廣州地鐵5號(hào)線列車空氣制動(dòng)異常施加故障原因分析及改進(jìn)

陳通武

（廣州地鐵運(yùn)營事業(yè)總部 車輛中心，廣東廣州510000）

城軌車輛通常運(yùn)行在人口密集地區(qū)，承載有大量旅客，對于列車行車安全就顯得尤為重要，因此就要求城軌車輛的空氣制動(dòng)系統(tǒng)必須安全可靠，在任何時(shí)候、任何狀況下都能夠有效減速和停車。但是，空氣制動(dòng)異常施加對列車同樣也是有害的，將導(dǎo)致列車設(shè)備損傷，造成經(jīng)濟(jì)損失。

廣州地鐵5號(hào)線發(fā)生的一起空氣制動(dòng)系統(tǒng)異常施加故障。在該故障中，一個(gè)單元車中的7個(gè)軸夾鉗異常施加（第8個(gè)軸安裝了信號(hào)測速裝置，為測速準(zhǔn)確，該軸在ATO運(yùn)行時(shí)空氣制動(dòng)被切除，得以免除），造成制動(dòng)盤過熱燒傷，如圖1所示，制動(dòng)盤因摩擦產(chǎn)生高溫而發(fā)藍(lán)，需全部更換。由于該單元車的制動(dòng)缸壓力只有170kPa（保壓制動(dòng)模式），制動(dòng)缸壓力相對較小，制動(dòng)夾鉗并沒有完全抱死制動(dòng)盤，輪對、軌道并沒有擦傷。否則，需要對輪對進(jìn)行旋修，還要打磨鋼軌，經(jīng)濟(jì)損失更大，有可能還會(huì)影響后續(xù)正線運(yùn)營。

圖1 制動(dòng)盤因摩擦產(chǎn)生高溫而發(fā)藍(lán)

1 原因分析

1.1 空氣制動(dòng)系統(tǒng)及相關(guān)接口

廣州地鐵5號(hào)線列車是直線電機(jī)車輛，六輛全動(dòng)車編組。空氣制動(dòng)系統(tǒng)采用架控式盤式制動(dòng)。每輛車由一個(gè)G閥（網(wǎng)關(guān)閥，Gateway Valve）和一個(gè)S閥（智能閥，Smart Valve）組成一個(gè)分散式制動(dòng)控制網(wǎng)絡(luò)，通過制動(dòng)控制總線相連，如圖2所示。G、S閥是機(jī)電一體化部件，均包含有氣動(dòng)閥單元和安裝在氣動(dòng)伺服閥上的電子控制部分。每個(gè)閥靠近轉(zhuǎn)向架安裝，對轉(zhuǎn)向架上的制動(dòng)夾鉗實(shí)施控制。G閥提供有與列車管理與控制系統(tǒng)的接口，接收來自列車的指令，并進(jìn)行相應(yīng)的反饋。每兩輛車構(gòu)成一個(gè)單元，通過CAN網(wǎng)絡(luò)通信。在系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，其中一個(gè)G閥作為主G閥，與列車上各系統(tǒng)進(jìn)行本單元車相關(guān)數(shù)據(jù)的交換，本單元車制動(dòng)力的計(jì)算和分配，以及本單元車空氣制動(dòng)系統(tǒng)的管理。另一個(gè)G閥作為備用，并監(jiān)視主閥的狀態(tài)。一旦主G閥出現(xiàn)故障，將自動(dòng)取代主G閥的功能，避免了因?yàn)橐粋€(gè)閥的故障而導(dǎo)致整單元車制動(dòng)力失效，提高了列車運(yùn)行的可靠性。

列車與空氣制動(dòng)系統(tǒng)的接口主要包括3部分，如圖2所示。

（1）列車控制部分

空氣制動(dòng)系統(tǒng)接收并執(zhí)行列車當(dāng)前的駕駛命令，采用的是110V的硬指令線進(jìn)行傳輸，包括牽引指令、制動(dòng)指令、保壓制動(dòng)、緊急制動(dòng)、快速制動(dòng)、ATO模式。所要求的制動(dòng)力大小——制動(dòng)指令值，則是通過脈寬調(diào)制信號(hào)進(jìn)行傳輸。

（2）列車管理部分

通過列車的管理網(wǎng)絡(luò)，空氣制動(dòng)系統(tǒng)將制動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)，制動(dòng)系統(tǒng)所發(fā)生的故障和故障信息上傳到列車管理系統(tǒng)，并保持相關(guān)的通信。

（3）牽引系統(tǒng)

圖2 空氣制動(dòng)系統(tǒng)及與列車接口

空氣制動(dòng)系統(tǒng)給牽引系統(tǒng)提供載荷信號(hào)，并接收所需的電制動(dòng)退出信號(hào)、電制動(dòng)力實(shí)際值、電制動(dòng)有效信號(hào)，如圖3所示。在制動(dòng)過程中，空氣制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)合牽引系統(tǒng)提供的信號(hào)，進(jìn)行本單元車空氣制動(dòng)力的計(jì)算、分配、管理?？諝庵苿?dòng)系統(tǒng)還會(huì)監(jiān)控電制動(dòng)力的施加情況，一旦出現(xiàn)異常，空氣制動(dòng)力就會(huì)馬上補(bǔ)足。

圖3 空氣制動(dòng)系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)之間的接口

1.2 故障分析

經(jīng)查看故障數(shù)據(jù)，故障列車在運(yùn)行過程中，一個(gè)單元車的空氣制動(dòng)系統(tǒng)始終保持施加狀態(tài)，而另兩個(gè)單元車則正常。并且發(fā)現(xiàn)該單元車的牽引逆變器也發(fā)生了故障。經(jīng)過調(diào)查，該單元車的保壓制動(dòng)未緩解。

保壓制動(dòng)屬于空氣制動(dòng)的一種模式，施加的制動(dòng)缸壓力值固定，約為最大的70%。其主要功能是防止列車溜車，在列車將近停車時(shí)施加，列車起動(dòng)并建立了一定的牽引力矩后緩解。該指令在人工控制時(shí)，由牽引系統(tǒng)給出，在ATO駕駛時(shí)，由信號(hào)系統(tǒng)給出?？諝庵苿?dòng)系統(tǒng)在接收到指令后，按照預(yù)定的程序執(zhí)行。保壓制動(dòng)緩解的條件為：牽引指令有效、制動(dòng)指令無效、保壓制動(dòng)緩解指令有效、電制動(dòng)退出指令無效。

經(jīng)過檢查，如圖2所示貫穿整列車的牽引指令、制動(dòng)指令、保壓制動(dòng)緩解指令都是正常的，未出現(xiàn)斷路等問題。因此，初步判斷為由于該車的牽引逆變器故障，造成牽引系統(tǒng)的電制動(dòng)退出指令輸出異常，因而引起空氣制動(dòng)系統(tǒng)一直施加保壓制動(dòng)。

1.3 空氣制動(dòng)施加封鎖牽引回路未有效保護(hù)

為了保護(hù)列車，在列車上的控制邏輯中設(shè)置了空氣制動(dòng)施加后封鎖牽引的回路。其詳細(xì)邏輯如圖4所示。在牽引指令回路中串入了繼電器PbPR的觸點(diǎn)，只有在繼電器PbPR吸合后，才能將牽引指令送到牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)中，執(zhí)行牽引命令。正常空氣制動(dòng)情況下，各輛車空氣制動(dòng)施加是或非的關(guān)系，除整列車緩解空氣制動(dòng)外，任何一輛車的空氣制動(dòng)施加都會(huì)使或非門輸出低電平，繼電器PbPR將不會(huì)吸合，即封鎖牽引。保壓制動(dòng)和正?？諝庵苿?dòng)在邏輯上是或的關(guān)系。在實(shí)際應(yīng)用中，列車起動(dòng)且電機(jī)建立一定的力矩后，保壓制動(dòng)就將退出，這樣列車不會(huì)因?yàn)槠饎?dòng)力矩不足而在斜坡上發(fā)生后溜，也不會(huì)因保壓制動(dòng)施加時(shí)間過長導(dǎo)致制動(dòng)盤磨耗過大。簡而言之，司機(jī)推牽引手柄，CCU（中央控制單元）控制PbPR繼電器得電，列車起動(dòng)，當(dāng)保壓制動(dòng)緩解4.5s后，如果制動(dòng)缸的壓力降到0kPa，則PbPR繼電器保持得電，列車可以繼續(xù)牽引；如果當(dāng)保壓制動(dòng)緩解4.5s后制動(dòng)缸壓力大于0kPa，則PbPR繼電器保持失電，列車牽引封鎖。

2 故障模擬確認(rèn)

經(jīng)過上述的理論分析，需要進(jìn)行實(shí)際的驗(yàn)證。因此，進(jìn)行了故障模擬試驗(yàn)。模擬是在試車線上以ATO模擬試驗(yàn)，通過斷開一個(gè)單元牽引逆變器的高壓回路，來模擬牽引系統(tǒng)故障，運(yùn)行列車并采集電制動(dòng)退出指令、制動(dòng)缸壓力、列車速度等信號(hào)。

如圖5所示，模擬過程中使用制動(dòng)軟件采集到的數(shù)據(jù)。可以發(fā)現(xiàn)，列車速度從0加速到約23km／h的過程中，期間大約有15s的時(shí)間，該單元制動(dòng)缸壓力始終為170kPa左右（保壓制動(dòng)壓力），TMS屏顯示閘瓦施加制動(dòng)，列車制動(dòng)施加紅燈亮，空氣制動(dòng)牽引封鎖繼電器PbPR一直得電。同時(shí)，無法正常工作的牽引逆變器傳輸給G閥電制動(dòng)退出指令異常，一直處于高電平。

圖4 空氣制動(dòng)施加牽引封鎖邏輯

圖5 故障模擬數(shù)據(jù)采集

因此，可以最終確定該車空氣制動(dòng)異常施加故障原因是由于牽引逆變器故障，造成牽引系統(tǒng)的電制動(dòng)退出指令異常輸出。而在空氣制動(dòng)系統(tǒng)的保壓制動(dòng)緩解邏輯中，如果空氣制動(dòng)系統(tǒng)一直接收到電制動(dòng)退出指令有效，其保壓制動(dòng)是不能緩解的。由于保壓制動(dòng)一直沒有緩解，所以CCU檢測到保壓制動(dòng)緩解4.5s的條件未能執(zhí)行，因而當(dāng)一單元車的保壓制動(dòng)一直施加時(shí)，PbPR繼電器仍保持得電，列車的牽引封鎖功能就不能實(shí)現(xiàn)。

3 解決措施

針對故障的發(fā)生原因，以及空氣制動(dòng)牽引封鎖回路失效的原因，制定了以下措施：

（1）針對牽引系統(tǒng)故障情況下的電制動(dòng)退出指令輸出異常，而導(dǎo)致制動(dòng)異常施加問題，進(jìn)行了邏輯的修改：僅僅在列車牽引系統(tǒng)工作正常，且電制動(dòng)向空氣制動(dòng)轉(zhuǎn)換前，輸出電制動(dòng)退出指令。

（2）為防止列車始終施加保壓制動(dòng)，設(shè)置新的邏輯：當(dāng)列車牽引速度大于10km／h且持續(xù)時(shí)間超過1s，若保壓制動(dòng)未緩解時(shí)，保壓制動(dòng)須自動(dòng)緩解。

（3）為防止列車在施加保壓制動(dòng)后，列車仍然執(zhí)行牽引指令，設(shè)置新的邏輯：當(dāng)列車運(yùn)行速度超過15km／h且保壓制動(dòng)未緩解，列車須實(shí)現(xiàn)牽引封鎖。

4 結(jié)束語

通過理論分析和試車線模擬故障試驗(yàn)驗(yàn)證，確定了該故障主要原因是由于牽引系統(tǒng)在故障狀態(tài)下的電制動(dòng)退出指令異常輸出，造成單元車保壓制動(dòng)一直得不到緩解。因而引起一單元車的空氣制動(dòng)異常施加，同時(shí)空氣制動(dòng)施加牽引封鎖邏輯的缺陷，又未能有效保護(hù)列車。針對故障原因制定了一系列措施，提高了列車的可靠性和安全性。

［1］ 葉云岳.直線電機(jī)技術(shù)手冊［M］，北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.