城軌車輛車控制動系統(tǒng)與架控制動系統(tǒng)對比分析

王壽峰， 徐廣增

(中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

制動系統(tǒng)作為列車最重要的系統(tǒng)之一，主要功能：保證列車減速、停車，并能夠穩(wěn)定地停止在坡道上。地鐵列車的運行特點是站距短、起制動頻繁、制動減速度大[1]，而且載荷波動較大，對起動和制動時有很高的舒適度要求，停車精度要求高。國內(nèi)城軌列車制動系統(tǒng)基本采用的是微機控制、直通式電空制動系統(tǒng)，根據(jù)控制方式不同，分為車控方式和架控方式。兩者在控制原理、可靠性等方面均有差別，最主要的差別是：車控系統(tǒng)每車設(shè)置一套制動控制裝置對單車進行制動控制；架控系統(tǒng)每車設(shè)置兩套制動控制裝置分別對各轉(zhuǎn)向架進行制動控制。

1 車控制動系統(tǒng)

車控制動系統(tǒng)采用分布式控制方式，每輛車配備1個制動控制裝置(BCU)，可以獨立進行制動力的計算和分配并對所在車制動進行控制。每個制動控制裝置直接連掛到列車總線和列車網(wǎng)絡上，各車的BCU直接接收列車的制動指令。如圖1所示。各車制動系統(tǒng)之間的依賴性較小，系統(tǒng)通信故障時對列車制動力的影響相對較小。

圖1 車控制動系統(tǒng)方案

車控制動系統(tǒng)主要由微機控制單元(EBCU)、常用電磁閥、緊急電磁閥、空重車閥和中繼閥等組成，氣動閥集成在一塊鋁基氣路板上。EBCU可以與氣動閥件集成一體安裝在車下，也可單獨放置在車上電器柜內(nèi)。

1.1 車控制動系統(tǒng)方案1

車控制動系統(tǒng)的一種典型原理如圖2所示。

圖2 車控制動系統(tǒng)典型原理圖1

圖2中，常用制動時，EBCU根制動指令、車重信息和電制動力反饋值等計算出需要補償?shù)目諝庵苿恿?，控制常用電磁閥動作，生成預壓力直接通過緊急電磁閥和空重車閥，輸入到中繼閥，控制中繼閥輸出規(guī)定壓力值和流量的壓縮空氣到制動缸中，產(chǎn)生常用制動力。

緊急制動時，制動風缸中的壓縮空氣經(jīng)緊急電磁閥直接輸入到空重車閥生成預壓力，經(jīng)中繼閥控制制動缸產(chǎn)生緊急制動力。

1.2 車控制動系統(tǒng)方案2

車控制動系統(tǒng)的另一種典型原理如圖3所示。

圖3 車控制動系統(tǒng)典型原理圖2

圖3中，常用制動氣路與緊急制動氣路完全分離。常用制動時，EBCU根制動指令、車重信息和電制動力反饋值等計算出需要補償?shù)目諝庵苿恿?，控制常用電磁閥動作，生成預壓力直接輸入到中繼閥，控制中繼閥輸出規(guī)定壓力值和流量的壓縮空氣輸入到制動缸中，產(chǎn)生常用制動力。此時緊急電磁閥得電，截斷到緊急制動氣路。

緊急制動時，若EBCU能夠正常工作，則通過常用制動電磁閥會生產(chǎn)緊急制動預壓力1，緊急制動氣路通過空重車閥的調(diào)整也輸出緊急制動預壓力2通過緊急制動電磁閥輸入到中繼閥，中繼閥根據(jù)緊急制動預壓力1和2兩者中的較大者生成緊急制動缸壓力；若EBCU不能工作，中繼閥根據(jù)緊急制動預壓力2生成緊急制動缸壓力。

圖3方案相較于圖2方案，在EBCU能夠正常工作的前提下，將常用制動氣路作為了緊急制動氣路的備份，保證了緊急制動壓力值。

1.3 車控系統(tǒng)的防滑控制

防滑控制一般采用軸控。當EBCU中防滑控制模塊根據(jù)監(jiān)測到某軸速度差或減速度超過范圍時，控制防滑閥動作進行排風、保壓、充風控制的，實現(xiàn)滑行軸的恢復。

目前，國內(nèi)城軌車輛使用較多的車控系統(tǒng)主要有：北京縱橫機電的EP08制動系統(tǒng)、克諾爾的KBGM-P制動系統(tǒng)、納博泰斯克的HRA制動系統(tǒng)等。其中，KBGM-P制動系統(tǒng)氣路原理同圖2，并在車內(nèi)電器柜單獨設(shè)置EBCU—ESRA制動控制單元；EP08制動系統(tǒng)和HRA制動系統(tǒng)的氣路原理同圖3，EBCU與氣動閥集成一體。

2 架控制動系統(tǒng)

采用架控方式時，每輛車配備兩個制動控制裝置，以轉(zhuǎn)向架為單位進行制動力的計算和分配。其中制動網(wǎng)關(guān)閥(G閥)除具有制動控制功能外，還具有網(wǎng)關(guān)功能，負責接收制動指令以及向車輛控制系統(tǒng)反饋制動系統(tǒng)的狀態(tài)，制動智能閥(S閥)僅具有制動控制功能，無網(wǎng)關(guān)功能，通過內(nèi)部CAN總線從G閥處獲取制動指令。

全列車制動控制裝置(G閥/S閥)會組成多個CAN網(wǎng)單元(一般2個)。在每一個CAN網(wǎng)單元中，配置主輔2個G閥，其他為S閥，如圖4所示。

圖4 架控制動系統(tǒng)方案

由于單個CAN網(wǎng)單元中G閥進行冗余配置，對G閥可靠性的依賴程度有所降低，對于同樣部件可靠度情況下能提高系統(tǒng)指令傳輸?shù)目煽慷取?/p>

架控制動系統(tǒng)的EBCU和氣動閥件高度集成，靠近轉(zhuǎn)向架布置。架控制動系統(tǒng)氣路原理如圖5所示。根據(jù)功能模塊，架控制動系統(tǒng)主要由主調(diào)節(jié)器、次級調(diào)節(jié)器、負荷單元、BCP調(diào)節(jié)單元、連接閥、遠程緩解單元、電子單元控制的EP閥及壓力傳感器等組成。

圖5 架控制動系統(tǒng)原理圖

主調(diào)節(jié)器：根據(jù)載荷對緊急制動壓力進行調(diào)節(jié)。

次級調(diào)節(jié)器：位于主調(diào)節(jié)器上游，輸出超員載荷下對應的緊急制動壓力。

負荷單元：根據(jù)載荷對緊急和常用制動壓力進行調(diào)節(jié)，向主調(diào)節(jié)器提供預壓力。

BCP調(diào)節(jié)單元：將主調(diào)節(jié)器輸出的壓力進一步調(diào)節(jié)，輸出符合規(guī)定壓力值的制動缸壓力。同時根據(jù)EBCU輸出的指令，進行防滑控制。

連接閥：將BCP調(diào)節(jié)單元輸出到同一架兩軸的制動缸壓力串通。但出現(xiàn)滑行時，將BCP調(diào)節(jié)單元輸出的兩路壓力分開，以達到軸控防滑控制的目的。

遠程緩解單元：用于緩解。[2]

電子單元控制的EP閥：將EBCU輸出的電氣指令轉(zhuǎn)為氣動指令控制相應的單元工作。

壓力傳感器：用于對各路壓力進行監(jiān)控，實現(xiàn)對制動缸壓力的閉環(huán)控制。

目前，國內(nèi)城軌車輛使用的架控系統(tǒng)主要有：克諾爾的EP2002制動系統(tǒng)和北京縱橫機電的EP09制動系統(tǒng)等，其氣路原理基本一致。

3 車控系統(tǒng)與架控系統(tǒng)對比分析(見表1)

4 結(jié)束語

從列車對制動功能和性能需求方面，車控制動系統(tǒng)和架控制動系統(tǒng)均能實現(xiàn)與車輛子系統(tǒng)及整車的完美匹配，兩種系統(tǒng)都有著各自的優(yōu)勢。車控制動系統(tǒng)在管、線布置、內(nèi)網(wǎng)通信可靠的依賴性、模塊化與互換性、車輛擴編設(shè)計、可維護性和國產(chǎn)化等方面存在一定優(yōu)勢；架控制動系統(tǒng)在控制對象、安裝、響應時間、故障時制動力損失和與牽引系統(tǒng)匹配性等方面有優(yōu)勢。

對于編組較短的車輛，為盡量降低制動系統(tǒng)故障時制動力的損失，可優(yōu)選架控系統(tǒng)；當車輛編組達到6輛及以上時，各車間的制動力冗余度升高，架控優(yōu)勢將不再明顯，可綜合牽引控制系統(tǒng)的匹配性、制動系統(tǒng)通信接口可靠性等多方面考慮。從車輛的故障運維成本角度看，能夠?qū)崿F(xiàn)子部件更換的車控方案將在成本方面具有很大優(yōu)勢。對于未來有靈活編組或擴編需求的車輛，車控系統(tǒng)的適應性更大。

表1 車控系統(tǒng)與架控系統(tǒng)對比分析

從運營維護角度看，架控系統(tǒng)(特別是國產(chǎn)化方案)在可靠性、故障率和子部件維護等方面將是其優(yōu)化設(shè)計的重點。架控系統(tǒng)若相較于車控系統(tǒng)有了較大的提高，將是更優(yōu)的選擇。