地鐵列車制動控制單元優(yōu)化設(shè)計與試驗研究

葛永，張鵬飛，楊正專，楊俊

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司，南京 211800）

制動系統(tǒng)作為地鐵列車的關(guān)鍵系統(tǒng)之一，是列車安全運行的重要保障［1］。設(shè)計生產(chǎn)出可靠、穩(wěn)定、低故障率的國產(chǎn)制動系統(tǒng)產(chǎn)品，一直是企業(yè)的不懈追求。目前，地鐵列車主要有車控和架控2 種類型制動系統(tǒng)，其中車控制動系統(tǒng)在管路線纜布局、通信可靠的依賴性、車輛自由擴編設(shè)計、國產(chǎn)化成熟度等方面存在一定的優(yōu)勢［2-3］。車控制動系統(tǒng)主要由風(fēng)源裝置、制動控制裝置、電子制動控制單元、基礎(chǔ)制動裝置和防滑裝置等產(chǎn)品組成［4］。其中制動控制單元作為制動控制裝置的氣制動控制部件，直接接收來自車輛和電子制動控制單元的控制指令，可以實現(xiàn)制動系統(tǒng)的常用制動、停車制動、緊急制動等關(guān)鍵功能。

文中結(jié)合某地鐵線擴編列車制動系統(tǒng)大修的契機，借鑒公司產(chǎn)品營運經(jīng)驗，以提高制動控制單元常用制動功能和降低故障率為目標，以故障導(dǎo)向安全為原則，對制動控制單元產(chǎn)品進行優(yōu)化升級。通過原理優(yōu)化分析、試驗對比研究、產(chǎn)品性能試驗、整車性能試驗和載客運行研究，對制動控制單元升級產(chǎn)品的可靠性、穩(wěn)定性和故障率進行了充分驗證和考核，驗證了升級方案的可行性和實用性，為同類產(chǎn)品的研究提供了新的解決思路和參考。

1 原理介紹

1.1 制動控制單元介紹

制動控制單元的氣路原理如圖1 所示，制動控制單元根據(jù)來自電子制動控制單元或列車的電磁閥控制信號，可以實現(xiàn)緊急制動、常用制動、停車制動、緊急強迫緩解等功能。

圖1 制動控制單元氣路原理

1.2 空重車閥介紹

空重車閥是車控制動系統(tǒng)的主要部件，在列車緊急制動時，空重車閥通過純機械結(jié)構(gòu)調(diào)整，使制動控制單元在不同載重情況下施加緊急制動時，緊急減速度保持不變，同時，空重車閥的最小壓力保證，可以確保在空簧無壓力輸入工況下，仍能輸出一定的緊急制動壓力。在列車常用制動時，若故障導(dǎo)致電子制動控制單元無法正常調(diào)控壓力，空重車閥可以防止制動壓力過高導(dǎo)致車輪抱死或基礎(chǔ)制動設(shè)備損傷的故障發(fā)生［5］。

空重車閥的結(jié)構(gòu)和工作原理如圖2 所示，從工作流程圖中可以看出，空重車閥輸出壓力受多種因素影響，且子部件故障很容易導(dǎo)致輸出壓力異常。

圖2 空重車閥結(jié)構(gòu)與工作流程示意圖

1.3 常用制動功能原理介紹

圖1的制動控制單元在進行常用制動施加時的過程如圖3 所示，從圖3 中可以看出，空重車閥的故障將影響常用制動的控制。

圖3 常用制動施加流程圖

2 優(yōu)化設(shè)計

2.1 優(yōu)化分析

圖1 制動控制單元中的空重車閥設(shè)置在緊急電磁閥后端和中繼閥預(yù)控前端，結(jié)合圖2 和圖3 可知，當空重車閥發(fā)生故障時，將會影響常用制動控制精度。

相比進口空重車閥，國產(chǎn)空重車閥的穩(wěn)定性仍有待繼續(xù)提高［5-6］。相對產(chǎn)品的緊急制動功能，列車對常用制動功能的控制精度要求較高［7］。圖1中空重車閥同時設(shè)置在常用制動回路和緊急制動回路，對空重車閥的穩(wěn)定性要求較高。根據(jù)某車控制動系統(tǒng)運營經(jīng)驗，由于國產(chǎn)彈簧的穩(wěn)定性不高，空重車閥的止回閥開啟壓力較大，從而制動緩解時殘余70 kPa 壓力，列車報制動不緩解故障?？罩剀囬y彈簧穩(wěn)定性差，實際輸出壓力超出控制精度要求，降低制動控制精度，可能影響對門精度，同時引起充氣電磁閥和排氣電磁閥頻繁動作，增加制動控制單元故障率和維修成本。因此，在目前國產(chǎn)空重車閥穩(wěn)定性無法顯著提高的背景下，進行產(chǎn)品氣路原理優(yōu)化設(shè)計，可以消除空重車閥對常用制動控制的影響。

2.2 產(chǎn)品優(yōu)化

優(yōu)化后的制動控制單元氣路原理如圖4 所示，該氣路原理主要做了以下優(yōu)化改進：

圖4 優(yōu)化后制動控制單元氣路原理

（1）將空重車閥改至緊急電磁閥前端，此時空重車閥僅作用于緊急制動回路，消除其對常用制動回路控制精度的影響。

（2）充氣電磁閥前端設(shè)置減壓閥，常用制動失控時，減壓閥代替空重車閥，對產(chǎn)品進行限壓保護。

（3）充氣電磁閥前端和減壓閥后端，設(shè)置穩(wěn)壓容積腔和測試接頭。穩(wěn)壓容積腔用于存儲壓縮空氣，設(shè)置合理的容積尺寸，可以消除減壓閥動作延遲時對后端控制響應(yīng)時間的影響。測試接頭用于定期對減壓閥進行維護。

（4）穩(wěn)壓容積腔和壓力傳感器改至充氣電磁閥后端和緊急電磁閥前端，可以提高常用制動控制的響應(yīng)時間和效率。其中穩(wěn)壓容積腔便于調(diào)整充氣或排氣的速率，可提高常用制動時壓力控制精度和降低電磁閥動作次數(shù)。壓力傳感器用于對電磁閥調(diào)控壓力的閉環(huán)控制。

3 試驗研究

采用試驗對比研究、產(chǎn)品性能試驗、整車性能試驗和載客運行的方式，對優(yōu)化后制動控制單元的性能進行充分驗證和考核，以確定優(yōu)化后產(chǎn)品的性能指標、可行性、可靠性和實用性。

3.1 試驗原理

試驗原理如圖5 所示，搭建的試驗臺需具備制動供風(fēng)、壓力采集、電磁閥控制、負載模擬、車重模擬、程序控制等功能。

圖5 試驗原理簡圖

3.2 試驗臺

研究制動控制單元選用了公司的城軌制動系統(tǒng)地面型式試驗臺，該試驗臺可對城軌制動系統(tǒng)進行地面型式試驗和產(chǎn)品研究試驗，模擬制動系統(tǒng)裝車運行工況，檢測全過程試驗數(shù)據(jù)，可實現(xiàn)城軌制動系統(tǒng)技術(shù)研究、產(chǎn)品研發(fā)、功能測試、軟件測試、故障注入及線路故障重現(xiàn)等功能。試驗臺具備制動系統(tǒng)功能測試、性能測試、制動系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)匹配試驗、制動系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)匹配試驗、模擬實際線路條件的制動系統(tǒng)長期運行試驗等功能。

3.3 試驗項點

開展試驗研究的主要試驗項點如下：

（1）空重車閥對常用制動控制的影響。

（2）減壓閥設(shè)定值對常用制動控制的影響。

（3）不同制動級位，減壓閥設(shè)定值對產(chǎn)品的制動性能影響。

（4）閉環(huán)控制傳感器和穩(wěn)壓容積腔位置對常用制動控制的影響。

（5）產(chǎn)品性能研究。（6）產(chǎn)品裝車后整車性能研究。（7）載客運營考核。

3.4 試驗結(jié)果

根據(jù)圖5 所示的試驗原理，在城軌制動系統(tǒng)地面型式試驗臺搭建試驗環(huán)境，設(shè)計的試驗產(chǎn)品如圖6 所示。

圖6 待試驗產(chǎn)品示例

3.4.1 空重車閥影響研究

采用圖1 氣路原理產(chǎn)品為試驗對象，對比有空重車閥和無空重車閥對常用制動控制的影響，試驗結(jié)果見表1。

表1 常用制動控制試驗結(jié)果（空重車閥影響）

試驗結(jié)論：空重車閥設(shè)置在常用制動回路對常用制動控制影響較大。

3.4.2 減壓閥設(shè)定值影響研究

利用試驗工裝，在圖1 中充氣電磁閥前端設(shè)置減壓閥，并將空重車閥從氣路中隔離，測試減壓閥設(shè)定值對氣壓控制和響應(yīng)時間影響，試驗結(jié)果見表2。

表2 常用制動控制試驗結(jié)果（減壓閥設(shè)定值影響）

試驗結(jié)論：

（1）減壓閥限制了供氣速率，其設(shè)定值與產(chǎn)品的響應(yīng)時間成反比。

（2）減壓閥設(shè)定值越低，設(shè)定值越接近目標壓力，常用制動控制穩(wěn)定性越差。

（3）減壓閥后端需增加容積腔，已減小減壓閥動態(tài)響應(yīng)延遲對供氣的影響

3.4.3 不同制動級位，減壓閥設(shè)定值影響研究

產(chǎn)品在不同減壓閥設(shè)定值和不同制動級位下的響應(yīng)時間，試驗結(jié)果見表3。

表3 不同級位常用制動控制試驗結(jié)果（減壓閥設(shè)定值影響）

試驗結(jié)論：

（1）目標壓力越大，產(chǎn)品響應(yīng)時間越長。

（2）減壓閥設(shè)定值小于600 kPa時，無法滿足車輛對常用制動響應(yīng)時間（<2 s）的要求。

（3）減壓閥設(shè)定值越小，對后端產(chǎn)品的限壓保護越有利，設(shè)定值650 kPa、700 kPa 對響應(yīng)時間的影響差異較小，優(yōu)選650 kPa 為減壓閥設(shè)定值。

3.4.4 閉環(huán)控制傳感器和容積腔位置影響研究

利用試驗工裝，將閉環(huán)控制傳感器和容積腔位置分別設(shè)置在緊急電磁閥前端和緊急保護閥后端，試驗結(jié)果見表4。

表4 常用制動控制試驗結(jié)果（傳感器和容積腔位置影響）

3.4.5 產(chǎn)品性能試驗研究

根據(jù)前文的對比試驗結(jié)論和圖4，設(shè)計的制動控制單元如圖7 所示，選擇5 臺產(chǎn)品進行產(chǎn)品性能試驗，試驗結(jié)果見表5。

表5 產(chǎn)品性能試驗結(jié)果 單位：kPa

試驗結(jié)論：從表5 試驗結(jié)果可以看出，優(yōu)化后制動控制單元的制動功能均能滿足設(shè)計要求，且實測值與目標值之間的最大偏差不超過6 kPa。將空重車閥從常用制動回路移除，僅設(shè)置于緊急制動回路，顯著提高了產(chǎn)品對常用、保持和快速制動的控制精度，且并未影響產(chǎn)品對緊急制動的控制精度。

3.4.6 整車性能試驗研究

將表5 產(chǎn)品安裝于某地鐵線01A02 型電動列車第115列，開展整車性能試驗，試驗結(jié)果見表6～表9 和如圖8、圖9 所示。

表8 整車制動系統(tǒng)制動距離試驗結(jié)果（純空氣） 單位：m

表9 整車制動系統(tǒng)沖擊率試驗結(jié)果（純空氣） 單位：m/s3

圖8 AW0 工況各站點對門精度

圖9 AW3 工況各站點對門精度

試驗結(jié)論：從表6～表9 和圖8、圖9 可以看出，優(yōu)化后產(chǎn)品裝車后，整車的常用制動、緊急制動和快速制動的靜態(tài)性能、減速度、制動距離和沖擊率等指標均能夠滿足相關(guān)行業(yè)標準要求［8］，優(yōu)化后制動控制單元性能滿足裝車運營要求。

3.4.7 裝車考核驗證

自上線載客運行至今，未報出任何有關(guān)制動控制單元的產(chǎn)品故障，充分驗證了優(yōu)化后制動控制單元的可靠性和實用性。

4 結(jié)論

綜上所述，文中結(jié)合國產(chǎn)化閥的現(xiàn)狀，對產(chǎn)品氣路原理進行優(yōu)化分析，有效消除閥不穩(wěn)定性對產(chǎn)品常用制動控制的影響。并通過試驗對比研究、產(chǎn)品性能試驗、整車性能試驗和載客運營考核相結(jié)合的方式，對優(yōu)化后制動控制單元進行充分研究，為后續(xù)同類產(chǎn)品研究提供新的解決思路和參考。文中的研究成果已成功應(yīng)用于其他車控項目。