城市軌道車輛架控制動(dòng)裝置故障及可靠性研究

孟繁輝，尚小菲，高靖添，馬永靖，曲志及，楊 東

（中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春 130062）

自2005 年架控制動(dòng)裝置在國(guó)內(nèi)地鐵應(yīng)用以來，由于集成度高、冗余度高，尤其更適合短編組地鐵列車的特點(diǎn)，其在國(guó)內(nèi)地鐵車輛的應(yīng)用逐年增多。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，截止2020 年裝車數(shù)量累計(jì)超過3 萬輛。制動(dòng)控制裝置是制動(dòng)系統(tǒng)的核心部件，其故障情況直接影響地鐵車輛運(yùn)營(yíng)的可靠性和安全性，為此對(duì)架控制動(dòng)裝置的故障分析和可靠性研究具有較重要意義。

1 結(jié)構(gòu)原理和故障影響

1.1 結(jié)構(gòu)原理

國(guó)內(nèi)地鐵項(xiàng)目應(yīng)用的架控制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)及原理存在差異，從結(jié)構(gòu)上有集成式和箱體式2 種，集成式是將電子控制單元和氣動(dòng)控制部分緊湊集成在密閉閥體內(nèi)；而箱體式是將電子控制單元和氣動(dòng)控制部分安裝在箱體內(nèi)，電子制動(dòng)單元采用獨(dú)立機(jī)箱。

從氣動(dòng)原理上可根據(jù)常用制動(dòng)壓力控制與防滑氣路控制是否集成區(qū)分為兩大類，下面以集成式架控制動(dòng)裝置開展相關(guān)介紹，氣路控制原理如圖1 所示［1］。

圖1 架控制動(dòng)裝置氣路控制原理

氣動(dòng)控制單元部分主要由緊急制動(dòng)調(diào)壓部分、遠(yuǎn)程緩解控制部分、常用制動(dòng)調(diào)壓和防滑部分等組成［2］。

根據(jù)上述結(jié)構(gòu)及原理，可以看出架控制動(dòng)裝置主要由以下零部件組成：

（1）電子板卡：包括供電板卡、輸入輸出板卡、主控板卡、通信板卡等。

（2）氣動(dòng)部件：壓力傳感器、電磁閥、活塞閥、中繼閥、減壓閥等。

（3）輔助部件：電氣連接器、氣路板、密封件等。

1.2 故障影響

故障根據(jù)對(duì)列車運(yùn)營(yíng)的影響一般分為3 個(gè)等級(jí)，1 級(jí)故障為車輛無法繼續(xù)運(yùn)行，需立即停車處理；2 級(jí)故障為車輛功能受限，可以帶限制繼續(xù)運(yùn)行；3 級(jí)故障為車輛可以繼續(xù)運(yùn)行，但應(yīng)回庫(kù)后進(jìn)行維護(hù)。與架控制動(dòng)裝置本身相關(guān)的主要故障及其影響見表1。

表1 故障分類及影響

2 故障統(tǒng)計(jì)及分析

2.1 故障定義

為評(píng)估系統(tǒng)的可靠性，地鐵列車根據(jù)故障對(duì)運(yùn)營(yíng)的影響情況對(duì)故障的定義見表2。

表2 故障定義

2.2 故障調(diào)查

為調(diào)查架控制動(dòng)裝置的實(shí)際故障情況，從北京、深圳、重慶、西安、南昌、蘭州等6 個(gè)城市中選取已經(jīng)交付運(yùn)營(yíng)的12 個(gè)地鐵車輛項(xiàng)目，收集從2019年到2021 年近3 年車輛運(yùn)營(yíng)后的故障數(shù)據(jù)，共統(tǒng)計(jì)出113 起制動(dòng)控制裝置相關(guān)故障。

重點(diǎn)故障主要集中于系統(tǒng)自檢不通過故障31起、制動(dòng)缸壓力低16 起、壓力傳感器故障16 起、制動(dòng)不緩解16 起、氣動(dòng)閥漏氣8 起、通信故障4 起，以上故障共計(jì)91 起，占比總故障數(shù)量約80.5%；偶發(fā)的單點(diǎn)故障總共22 起，占比總故障數(shù)量約19.5%。

所有113 起故障中導(dǎo)致列車發(fā)生服務(wù)故障的數(shù)量為18 起，其余95 起為碎修/列檢故障。所有涉及的故障部件以及服務(wù)故障分布情況見表3。

表3 故障統(tǒng)計(jì)

2.3 可靠性評(píng)估

2.3.1 可靠性計(jì)算輸入條件

（1）列車列份：所選取的12 個(gè)地鐵項(xiàng)目共計(jì)351 列車。

（2）運(yùn)行時(shí)間：平均每天運(yùn)營(yíng)時(shí)間16 h，平均運(yùn)營(yíng)時(shí)間365 d/年。

（3）計(jì)算時(shí)間：2.5 年。

（4）服務(wù)故障：18 起。

（5）碎修和列檢故障：95 起。

2.3.2 可靠性計(jì)算

根據(jù)上述輸入條件計(jì)算，架控制動(dòng)控制裝置的平均無故障時(shí)間（MTBF）：

平均服務(wù)故障率（每列車）=總服務(wù)故障數(shù)量/（列車列份×運(yùn)行時(shí)間）=18/（351×16×365×2.5）=3.51×10-6。

平均無故障時(shí)間MTBF（服務(wù)故障）=1/（服務(wù)故障率）≈28.5 萬h。

采用相同計(jì)算方式，碎修和列檢故障的平均無故障時(shí)間MTBF≈5.4 萬h。

2.3.3 可靠性評(píng)估結(jié)果

由圖6可知，附加一個(gè)閉環(huán)零點(diǎn)，超調(diào)量增大，上升時(shí)間和峰值時(shí)間下降。并且閉環(huán)零點(diǎn)越遠(yuǎn)離虛軸，系統(tǒng)超調(diào)量越小。

根據(jù)上述評(píng)估結(jié)果，架控制動(dòng)控制裝置的碎修、列檢故障可滿足指標(biāo)要求，服務(wù)故障超出指標(biāo)要求，但如果綜合晚點(diǎn)故障指標(biāo)，可滿足指標(biāo)要求。可靠性評(píng)估結(jié)果見表4。

表4 可靠性評(píng)估

3 典型故障分析

3.1 控制電磁閥故障

架控制動(dòng)裝置控制電磁閥故障主要集中在常用制動(dòng)進(jìn)氣電磁閥、排氣電磁閥及相關(guān)電氣連接器，其故障可直接影響常用制動(dòng)的控制，會(huì)導(dǎo)致架控制動(dòng)裝置出現(xiàn)制動(dòng)缸壓力低、制動(dòng)不緩解、系統(tǒng)自檢不通過、閥泄漏等問題，下面介紹幾種主要故障表現(xiàn)形式。

（1）排氣電磁閥卡滯

排氣電磁閥為兩位三通常開電磁閥［3］。失電時(shí)1 口（進(jìn)氣口）與2 口（用氣設(shè)備接口）導(dǎo)通，3 口（排氣接口）截止；得電時(shí)2 口與3 口導(dǎo)通，1 口截止。通過電樞閥芯得失電吸合的動(dòng)作切換，控制底部閥座的通斷，最終實(shí)現(xiàn)電磁閥1 口、2 口及3 口的切換。電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 排氣電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)

將故障電磁閥在試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試發(fā)現(xiàn)，排氣電磁閥在長(zhǎng)期通電的高溫情況下偶發(fā)電樞閥芯與活塞套管卡滯情況，導(dǎo)致失電時(shí)電樞閥芯不動(dòng)作，從而導(dǎo)致制動(dòng)缸壓力低故障的發(fā)生。

制動(dòng)缸壓力低故障原理如圖3 所示。

圖3 制動(dòng)缸壓力低故障原理

當(dāng)制動(dòng)處于完全緩解狀態(tài)時(shí)，所有排氣和充風(fēng)電磁閥均處于得電狀態(tài)。而施加制動(dòng)時(shí)，兩組電磁閥通常為一組處于非工作狀態(tài)（處于保壓狀態(tài)），排氣電磁閥失電，充風(fēng)電磁閥得電；另一組處于制動(dòng)狀態(tài)，排氣和充風(fēng)電磁閥均失電。

（2）進(jìn)氣電磁閥泄漏

進(jìn)氣閥為兩位三通常閉電磁閥；得電時(shí)1 口與2 口導(dǎo)通，3 口截止；失電時(shí)2 口 與3 口導(dǎo)通，1 口 截止。電磁閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 進(jìn)氣電磁閥內(nèi)部原理

將故障電磁閥拆解，發(fā)現(xiàn)電磁閥內(nèi)部活塞、閥芯、閥座等部件磨損嚴(yán)重，表面附著顆粒物。與未磨損電磁閥對(duì)比，內(nèi)部磨損的電磁閥部件在切換運(yùn)動(dòng)時(shí)存在卡滯感；較大的靜摩擦力阻礙電磁閥壓力的正常切換，導(dǎo)致進(jìn)氣電磁閥內(nèi)部漏氣，也就是2 口的壓力有一部分直接通過3 口排向大氣，產(chǎn)生泄漏。

制動(dòng)不緩解故障氣路原理如圖5 所示。正常制動(dòng)緩解狀態(tài)下，所有進(jìn)氣和排氣電磁閥均處于得電的狀態(tài)，此時(shí)進(jìn)氣活塞閥關(guān)閉，排氣活塞閥打開，架控制動(dòng)裝置整體處于緩解狀態(tài)。當(dāng)進(jìn)氣電磁閥出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象時(shí)，進(jìn)氣活塞閥在進(jìn)氣電磁閥漏氣時(shí)異常開啟，產(chǎn)生邊充邊排的制動(dòng)不緩解現(xiàn)象。

圖5 制動(dòng)不緩解故障氣路原理

經(jīng)調(diào)查，出現(xiàn)異常磨損的原因與具體項(xiàng)目列車的拖車電磁閥動(dòng)作次數(shù)過多有關(guān)，動(dòng)作次數(shù)約65 次/km，而電磁閥動(dòng)作次數(shù)過多的原因與ATO控車、電制動(dòng)能力以及電空復(fù)合制動(dòng)邏輯相關(guān)，該項(xiàng)目車輛在高速運(yùn)行階段存在頻繁補(bǔ)充空氣制動(dòng)的情況。

（3）電磁閥線圈開路

部分故障電磁閥的漆包線及內(nèi)部線圈存在不同程度的磕碰破損、斷裂等現(xiàn)象，部分電磁閥線圈與引腳焊點(diǎn)異常，具體情況如圖6 所示。

圖6 電磁閥線圈開路缺陷

仍假設(shè)軸2 排氣電磁閥線圈失效。參照?qǐng)D5，當(dāng)列車完全緩解時(shí)，所有電磁閥得電，由于軸2 排氣電磁閥線圈開路實(shí)際處于“失電”狀態(tài)，此時(shí)軸2進(jìn)排氣活塞閥頂部無預(yù)控壓力，使得軸2 進(jìn)氣活塞閥異常打開，而軸2 排氣活塞閥異常關(guān)閉，使得壓縮空氣進(jìn)入軸2 制動(dòng)缸，并通過連通閥給軸1 制動(dòng)缸同時(shí)充氣，同時(shí)通過軸1 的排氣閥排向大氣，將形成一個(gè)穩(wěn)定的壓力差，導(dǎo)致兩個(gè)軸同時(shí)存在一個(gè)穩(wěn)定的殘余壓力，從而導(dǎo)致制動(dòng)不緩解故障。

（4）電氣連接器插針接觸不良

部分制動(dòng)不緩解故障與電氣連接器插針接觸不良有關(guān)，對(duì)故障閥進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)電氣連接器母針夾緊力偏小導(dǎo)致電氣信號(hào)接觸不良。當(dāng)車輛制動(dòng)完全緩解時(shí)，實(shí)際制動(dòng)缸壓力已經(jīng)緩解到0，但由于電氣連接器插針接觸不良，導(dǎo)致架控制動(dòng)裝置輸出的“制動(dòng)緩解”的硬線信號(hào)無法正確傳輸?shù)杰囕v系統(tǒng)，最終車輛誤報(bào)制動(dòng)不緩解故障。

經(jīng)查母針夾緊力偏小的原因是母針開口過大，導(dǎo)致母針與公針安裝后的夾緊力偏低，同時(shí)壓合位置不佳，造成套管端部出現(xiàn)張口現(xiàn)象，無法提供穩(wěn)定的夾緊力。

3.2 壓力傳感器故障

架控制動(dòng)裝置內(nèi)部設(shè)有多種壓力傳感器，用于監(jiān)測(cè)閥內(nèi)部壓力，其包括：空氣簧壓力傳感器、制動(dòng)缸壓力傳感器、制動(dòng)風(fēng)缸壓力傳感器、緊急稱重壓力傳感器、停放制動(dòng)缸壓力傳感器、總風(fēng)壓力傳感器等。

空氣簧壓力傳感器故障影響：對(duì)應(yīng)設(shè)置2 個(gè)傳感器，架控制動(dòng)裝置將輸出“輕微故障”。

制動(dòng)缸壓力傳感器故障影響：可能架控制動(dòng)裝置誤報(bào)出制動(dòng)不緩解故障，導(dǎo)致列車牽引封鎖。

制動(dòng)風(fēng)缸壓力傳感器故障影響：可能誤報(bào)制動(dòng)風(fēng)缸壓力低，導(dǎo)致架控制動(dòng)裝置不可用。

停放壓力傳感器故障影響：可能誤報(bào)停放制動(dòng)狀態(tài)不正常。

總風(fēng)壓力傳感器故障影響：可能導(dǎo)致空壓機(jī)泵風(fēng)不止或不能啟動(dòng)。

緊急稱重壓力傳感器故障影響：可能導(dǎo)致架控制動(dòng)裝置不可用，輸出“閥中等故障”。

將故障壓力傳感器在25、-40、70 ℃環(huán)境下進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)故障傳感器存在3 種故障情況：傳感器超壓故障、傳感器開路故障和傳感器偏差故障。傳感器超壓故障會(huì)使得傳感器輸出的壓力始終超出最高壓力的名義電壓值上限；傳感器開路故障會(huì)使得傳感器輸出的電壓始終為0；傳感器偏差故障會(huì)使得傳感器輸出的電壓超出各種輸入壓力下的名義值的公差。

對(duì)部分故障傳感器進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)內(nèi)部軟排線焊點(diǎn)存在虛焊情況，這是由于焊接時(shí)間過短使得焊錫未充分熔化導(dǎo)致。此外部分壓力傳感器故障為內(nèi)部集成電路IC 功能失效。

4 結(jié)論

文中對(duì)架控制動(dòng)裝置的故障調(diào)查、影響和典型故障進(jìn)行了分析，12 個(gè)地鐵項(xiàng)目的架控制動(dòng)控制裝置服務(wù)故障稍微超出可靠性指標(biāo)要求，綜合晚點(diǎn)故障評(píng)估可滿足指標(biāo)要求；根據(jù)分析結(jié)果，架控制動(dòng)裝置故障主要集中在控制電磁閥、壓力傳感器、氣動(dòng)活塞閥和軟件等問題。為提高架控制動(dòng)裝置安全和可靠性，需從地鐵列車運(yùn)營(yíng)影響和失效模式方面開展深入分析，從設(shè)計(jì)、制造和質(zhì)量管控多方面研究制定提高架控制動(dòng)裝置質(zhì)量的措施。