武漢軌道交通2號線車輛電空制動控制技術(shù)及應用

朱圣瑞

(武漢地鐵集團有限公司， 湖北武漢 430060)

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武漢軌道交通2號線車輛電空制動控制技術(shù)及應用

朱圣瑞

(武漢地鐵集團有限公司， 湖北武漢 430060)

介紹了武漢軌道交通2號線車輛制動過程的電空制動控制技術(shù)，該技術(shù)充分發(fā)揮牽引系統(tǒng)電制動力，減少不必要的空氣制動補充，同時利用EB0(即：電制動制動至零)模式控制電空轉(zhuǎn)換過程。實際應用表明：該電空制動控制技術(shù)即能滿足ATO自動駕駛準確停車的控制要求，同時大大降低了制動閘瓦及車輪踏面的磨耗，為軌道交通車輛電空制動控制技術(shù)提供了典型范例。

地鐵車輛； 電空制動； ATO定位停車； 踏面磨耗

武漢軌道交通2號線列車由4動2拖(拖車位于列車兩端)6輛車組成，制動系統(tǒng)采用微機控制的電空直通式車控制動系統(tǒng)，基礎制動為踏面制動，列車最高速度為80 km/h。

武漢軌道交通2號線在2012年9月完成了牽引系統(tǒng)與制動系統(tǒng)的動態(tài)聯(lián)調(diào)及制動型式試驗，于2012年12月28日正式投入載客運營，至今每列車已累計運行20多萬公里，列車牽引運行制動停車功能正常，ATO自動駕駛定位停車和制動閘瓦及車輪踏面磨耗方面表現(xiàn)優(yōu)異，解決了ATO自動駕駛定位停車問題[1]及異常磨耗問題[2-4]。統(tǒng)計結(jié)果表明：正線運營ATO自動停車精度小于±300 mm；車輪踏面磨耗量為2～3 mm/10萬km，滿足車輛正常運營，提高了輪對使用效率，這些結(jié)果與列車制動過程的電空制動控制技術(shù)是分不開的。

1 電空制動控制技術(shù)

武漢軌道交通2號線列車網(wǎng)絡系統(tǒng)采用的是基于MVB通信的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，牽引系統(tǒng)與制動系統(tǒng)的信息交互完全通過MVB網(wǎng)絡數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)。由列車控制管理系統(tǒng)(TCMS)實現(xiàn)全列車制動力管理，列車制動采用電制動與空氣制動實時協(xié)調(diào)配合、電制動優(yōu)先、空氣制動延時投入的混合制動方式，由制動系統(tǒng)對電制動力能否滿足全列車制動力需求進行判斷，當電制動力無法滿足全列車制動力需求時，優(yōu)先在拖車上補充空氣制動。

1.1 電空制動控制原理

全列制動力計算由TCMS根據(jù)列車司控器或ATO給出的制動控制減速度以及列車載重計算出列車所需的總制動力，并根據(jù)各動車牽引系統(tǒng)的狀態(tài)(如電制動是否可用、電制動是否被切除等)分配各動車牽引系統(tǒng)需要發(fā)出的電制動力，并將列車總制動力、各動車的實際電制動力、制動指令、牽引指令等信息發(fā)送到制動控制單元(BCU)。

各車BCU通過MVB總線獲取TCMS的制動控制數(shù)據(jù)，再根據(jù)列車所需總制動力及電制動力的實際情況對空氣制動力進行分配。具體過程如下：

(1) 計算動車實際電制動力之和，若實際電制動力之和能夠滿足全列車總制動力需求時，BCU不產(chǎn)生施加空氣制動的指令，此時列車所需制動力全部由電制動力承擔。

(2) 當實際電制動力之和無法滿足全列車制動力需求但可以滿足動車所需制動力時，由空氣制動力補充所需要的制動力，但僅在拖車(包括無法發(fā)揮電制動力的動車)平均分配需要補充的空氣制動力。

(3) 當實際電制動力之和無法滿足動車所需制動力時，由空氣制動力補充所需要的制動力，此時，拖車僅補充自身所需的制動力，剩余所需補充的空氣制動力由各動車平均補充，但原則是同一動車上的空氣制動力與電制動力之和不超過本車所需的制動力。

1.2 制動初期電空制動控制

列車制動時，TCMS根據(jù)司控器手柄或ATO的制動指令計算全列車所需制動力，并向牽引系統(tǒng)發(fā)出電制動力需求，牽引系統(tǒng)按需發(fā)揮電制動力并將實際電制動力發(fā)送回TCMS，然后再由TCMS發(fā)送到BCU，可以看出：到達BCU的實際電制動力因網(wǎng)絡傳輸會存在滯后現(xiàn)象。

在列車產(chǎn)生制動需求初期，BCU接收TCMS的制動控制命令時，由于牽引系統(tǒng)尚未進入發(fā)揮電制動狀態(tài)，即此時的電制動力實際值為0，BCU會由于電制動力無法滿足列車所需制動力而施加空氣制動，這樣不利于列車沖動限制(此時空氣制動力與電制動力并存)，同時會增加制動摩擦副的磨耗。

為此，TCMS在發(fā)送給BCU的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)中增加了各牽引系統(tǒng)的電制動力可能值，用于表示牽引系統(tǒng)是否能產(chǎn)生電制動力以及在當前工況(考慮速度、網(wǎng)壓、載重等條件)下所能發(fā)揮的電制動力的能力。在制動初期1.5 s內(nèi)，BCU將各動車的電制動力可能值作為實際電制動力進行制動力計算。

一般情況下，電制動力可能值之和滿足全列制動力需求，因此BCU不需要補充空氣制動，從而避免了制動初期過早施加空氣制動力的現(xiàn)象。當牽引系統(tǒng)無法發(fā)揮電制動力時，電制動力可能值將被置為0，BCU可以根據(jù)電制動力可能值是否為0決定是否立刻施加空氣制動力。

1.3 制動過程中電空制動控制

在列車運行過程中會存在較多的制動調(diào)速控制，此時列車制動力需求會發(fā)生變化，由于牽引系統(tǒng)電制動力的發(fā)揮需要一定的響應時間，BCU在根據(jù)列車所需制動力及電制動力實際值進行制動計算時往往會因為實際制動力之和無法滿足全列車所需制動力而施加空氣制動力，為解決這一問題，BCU在制動力計算過程中同樣考慮電制動力可能值的大小，即當電制動力可能值之和滿足列車所需制動力時，將不補充空氣制動力，一定延時時間后實際電制動力若仍然無法滿足全列車所需制動力，即使電制動力可能值滿足全列所需制動力，也要補充空氣制動力。圖1給出了聯(lián)調(diào)試驗時通過快速拉動司控器手柄對列車進行制動控制的測試數(shù)據(jù)(圖1中深綠色曲線為制動控制需求，亮綠色曲線為實際電制動力，紅色曲線為制動缸壓力。電制動力坐標為右側(cè)坐標/4 kN)。可以看到：整個制動過程中BCU沒有施加空氣制動力，這樣可以大大降低閘瓦及踏面的磨耗。

圖1 制動過程中列車所需制動力快速變化時牽引系統(tǒng)與BCU的制動配合

1.4 制動后期電空制動控制

武漢軌道交通2號線牽引系統(tǒng)在制動后期電制動向空氣制動轉(zhuǎn)換時采用了兩種控制模式，即EB0控制模式(牽引系統(tǒng)提出的電制動力可持續(xù)到列車速度為0的控制模式)與非EB0控制模式(電制動力在列車速度降到3 km/h左右降為0的控制模式)。圖2給出了EB0控制模式下的電制動向空氣制動轉(zhuǎn)換過程(圖2中橫軸為時間；縱軸為列車速度、電制動力及制動缸壓力)。在EB0控制模式下，當列車速度達到較低速度時，隨著列車速度進一步降低，電制動力也同時減小，在列車降到大約0.5 km/h時電制動力衰退到0，然后TCMS發(fā)出施加保持制動力的命令，即在列車速度極低快要停車時由BCU施加空氣制動確保列車停車安全。圖3為EB0控制模式下，ATO自動駕駛減速進站停車過程的記錄數(shù)據(jù)，幾乎是在列車停車時才發(fā)出保持制動施加指令，BCU執(zhí)行該指令施加了空氣制動，這種控制模式充分發(fā)揮了電制動力，幾乎不需要BCU施加空氣制動就可以實現(xiàn)停車控制。

圖4給出了非EB0控制模式的電制動向空氣制動轉(zhuǎn)換過程。在非EB0控制模式下，通常在列車速度降為5 km/h左右時，由TCMS發(fā)出電空轉(zhuǎn)換指令，延時一定時間后電制動力開始按固定速度衰退到0，而BCU在收到電空轉(zhuǎn)換指令后按固定速率增加空氣制動力。這種電空制動轉(zhuǎn)換模式是目前大部分城軌列車制動過程的電制動向空氣制動轉(zhuǎn)換時的配合模式。圖5為非EB0控制模式下，ATO自動駕駛減速進站停車過程的記錄數(shù)據(jù)，可以看到在列車速度在5 km/h時給出了電空制動切換指令，停車過程中電制動力與空氣制動力并存，ATO自動定位停車誤差增大。試驗結(jié)果表明：與EB0模式相比，非EB0模式下列車停車誤差會增大10～20 cm。

圖2 EB0電空轉(zhuǎn)換模式示意圖

圖3 EB0模式ATO自動駕駛進站停車過程中的電空制動轉(zhuǎn)換

圖4 非EB0電空轉(zhuǎn)換模式示意圖

2 實際應用

圖6給出了實際運營過程中ATO自動駕駛在兩站間運行數(shù)據(jù)記錄，可以看到：列車運行過程中主要進行了2次持續(xù)調(diào)速控制，全部由電制動力承擔。在后期50 km/h的速度進站調(diào)速開始，一直到列車速度降低到2 km/h左右時一直使用電制動力，只有在速度很低時(2 km/h以下)由于電制動力已無法增大來滿足列車制動力需求，所以在拖車上補充了空氣制動，而在列車即將停車(速度低于0.5 km/h)時，TCMS給出了施加保持制動力指令，所以在動拖車的制動缸壓力不斷增加到保持制動所需要壓力。

圖5 非EB0模式ATO自動駕駛時進站停車過程中的電空制動轉(zhuǎn)換

圖6 武漢軌道交通2號線ATO自動駕駛進站停車控制過程(全程由電制動力承擔)

圖7為運行20萬km后的車輪踏面與閘瓦照片，可以看到：車輪踏面及閘瓦磨損狀態(tài)良好。輪徑測量結(jié)果表明：車輪踏面磨耗量僅為2.4 mm左右。

圖7 運行20萬km后的閘瓦及踏面

3 結(jié)束語

(1)由TCMS實現(xiàn)對牽引系統(tǒng)電制動力進行管理，

可以提高牽引系統(tǒng)發(fā)揮電制動力的響應速度，同時采用EB0模式對電空轉(zhuǎn)換進行控制更能充分利用電制動力，不但有利提高ATO自動駕駛停車精度，減少ATO自動駕駛高精度停車的調(diào)試強度，而且有助于減輕閘瓦及車輪踏面的磨耗。

(2)制動系統(tǒng)充分使用TCMS制動控制數(shù)據(jù)中的電制動力可能值，可以有效去除列車制動力需求變化時BCU補充的空氣制動，對于降低磨耗非常有效。

(3)借鑒本文介紹的EB0電空轉(zhuǎn)換控制模式，盡量降低電制動力衰退到0的速度點，同樣可以達到提高ATO定位停車控制精度及降低制動摩擦副磨耗的目的。

[1] 王鵬飛，樊貴新，王新海，等. 城軌車輛在ATO模式下停車精度問題的分析與探討[J] 鐵道機車車輛，2011， 31(6)：77-79.

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[3] 喬青峰. 地鐵車輛車輪踏面異常磨耗原因分析[J]. 鐵道機車車輛，2011， 3(2)：26-30.

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Electro-Pneumatic Braking Strategy and Its Application in Vehicle Brake System of Wuhan Metro Line 2

ZHUShengrui

(Wuhan Metro Group Co., Ltd., Wuhan 430060 Hubei, China)

This paper introduces the electro-pneumatic braking strategy of vehicle brake system for Wuhan Metro Line 2. It gives the full play to the electric braking force, reduces the unnecessary pneumatic braking force, and uses EB0 mode to control the switching process of electric braking and pneumatic braking. As a typical technique of brake control, the electro-pneumatic braking strategy is proved to be effective for accurate stopping under ATO control, and can reduce the wear loss between the braking pad and the wheel tread.

metro vehicle; electro-pneumatic braking; accurate stopping under ATO control; wheel tread wear

1008-7842 (2015) 03-0110-05

??)男，高級工程師(

2014-12-26)

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.27