王群偉， 范榮巍， 金 哲， 曹 斌

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

北京地鐵昌平線車輛為6輛編組，制動系統(tǒng)采用EP08車控系統(tǒng)[1]，每個車輛配置一套制動控制裝置；基礎(chǔ)制動采用制動夾鉗和輪盤制動方式，充分滿足車輛運用時的熱負(fù)荷的要求。在列車的2車和5車配置了風(fēng)源系統(tǒng)，滿足車輛制動及空氣彈簧(簡稱：空簧)等耗風(fēng)的需求。

北京昌平線004車正線運營至西二旗乘降作業(yè)時，車輛總風(fēng)壓力快速下降至620 kPa以下，總風(fēng)壓力開關(guān)動作，車輛觸發(fā)緊急制動。按司機室強泵按鈕，2車空壓機工作正常，5車空壓機間斷啟停、不能正常供風(fēng)?？傦L(fēng)壓力維持在600 kPa左右，低于車輛正常運營要求。

總風(fēng)欠壓是指地鐵車輛在載荷急劇增加時，空簧耗風(fēng)劇烈，導(dǎo)致總風(fēng)管路的壓力降低，超出總風(fēng)壓力正常范圍，總風(fēng)壓力開關(guān)觸發(fā)，車輛為導(dǎo)向安全自動施加緊急制動。緊急制動施加后，總風(fēng)壓力需要達(dá)到規(guī)定的設(shè)定值才能緩解緊急制動。此外，總風(fēng)管路的意外破損漏風(fēng)也會導(dǎo)致總風(fēng)欠壓。因此在實際車輛運營中，如發(fā)生總風(fēng)欠壓故障，會導(dǎo)致運營秩序受到影響。

針對昌平線折返時出現(xiàn)的總風(fēng)欠壓故障導(dǎo)致緊急制動進(jìn)行了深入分析和研究，對導(dǎo)致總風(fēng)欠壓的空壓機問題及客流急劇變化因素的解決措施進(jìn)行了探討和實施，解決了現(xiàn)場出現(xiàn)的問題；對后續(xù)車輛運營及制動系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計具有現(xiàn)實的意義。

1 故障現(xiàn)象及邏輯分析

1.1 故障現(xiàn)象

總風(fēng)欠壓故障時，列車正處于乘降作業(yè)，同時疊加了空壓機間斷運行的故障，導(dǎo)致總風(fēng)壓力維持在600 kPa

左右，低于車輛正常運營要求，導(dǎo)致列車晚點。

分析車輛記錄的空簧及耗風(fēng)數(shù)據(jù)，復(fù)現(xiàn)故障時候的情況，空簧參數(shù)和實際車輛總風(fēng)狀態(tài)符合當(dāng)時的實際客流情況：車輛折返時處于晚高峰，乘客在18:50至18:52上車后，圖1空簧壓力數(shù)值表明車輛處于AW3狀態(tài)，空簧大量充風(fēng)，導(dǎo)致總風(fēng)壓力快速下降至600 kPa以下(18:52時，總風(fēng)壓力為589 kPa)，進(jìn)而觸發(fā)緊急制動。

圖1 CP004-5車耗風(fēng)情況18:52—19:05

1.2 邏輯分析

風(fēng)源系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)單、雙日的設(shè)定進(jìn)行主輔空壓機選擇，車輛單日運行時，2車空壓機為主空壓機，車輛雙日運行時5車空壓機為主空壓機。當(dāng)總風(fēng)壓力低于680 kPa 時，兩臺空壓機同時啟動打風(fēng)，直至總風(fēng)達(dá)到900 kPa停機。若空壓機啟動時總風(fēng)壓力大于680 kPa、小于750 kPa，則主空壓機啟動開始打風(fēng)直至總風(fēng)壓力達(dá)到900 kPa停機。若空壓機啟動裝置初次通電時總風(fēng)壓力高于750 kPa，兩臺空壓機都不工作?？諌簷C啟動裝置使用壓力開關(guān)監(jiān)測總風(fēng)壓力。

總風(fēng)欠壓壓力開關(guān)在頭車的制動控制裝置內(nèi)，直接連接總風(fēng)，當(dāng)總風(fēng)壓力低于600 kPa時，壓力開關(guān)動作觸發(fā)緊急制動；當(dāng)總風(fēng)壓力高于700 kPa時，壓力開關(guān)動作，閉合信號與車輛控制連鎖，車輛恢復(fù)正常。

通過對故障現(xiàn)象及車輛制動系統(tǒng)邏輯的分析，導(dǎo)致總風(fēng)欠壓因素：

①當(dāng)總風(fēng)壓力低于680 kPa時，5車空壓機不能正常供風(fēng)，導(dǎo)致壓力上升慢；

②折返站，載客變化率由AW0變化至AW3，導(dǎo)致空簧急劇用風(fēng)，空簧急劇用風(fēng)后總風(fēng)壓力降到了總風(fēng)欠壓保護點。

2 空壓機故障的分析和改進(jìn)

5車空壓機起動3 s后LVD三相電源控制器[2]過壓保護指示燈點亮變紅，空壓機停機，通過強泵功能復(fù)測，故障現(xiàn)象反復(fù)、持續(xù)。對調(diào)2車、5車風(fēng)源系統(tǒng)LVD，故障現(xiàn)象隨LVD轉(zhuǎn)移，即5車風(fēng)源系統(tǒng)啟動正常，2車風(fēng)源系統(tǒng)頻繁啟停，故定位故障為LVD器件保護導(dǎo)致。

LVD三相電源控制繼電器作為保護性器件，造成保護的原因：

①供電異常(過壓、欠壓、缺相及相序錯誤)；

②器件自身故障。

空壓機正常工作時，主回路AC 380 V電源一旦出現(xiàn)過壓(超過420 V)、欠壓(低于340 V)、缺相及相序錯誤時，LVD保護，相應(yīng)的指示燈亮，同時其串聯(lián)在DC 110 V控制回路中的常開觸點斷開，串聯(lián)的TD1延時繼電器失電，其常開觸點同時斷開，CMK主接觸器失電，空壓機電機斷電，空壓機停止工作。如圖2所示。 由于現(xiàn)場調(diào)換LVD后，故障現(xiàn)象轉(zhuǎn)移，因此可以確定本次故障由于LVD自身故障導(dǎo)致。

對故障LVD進(jìn)行拆解測試，其內(nèi)部輸入端為典型的阻容(RC)降壓電路，降壓電容的電容標(biāo)稱為220 nF的X2安規(guī)電容，但是實際測試值為129 nF、56 nF和58 nF；當(dāng)降壓電容出現(xiàn)問題，容值變化勢必會影響降壓后供給后續(xù)電子器件的電流，從而對后續(xù)邏輯器件的判斷產(chǎn)生影響，導(dǎo)致非正常的動作。

對故障件進(jìn)行更換，同時選擇質(zhì)量更加可靠的產(chǎn)品進(jìn)行試裝替換，確保運營安全。

3 應(yīng)對大客流乘降急劇耗風(fēng)的參數(shù)調(diào)整研究

3.1 原理分析

列車在折返時存在載荷從AW0到AW3的極限工況，該工況下的需要給空氣簧充風(fēng)以保持車輛的平衡，空氣簧耗風(fēng)量極大[3]。圖2為空簧懸掛部分原理圖。制動系統(tǒng)在空簧管路設(shè)置了溢流閥。溢流閥在前端壓力達(dá)到設(shè)定值時開啟；減壓閥確保壓力穩(wěn)定并保護空簧壓力上限。制動系統(tǒng)溢流閥(L1)的開啟壓力為(650～670) kPa，關(guān)閉壓力≥580 kPa。在車輛載荷增加時，高度閥(L5)的閥口打開給空簧(L7)充風(fēng)；差壓閥(L6)保證一個轉(zhuǎn)向架兩個空簧的壓力差值在設(shè)定范圍內(nèi)。

圖2 風(fēng)源系統(tǒng)電氣原理

L1-溢流閥；L4-減壓閥；L5-高度閥；L6-差壓閥；L7-空簧。圖3 空簧懸掛原理

為避免大客流乘降急劇耗風(fēng)導(dǎo)致的低壓，可以從兩方面考慮：一是增加風(fēng)源的供給。在風(fēng)源系統(tǒng)不變的情況下，更改空壓機啟動運行的壓力，提前工作給系統(tǒng)充風(fēng)；二是在總風(fēng)壓力到達(dá)緊急制動設(shè)定點前，不再給空簧供風(fēng)，待總風(fēng)壓力上升后再供風(fēng)。

3.2 模擬計算分析

利用制動計算軟件，對調(diào)整空壓機啟動壓力和調(diào)整溢流閥值兩種方案進(jìn)行了對比分析[4]。模擬計算在車輛AW0載荷30 s內(nèi)變化為AW3載荷時，空簧壓力、總風(fēng)壓力變化的情況。

計算工況如表1所示。

表1 計算工況 kPa

圖4 工況1數(shù)據(jù)

從圖4數(shù)據(jù)可以看出，19 s時，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至680 kPa，啟動第2個空壓機。30 s時，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至580 kPa。溢流閥關(guān)閉，空簧壓力不再增加，總風(fēng)壓上升。在30 s內(nèi)空簧壓力由276 kPa上升至458 kPa，但是未達(dá)到對應(yīng)于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)。

圖5 工況2數(shù)據(jù)(曲線定義同圖4)

從圖5數(shù)據(jù)可以看出，13 s時，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至750 kPa，啟動第2個空壓機。30 s時，空簧壓力由276 kPa上升至458 kPa，但是未達(dá)到對應(yīng)于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)。32 s時，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至580 kPa。

從工況1和工況2的數(shù)據(jù)可以看出，空壓力啟動壓力提高后，并不能彌補乘降急劇耗風(fēng)的空簧用風(fēng)，總風(fēng)壓力還是會很快達(dá)到緊急制動壓力。

圖6 工況3數(shù)據(jù)(曲線定義同圖4)

從圖6數(shù)據(jù)可以看出，19 s時，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至680 kPa，啟動第2個空壓機。24 s時，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至630 kPa。溢流閥關(guān)閉后，總風(fēng)壓力不再下降。

在30 s內(nèi)空簧壓力由276 kPa上升至437 kPa，但是未達(dá)到對應(yīng)于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)。119 s 時，空簧壓力達(dá)到對應(yīng)于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)，而且高度閥杠桿恢復(fù)到水平位?？栈蛇_(dá)到規(guī)定值的時間與工況1的基本相同。

圖7 工況4數(shù)據(jù)(曲線定義同圖4)

從圖7數(shù)據(jù)可以看出13 s時，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至750 kPa，啟動第2個空壓機。25 s時，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至630 kPa。

在30 s內(nèi)，空簧壓力由276 kPa上升至443 kPa，但是未達(dá)到對應(yīng)于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)。112 s時，空簧壓力達(dá)到對應(yīng)于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)，而且高度閥杠桿恢復(fù)到水平位。

從工況3和工況4可以看出，調(diào)整空壓機啟動壓力，對空簧壓力的提高速度基本沒有影響，但是調(diào)整溢流閥設(shè)定值，可以有效防止總風(fēng)欠壓的發(fā)生。由于客流急劇變化發(fā)生在車輛靜止?fàn)顟B(tài)，溢流閥截止后，可能會造成空簧實際壓力不能反應(yīng)實際的客流載荷。在總風(fēng)壓力沒有達(dá)到開啟溢流閥的時間內(nèi)，該載荷信號可能不真實。由于載荷信號在車門關(guān)閉后鎖定，因此行車過程中的載荷信號會小于實際載荷(差值不大)。運行過程中的調(diào)速和牽引，可以進(jìn)行級別的追加，因此這個差異的影響比較有限。因此，建議采用調(diào)整溢流閥設(shè)定值的方法，不會對制動系統(tǒng)的功能和整體性能產(chǎn)生影響。

3.3 溢流閥設(shè)定值調(diào)整

選取一列車將目前溢流閥的開啟壓力由650 kPa提高到680 kPa，關(guān)閉壓力由≥580 kPa提高到≥630 kPa，使其關(guān)閉值高于緊急壓力設(shè)定值600 kPa。車輛在實際與運用過程中沒有出現(xiàn)總風(fēng)欠壓的情況，并且在早晚客流高峰期間以及折返乘降時，列車風(fēng)源系統(tǒng)供風(fēng)和溢流閥工作均正常，沒有總風(fēng)壓力低的情況發(fā)生。

圖8～圖9為早高峰時段的數(shù)據(jù)，總風(fēng)壓力最低為666 kPa，列車風(fēng)源系統(tǒng)供風(fēng)和溢流閥工作均正常，沒有總風(fēng)壓力低于600 kPa情況發(fā)生

圖8 早高峰期間空簧壓力與 總風(fēng)壓力變化 6:34—7:10

圖9 早高峰期間空簧壓力與 總風(fēng)壓力變化7:54—8:36

4 結(jié)束語

對該起總風(fēng)欠壓故障進(jìn)行深入分析，原因為疊加了空壓機LVD故障和乘降作業(yè)時急劇耗風(fēng)而導(dǎo)致的。通過對空壓機LVD的研究對風(fēng)源系統(tǒng)部件的選擇進(jìn)行了優(yōu)化，為后續(xù)產(chǎn)品選型提供了參考，避免類似故障和隱患再次發(fā)生。對乘降作業(yè)時急劇耗風(fēng)的解決方案進(jìn)行了分析和研究，并在實際車輛上進(jìn)行了實施，取得了良好的應(yīng)用效果，為制動系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計提供借鑒。在制動系統(tǒng)的設(shè)計中，應(yīng)充分考慮載客流量變化對用風(fēng)的需求，同時設(shè)置合理的控制參數(shù)，增加車輛的可用性，避免發(fā)生影響運營秩序的故障。