架控制動系統及其在城軌車輛上的應用

王群偉,林祜亭,王新海,韓曉輝

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所,北京100081)

架控制動系統是以每個轉向架為單位來設置制動控制單元的制動控制方式。和傳統的車控方式相比,它是一種分散式的控制方式。架控制動系統把常用(SB)制動、緊急(EB)制動、防滑控制(WSP)以及制動管理電子設備等集成到一個單元內;單元就近安裝在轉向架附件,以轉向架為單元對每轉向架實施制動控制。

1 架控制動系統的組成和結構

架控制動系統的典型的氣動原理圖見圖1。該圖為一輛拖車(Tc)的氣路原理圖。系統中包括輔助控制模塊、制動控制單元、輪盤制動單元以及空氣彈簧等。

1.1 輔助控制模塊

輔助控制模塊是架控制動系統的重要組成部分。該單元把從總風管過來的壓縮空氣分配到制動風缸、停放制動、空氣彈簧等部位,為制動系統提供了輔助控制功能。

(1)給制動控制單元供風

來自總風管的壓縮空氣經過一個過濾器B1.03和單向閥B1.04進入制動風缸R3。制動風缸R3給制動控制提供快速和充足的壓縮空氣。塞門B1.05用以維修時切斷風源;同時可以隔離停放和整個制動控制。

圖1 架控制動系統氣動原理圖

(2)實施停放制動控制

停放的功能由雙脈沖電磁閥B1.06和雙向閥B1.07來實現。壓力開關B1.09用以制動控制單元對停放制動的狀態實施監控。

(3)對空氣彈簧實施供風

每輛車總風管的空氣通過溢流閥B1、L1進入空氣懸掛風缸R2;并可通過一個隔離塞門L3對空氣彈簧供風實施切斷。

1.2 制動控制單元

制動控制單元是系統控制的核心,是一個電子控制設備和氣動執行部件高度集成的單元。每輛車有兩個制動控制單元,分別控制一個轉向架的基礎制動裝置。其可分為如下功能模塊:

(1)空重車調整模塊:包括 C1、C2、A5、A6和 P8。

減壓閥C2按重車的緊急制動缸壓力設定輸出值。稱重控制電磁閥A6和A5輸出為實際車重的緊急制動缸壓力。P8為壓力傳感器和壓力測點,用于測量調整后的壓力。主調節閥C1最小(即無電子稱重壓力輸入)輸出為空車緊急制動缸壓力。正常輸出根據電子稱重壓力輸入調整。

(2)遠程緩解模塊:包括A1、B1、B8。

緊急緩解時電磁閥A1得電,閥B1和B8動作,在切斷主調節閥輸入壓力的同時,排出制動缸的壓力空氣。

(3)緊急沖動限制模塊:包括A7和B2。

常用制動時,電磁閥A7得電,B2閥打開,使壓縮空氣不受限制的進入制動控制回路;緊急制動時,電磁閥A7失電,B2閥關閉,使壓縮空氣經限流后進入制動控制回路,從而具有沖動限制功能。

(4)制動控制模塊

該模塊有相同的兩組,分別為A8,A2,B6,B3和A3,A9,B4,B7。這兩組閥的功能全部相同,都是根據不同的制動級別,產生相應的制動缸壓力。正常情況下,兩組模塊按設定程序交替使用。下面以一組闡述。

充風時,電磁閥A8,A2失電。閥 B6關閉,閥B3打開,向制動缸充風;

排風時,電磁閥A8,A2得電。閥 B6打開,閥B3關閉,制動缸的風經B6排出;

保壓時,電磁閥A2得電,電磁閥A8失電。閥B6和B3關閉,制動缸處于保壓狀態;

(5)連通模塊:包括 A4和B5

正常狀態下,電磁閥A4失電,閥 B5處于連通狀態,制動時,制動控制模塊產生的制動缸壓力同時進入同一轉向架的兩根軸,即正常狀態下,制動方式采用架控方式。當產生滑行時,電磁閥A4得電,閥B5關閉,兩組制動控制模塊分別對每根軸進行控制。

(6)傳感器和壓力測點模塊:包括P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7和P8

壓力傳感器用于對制動風缸壓力、空氣彈簧壓力、制動缸輸出壓力、停放制動缸壓力進行檢測;壓力測點提供了必要的測試接口。

2 架控制動系統的控制方式

架控制動控制系統采用基于CAN總線的分布式控制方案,每個轉向架都有一個獨立的制動控制單元(BCU)用于控制本轉向架的制動力,每輛車有兩套BCU。架控制動控制系統的典型網絡結構如圖 2所示,將3個BCU(3輛車)作為一個控制網段,一個網段上的BCU可以通過制動系統CAN總線進行通信。

在每個網段上有兩個控制單元具有網關的功能,稱之為制動控制網關單元(GBCU),只有本轉向架制動控制功能而沒有網關的功能的BCU稱之為本地制動控制單元或智能制動控制單元(SBCU)。GBCU不僅具有與列車網絡控制系統(TCMS)的通信接口(MVB或其他網絡型式),同時還能夠接收列車控制線的指令。GBCU通過車輛總線和列車控制線接收制動指令和電制動信息,并要計算出本單元中各個轉向架上應施加的空氣制動力,然后通過制動CAN總線傳送給本網段上的各轉向架的SBCU。通常情況下,一個單元內的GBCU只有一個工作在網關模式,另一為作為備用網關,只進行本地控制,相當于一個SBCU。

圖2 架控制動系統的網絡接口方式

圖3 一輛車的制動系統電氣接口(GBCU+SBCU)

配有GBCU和SBCU的一輛車的制動系統電氣接口如圖3所示。每GBCU和SBCU都有緊急制動的控制輸入和2路速度傳感器接口。常用制動是通過制動CAN總線來控制的,但緊急制動不采用CAN總線控制,而是由緊急制動列車線直接控制每個轉向架的BCU。

3 架控制動系統的功能

3.1 常用制動控制

常用制動時連通閥電磁閥A4失電,使同一轉向架上2根軸上的制動缸氣路被連通,產生相同的制動缸壓力。在調節制動缸壓力時,可以由其中任一軸的保壓/排風電磁閥(A3/A6或A4/A7)來控制,另一個軸的保壓/排風電磁閥始終工作在保壓狀態。

BCU根據實際制動缸壓力的反饋信號實施對保壓/排風電磁閥的控制來實現制動缸壓力的閉環控制。當實際制動缸壓力低于制動缸壓力設定值時,保壓/排風電磁閥組為充風組合(均不通電),對制動缸進行充風使其壓力上升;當實際制動缸壓力高于制動缸壓力設定值時,保壓/排風電磁閥組為排風組合(均通電),對制動缸進行排風使其壓力下降。

3.2 制動防滑控制

根據兩個軸的速度與列車速度差以及兩個軸減速度來檢測制動滑行,列車速度是根據一個CAN網段上各軸的速度綜合計算的。防滑程序采用以下兩種方式來檢測滑行:

(1)單個軸的減速度過大;

(2)單個軸的速度與列車速度相差過大

當檢測到有制動滑行時,連通閥電磁閥A4通電來切斷兩根軸制動缸壓力的連通,使每根軸的制動缸壓力能獨立控制,對于發生制動滑行的車軸,通過對保壓/排風電磁閥的通電排風來減小滑行軸上的制動力,使滑行軸的速度能盡快恢復。

3.3 緊急制動控制

制動系統得到緊急制動信號時,BCU會把緊急制動的施加信號發給相應的電子控制板,控制板收到緊急制動的施加指令后,控制2根軸上的制動缸壓力控制電磁閥使它們都處于失電狀態,使制動缸壓力達到稱重的緊急制動壓力水平。

4 應用

自廣州地鐵3號線車輛(2005年2月交付使用)首次采用EP2002制動控制系統以來,全國許多城市軌道交通線路車輛采購項目上都采用了分散式架控制動控制系統,部分城市線路的應用見表1。

表1 架控制動控制系統在國內城軌車上的應用

5 結束語

對模擬式電空制動控制系統來說,架控制動控制系統的集成程度更高;在單個功能故障的情況下,制動控制功能僅喪失為單個轉向架;模塊內部集成了制動控制和防滑控制功能;取消了機械稱重閥,簡化了結構,既能限制緊急制動最高壓力,又可保證最小的空車壓力。架控制動系統在國內城市軌道交通車輛上得到了大量的應用。

目前的架控制動單元由于電氣和機械部件混裝,出現故障時必須整體更換,給維修和維護帶來不便,檢修成本高。針對目前的狀況以及架控制動系統的特點,可以采用模塊化設計的方法對系統中的輔助控制模塊和制動控制單元進行設計和開發。

根據架控制動系統的特點,利于模塊化設計的方法,對其中的輔助控制模塊和制動控制單元進行模塊化設計。輔助控制模塊可以利于集成板技術進行閥類的集成實現模塊化;制動控制單元的氣動部分和電氣板卡部分可以分成兩個模塊,氣動模塊和電氣模塊可以單獨實現內部部件的拆裝,方便維護和使用。