地鐵列車清潔制動(dòng)控制方案探討

胡亞軍

地鐵列車清潔制動(dòng)控制方案探討

胡亞軍

為了有效解決列車緊急制動(dòng)距離超標(biāo)的問題，提出清潔制動(dòng)的概念，即為了清潔制動(dòng)摩擦副而施加的純空氣制動(dòng)。詳細(xì)介紹清潔制動(dòng)的基本控制策略，分析了清潔制動(dòng)的開始階段、過程控制階段、結(jié)束階段等具體控制方案，并對(duì)清潔制動(dòng)的維護(hù)設(shè)置進(jìn)行了闡述。

地鐵列車；清潔制動(dòng)；空氣制動(dòng)；電制動(dòng)

目前，地鐵列車常用制動(dòng)包含電制動(dòng)和空氣制動(dòng)（又稱摩擦制動(dòng)），兩者協(xié)調(diào)配合。電制動(dòng)由牽引電傳動(dòng)系統(tǒng)控制，空氣制動(dòng)由空氣制動(dòng)系統(tǒng)控制。通常情況下，常用制動(dòng)優(yōu)先使用電制動(dòng)，以便充分利用電制動(dòng)功能。當(dāng)電制動(dòng)力不足時(shí)，空氣制動(dòng)按總制動(dòng)力需求補(bǔ)充不足的制動(dòng)力。近年來，隨著牽引電傳動(dòng)技術(shù)的高速發(fā)展，電制動(dòng)能力越來越強(qiáng)大，在很多項(xiàng)目中，電制動(dòng)能力幾乎能夠完全滿足整列車的制動(dòng)力要求，列車在整個(gè)運(yùn)行速度區(qū)間內(nèi)幾乎不需要補(bǔ)充空氣制動(dòng)。這使得空氣制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)閘瓦與車輪踏面、閘片與制動(dòng)盤長期很少摩擦，影響到閘瓦或閘片表面的狀態(tài)，使得閘瓦或閘片的摩擦力下降，嚴(yán)重影響空氣制動(dòng)的性能。因此，列車需要經(jīng)常實(shí)施空氣制動(dòng)，使得閘瓦與車輪踏面、閘片與制動(dòng)盤產(chǎn)生一定程度的摩擦，以達(dá)到清潔摩擦副的效果，我們將這種為了清潔制動(dòng)摩擦副而施加的空氣制動(dòng)稱為清潔制動(dòng)。

1 實(shí)施清潔制動(dòng)的背景和目的

與常用制動(dòng)不同，緊急制動(dòng)作為關(guān)乎列車行車安全的最后一道屏障，為純空氣制動(dòng)，當(dāng)列車發(fā)生意外脫鉤、主風(fēng)缸欠壓等嚴(yán)重故障影響行車安全時(shí)，空氣制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)施加緊急制動(dòng)。

然而，在多個(gè)城市的地鐵運(yùn)營過程中，曾經(jīng)一度出現(xiàn)緊急制動(dòng)距離超標(biāo)這一現(xiàn)象。緊急制動(dòng)距離指列車在某種速度時(shí)從緊急制動(dòng)指令發(fā)出至停車這個(gè)過程的列車行駛距離，通常對(duì)緊急制動(dòng)距離有嚴(yán)格的距離考核要求，如果緊急制動(dòng)距離超標(biāo)，則會(huì)對(duì)行車安全造成嚴(yán)重安全隱患。那么，引起緊急制動(dòng)距離超標(biāo)的原因是什么呢？通過調(diào)查分析后發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)重要原因是，由于電制動(dòng)能力較強(qiáng)，常用制動(dòng)極少需要空氣制動(dòng)參與，這使得空氣制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)閘瓦或閘片長期很少與車輪踏面或制動(dòng)盤摩擦，影響到閘瓦或閘片表面的狀態(tài)，由于表面材料摩擦系數(shù)發(fā)生變化而產(chǎn)生特殊的硬化層物質(zhì)，最終使得閘瓦或閘片的摩擦力下降，當(dāng)施加緊急制動(dòng)時(shí)，導(dǎo)致緊急制動(dòng)距離延長，超出正常誤差范圍。

為了改善制動(dòng)閘瓦或閘片的表面狀態(tài)，使其處于正常工作狀態(tài)，列車需要定期或不定期實(shí)施空氣制動(dòng)，使得閘瓦與車輪踏面、閘片與制動(dòng)盤產(chǎn)生一定程度的摩擦，以達(dá)到清潔摩擦副的效果，并且應(yīng)該在列車速度較高時(shí)進(jìn)行摩擦，這是因?yàn)榈退贂r(shí)摩擦效果不明顯。

通過實(shí)施清潔制動(dòng)，制動(dòng)閘瓦與車輪踏面、制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤能夠得到清潔，使其處于正常工作狀態(tài)，從而為緊急制動(dòng)提供了基礎(chǔ)保障，保證緊急制動(dòng)距離在正常誤差范圍之內(nèi)，最終有效避免和解決了緊急制動(dòng)距離超標(biāo)這一問題。

2 清潔制動(dòng)控制方案

2.1 基本控制策略

列車施加常用制動(dòng)時(shí)，電制動(dòng)力優(yōu)先施加，如果電制動(dòng)力無法滿足總的制動(dòng)力需求，那么不足的制動(dòng)力由空氣制動(dòng)補(bǔ)充，這一控制方式被稱為電空混合制動(dòng)。然而，由于目前很多項(xiàng)目中的電制動(dòng)能力足以滿足列車在定員（AW2）工況（甚至AW2以上工況）時(shí)的總制動(dòng)力需求，僅僅在低速區(qū)間（通常當(dāng)列車速度小于7 km/h時(shí)）才實(shí)施電空混合制動(dòng)，空氣制動(dòng)才有機(jī)會(huì)施加。此外，即便在低速時(shí)列車施加空氣制動(dòng)，低速時(shí)閘瓦與車輪踏面、閘片與制動(dòng)盤之間摩擦所產(chǎn)生的能量仍然不足以對(duì)摩擦副起到預(yù)期的清潔效果，因此，為了達(dá)到清潔摩擦副的目的，則需要列車在區(qū)間高速運(yùn)行時(shí)施加不由電制動(dòng)參與的純空氣制動(dòng)，在某個(gè)特定的時(shí)間段內(nèi)將電制動(dòng)臨時(shí)禁止，一旦完成這種清潔制動(dòng)之后，再立即將電制動(dòng)恢復(fù)正常。

通過上述分析，我們認(rèn)為清潔制動(dòng)控制方案中需要解決的幾個(gè)關(guān)鍵問題是：①清潔制動(dòng)開始控制策略，即解決電制動(dòng)在什么時(shí)候禁止、電制動(dòng)由誰禁止的問題；②清潔制動(dòng)過程控制策略，即解決在清潔制動(dòng)持續(xù)過程中，空氣制動(dòng)及電制動(dòng)各自處于何種狀態(tài)的問題；③清潔制動(dòng)結(jié)束控制策略，即解決電制動(dòng)在什么時(shí)候恢復(fù)、電制動(dòng)由誰控制恢復(fù)的問題。

為此，首先需要表示出列車在2個(gè)站臺(tái)之間運(yùn)行的全過程，一般來講，列車從上一站開始運(yùn)行至下一站結(jié)束這個(gè)完整過程如圖1所示（假定線路為平直軌道），其中包括：列車啟動(dòng)（t0）、加速（t0～t2）、惰行（t2～t3）、減速（t3～t7，其中t4～t5為中間調(diào)速階段）、停車（t7）等階段。

圖1 站-站之間列車運(yùn)行過程示意圖

其次，考慮清潔制動(dòng)具體該如何控制實(shí)現(xiàn)的問題。究其本質(zhì)，清潔制動(dòng)即為不由電制動(dòng)參與的純空氣制動(dòng)，因此，方案的核心問題是如何控制牽引系統(tǒng)使其在某段特定的時(shí)間內(nèi)禁止施加電制動(dòng)，鑒于此，提出由列車控制與管理系統(tǒng)（TCMS）、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)共同配合實(shí)現(xiàn)清潔制動(dòng)的具體方案，該方案的控制流程圖如圖2所示。

圖2 清潔制動(dòng)控制流程圖

由圖2可以看出，TCMS在方案中起了十分重要的作用，TCMS作為列車的神經(jīng)中樞，可以通過列車通信網(wǎng)絡(luò)向牽引系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)等列車各子系統(tǒng)發(fā)送網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并且具有傳輸速率快、可靠性高的特點(diǎn)。本方案中，由TCMS負(fù)責(zé)判斷列車清潔制動(dòng)開始和結(jié)束的條件，如果條件滿足，TCMS則向空氣制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送開始或結(jié)束清潔制動(dòng)的請(qǐng)求，空氣制動(dòng)系統(tǒng)收到TCMS發(fā)送的請(qǐng)求信號(hào)后，向牽引系統(tǒng)發(fā)送禁止或恢復(fù)電制動(dòng)指令，以控制純空氣的清潔制動(dòng)的施加。

下面，結(jié)合圖1和圖2，對(duì)清潔制動(dòng)控制方案中的主要階段進(jìn)行詳細(xì)探討分析。

2.2 清潔制動(dòng)開始

清潔制動(dòng)開始的基本前提條件包括：時(shí)間條件以及列車速度條件，只有當(dāng)TCMS判斷這2個(gè)條件均已滿足，TCMS才會(huì)發(fā)出清潔制動(dòng)開始請(qǐng)求，再由空氣制動(dòng)系統(tǒng)向牽引系統(tǒng)發(fā)出禁止電制動(dòng)指令，開始執(zhí)行清潔制動(dòng)。

（1）清潔制動(dòng)開始的時(shí)間條件。為了達(dá)到清潔摩擦副的效果，空氣制動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)商通常建議每天執(zhí)行2次清潔制動(dòng)。為了不影響列車的正常運(yùn)營，我們認(rèn)為在每天列車運(yùn)營的早高峰之后實(shí)施清潔制動(dòng)較為妥當(dāng)。因此，一般選取每天上午10∶00以后作為清潔制動(dòng)開始的時(shí)間條件，TCMS判斷當(dāng)前的時(shí)刻位于10∶00之后時(shí)，即認(rèn)為清潔制動(dòng)開始的時(shí)間條件滿足。

（2）清潔制動(dòng)開始的速度條件。由于低速時(shí)制動(dòng)閘瓦與車輪踏面、閘片與制動(dòng)盤之間摩擦所產(chǎn)生的能量不足以對(duì)摩擦副起到預(yù)期的清潔效果，因而清潔制動(dòng)必須滿足一定的速度條件，即當(dāng)前列車速度達(dá)到某個(gè)速度值（臨界值）以上時(shí)，TCMS即認(rèn)為清潔制動(dòng)開始的速度條件滿足。通常選取的此臨界值在60 km/h以上。

清潔制動(dòng)開始控制方案中，T C M S判斷當(dāng)前時(shí)刻是否處于上午10∶00之后，假設(shè)圖1中t0點(diǎn)表示10∶00這一時(shí)刻，于是所有t0點(diǎn)之后的時(shí)間點(diǎn)均滿足清潔制動(dòng)開始的時(shí)間條件。當(dāng)列車運(yùn)行至t1點(diǎn)時(shí)，速度達(dá)到清潔制動(dòng)起始速度臨界值v2，因此，當(dāng)列車運(yùn)行至點(diǎn)（t1，v2）時(shí)，TCMS對(duì)當(dāng)天已實(shí)施的清潔制動(dòng)次數(shù)n加以判斷，如果n≥2，則本次清潔制動(dòng)控制過程結(jié)束，當(dāng)天不再進(jìn)行清潔制動(dòng)；如果n＜2，由于列車速度達(dá)到了清潔制動(dòng)起始速度臨界值v2，則TCMS向空氣制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出開始清潔制動(dòng)的請(qǐng)求。

空氣制動(dòng)系統(tǒng)收到TCMS發(fā)送的開始清潔制動(dòng)請(qǐng)求信號(hào)之后，接下來當(dāng)列車發(fā)出制動(dòng)指令時(shí)（圖1中從t3點(diǎn)開始列車發(fā)出制動(dòng)指令），空氣制動(dòng)系統(tǒng)向牽引系統(tǒng)發(fā)送禁止電制動(dòng)指令，從而電制動(dòng)被禁止，列車只施加純空氣制動(dòng)，即清潔制動(dòng)開始實(shí)施。

2.3 清潔制動(dòng)過程控制

在清潔制動(dòng)開始實(shí)施后、TCMS發(fā)出結(jié)束清潔制動(dòng)指令之前的這個(gè)過程中，空氣制動(dòng)發(fā)出的禁止電制動(dòng)指令始終保持有效，電制動(dòng)始終被禁止，列車僅施加純空氣的清潔制動(dòng)，圖1中t3～t6這個(gè)階段即為清潔制動(dòng)實(shí)際施加過程，在此階段，列車不一定一直處于制動(dòng)狀態(tài)，其中t4～t5表示列車在區(qū)間內(nèi)正常調(diào)速，速度會(huì)上下小幅波動(dòng)，從t5開始，列車又恢復(fù)至制動(dòng)減速階段。在清潔制動(dòng)實(shí)施過程t3～t6，電制動(dòng)始終處于禁止?fàn)顟B(tài)。

2.4 清潔制動(dòng)結(jié)束

當(dāng)列車施加清潔制動(dòng)直至列車速度降低到v1以下時(shí)，TCMS向空氣制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出結(jié)束清潔制動(dòng)的請(qǐng)求。清潔制動(dòng)結(jié)束這一控制方案如圖3所示。

圖3 清潔制動(dòng)結(jié)束控制示意圖

當(dāng)速度降低至v1之前（即速度大于v1時(shí)），列車處于清潔制動(dòng)施加過程，電制動(dòng)為禁止?fàn)顟B(tài)，因而電制動(dòng)力為0，空氣制動(dòng)力為最大值；當(dāng)速度降低至v1及以下時(shí)，TCMS向空氣制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)出結(jié)束清潔制動(dòng)請(qǐng)求，清潔制動(dòng)過程即將結(jié)束，因此，v1稱作清潔制動(dòng)末速度臨界值，通常v1數(shù)值在30～40 km/h之間選取。如圖3所示，在v1點(diǎn)空氣制動(dòng)系統(tǒng)接收到TCMS發(fā)出的結(jié)束清潔制動(dòng)請(qǐng)求后，經(jīng)過一定的延時(shí)（該延時(shí)稱作空氣制動(dòng)退出響應(yīng)時(shí)間，具體時(shí)間長度由當(dāng)前制動(dòng)級(jí)位大小、制動(dòng)缸壓力、制動(dòng)指令傳輸延時(shí)等因素決定）之后，速度值降低至v'，此時(shí)空氣制動(dòng)將電制動(dòng)禁止指令復(fù)位，即不再發(fā)出電制動(dòng)禁止指令，電空轉(zhuǎn)換正式開始：電制動(dòng)力開始逐漸上升，空氣制動(dòng)力開始逐漸下降，其中上升曲線和下降曲線變化的斜率相等（斜率值通常與列車沖擊極限相等），以實(shí)現(xiàn)電制動(dòng)和空氣制動(dòng)的平滑過渡和轉(zhuǎn)換。當(dāng)速度降低至v'' 時(shí)，電制動(dòng)力完全恢復(fù)，空氣制動(dòng)力完全退出，本次清潔制動(dòng)過程結(jié)束。

實(shí)施1次完整的清潔制動(dòng)需要經(jīng)歷清潔制動(dòng)開始、過程控制、清潔制動(dòng)結(jié)束階段。TCMS記錄當(dāng)天清潔制動(dòng)已實(shí)施次數(shù)（初始值為0），當(dāng)每次清潔制動(dòng)結(jié)束之后，TCMS將已實(shí)施次數(shù)n＋1保存并判斷是否小于2，如果當(dāng)天清潔制動(dòng)已實(shí)施次數(shù)小于2，則當(dāng)天可以再次實(shí)施清潔制動(dòng)；反之，當(dāng)天不再實(shí)施清潔制動(dòng)。

3 清潔制動(dòng)維護(hù)設(shè)置

為了便于在列車實(shí)際運(yùn)營時(shí)對(duì)清潔制動(dòng)這一功能進(jìn)行維護(hù)，我們?cè)赥CMS維護(hù)軟件中增加了對(duì)清潔制動(dòng)的維護(hù)功能，軟件界面如圖4所示，列車維護(hù)人員不但可以重新設(shè)置清潔制動(dòng)的啟用時(shí)間（默認(rèn)時(shí)間為上午10∶00，重設(shè)的時(shí)間在TCMS設(shè)備掉電后丟失，再次上電后恢復(fù)為默認(rèn)時(shí)間），并且可以設(shè)置清潔制動(dòng)的使能狀態(tài)，即激活或禁用，只有當(dāng)使能狀態(tài)設(shè)置為激活狀態(tài)時(shí)，才允許列車使用清潔制動(dòng)功能，如果設(shè)置為禁用狀態(tài)，則禁止列車使用清潔制動(dòng)功能。

圖4 維護(hù)軟件中清潔制動(dòng)設(shè)置界面

此外，列車維護(hù)人員能夠通過司機(jī)室顯示屏（DDU）查看當(dāng)前列車清潔制動(dòng)的使能狀態(tài)。圖5示意DDU制動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)界面，最后一行表示清潔制動(dòng)使能狀態(tài)，綠點(diǎn)表示激活狀態(tài)，紅點(diǎn)表示禁用狀態(tài)。

圖5 DDU制動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)界面

4 結(jié)語

列車實(shí)施清潔制動(dòng)能夠使制動(dòng)摩擦副處于正常工作狀態(tài)，從而為緊急制動(dòng)提供了基礎(chǔ)保障，有效解決了制動(dòng)距離超標(biāo)這一問題。本文所述列車清潔制動(dòng)實(shí)施控制方案中，清潔制動(dòng)控制包括清潔制動(dòng)開始、過程控制、清潔制動(dòng)結(jié)束階段，該方案由TCMS、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)共同配合完成，其中TCMS發(fā)揮了清潔制動(dòng)開始和結(jié)束條件判斷、發(fā)送清潔制動(dòng)開始和結(jié)束請(qǐng)求指令等關(guān)鍵控制作用，而空氣制動(dòng)系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)則充當(dāng)了TCMS指令執(zhí)行者。此外，列車維護(hù)人員能夠通過TCMS維護(hù)軟件對(duì)清潔制動(dòng)功能進(jìn)行啟用時(shí)間設(shè)置、使能狀態(tài)設(shè)置等維護(hù)操作，并通過司機(jī)顯示屏查看其使能狀態(tài)。

[1] GB 50157-2013 地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] 王冬雷. 地鐵車輛電空混合制動(dòng)平滑過渡問題分析及改進(jìn)建議[J]. 電力機(jī)車與城軌車輛，2010，33 (3).

[3] 馬喜成. 上海軌道交通4號(hào)線地鐵車輛緊急制動(dòng)功能分析與計(jì)算[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2007，30 (3).

[4] 錢華，余接任，譚壽云. 基于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸模式的列車制動(dòng)電空混合控制的改進(jìn)[J]. 機(jī)車電傳動(dòng)，2014 (3).

責(zé)任編輯 冒一平

Discussion on Control Scheme of Metro Train Clean Brakes

Hu Yajun

In order to effectively solve the problem of train emergency brake distance exceeding, the paper puts forward the concept of clean brake i.e. pure air brake applied to clean the brake friction pair. The basic control strategy of clean brake is introduced in detail, and the control schemes for starting stage, process control stage and end stage, are analyzed. It also introduces the clean brake maintenance setting up.

metro train, clean brake, air brake, electric brake

U260.35

2015-02-04

胡亞軍：南車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司動(dòng)車設(shè)計(jì)部，工程師，江蘇南京 210031