地鐵列車制動系統(tǒng)故障原因分析及改進

王仁慶

(南京地鐵建設有限責任公司 江蘇 南京 210017)

0 引言

制動系統(tǒng)是地鐵列車的關鍵核心子系統(tǒng)之一，其可靠性和穩(wěn)定性直接關系到列車行車安全[1]，任何制動系統(tǒng)的故障或質量問題都可能造成重大安全事故。因此車輛制動系統(tǒng)表現出的任何非正常問題均應該引起高度重視和充分關注，對發(fā)生故障的原因進行深入分析，根據故障原因采取相應整改措施和有效方案，以確保列車運行的絕對安全。

下面結合南京某線正在調試中的地鐵列車制動系統(tǒng)發(fā)生的一例典型故障進行原因分析并提出改進措施。2018年5月在南京某地鐵線路正式運營前的車輛正線調試過程中，某列車在進站制動時A1車報制動檢測到滑行(一軸滑行，防滑控制失效長達7.195 s)、防滑失效、制動抱死、轉向架EP不可用、制動重故障等故障信息。

1 列車概況及制動系統(tǒng)介紹

該線列車為最高運行速度100 km/h的四節(jié)編組(動拖比為3∶1)B型車，編組型式為“=A1+ B1+B2+A2=”，其中：A1、A2車為半動車，即一位端轉向架無動力，二位端轉向架為動力轉向架；B1、B2車為2個轉向架均是動力轉向架的全動車。列車制動系統(tǒng)采用高度集成的機電一體化產品[2]，每輛車上設有2個制動微機控制單元，其集成了電子控制和氣電轉換的所有功能，用來控制列車空氣制動的執(zhí)行，進行狀態(tài)監(jiān)視及回饋，提供空氣制動車輪防滑控制。制動控制采用“架控”模式，車輪防滑保護采用“軸控”模式。每列車的制動微機控制單元的配置如圖1所示。

圖1 空氣制動微機控制單元配置圖

2 防滑控制原理及故障原因分析

在該列車進站制動時，A1車報出制動檢測到滑行、防滑失效、制動抱死、轉向架EP不可用、制動重故障等故障信息后，檢修人員在第一時間檢查了列車制動系統(tǒng)，外觀檢查發(fā)現通往A1車一位端轉向架1、2軸制動缸的制動管路接反。隨后收集了相關的數據記錄，并進行了分析。

2.1 列車制動系統(tǒng)防滑控制原理

空氣制動防滑系統(tǒng)主要由速度傳感器、防滑控制器及防滑排風閥組成。速度傳感器在速度很低時仍可準確地檢測速度，防滑排風閥用于在發(fā)生制動滑行時對單個軸的空氣制動進行緩解，以消除制動滑行。

空氣制動防滑控制采用兩種滑行探測方法來判定是否存在滑行情況[3]：

(1)速度差判據：當某一軸速度低于參考速度(基準速度)，達到判定滑行數值；

(2)減速度判據：當某一軸的減速度達到判定滑行數值。

當出現以上任何一種情況時，就判定該軸發(fā)生了制動滑行，防滑控制系統(tǒng)首先會通過防滑排風閥切斷中繼閥到該軸制動缸的通路，使制動缸保壓(壓力不再增大)，如果滑行較大或保壓后滑行持續(xù)增大，防滑閥還可以排出一部分制動缸的壓力空氣，減小該軸上的制動力，以減小該軸上的滑行程度，使該軸恢復到黏著狀態(tài)。在黏著恢復再制動充風時，防滑控制系統(tǒng)首先會采用階段充風方式，一方面可以限制黏著恢復時再制動的縱向沖擊率，同時還可以減小黏著恢復過程中的再滑行幾率。

空氣制動在任何軸上不允許制動力連續(xù)降低長于5 s，在此期間之后，制動將自動恢復。當空氣制動滑行保護系統(tǒng)失效或故障時，空氣制動將維持施加而無滑行保護。

2.2 故障數據

從制動系統(tǒng)記錄數據(見圖2)來看，A1車一位端轉向架在補充空氣制動后1軸和2軸幾乎同時發(fā)生了滑行，滑行后1軸和2 軸幾乎同時對制動缸進行了排風控制。1軸排風后，軸速很快恢復。在1軸軸速恢復過程中1軸制動缸開始充風，充風后持續(xù)保壓了約5 s排風緩解，期間軸速一直正常。2軸排風后軸速恢復較慢，但排風后軸速下降速度有所減小，在2軸制動缸完全緩解后，軸速不僅沒有快速恢復，反而繼續(xù)下降直到完全抱死。2軸抱死約5 s后1軸制動缸排風緩解，緩解后2軸軸速很快恢復正常。

圖2 A1車一位端轉向架軸速和制動過程數據

分析滑行前后的動力轉向架(見圖3、圖4)數據發(fā)現，制動級位增大后動力轉向架的電制動出現了滑行，電制動系統(tǒng)進行了防滑控制，在電制動防滑控制后由于電制動力下降，在無動力轉向架上補充了空氣制動。電制動防滑控制約2 s后由于制動級位減小，B1車的電制動恢復正常，A1車二位端轉向架的電制動由于滑行超時而切除。由于整列車的電制動力滿足需求，所以制動級位減小后至電制動退出前，除A1車一位端轉向架外，其他轉向架都沒有補充空氣制動。

圖3 A1車二位端轉向架軸速和制動過程數據

圖4 B1車一位端轉向架軸速和制動過程數據

2.3 防滑失效和制動抱死原因分析

從制動系統(tǒng)記錄數據看(見圖2)，A1車一位端轉向架2軸在2軸制動缸完全緩解后，軸速不能恢復，但在1軸制動缸緩解后軸速很快恢復，數據記錄的過程與實際上一位端轉向架2個軸的制動缸管路接反是吻合的，因此防滑失效和制動抱死的原因是由于轉向架1、2軸制動缸管路接反造成的。

2.4 制動重故障原因分析

根據對記錄數據的分析，在出現滑行約2 s后減小了制動級位(見圖2)，A1車一位端轉向架不再需要補充空氣制動，應該將制動缸壓力緩解，但由于A1車一位端轉向架2軸的軸速未恢復，滑行仍是激活狀態(tài)，仍在進行防滑控制。目前的防滑控制軟件在防滑激活時,為充分利用未滑行軸的黏著以補償滑行軸上的制動力損失，采用的控制策略是對沒有滑行的輪軸制動缸只做充風和保壓控制，不進行排風控制。在2軸防滑控制失效后由于持續(xù)處于滑行激活狀態(tài)，造成未滑行的1軸制動缸在應該緩解時也不能正常緩解，不緩解狀態(tài)持續(xù)5 s后觸發(fā)了制動不緩解故障和制動重故障。制動重故障發(fā)生后，由內部遠程緩解閥緩解了空氣制動。同時由于制動重故障不能自動清除造成了轉向架常用制動損失。

由于發(fā)生制動不緩解故障后很快由遠程緩解閥成功緩解，緩解后制動不緩解故障自動清除，所以制動不緩解故障持續(xù)時間很短，持續(xù)時間小于故障數據的記錄間隔，因此在數據記錄中未出現制動不緩解故障，在試驗室模擬現場故障時，采用了實時連續(xù)記錄方式可以捕捉到短暫的制動不緩解故障。

3 整改方案

3.1 防滑控制軟件優(yōu)化

目前的防滑控制軟件在防滑激活后優(yōu)先進行防滑控制，而且對沒有滑行的輪軸制動缸只有充風和保壓控制，沒有進行緩解排風控制。這種控制模式雖然在某些情況下可以增加一些滑行后的黏著利用，但存在防滑控制失效后不能及時緩解制動壓力的隱患，在某些情況下還會觸發(fā)制動重故障。為消除防滑控制失效后不能及時緩解及觸發(fā)制動重故障的隱患，對防滑控制軟件進行以下優(yōu)化整改：

(1)當空氣制動完全緩解(制動缸壓力目標值為零)時，不再進行空氣制動防滑控制，而以正常緩解方式緩解制動缸壓力，以防止防滑失效后持續(xù)防滑控制。

(2)當空氣制動部分緩解(制動缸壓力目標值降低)時，如果未滑行軸的制動缸壓力高于制動缸壓力目標值，對未滑行軸進行緩解排風控制，使未滑行軸的制動缸壓力能快速部分緩解。

控制軟件增加以上兩個功能后，在空氣制動目標壓力部分緩解或完全緩解時，制動缸壓力都可以及時降低或緩解，從而可以避免滑行激活后未滑行軸的持續(xù)保壓和因此造成的制動不緩解故障及制動重故障。

3.2 生產、質量管理和控制

轉向架制動缸管路接反的根本原因是工藝文件中對制動缸管路連接要求錯誤，在發(fā)現錯誤后對工藝文件現場更改以后未及時進行正式的更正，工藝部門到現場后未認真核對相關工藝文件，傳遞錯誤工藝要求等。制造部門應從設計、工藝、生產、試驗、質檢、驗收等多個環(huán)節(jié)，認真分析故障原因，及時總結經驗教訓，制定完善的預防和整改方案，從源頭上控制和保證產品質量。

轉向架制動缸管路重新連接及防滑控制軟件優(yōu)化后，該線列車從2018年5月份正式運營至今，制動系統(tǒng)再未出現過類似故障。

4 結論

地鐵列車主要采用輪軌黏著制動，而因為輪軌黏著的不確定性造成車輪滑行的現象比較常見，因此制動系統(tǒng)防滑控制故障不僅容易造成列車制動距離延長，停車誤差較大，而且會導致車輪踏面或軌面擦傷、輪軌接觸狀態(tài)惡劣，影響列車運行平穩(wěn)性，極端情況下甚至會造成列車沖標，嚴重影響運營安全。所以，對列車制動系統(tǒng)不僅應在出現防滑控制故障時高度重視、密切關注，徹底分析故障原因，采取有效措施改進，更應從設計、工藝、生產和驗收等源頭上嚴格把控產品質量，以確保列車運行安全。以上整改措施在實際使用過程中，反饋效果良好，未再出現過類似故障。