè)備。

2) 網(wǎng)關(guān)閥：網(wǎng)關(guān)閥具有智能閥的所有功能，并通過集成的MVB網(wǎng)絡(luò)接口卡接收列車管理系統(tǒng)傳輸?shù)闹苿又噶?。列車制動力計算完成后，將常用制動、快速制動壓力分配至CAN總線單元內(nèi)的所有EP2002閥。CAN總線單元內(nèi)的兩個網(wǎng)關(guān)閥都具有與列車管理系統(tǒng)通信的功能，但同一時刻只有1個網(wǎng)關(guān)閥(主網(wǎng)關(guān)閥)與列車管理系統(tǒng)通信，另一個網(wǎng)關(guān)閥處于熱備狀態(tài)。若主網(wǎng)關(guān)閥發(fā)生故障，熱備的網(wǎng)關(guān)閥立刻取代其功能，保證單元的制動系統(tǒng)正常工作，提高了系統(tǒng)的可靠性。圖4展示了網(wǎng)關(guān)閥的I/O狀況。

注：COMMS為網(wǎng)絡(luò)通信卡。圖4 網(wǎng)關(guān)閥的I/OFig.4 I/O of gateway valve

2 列車制動不緩解故障分析

2.1 列車制動不緩解檢測邏輯

每個EP2002閥都具有制動不緩解檢測功能。當列車運行速度>2 km/h時，如果制動系統(tǒng)未收到制動指令，且某個制動缸處于未緩解狀態(tài)(制動缸壓力>0.025 MPa)，此種情況持續(xù)5 s，相應(yīng)的EP2002閥將生成制動不緩解故障。該故障通過網(wǎng)絡(luò)傳輸至TCMS(列車控制與管理系統(tǒng))并在司機顯示屏上彈出，同時也通過硬線輸出高電平,以點亮司機控制臺上的制動不緩解指示燈。制動不緩解故障報出時，列車牽引將被切除。

制動不緩解故障的復位條件通常為：在非制動工況下，BCU(制動控制單元)檢測到故障制動缸的壓力下降到0 后(制動缸壓力精度約±0.02 MPa)，制動不緩解故障復位。當切除故障轉(zhuǎn)向架B05后將制動不緩解故障狀態(tài)復位，牽引封鎖解除。

研制的不同制動系統(tǒng)克諾爾項目對于制動不緩解的邏輯判斷雖有差異，但其基本判斷邏輯是一致的。

2.2 列車制動不緩解故障原因分析

3號線某列車在站臺作業(yè)完畢后準備動車，司機發(fā)現(xiàn)制動不緩解指示紅燈亮，列車無法動車，按壓制動強迫緩解按鈕時制動緩解，但松開后再次出現(xiàn)制動不緩解。司機切除故障車B05塞門，列車動車后，列車限速5 km/h運行，后續(xù)車輛又自行恢復正常速度。

2.2.1 故障記錄分析

根據(jù)EP2002閥故障記錄，M3車持續(xù)閃報故障代碼66的CAN網(wǎng)絡(luò)通信故障，并且迅速恢復正常，但此類閃報故障在駕駛員顯示器并無提醒；列車制動不緩解故障發(fā)生前后，該車網(wǎng)關(guān)閥持續(xù)閃報CANBus網(wǎng)關(guān)故障。故障數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 M3車CANBus網(wǎng)絡(luò)通信故障數(shù)據(jù)

初步分析，M3車的EP2002閥發(fā)生故障，制動不緩解信息誤發(fā)至網(wǎng)絡(luò)，進而通過硬線反饋使得制動不緩解指示燈亮，但車輛實際上并未發(fā)生制動不緩解故障，司機切除B05后制動不緩解指示燈恢復正常，但制動不緩解指令仍發(fā)給網(wǎng)絡(luò)，進而導致列車進行牽引安全防護、限速運行。

2.2.2 故障閥返廠檢測分析

將故障閥返廠檢測發(fā)現(xiàn)，智能閥RBX(本地制動控制卡)中芯片IC55的P8.2引腳輸出的PSU(供電單元卡)Test1信號異常。經(jīng)分析，RBX板卡故障由芯片IC49失效導致，此芯片用于控制PSU低壓保護電路。RBX板卡如圖6所示。

圖6 RBX板卡Fig.6 RBX board

智能閥RBX板卡中的IC49芯片引腳 #14與引腳 #3短路，導致SK1_A 16輸出持續(xù)被拉高，PSU板卡低壓保護電路被觸發(fā)保護功能，影響PSU板卡CANBus通信網(wǎng)絡(luò)供電回路的穩(wěn)定性，造成智能閥與網(wǎng)關(guān)閥之間的通信不穩(wěn)定。網(wǎng)關(guān)閥通過CAN網(wǎng)向其他閥發(fā)送制動需求指令，也基于CAN網(wǎng)獲取同一個單元內(nèi)其他閥的制動施加/緩解狀態(tài)信息。當CAN網(wǎng)通信不穩(wěn)定時，網(wǎng)關(guān)閥無法及時準確地接收智能閥反饋的制動施加/緩解信號，從而導致網(wǎng)關(guān)閥對制動不緩解的判斷異常。

3 列車制動不緩解故障解決措施

3.1 限速軟件修改

本次列車制動不緩解故障是由于智能閥內(nèi)RBX板卡故障使得制動不緩解信息誤發(fā)至網(wǎng)絡(luò)，從而導致列車限速，但車輛實際上并未發(fā)生制動不緩解故障。列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的判斷信號應(yīng)該采用更真實、可靠的硬線信號，以減少網(wǎng)絡(luò)故障導致的信號誤發(fā)及干擾。

3.1.1 現(xiàn)車限速判斷條件

列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)同時采集制動系統(tǒng)中各個網(wǎng)關(guān)閥和智能閥提供的制動不緩解信號，每列列車共采集到12個信號，只要有1個或1個以上閥發(fā)出制動不緩解信號，則該系統(tǒng)則生成列車級制動不緩解信號。當列車運行速度超過5 km/h且列車級制動不緩解信號存在，則網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)禁止牽引。制動不緩解信號如圖7所示。

圖7 制動不緩解信號Fig.7 Braking non-release signal

3.1.2 修改限速判斷條件

將空氣制動施加信號作為制動不緩解故障的判斷限速條件，且該制動施加信號由單獨的繼電器控制，隔離度較高、性能穩(wěn)定，且很少存在誤判斷的情況。

由智能閥和網(wǎng)關(guān)閥發(fā)出的制動施加狀態(tài)信號可知，空氣制動施加繼電器采集所有閥的空氣制動施加信號，當所有列車制動均緩解后，該繼電器失電，此時列車制動施加信號變?yōu)榈碗娖?，其中一路信號發(fā)送到操縱臺上的空氣制動施加指示燈，一路信號發(fā)送到BBO(黑匣子)進行記錄。

車輛在牽引狀態(tài)下施加制動后，“所有制動緩解”的列車線變成低電平。此時如果車輛運行速度超過5 km/h，則列車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)禁止牽引。

3.2 應(yīng)急故障處理優(yōu)化

針對列車制動不緩解故障，在原應(yīng)急操作指引基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，增加斷開該節(jié)車電器柜內(nèi)的制動單元斷路器的操作，以防止EP2002閥誤發(fā)制動不緩解信號。具體操作步驟如下：

1) 按壓操縱臺上的強迫緩解按鈕，進行強迫緩解。

2) 切除該節(jié)車上的兩個制動切除閥B05，斷開該節(jié)車電器柜內(nèi)的制動單元斷路器QFBCU。

3) 當制動仍不緩解且無法判斷具體轉(zhuǎn)向架位置，或切除B05車并斷開相應(yīng)制動單元斷路器后故障不消除，或牽引存在封鎖、實施5 km/h限速時，將制動不緩解旁路開關(guān)SKNRB置強制位。

4) 將應(yīng)急運行模式開關(guān)SKEMP打到應(yīng)急位進行牽引，若能夠牽引，建議在列車到達的當前站或下一站清客；若牽引失敗，則申請救援。

4 結(jié)語

針對青島地鐵3號線列車制動不緩解故障，從制動控制原理出發(fā)，對故障的檢測邏輯、故障原因分析等進行了詳細闡述。將更為可靠的空氣制動施加信號重做邏輯作為制動不緩解故障的判斷限速條件，以減少網(wǎng)絡(luò)故障導致的信號干擾。對制動不緩解故障的應(yīng)急操作指引進行優(yōu)化，以便更快處理故障，減少其對列車運營的影響。