地鐵列車清潔制動控制方案探討

胡亞軍

地鐵列車清潔制動控制方案探討

胡亞軍

為了有效解決列車緊急制動距離超標的問題，提出清潔制動的概念，即為了清潔制動摩擦副而施加的純空氣制動。詳細介紹清潔制動的基本控制策略，分析了清潔制動的開始階段、過程控制階段、結束階段等具體控制方案，并對清潔制動的維護設置進行了闡述。

地鐵列車；清潔制動；空氣制動；電制動

目前，地鐵列車常用制動包含電制動和空氣制動（又稱摩擦制動），兩者協調配合。電制動由牽引電傳動系統控制，空氣制動由空氣制動系統控制。通常情況下，常用制動優先使用電制動，以便充分利用電制動功能。當電制動力不足時，空氣制動按總制動力需求補充不足的制動力。近年來，隨著牽引電傳動技術的高速發展，電制動能力越來越強大，在很多項目中，電制動能力幾乎能夠完全滿足整列車的制動力要求，列車在整個運行速度區間內幾乎不需要補充空氣制動。這使得空氣制動系統的制動閘瓦與車輪踏面、閘片與制動盤長期很少摩擦，影響到閘瓦或閘片表面的狀態，使得閘瓦或閘片的摩擦力下降，嚴重影響空氣制動的性能。因此，列車需要經常實施空氣制動，使得閘瓦與車輪踏面、閘片與制動盤產生一定程度的摩擦，以達到清潔摩擦副的效果，我們將這種為了清潔制動摩擦副而施加的空氣制動稱為清潔制動。

1 實施清潔制動的背景和目的

與常用制動不同，緊急制動作為關乎列車行車安全的最后一道屏障，為純空氣制動，當列車發生意外脫鉤、主風缸欠壓等嚴重故障影響行車安全時，空氣制動系統自動施加緊急制動。

然而，在多個城市的地鐵運營過程中，曾經一度出現緊急制動距離超標這一現象。緊急制動距離指列車在某種速度時從緊急制動指令發出至停車這個過程的列車行駛距離，通常對緊急制動距離有嚴格的距離考核要求，如果緊急制動距離超標，則會對行車安全造成嚴重安全隱患。那么，引起緊急制動距離超標的原因是什么呢？通過調查分析后發現其中一個重要原因是，由于電制動能力較強，常用制動極少需要空氣制動參與，這使得空氣制動系統的制動閘瓦或閘片長期很少與車輪踏面或制動盤摩擦，影響到閘瓦或閘片表面的狀態，由于表面材料摩擦系數發生變化而產生特殊的硬化層物質，最終使得閘瓦或閘片的摩擦力下降，當施加緊急制動時，導致緊急制動距離延長，超出正常誤差范圍。

為了改善制動閘瓦或閘片的表面狀態，使其處于正常工作狀態，列車需要定期或不定期實施空氣制動，使得閘瓦與車輪踏面、閘片與制動盤產生一定程度的摩擦，以達到清潔摩擦副的效果，并且應該在列車速度較高時進行摩擦，這是因為低速時摩擦效果不明顯。

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

2 清潔制動控制方案

2.1 基本控制策略

列車施加常用制動時，電制動力優先施加，如果電制動力無法滿足總的制動力需求，那么不足的制動力由空氣制動補充，這一控制方式被稱為電空混合制動。然而，由于目前很多項目中的電制動能力足以滿足列車在定員（AW2）工況（甚至AW2以上工況）時的總制動力需求，僅僅在低速區間（通常當列車速度小于7 km/h時）才實施電空混合制動，空氣制動才有機會施加。此外，即便在低速時列車施加空氣制動，低速時閘瓦與車輪踏面、閘片與制動盤之間摩擦所產生的能量仍然不足以對摩擦副起到預期的清潔效果，因此，為了達到清潔摩擦副的目的，則需要列車在區間高速運行時施加不由電制動參與的純空氣制動，在某個特定的時間段內將電制動臨時禁止，一旦完成這種清潔制動之后，再立即將電制動恢復正常。

通過上述分析，我們認為清潔制動控制方案中需要解決的幾個關鍵問題是：①清潔制動開始控制策略，即解決電制動在什么時候禁止、電制動由誰禁止的問題；②清潔制動過程控制策略，即解決在清潔制動持續過程中，空氣制動及電制動各自處于何種狀態的問題；③清潔制動結束控制策略，即解決電制動在什么時候恢復、電制動由誰控制恢復的問題。

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

圖1 站-站之間列車運行過程示意圖

其次，考慮清潔制動具體該如何控制實現的問題。究其本質，清潔制動即為不由電制動參與的純空氣制動，因此，方案的核心問題是如何控制牽引系統使其在某段特定的時間內禁止施加電制動，鑒于此，提出由列車控制與管理系統（TCMS）、空氣制動系統、牽引系統共同配合實現清潔制動的具體方案，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作為列車的神經中樞，可以通過列車通信網絡向牽引系統、空氣制動系統等列車各子系統發送網絡數據，并且具有傳輸速率快、可靠性高的特點。本方案中，由TCMS負責判斷列車清潔制動開始和結束的條件，如果條件滿足，TCMS則向空氣制動系統發送開始或結束清潔制動的請求，空氣制動系統收到TCMS發送的請求信號后，向牽引系統發送禁止或恢復電制動指令，以控制純空氣的清潔制動的施加。

下面，結合圖1和圖2，對清潔制動控制方案中的主要階段進行詳細探討分析。

2.2 清潔制動開始

清潔制動開始的基本前提條件包括：時間條件以及列車速度條件，只有當TCMS判斷這2個條件均已滿足，TCMS才會發出清潔制動開始請求，再由空氣制動系統向牽引系統發出禁止電制動指令，開始執行清潔制動。

（1）清潔制動開始的時間條件。為了達到清潔摩擦副的效果，空氣制動系統供應商通常建議每天執行2次清潔制動。為了不影響列車的正常運營，我們認為在每天列車運營的早高峰之后實施清潔制動較為妥當。因此，一般選取每天上午10∶00以后作為清潔制動開始的時間條件，TCMS判斷當前的時刻位于10∶00之后時，即認為清潔制動開始的時間條件滿足。

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

清潔制動開始控制方案中，T C M S判斷當前時刻是否處于上午10∶00之后，假設圖1中t0點表示10∶00這一時刻，于是所有t0點之后的時間點均滿足清潔制動開始的時間條件。當列車運行至t1點時，速度達到清潔制動起始速度臨界值v2，因此，當列車運行至點（t1，v2）時，TCMS對當天已實施的清潔制動次數n加以判斷，如果n≥2，則本次清潔制動控制過程結束，當天不再進行清潔制動；如果n＜2，由于列車速度達到了清潔制動起始速度臨界值v2，則TCMS向空氣制動系統發出開始清潔制動的請求。

空氣制動系統收到TCMS發送的開始清潔制動請求信號之后，接下來當列車發出制動指令時（圖1中從t3點開始列車發出制動指令），空氣制動系統向牽引系統發送禁止電制動指令，從而電制動被禁止，列車只施加純空氣制動，即清潔制動開始實施。

2.3 清潔制動過程控制

在清潔制動開始實施后、TCMS發出結束清潔制動指令之前的這個過程中，空氣制動發出的禁止電制動指令始終保持有效，電制動始終被禁止，列車僅施加純空氣的清潔制動，圖1中t3～t6這個階段即為清潔制動實際施加過程，在此階段，列車不一定一直處于制動狀態，其中t4～t5表示列車在區間內正常調速，速度會上下小幅波動，從t5開始，列車又恢復至制動減速階段。在清潔制動實施過程t3～t6，電制動始終處于禁止狀態。

2.4 清潔制動結束

當列車施加清潔制動直至列車速度降低到v1以下時，TCMS向空氣制動系統發出結束清潔制動的請求。清潔制動結束這一控制方案如圖3所示。

圖3 清潔制動結束控制示意圖

當速度降低至v1之前（即速度大于v1時），列車處于清潔制動施加過程，電制動為禁止狀態，因而電制動力為0，空氣制動力為最大值；當速度降低至v1及以下時，TCMS向空氣制動系統發出結束清潔制動請求，清潔制動過程即將結束，因此，v1稱作清潔制動末速度臨界值，通常v1數值在30～40 km/h之間選取。如圖3所示，在v1點空氣制動系統接收到TCMS發出的結束清潔制動請求后，經過一定的延時（該延時稱作空氣制動退出響應時間，具體時間長度由當前制動級位大小、制動缸壓力、制動指令傳輸延時等因素決定）之后，速度值降低至v'，此時空氣制動將電制動禁止指令復位，即不再發出電制動禁止指令，電空轉換正式開始：電制動力開始逐漸上升，空氣制動力開始逐漸下降，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），以實現電制動和空氣制動的平滑過渡和轉換。當速度降低至v'' 時，電制動力完全恢復，空氣制動力完全退出，本次清潔制動過程結束。

實施1次完整的清潔制動需要經歷清潔制動開始、過程控制、清潔制動結束階段。TCMS記錄當天清潔制動已實施次數（初始值為0），當每次清潔制動結束之后，TCMS將已實施次數n＋1保存并判斷是否小于2，如果當天清潔制動已實施次數小于2，則當天可以再次實施清潔制動；反之，當天不再實施清潔制動。

3 清潔制動維護設置

為了便于在列車實際運營時對清潔制動這一功能進行維護，我們在TCMS維護軟件中增加了對清潔制動的維護功能，軟件界面如圖4所示，列車維護人員不但可以重新設置清潔制動的啟用時間（默認時間為上午10∶00，重設的時間在TCMS設備掉電后丟失，再次上電后恢復為默認時間），并且可以設置清潔制動的使能狀態，即激活或禁用，只有當使能狀態設置為激活狀態時，才允許列車使用清潔制動功能，如果設置為禁用狀態，則禁止列車使用清潔制動功能。

圖4 維護軟件中清潔制動設置界面

此外，列車維護人員能夠通過司機室顯示屏（DDU）查看當前列車清潔制動的使能狀態。圖5示意DDU制動系統維護界面，最后一行表示清潔制動使能狀態，綠點表示激活狀態，紅點表示禁用狀態。

圖5 DDU制動系統維護界面

4 結語

列車實施清潔制動能夠使制動摩擦副處于正常工作狀態，從而為緊急制動提供了基礎保障，有效解決了制動距離超標這一問題。本文所述列車清潔制動實施控制方案中，清潔制動控制包括清潔制動開始、過程控制、清潔制動結束階段，該方案由TCMS、空氣制動系統、牽引系統共同配合完成，其中TCMS發揮了清潔制動開始和結束條件判斷、發送清潔制動開始和結束請求指令等關鍵控制作用，而空氣制動系統與牽引系統則充當了TCMS指令執行者。此外，列車維護人員能夠通過TCMS維護軟件對清潔制動功能進行啟用時間設置、使能狀態設置等維護操作，并通過司機顯示屏查看其使能狀態。

[1] GB 50157-2013 地鐵設計規范[S].

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責任編輯 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：南車南京浦鎮車輛有限公司動車設計部，工程師，江蘇南京 210031