地鐵車輛列車制動系統(tǒng)電氣原理介紹及典型故障案例解析

王強

摘要：地鐵列車的制動系統(tǒng)在列車運營過程中具有非常重要的作用，緊急制動由列車的緊急制動環(huán)路失電觸發(fā)，并最終由空氣制動基礎裝置執(zhí)行，是通過一個安全回路控制的純空氣制動模式，是列車運行安全導向保證中最重要的環(huán)節(jié)。論文著重介紹杭州地鐵1號線地鐵車輛緊急制動氣路和電路控制原理以及列車動調(diào)的試驗步驟，然后通過西門子SIBAS軟件采集的數(shù)據(jù)，試車線軌道狀況及車輛閘瓦等因素來分析列車減速度，緊急制動距離等指標并重點分析引起列車緊急制動距離超標的原因。

關(guān)鍵詞：地鐵車輛，緊急制動距離，減速度，閘瓦

一 背景

目前國內(nèi)越來越多的城市發(fā)展軌道交通來解決日益擁堵的交通壓力，其地鐵車輛的制動系統(tǒng)多采用由德國克諾爾公司提供的EP2002型制動系統(tǒng)。該系統(tǒng)是以轉(zhuǎn)向架為單位的“架控式”制動控制系統(tǒng)，內(nèi)設監(jiān)控終端，具有自診斷和故障記錄功能，它能在司機控制器或ATO的控制下對列車進行階段或一次性的制動與緩解。在正常制動過程中，電制動和空氣制動在列車級隨時協(xié)調(diào)配合以滿足制動指令的要求，并且優(yōu)先采用電制動，電制動包括電阻制動和再生制動.如果電制動不能滿足總制動力的需求，由空氣制動自動補充，并且優(yōu)先補充拖車的空氣制動。

空氣制動的典型就是緊急制動，為保證列車運行安全而設有緊急制動，緊急制動由列車的緊急制動環(huán)路失電觸發(fā)，當緊急制動環(huán)路斷開導致緊急電磁閥失電時施加緊急制動，并最終由空氣制動基礎裝置執(zhí)行，是通過一個安全回路控制的純空氣制動模式，是列車運行安全保證中最重要的環(huán)節(jié)。

二 電制動原理

司控器由角度傳感器對應牽引180度，制動0度，經(jīng)司控器內(nèi)編碼器對應4mA-20mA電流送至車載譯碼器，經(jīng)解調(diào)譯碼成PWM對10%-90%占空比，最終對應出司控器手柄在惰性位輸出電壓值DC2.4V，在常用制動位DC-18V，在快速制動位DC-22V，及全牽引位DC22V，車輛在牽引過程中，牽引器接收到由司控器發(fā)出的牽引信號，電機定子繞組通入三相對稱交流電，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場作用于轉(zhuǎn)子，轉(zhuǎn)子繞組產(chǎn)生感應電動勢感應電流，在定子旋轉(zhuǎn)磁場相互作用會產(chǎn)生電磁力F，形成電磁轉(zhuǎn)矩T，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，驅(qū)動輪對轉(zhuǎn)動，此時n。>n1定子轉(zhuǎn)速大于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，車輛在制動時，牽引器收到由司控器手柄輸出的制動信號，經(jīng)牽引器內(nèi)VVVF調(diào)頻調(diào)壓裝置改變電機定子頻率，進行調(diào)速，（根據(jù)公式n。=60f/P）但車輛由于慣性原因速度不會立刻就降下來，此時n。〈n1轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速大于定子轉(zhuǎn)速，電動機變?yōu)榘l(fā)電機，利用列車的慣性由輪對帶動電動機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)而發(fā)電，（右手定則），轉(zhuǎn)子有電流流過，在定子的磁場產(chǎn)生與轉(zhuǎn)動方向相反的反轉(zhuǎn)力矩，（左手定則），消耗列車的動能，達到產(chǎn)生制動作用的目的，而電動機發(fā)出的電流一部分返回到接觸網(wǎng)經(jīng)能量吸收裝置被再次利用，一部分通過制動電阻器，采用通風散熱將熱量消散于大氣。

三 空氣制動原理

（1）緊急制動氣路原理

制動供氣風缸BSR壓力進入氣動閥單元PVU，并被分為兩條單獨的線。第一條較粗的線將空氣供應給一次調(diào)節(jié)階段。此階段主要為中繼閥根據(jù)控制壓力將 BSR 壓力下調(diào)到一個中間壓力。該控制壓力來自 BSR 的第二條線，并在稱重電子裝置硬件的控制之下經(jīng)過了一套 EP 閥的調(diào)節(jié)?？刂茐毫νㄟ^二次調(diào)節(jié)器而被限制在一定的數(shù)值以內(nèi)。該數(shù)值即是能夠在一次調(diào)節(jié)器輸出情況下提供滿載緊急制動壓力的數(shù)值。這就保證了制動缸不會供給一個大于緊滿載緊急制動壓力值。

壓力空氣經(jīng)過一次調(diào)節(jié)器后，分別供給軸1和軸2。每路供氣都通過常用制動SB/WSP EP 閥，之后進入制動缸。在緊急制動情況下，這些 EP 閥處于非啟動狀態(tài)，使得一次調(diào)節(jié)器輸出階段中提供的 EB 壓力具有一個無限制的路徑。這些閥門的狀態(tài)采用電子硬件連續(xù)監(jiān)視，防止過度的 WSP 保持或放氣操作影響 EB 的性能。每根軸通過鏈接EP閥實現(xiàn)氣路連接，而鏈接 EP 閥通常對緊急制動和常用制動氣流都是敞開的。當一根軸的 EP 閥失靈時，此閥使得兩根軸的制動缸由一根軸的氣源供氣。所有的 EP 閥都是由控制電子裝置控制的。

一次調(diào)節(jié)階段需要進行稱重調(diào)節(jié)。為了實現(xiàn)這一點，控制電子裝置將會測量提供給PVU的空氣懸掛系統(tǒng)壓力，然后通過稱重 EP 閥的運行將適當?shù)目刂茐毫μ峁┙o一次調(diào)節(jié)器。ASP壓力和控制壓力之間的關(guān)系儲存在PAL裝置中，正是這種邏輯控制著EP閥。

列車緊急制動通過EP2002內(nèi)運行（如圖1）后由基礎制動裝置完成如圖2。

列車緊急制動功能采用硬線控制，在制動控制單元上裝備了由列車安全環(huán)路硬線控制的緊急制動部分。若列車安全環(huán)線斷開，產(chǎn)生緊急制動?？傮w上緊急制動采用執(zhí)行電路和控制電路分開設計：

（1）控制電路：

當列車出現(xiàn)以下情況時，控制電路將失電，從而導致緊急制動接觸器失電。緊急制動通過常帶電的緊急制動環(huán)路的得失電來控制的，緊急制動是純空氣制動。

在下列任何一種情況下都將施加緊急制動：

非 ATO 模式下，未按下司機室中的警惕裝置超過3s;

按下司機室臺上緊急制動按鈕;

列車高速運行時，方向手柄到 0 位;

列車分離（在聯(lián)掛或者解掛過程中，施加緊急制動;在正常運行時列車脫鉤施加緊急制動）;

總風欠壓（總風缸壓力低于 5.5bar 施加緊急制動，高于7bar 時緩解）;

緊急制動電氣列車線環(huán)路中斷或失電（緊急環(huán)路硬線中斷）;

DC110V 控制電源失電;

ATP 系統(tǒng)發(fā)出緊急制動指令：

超速（超過 88km/h 時施加緊急制動，速度值待定）;

后溜（列車施加保持制動后，向后運行 5m）;

進入錯誤的運行區(qū)間（反向運行、同一安全區(qū)間內(nèi)出現(xiàn)兩輛列車等）;

兩個車載 ATP 故障;

VCU 發(fā)出緊急制動指令;

超速（當列車速度超過83km/h 時，發(fā)出警報;超過85km/h 時，列車惰行;超過86km/h時，施加常用制動;超過88km/h 時施加緊急制動）;

列車運行時方向手柄過 0 位;

沒有激活司機室;

制動時制動力施加不足;

主風缸壓力低;

檢測到緊急制動環(huán)路斷電;

緊急操作開關(guān)動作。

（2）執(zhí)行電路：

緊急制動列車線低電平信號給GV 閥和SV 閥將觸發(fā)緊急制動。

緊急制動功能可以擴展到救援模式下的故障列車，救援時在救援列車和被救援列車的任何一個司機室都可以觸發(fā)緊急制動。

在緊急制動過程中，不受沖擊極限（0.75m/S3）的限制。WSP 功能在緊急制動過程中仍然有效。

緊急制動的施加是不可逆的，僅當所有緊急制動觸發(fā)條件都消失，列車到達零速，且牽引桿拉到快速制動位時，緊急制動自動緩解。

在司機臺上設置一個緊急制動測試按鈕，在列車零速時，可以旁路警惕按鈕;另外緊急制動測試按鈕可以用作測試緊急制動，零速時，按下此按鈕超過一段時間，列車將產(chǎn)生緊急制動。

四 典型故障及分析

1.蘇州三號線03列車在動調(diào)過程中，動調(diào)前期所有數(shù)據(jù)一切正常，車輛沒報故障，但當做80km/h快速制動和80km/h常用制動時，DDU界面會跳出0304車制動電阻超溫故障，且0304車高速斷路器會跳開，0304車牽引器報故障，開始以為車輛運行時間久了，車輛在不停的施加電制動，而變電所能量吸收裝置未開啟，（正常情況能量吸收裝置不開啟），能量全被制動電阻吸收，制動電阻溫度太高起了保護作用，造成牽引器高速斷路器跳閘，然后我們把車輛休眠，重新喚醒啟動，再次按下合高段按鈕，四個動車牽引器高速斷路器重新閉合，于是再次進行80km/h制動試驗，當車輛速度達到80km/h時將司控手柄拉到快速制動位，此時0304車又報了同樣的故障，之后我們把車子低速開回停車區(qū)域和牽引供應商針對0304車進行檢查，用專用測溫儀發(fā)現(xiàn)0304車制動電阻溫度比其它三個動車的制動電阻溫度高出很多，懷疑0304車制動電阻風機沒有工作，沒有起到散熱作用，（因為制動電阻風機的轉(zhuǎn)向在靜態(tài)調(diào)試時已讓牽引供應商用電腦強制啟動過，工作正常，且方向正確），于是安排專人在動調(diào)試驗區(qū)外在車輛動起來的時候，對0304車制動電阻風機進行觀察，發(fā)現(xiàn)，車輛在制動時，0304車制動電阻風機根本就沒工作，后經(jīng)排查，發(fā)現(xiàn)0304車制動電阻進風口和出風口的溫度傳感器位置裝反，進風口檢測的是環(huán)境外溫，出風口檢測的是制動電阻溫度達到一定數(shù)值后風扇工作時的溫度，位置裝反后，風機是不會工作的，后讓供應商把傳感器位置對調(diào)，重新進行試驗，車輛狀態(tài)一切正常0304車沒報故障，問題得以解決。

2.杭州一號線第21列車動調(diào)試驗時，列車以80km/h初速度緊急制動時的制動距離及減速度數(shù)據(jù)，不符合試驗大綱要求，（試驗大綱要求：其緊急制動距離L和制動減速度a須滿足L≤205m，a≥1.20 m/s*s）。

根據(jù)公司生產(chǎn)計劃分別又對杭州地鐵1號線第19、20列車進行動調(diào)試驗，以上三列車都沒有安裝輪緣潤滑裝置，動調(diào)前天氣狀況良好，軌道干燥，適宜列車調(diào)試，試驗首先進行了往返5次的40km/h運行，并施加緊急制動停車，使閘瓦與輪對之間能夠充分接觸。然后進行電制動試驗，常用制動和快速制動的制動試驗距離及減速度數(shù)值均符合標準。

在低速緊急制動和電制動結(jié)束后，開始進行初速度為80km/h的緊急制動試驗，總共進行了三次試驗，每次試驗結(jié)束，列車以低速返回，盡量降低閘瓦和輪對的表面溫度。

由表1、表2及表3的數(shù)據(jù)可知，第19列，20列車的初速度80km/h的緊急制動距離與減速度均符合標準，但第21列車的三次初速度為80km/h的緊急制動距離與減速度均不符合標準，整個試驗過程西門子軟件監(jiān)測列車沒有滑行現(xiàn)象。

在第21列在緊急制動試驗期間，下車用專用測溫儀器測量閘瓦溫度的情況，發(fā)現(xiàn)輪對表面有一層油污的東西，并查看未動調(diào)新車的輪對情況，發(fā)現(xiàn)部分輪對表面確實有類似油污的東西，且油標簽在輪對凹槽里沒有清理干凈如圖3所示。

在清理列車車輪油污后繼續(xù)動調(diào)，數(shù)據(jù)仍然不符合標準，經(jīng)克諾爾、西門子確認，第21列車制動缸壓力正常，制動系統(tǒng)反饋的總制動力正常;通過記錄的曲線分析如下圖所示：

圖4中藍色曲線為網(wǎng)絡監(jiān)測到的加速度曲線，得到車輛的實際平均減速度約值為-1.1377 m/s*s;而制動系統(tǒng)根據(jù)制動缸壓力，反饋的總制動力值為289.2KN，杭州線列車在AW0工況下，車輛重約218.9t，因此，理論上列車的制動減速度約為289.2/218.9=1.32 m/s*s，而由軟件得到的減速度為1.1377 m/s*s由此可以推論在制動過程中閘瓦與車輛車輪的摩擦系數(shù)變小了。

由上分析，對第21列車的所有閘瓦進行更換，然后重新動調(diào)，對新閘瓦進行充分磨合，保證閘瓦與車輪表面有80%的接觸面積，待閘瓦降溫后再次進行三次初速度為80km/h的緊急制動試驗，得到緊急制動距離及減速度數(shù)據(jù)如表4所示且數(shù)據(jù)均符合標準。

五 總結(jié)

論文介紹了地鐵車輛電制動和空氣制動的原理，電制動與空氣制動（踏面制動）相比，電制動的使用能有效降低輪對踏面磨耗，延長閘瓦和輪對的壽命，由于機械摩擦系數(shù)隨著溫度的提高而下降，空氣制動（踏面制動）的效率與機車速度成反比;而電制動相反，速度越高制動效果越明顯。

參考文獻

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