一種空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖功能的故障分析與改進(jìn)

張紅江，綦聲波，劉丙林

(1 中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東青島266100;

2 青島地鐵集團(tuán)有限公司 運(yùn)營分公司，山東青島266000)

一種空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖功能的故障分析與改進(jìn)

張紅江1，綦聲波1，劉丙林2

(1 中國海洋大學(xué) 工程學(xué)院，山東青島266100;

2 青島地鐵集團(tuán)有限公司 運(yùn)營分公司，山東青島266000)

分析了某軌道交通地鐵車輛空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖功能的控制邏輯，指出了該控制邏輯存在的嚴(yán)重缺陷，得出在保持制動(dòng)施加情況下導(dǎo)致列車抱閘牽引運(yùn)行的原因。針對控制邏輯存在的缺陷，提出了空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖控制邏輯的改進(jìn)方案，該方案采用故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)理念，控制邏輯完善可靠，能夠?yàn)榱熊囂峁?qiáng)有力的安全保護(hù)。

制動(dòng)系統(tǒng);空氣制動(dòng);保持制動(dòng);牽引封鎖;失效

軌道交通運(yùn)營中必須保證車輛的安全運(yùn)營，這就要求在軌道車輛設(shè)計(jì)時(shí)以故障導(dǎo)向安全作為基本的設(shè)計(jì)原則。某市軌道交通地鐵車輛要求列車TMS系統(tǒng)應(yīng)具有空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖功能，即當(dāng)列車施加空氣制動(dòng)時(shí)應(yīng)當(dāng)封鎖牽引指令禁止列車實(shí)施牽引。該市軌道交通地鐵車輛根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)由列車TMS控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上述功能。但是，該地鐵列車運(yùn)營3年后發(fā)生了一次因部分轉(zhuǎn)向架保持制動(dòng)未緩解(屬于空氣制動(dòng)施加方式)卻仍就可以牽引行駛的故障。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該車輛發(fā)生這次故障之前設(shè)計(jì)的氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖功能具有一定缺陷，導(dǎo)致在系統(tǒng)異常情況下空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖功能失效。

1 故障經(jīng)過及現(xiàn)象

1.1 故障現(xiàn)象

2012年某軌道交通地鐵車輛以ATO模式進(jìn)行駕駛，在運(yùn)營中發(fā)現(xiàn)A019車車廂內(nèi)有刺激性氣味及煙霧(無明火，駕駛端A019)，造成該次列車清客退出服務(wù)，并嚴(yán)重影響線路運(yùn)營。

列車回庫后，檢查發(fā)現(xiàn)A019/B019車除A019車四軸以外(該軸安裝了信號測速裝置，為測速準(zhǔn)確，該軸在ATO運(yùn)行時(shí)空氣制動(dòng)被切除)，其余7條軸上共計(jì)14個(gè)制動(dòng)盤均有明顯因高溫發(fā)藍(lán)的現(xiàn)象，如圖1所示，抽取發(fā)藍(lán)盤的閘片與正常盤的閘片對比，發(fā)藍(lán)盤閘片摩擦面有輕微焦灼，如圖2所示。

1.2 視頻監(jiān)控回放和事件記錄儀數(shù)據(jù)分析

通過列車視頻監(jiān)控的錄像回放，可以發(fā)現(xiàn):(1)操縱臺(tái)右側(cè)的氣制動(dòng)施加指示燈一直點(diǎn)亮。(2)TMS顯示屏監(jiān)控主頁界面A019/B019車轉(zhuǎn)向架除A019車四軸以外的制動(dòng)狀態(tài)都顯示為紅色(制動(dòng))狀態(tài)。(3)操縱臺(tái)右上方的制動(dòng)氣壓表氣壓指示有較大的保持制動(dòng)壓力，制動(dòng)處于未緩解狀態(tài)。

圖1 發(fā)藍(lán)制動(dòng)盤

圖2 發(fā)藍(lán)盤對應(yīng)閘片(右側(cè))摩擦面有輕微焦灼，左側(cè)為正常閘片

下載ER事件記錄儀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，A019/B019車從某站開始施加空氣制動(dòng)后一直未緩解(高電平表示施加，低電平表示緩解)，見圖3中紅框內(nèi)。在此站之前的還有多次制動(dòng)施加緩解過程，但此單元?jiǎng)幼饕雅c其他單元存在差異。

圖3 事發(fā)前后的ER曲線截屏(部分)

1.3 TMS故障記錄

檢查TMS列車管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)B019單元短時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)有大量濾波電容2欠電壓故障，見圖4。拆開B019車牽引逆變器箱蓋后，發(fā)現(xiàn)逆變器輸入濾波電容2左上角已燒損開裂，已無法正常使用，見圖5。

圖4 TMS故障數(shù)據(jù)B019單元濾波電容欠電壓

圖5 燒損開裂的濾波電容

2 空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖失效分析

2.1 空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖的設(shè)計(jì)邏輯

發(fā)生此次的故障地鐵車輛設(shè)計(jì)有空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖功能，此功能是根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)傳輸?shù)南嚓P(guān)數(shù)據(jù)由列車TMS控制系統(tǒng)通過軟件邏輯實(shí)現(xiàn)的，由列車TMS控制系統(tǒng)輸出接口驅(qū)動(dòng)空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖繼電器PbPR。其邏輯如圖6所示。

根據(jù)圖6，列車制動(dòng)系統(tǒng)將每個(gè)制動(dòng)控制單元的制動(dòng)狀態(tài)和保持制動(dòng)狀態(tài)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給TMS控制系統(tǒng)，由TMS控制器控制PbPR繼電器的工作狀態(tài)，對應(yīng)的控制時(shí)序圖，見圖7。在不考慮TMS顯示屏軟件旁路功能的情況下，即Y4=0時(shí)，實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)列車由靜止?fàn)顟B(tài)下起動(dòng)時(shí)，列車處于保持制動(dòng)施加狀態(tài)(Y3=1)，雖然同時(shí)空氣制動(dòng)施加(Y2=1)，但是為了讓列車正常起動(dòng)起來具有速度，仍舊允許靜止的列車可以發(fā)出牽引指令(Y5=1)，列車開始起動(dòng)加速。這種情況下，圖6中的TD定時(shí)器未開始定時(shí)，即Y3=Y3"=1。

圖6 控制邏輯

(2)列車電機(jī)轉(zhuǎn)矩達(dá)到一定值時(shí)，牽引系統(tǒng)發(fā)出保持制動(dòng)緩解請求信號給制動(dòng)控制單元，當(dāng)所有制動(dòng)控制單元的保持制動(dòng)緩解(Y3=0)時(shí)，由于制動(dòng)缸排氣需要一定時(shí)間大約3 s，導(dǎo)致空氣制動(dòng)由施加(Y2=1)變?yōu)榫徑?Y2=0)狀態(tài)落后于保持制動(dòng)由施加(Y3=1)變?yōu)榫徑?Y3=0)狀態(tài)約 3 s。當(dāng)所有保持制動(dòng)都緩解(Y3=0)時(shí)，TD定時(shí)器開始計(jì)時(shí)，繼續(xù)使Y3"=1保持4.5 s，從而允許牽引(Y5=1)，4.5 s后Y3"=Y3=0，而Y2=0，從而將繼續(xù)允許牽引(Y5=1)。如果不采用定時(shí)器延時(shí)4.5 s使Y3"=1，則列車在起動(dòng)過程中將由于保持制動(dòng)緩解(Y3"=Y3=0)但空氣制動(dòng)施加(Y2=1)導(dǎo)致封鎖牽引(Y5=0)，造成列車在起動(dòng)過程中由牽引加速狀態(tài)突然失去牽引力變?yōu)槎栊?，約3 s后空氣制動(dòng)緩解(Y2=0)繼續(xù)牽引加速，進(jìn)入正常運(yùn)行。

圖7 控制時(shí)序圖

(3)延時(shí)4.5 s后，列車在正常運(yùn)行過程中所有制動(dòng)控制單元的保持制動(dòng)都應(yīng)是緩解狀態(tài)(Y3=0)，如果此時(shí)任何一個(gè)單元的空氣制動(dòng)施加(Y2=1)，則將實(shí)現(xiàn)牽引封鎖(Y5=0);

本次研究以PO2、PCO2、6 min步行實(shí)驗(yàn)、術(shù)后住院天數(shù)、胸管留置時(shí)間、胸管引流總量為效果判定指標(biāo)。6 min步行實(shí)驗(yàn)以病房區(qū)走廊內(nèi)的30 m為范疇，要求患者在下午3時(shí)到4時(shí)之間進(jìn)步行，并測試步行前后的脈氧、脈搏、血壓等指標(biāo)。同時(shí)，以Borg分級方法對胸外科患者的呼吸困難及全身疲勞情況進(jìn)行評價(jià)，共劃分為四個(gè)等級：1級不足300 m；2級介于300 m到375 m；3級介于375 m到450 m；4級超過450 m。級別越高則說明胸外科患者的心肺功能恢復(fù)情況越高，3級或者4級是心肺功能正常的表現(xiàn)。

2.2 故障原因

在ATO模式下，根據(jù)故障現(xiàn)象采用模擬方式對列車的故障進(jìn)行了再現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)由于牽引逆變器VVVF濾波電容器2開裂，無法正常工作的VVVF控制單元輸出的電制動(dòng)退出指令異常。通過制動(dòng)軟件的監(jiān)測數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)無法正常工作的VVVF給G閥傳輸?shù)碾娭苿?dòng)退出指令一直處于高電平。電制動(dòng)退出指令應(yīng)當(dāng)在制動(dòng)狀態(tài)下、電制動(dòng)與空氣制動(dòng)混合前才給出高電平，其余時(shí)間應(yīng)當(dāng)是低電平狀態(tài)。電空制動(dòng)混合的邏輯指令時(shí)序圖，見圖8。

根據(jù)制動(dòng)系統(tǒng)廠商的解釋，制動(dòng)控制單元的保持制動(dòng)緩解的條件是:牽引請求指令高電平、保持制動(dòng)請求低電平，且電制動(dòng)力退出指令低電平。

通過故障模擬驗(yàn)證，ATO情況下在牽引過程中故 障單元VVVF一直輸出電制動(dòng)力退出指令低電平，造成故障動(dòng)力單元的制動(dòng)單元無法緩解保持制動(dòng);根據(jù)圖7的時(shí)序圖可知，由于故障單元的制動(dòng)單元保持制動(dòng)無法緩解，TD定時(shí)器沒有啟動(dòng)定時(shí)，導(dǎo)致Y3"=Y3=1，是造成列車抱閘牽引事故的直接原因。

圖8 電制動(dòng)與空氣制動(dòng)混合過程時(shí)序圖

由于保持制動(dòng)的功能是在列車制動(dòng)停止時(shí)，由空氣制動(dòng)系統(tǒng)對列車施加一定的制動(dòng)力防止列車在坡道上向后溜車，因此它在列車具有一定速度后應(yīng)當(dāng)緩解。而故障車輛TMS網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)的空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖功能沒有考慮采用速度信號作為保持制動(dòng)不緩解時(shí)封鎖牽引的條件，同時(shí)制動(dòng)控制系統(tǒng)的保持制動(dòng)緩解條件也沒有采用速度信號，因此兩者的軟件邏輯設(shè)計(jì)都存在缺陷。這是導(dǎo)致故障狀態(tài)下空氣制動(dòng)牽引封鎖失效的根本原因。

3 空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖邏輯改進(jìn)

為徹底杜絕列車運(yùn)行過程中出現(xiàn)保持制動(dòng)施加或制動(dòng)施加仍舊允許抱閘牽引的情況，必須對空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖邏輯及制動(dòng)控制系統(tǒng)系統(tǒng)的保持制動(dòng)緩解條件加以改進(jìn)和完善。從TMS系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)兩個(gè)方面考慮，都將速度信號作為空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖功能實(shí)施的邏輯條件之一。

3.1 制動(dòng)系統(tǒng)方面的防護(hù)邏輯

圖9 制動(dòng)控制單元保持制動(dòng)控制邏輯

3.2 TMS系統(tǒng)方面的防護(hù)邏輯

當(dāng)TMS控制系統(tǒng)檢測到列車速度大于15 km/h (可根據(jù)情況調(diào)整速度大小)時(shí)，若制動(dòng)控制單元仍舊未緩解保持制動(dòng)，則TMS控制系統(tǒng)輸出切除牽引指令。上述條件下輸出了切除牽引指令之后，只有當(dāng)TMS檢 測到保持制動(dòng)緩解或者檢測到列車速度變?yōu)?km/h時(shí)才允許再次輸出牽引允許指令，見圖10。

圖10 TMS空氣制動(dòng)牽引封鎖控制邏輯

3.3 改進(jìn)效果

采用上述方案對該軌道交通車輛的控制邏輯進(jìn)行改進(jìn)后，經(jīng)過現(xiàn)車驗(yàn)證，可以徹底杜絕列車運(yùn)行過程中出現(xiàn)保持制動(dòng)施加或制動(dòng)施加仍舊允許抱閘牽引的情況，方案效果良好。

4 結(jié)束語

分析得出某軌道交通地鐵空氣制動(dòng)牽引封鎖失效的根本原因在于沒有采用速度信號作為保持制動(dòng)不緩解時(shí)封鎖牽引的條件，也沒有將速度信號作為制動(dòng)控制系統(tǒng)的保持制動(dòng)緩解條件。對此缺陷，提出了空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖控制邏輯的改進(jìn)方案，該方案從TMS系統(tǒng)和制動(dòng)系統(tǒng)兩個(gè)方面設(shè)計(jì)空氣制動(dòng)牽引起動(dòng)封鎖的防護(hù)邏輯，可以有效防止列車運(yùn)行過程中出現(xiàn)制動(dòng)施加狀態(tài)下繼續(xù)牽引的故障。

［1］ Mitsubishi Electric Co.，F(xiàn)unction Desefiption 0f TMS，Version E［Z］，2008.

［2］ Mitsubishi Electric Co.，Blending control for electric brake and pneumatic brake，Version K［Z］，2005.

Failure Analysis and Improvement for a Function on Traction Starting Interlock Protection Applied Pneumatic Braking

ZHANG Hongjiang1，QI Shengbo1，LIU Binglin2
(1 College of Engineering，Ocean University of China，Qingdao 266100 Shandong，China; 2 Operation Branch，Qingdao Metro Group Co.，Ltd.，Qingdao 266000 Shandong，China)

This paper analyzes the control logic for traction starting interlock applied pneumatic brake on one of the Urban rail vehicles，and points out the defect of this logic and the cause that the train is continuously running when holding brake or pneumatic brake is applied.For the defect，this paper proposes the improvement scheme on traction starting interlock protection applied pneumatic brake.The control logic of this scheme is perfect and reliable for its fault-safety principle，so it is believed that it can provide strong protection for the train.

braking system;pneumatic brake;holding brake;traction starting interlock;fault

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008－7842.2015.02.30

1008－7842(2015)02－0125－05

8—)男，高級工程師(

2014－08－31)