國產(chǎn)架控制動系統(tǒng)在北京地鐵15號線的應(yīng)用

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（北京東直門機(jī)場快速軌道有限公司，北京100027）

架控制動系統(tǒng)是以轉(zhuǎn)向架為單位的一種制動控制方式。目前進(jìn)口的架控制動系統(tǒng)基本壟斷了國內(nèi)城軌車輛市場，在價(jià)格、售后和備件等方面給國內(nèi)各個(gè)城市的地鐵公司造成了一定的困擾。同時(shí)，國外架控制動系統(tǒng)存在檢修困難、維護(hù)成本高等問題。

中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所（鐵科院機(jī)輛所）研制的城軌車輛架控制動系統(tǒng)打破了國外產(chǎn)品的壟斷。該系統(tǒng)已經(jīng)在廣州地鐵3號線北延段投入載客運(yùn)營，性能良好。北京地鐵15號線在前期25列車完成進(jìn)口制動系統(tǒng)的供貨后，后續(xù)7列車采用了國產(chǎn)架控制動系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)架控制動系統(tǒng)的批量應(yīng)用。

由于要求和前期車輛的制動系統(tǒng)接口保持一致，國產(chǎn)架控制動系統(tǒng)裝車實(shí)施中存在技術(shù)難度大、開發(fā)周期緊的問題。本文就制動系統(tǒng)的組成、關(guān)鍵部件方案實(shí)施等進(jìn)行論述和探討；同時(shí)對裝備國產(chǎn)架控制動系統(tǒng)車輛的試驗(yàn)情況進(jìn)行介紹。

1 制動系統(tǒng)組成

1.1 制動系統(tǒng)概述

北京地鐵15號線采用6輛編制，4動2拖，編組方式為：＋Tc－M1－M2＝M2－M1－Tc＋。車輛最高運(yùn)行速度為100 km／h。圖1為半列車的編組和制動控制單元配置方式。

圖1 列車編組

全列車配備兩個(gè)風(fēng)源系統(tǒng)，進(jìn)行單雙日控制?；A(chǔ)制動采用盤形制動單元，滿足高速下列車制動力的要求；每個(gè)軸都配備帶彈簧制動的停放制動單元，滿足列車在35‰坡道停車的要求。

車輛的制動系統(tǒng)采用微機(jī)控制的直通式電空制動系統(tǒng)，以轉(zhuǎn)向架為單位進(jìn)行制動控制?？諌簷C(jī)組通過貫穿全列的總風(fēng)管供風(fēng)，每個(gè)車輛上配有總風(fēng)缸。車輛制動控制采用硬線指令為主，網(wǎng)絡(luò)指令備用的方式。制動控制單元通過檢測列車制動PWM（Pulse Width Modulation，脈動寬度調(diào)制）指令及車輛載重信息，對總風(fēng)進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)制動缸壓力的無級控制，保證車輛的減速度。列車制動采用電制動和空氣制動協(xié)調(diào)的方式，電制動優(yōu)先。在電制動不足時(shí)由空氣制動補(bǔ)足。緊急制動采用純空氣制動。

圖2 架控制動系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)接口方式

每個(gè)2動1拖單元中配置2個(gè)EP09G單元，負(fù)責(zé)與MVB總線的網(wǎng)絡(luò)接口，EP09 G單元通過MVB總線接收制動指令和電制動信號，并計(jì)算出本單元中各個(gè)轉(zhuǎn)向架上應(yīng)施加的空氣制動，然后通過制動系統(tǒng)CAN總線傳送給本單元的各架控EP09S／EP09 R。正常情況下，一個(gè)單元內(nèi)的EP09G只有一個(gè)工作在主控模式，另一個(gè)作為備用工作在從模式。

國產(chǎn)架控制動系統(tǒng)的指標(biāo)如表1所示。

表1 系統(tǒng)指標(biāo)

1.2 制動系統(tǒng)組成

根據(jù)圖3中Tc車的制動系統(tǒng)管路原理可以看出，制動系統(tǒng)提供的設(shè)備主要包括空氣制動系統(tǒng)及相關(guān)氣動控制部分等內(nèi)容，主要包括：①風(fēng)源系統(tǒng)（A0）；②制動控制系統(tǒng)（B13，B7）；③基礎(chǔ)制動（C4，C5，C9，C10）；④防滑裝置（G2，G31，G32和 G33）；⑤空氣懸掛輔助裝置（L5和L6）。

（1）風(fēng)源系統(tǒng)

整列車有兩套風(fēng)源裝置，每個(gè)動力單元內(nèi)裝設(shè)一套，包括空氣壓縮機(jī)、干燥器、油水分離器、安全閥、壓力開關(guān)等。

（2）制動控制系統(tǒng)

包括制動控制單元（B13）和停放制動控制模塊（B7）。根據(jù)制動控制單元內(nèi)部集成功能的區(qū)別，分別配置了EP09G，EP09S和EP09R 3種制動控制點(diǎn)單元。其中EP09G內(nèi)集成了MVB網(wǎng)卡，負(fù)責(zé)和車輛控制系統(tǒng)的通訊和制動計(jì)算。

每車配有1套輔助控制模塊，該模塊集成了停放控制功能及空氣彈簧供風(fēng)用的溢流閥、減壓閥、塞門以及風(fēng)缸等部件。

（3）基礎(chǔ)制動裝置

采用盤形制動方式，包括制動夾鉗、制動盤及閘片。每個(gè)轉(zhuǎn)向架對角配置帶停放功能的制動夾鉗。

（4）空氣防滑裝置

每輛車4路速度傳感器及相應(yīng)的測速齒輪，實(shí)時(shí)檢測車輪轉(zhuǎn)速。在車輪轉(zhuǎn)速異常或車輪抱死時(shí)，制動控制單元會進(jìn)行單軸的防滑控制，防止車輪擦傷。

（5）空氣懸掛輔助裝置

每轉(zhuǎn)向架配2個(gè)高度閥L5，保證空氣彈簧的平衡，保持車輛的穩(wěn)定。每個(gè)轉(zhuǎn)向架配置一套差壓閥，當(dāng)兩個(gè)空氣彈簧壓差過大時(shí)，平衡空氣彈簧的壓力。

圖3 Tc車制動系統(tǒng)原理圖

2 實(shí)施方案

國產(chǎn)架控制動系統(tǒng)裝備北京15號線后7列車，因此要求制動系統(tǒng)設(shè)備的機(jī)械接口和電氣接口等和前期進(jìn)口制動系統(tǒng)保持一致。由于原制動系統(tǒng)預(yù)留的車下空間位置和電氣布線都是固定的，因此在國產(chǎn)制動系統(tǒng)的開發(fā)上有一定的技術(shù)難度。電氣接口完全根據(jù)原系統(tǒng)的接口進(jìn)行配置和開發(fā)，因此實(shí)現(xiàn)起來難度較小。但主要部件的機(jī)械安裝方面由于空間限制，需要進(jìn)行周密的設(shè)計(jì)保證安裝的合理可靠。下面就關(guān)鍵的幾個(gè)部件的實(shí)施方案進(jìn)行闡述。

2.1 風(fēng)源系統(tǒng)

AGTU－0.9G風(fēng)源裝置由4大主要部件構(gòu)成（如圖4所示）：即整體吊架、空氣壓縮機(jī)、空氣凈化處理單元和電控單元，它們用螺栓連接在一起組成一個(gè)緊湊單元。空氣壓縮機(jī)采用螺桿式壓縮機(jī)；空氣處理單元采用雙塔干燥器。

風(fēng)源系統(tǒng)整體吊架的接口和原車的設(shè)計(jì)保持一致，同時(shí)和車輛的管路接口位置一致，確保設(shè)備能合理安裝。電氣邏輯上，在保證和原車一致的基礎(chǔ)上，增加了內(nèi)部的溫度和壓力保護(hù)。

圖4 風(fēng)源系統(tǒng)組成

2.2 制動控制單元

制動控制單元是制動系統(tǒng)的核心部件。由于空氣位置的限制，制動控制單元采用了集成的模塊化設(shè)計(jì)，氣電分離。氣控閥類集成在氣路板上，電氣板卡用機(jī)箱組裝，共同組裝在箱體內(nèi)。在閥故障或電氣故障時(shí)，可以非常方便的進(jìn)行閥的更換和板卡的插拔，方便運(yùn)用和維護(hù)。3個(gè)制動控制單元EP09 G、EP09S和EP09R采用了相同的箱體結(jié)構(gòu)型式，根據(jù)功能的不同，對板卡的配置以及車輛布線的配置有差異。

EP09制動控制單元是一個(gè)機(jī)電一體化的電子機(jī)械裝置，每個(gè)BCU由氣動單元（PVU）和電子控制裝置兩部分組成。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，它將安裝在集成氣路板上的氣動單元（PVU）和實(shí)施電子控制的板卡機(jī)箱分隔成兩個(gè)獨(dú)立單元，但又組合在同一箱殼內(nèi)，這就為故障檢測和維修保養(yǎng)提供了方便。所有BCU的PVU單元的結(jié)構(gòu)完全一致，它們接受電子指令的控制，產(chǎn)生氣動壓力的控制。但各BCU的電子板卡略有區(qū)別，GBCU板卡除包含SBCU所有功能外，它還含有與MVB、CAN總線的通信和列車制動管理功能的板卡。

配有制動網(wǎng)關(guān)單元GBCU和本地制動控制單元SBCU一輛車的制動系統(tǒng)電氣接口如圖5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(gè)轉(zhuǎn)向架的BCU。

對于機(jī)電一體化的控制裝置，出于小型化、輕量化和降低成本的目的，電子控制電路多采用單板或若干個(gè)小板拼裝的結(jié)構(gòu)。但這種結(jié)構(gòu)給系統(tǒng)調(diào)試特別是系統(tǒng)的檢修和維護(hù)帶來很大困難。EP09制動電子控制系統(tǒng)從設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和檢修、維護(hù)的標(biāo)準(zhǔn)化要求出發(fā)，采用了標(biāo)準(zhǔn)的模塊化結(jié)構(gòu)，按系統(tǒng)的功能要求劃分為若干個(gè)功能模塊，每個(gè)功能模塊為一個(gè)電子插件板，電子插件板采用3 U×160 mm的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，模塊的基本寬度為4 HP，單個(gè)功能可插入到3 U標(biāo)準(zhǔn)插箱中，插箱采用42 HP的半寬標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱。

除電源板卡外，每種板卡插件均為帶微控制器的智能板卡，各板卡之間通過背板上的CAN總線交換信息，同并行總線相比，采用串行的CAN總線不僅可以使硬件電路大為簡化，而且還可以保證數(shù)據(jù)的完整性，提高了系統(tǒng)的可靠性。EP09制動系統(tǒng)BCU的智能板卡模塊及CAN通信總線如圖6所示。

圖5 1輛車的制動系統(tǒng)電氣接口（GBCU＋SBCU）

圖6 BCU的智能板卡模塊及CAN通信總線框圖

同原制動系統(tǒng)的制動控制單元相比，國產(chǎn)架控制動控制單元的機(jī)械尺寸比原系統(tǒng)大，見圖7。但是確保了管路接口位置和電氣連接器接口位置的一致性。

圖7 制動控制單元內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖8 制動夾鉗單元

2.3 夾鉗單元（見圖8）

轉(zhuǎn)向架的安裝空間和吊掛點(diǎn)都是確定的，新的夾鉗必須確保安裝接口和整體的尺寸符合空間的要求。國產(chǎn)制動系統(tǒng)采用了PD型夾鉗單元，機(jī)械吊裝接口的設(shè)計(jì)和原車保持相同；夾鉗安裝所需空間符合轉(zhuǎn)向架設(shè)備布置的要求。

原車采用的是將彈簧停車制動獨(dú)立出來，而目前國產(chǎn)夾鉗則是將彈簧停車和制動缸結(jié)合在一起，所以造成了管路安裝接口位置的不一致，目前采取添加一根過渡軟管的方法實(shí)現(xiàn)與原車接口位置的一致。

3 制動系統(tǒng)試驗(yàn)

由于設(shè)計(jì)階段的周密設(shè)計(jì)和細(xì)致工作，國產(chǎn)架控制動系統(tǒng)順利的實(shí)現(xiàn)了安裝和調(diào)試。調(diào)試的結(jié)果表明國產(chǎn)架控制動系統(tǒng)的基本功能包括常用、緊急、保持以及停放等和原制動系統(tǒng)保持了一致。

裝備國產(chǎn)架控制動系統(tǒng)的首列車進(jìn)行正線的型式試驗(yàn)。型式試驗(yàn)分為A W0載荷和A W3載荷。在不同的載荷下，國產(chǎn)架控制動系統(tǒng)完成了初始速度為30，60，80 km／h和100 km／h各級速度級下的最大常用電空制動、最大常用純空氣制動、緊急制動等試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明制動距離和減速滿足技術(shù)條件和車輛運(yùn)用的要求。同時(shí)，完成了A W0載荷下的防滑功能試驗(yàn)，在常用制動、緊急制動等各個(gè)工況下，防滑功能正常，車輪表面無擦傷。

4 結(jié)束語

北京地鐵15號線國產(chǎn)架控制動系統(tǒng)在保持接口和原進(jìn)口系統(tǒng)一致的情況，制動功能和性能滿足了技術(shù)條件及車輛運(yùn)營的要求。

［1］王群偉，林祜亭，王新海，韓曉輝.架控制動系統(tǒng)及其在城軌車輛上的應(yīng)用［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31（2）：31－33.

［2］程暢棟，任得鵬，段繼超.地鐵車輛國產(chǎn)化架控制動系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.技術(shù)與市場，2011，（07）：28－29，31.