关于城轨车辆制动系统控制分析研究

关于城轨车辆制动系统控制分析研究

李斯亮  刘龙方

广州中车轨道交通装备有限公司  广东广州  510000

摘要：随着城市化进程加快，城市的规模也越来越大，城市交通也越来越紧张。城市轨道交通不仅具有方便快捷、绿色环保的特点，还可以便捷人民出行，缓解城市交通，助力城市的发展。城市轨道交通的特点决定了城轨车辆在运营过程中需要频繁启动、制动停车，因此对城轨车辆的制动控制系统的要求非常高，城轨车辆制动控制系统的正常运行关系着城市轨道交通的稳定运行和安全。本文针对城轨车辆制动控制系统常见故障进行分析，提出一些常见的故障分析和处理措施，保障城轨车辆的稳定运行。

关键词：城轨车辆  制动控制系统

引言

城轨车辆运行速度快，间隔时间短，因此，制动控制系统在城轨车辆运行中起着至关重要的作用，对城轨车辆制动控制系统的要求也非常高。城轨车辆需要在短时间内实现启动、调速和停车，制动控制系统一旦出现故障就会发生严重事故，造成巨大的经济损失和人员伤亡，所以城轨车辆制动控制系统的故障及时分析处理是城轨车辆稳定安全运行的保障。

一、城轨车辆制动系统

1.概述

城轨车辆配备有两套制动，一套为电制动系统（ED制动）和一套电空制动系统（EP制动）。

电制动由车辆动车牵引系统提供，由车辆控制单元和牵引变流器控制单元无级控制，属于再生制动，电制动能量反馈给电网。

电空制动系统为模拟式制动系统，由制动控制单元（BCU）控制空气制动，制动力由基础制动单元施加。

2.制动模式

制动模式分为可恢复制动（如常用制动、快速制动）不可恢复制动（如紧急制动），两种模式之间存在区别，可恢复制动任何时候操作人员均可缓解可恢复制动，而不可恢复制动则施加制动力直到列车停车，一旦施加不可恢复制动，直至列车停止制动才能缓解。

（1）常用制动

常用制动在列车正常运行状态使用。ATO模式下由信号系统进行触发和控制。常用制动时，电制动优先，空气制动根据减速要求提供剩余的减速力。常用制动时，制动力具有载荷补偿和防滑保护功能，并受冲动限制，常用制动是可恢复的制动。

（2）快速制动

将司控器手柄移至快速制动位时，列车施加快速制动，将司控器手柄移回“零”位时，快速制动将缓解。快速制动具有与紧急制动相同的瞬时减速度，不断开安全回路，快速制动设计为紧急情况下一种制动方式。快速制动具有防滑保护，并受冲动限制。快速制动由电制动和空气制动产生。

（3）紧急制动

紧急制动仅由空气制动完成，紧急制动命令不可恢复，并予以零速互锁，一旦施加紧急制动，需列车停车才能缓解。此外，当通过司机台上紧急制动按钮施加紧急制动时，列车受电弓降弓，断路器断开。紧急制动具有防滑保护。

（4）停放制动

停放制动由弹簧力施加，采用充气缓解，为被动制动。通过按压司机台上的停放制动施加按钮和停放制动缓解按钮来施加或缓解停放制动。同时每个停放制动单元设有手动缓解拉绳，可以在车侧缓解停放制动。

当列车总风压力下降后停放制动将自动施加，当总风压力恢复时停放制动能自动缓解并恢复停放制动的正常工作。停放制动由车辆控制电路控制并由控制系统监控。正常停放制动未缓解时，禁止列车牵引。

（5）停车制动

当列车速度降到一定值时，由于电制动特性，电制动会开始逐渐退出，空气制动逐渐增大直至完全替代。列车在低速范围内，停车制动被激活，TCMS发出“停车制动请求指令”，制动控制单元（BCU）接收 TCMS 发送的停车制动指令，空气制动按比例增加，电制动经短暂延时按照同样的比例减小，直到完全施加空气制动，停车混合制动过程结束。电制动和空气制动的转换由软件自动控制。

（6）保持制动

列车停车的时候，保持制动力施加停住列车防止车辆后溜，保持制动力为70%最大常用的空气制动。在正常情况下，当保持制动施加时，如果制动指令高于常用制动力的70%，制动控制单元（BCU）按照制动指令施加空气制动；如果制动指令低于常用制动力的70%，制动控制单元（BCU）施加保持制动，按照 70%最大常用制动力施加空气制动。

当列车牵引起动时，为防止车辆后溜，保持制动不会立刻缓解。只有当建立一定的牵引力后，保持制动才开始缓解。

图1 停车/保持制动原理

二、制动系统功能和原理

制动系统采用微机控制的直通式电空制动系统，并基于网络及硬线冗余控制方式。每列车设两套空气压缩机单元，采用螺杆式空气压缩机及双塔干燥器。每辆车都配有两套电空制动控制装置，基础制动采用夹钳制动方式，每轴装有两套制动夹钳单元，其中一半采用带停放的制动夹钳单元。

制动系统能在司控器手柄、ATO 或 ATP 的控制下对列车进行阶段或一次性的制动与缓解，具有常用制动、快速制动、紧急制动、电空混合制动、空气防滑控制、停放制动控制等功能。具有反应迅速、操纵灵活，是一个充分考虑安全的轨道交通车辆制动系统。

制动控制单元根据制动指令产生要求的预控压力，通过中继阀产生制动缸压力，制动控制单元根据空气簧的压力信号实现不同载重的压力控制，并具有冲动控制功能。制动控制单元原理如下图2所示。

图2 制动控制单元内部原理图

制动控制单元对制动缸压力的控制,将借助于先导电磁阀对活塞阀INLET/HOLD和VENT的开启/关闭组合动作最终实现，制动风缸（BSR）压力作为先导压力，通过电磁阀通断控制INLET/HOLD以及VENT活塞阀的动作。

三、制动控制分析

1.故障概况

2021年12月9日 10:56分，广州市域车辆在横沥上行司机室显示屏（HMI）显示5车二架空气制动图标黑色（气制动处于施加状态），但实际5车二架未施加空气制动。列车运行至终点站后结束运营回厂。

2.原理分析

空气制动图标黑色表示施加，灰色表示缓解。各车空气制动施加和缓解状态直接取自制动控制单元（BCU）输出的硬线状态。本次故障，网络采集的点如下图3所示，当网络采集到低电平，表示该架气制动施加。

图3 制动状态反馈电气原理图

结合司机室显示屏（HMI）显示原理及电气原理图可判断造成此次故障的可能原因如下：

（1）制动压力开关异常；

（2）信号传输回路异常；

（3）网络模块采集异常。

由于逻辑控制单元（LCU）也在进行采集，可通过对比网络和逻辑控制单元（LCU）系统采集到的数据进一步判断故障原因。

3.故障调查

（1）车辆网络数据分析

下载网络数据分析，发现故障时刻网络采集到的5车空气制动2一直为施加状态，司机室显示屏（HMI）界面图标显示和网络采集硬线信号状态一致，可确定此次故障为5车空气制动缓解2信号持续为0导致，如图4所示。

图4 18021022车网络数据

（2）车辆逻辑控制单元（LCU）数据分析

下载车辆逻辑控制单元（LCU）数据分析，发现逻辑控制单元（LCU）采集的5车空气制动缓解2信号在10点12分后就持续为0，与网络采集到的数据一致，说明5车空气制动施加2信号是正常接收到的一致，因此可排除网络模块故障导致。

图5  逻辑控制单元（LCU）数据分析

（3）信号传输线路排查

按照图3制动状态反馈电气原理图对信号传输线路进行排查，端子排线缆连接正常，连接器未出现缩芯等异常情况，可排除信号传输回路异常导致此次故障。

（4）制动控制单元（BCU）数据分析

下载车辆制动控制单元（BCU）数据分析，发现故障时间段内5车2架网关阀RBX报出BA Relay：Contact Failed to change和BA Relay：NO Failed to change state,如图6所示：

图6 制动控制单元（BCU）数据

结合网络、逻辑控制单元（LCU）和制动控制单元（BCU）数据分析情况可以看出，通过压力开关的输出触点的制动施加缓解指示出现了异常，导致制动缓解指示输出异常。但是由于制动控制单元（BCU）实际的制动缓解功能正常，因此没有报制动不缓解故障。

（5）所有制动缓解分析

广州市域车辆所有制动缓解信号由逻辑控制单元（LCU）输出，网络进行采集，如下图7所示。

图7 所有气制动缓解电气原理图

查阅逻辑控制单元（LCU）所有气制动缓解输出的控制逻辑：当空气制动已施加=0且空气制动已缓解=0时，等效于空气制动已缓解=1。

结合广州市域车辆车故障情况，分析在5车空气制动缓解2持续为0情况下，逻辑控制单元（LCU）仍正常输出所有气制动缓解信号的原因为：当5车空气制动缓解2为0，且5车空气制动施加2为0时，逻辑控制单元（LCU）认为5车空气制动2已缓解为1，因此车辆所有气制动缓解信号仍为1。

四、总结分析

通过以上对广州市域车辆牵引、逻辑控制单元（LCU）和制动控制单元（BCU）数据分析可以看出，广州市域车辆此次司机室显示屏（HMI）显示制动缓解指示异常故障是由于制动控制单元（BCU）内部压力开关故障导致。通过更换压力开关，故障消除。车辆功能恢复正常。

五、结束语

本文通过对广州市域车辆制动控制分析，介绍了城轨车辆制动控制逻辑。城轨车辆的正常运行对于城市轨道交通十分关键，因此对城轨车辆制动控制系统的常见故障进行分析具有重要的意义。

参考文献

[1] 绕忠.《列车制动》.中国铁道出版社.2010

[2] 杨鲁会，卢桂云.《城市轨道交通车辆制动系统》.中国铁道出版社.2012