城市軌道交通車輛清潔制動問題探討

孟 磊， 管佳佳

(鄭州市軌道交通有限公司運營分公司， 鄭州 450000)

鄭州地鐵1號線一期車輛為6節編組的B型車，共42列，設計速度90 km/h，最高運營速度80 km/h，牽引采用西門子SIBAS32系統，制動采用克諾爾EP2002電空制動系統，正線使用ATO駕駛模式，采用大小交路運營的方式。在每天早上列車首次投入運營的前幾個區間，列車執行踏面清潔制動過程中，HMI提示轉向架氣壓低故障，運營列車產生全常用制動(FSB)，嚴重影響了正常運營。通過對該故障的原因進行了分析，并提出了解決方法，通過整改，問題得到了解決。

1 清潔制動介紹

1.1 清潔制動設置的目的

城市軌道交通車輛制動包括電制動和空氣制動，電制動是牽引系統通過對電機的控制來實現，利用電動機的可逆性原理，將列車的動能轉換為電能，牽引電動機變成發電機，這時牽引電動機軸上施加與電樞旋轉方向相反的力矩，此力矩在車輛輪上產生制動力，使列車減速或停車。空氣制動又稱摩擦制動，以壓縮空氣為動力，通過車輪踏面與閘瓦(或制動夾鉗與制動盤)摩擦后將列車動能轉換為熱能并最終耗散于大氣中，能夠在電制動不足或特殊情況下為列車提供部分或全部制動力，最終實現列車減速的目的。

電制動與空氣制動協調配合，優先使用電制動，電制動力不足或故障時由空氣制動補充不足的制動力。隨著電力牽引控制技術的進步，電制動能力越來越強大，不需要空氣制動參與，僅電制動能夠滿足整個列車的制動力需求。西門子SIBAS32系統具有強大的電制動能力，能夠實現電制動減速到零，因此閘瓦使用頻率低，磨耗量小，鄭州一號線車輛數據統計為動車平均磨耗0.35 mm/萬km，拖車平均磨耗0.55 mm/萬km。

這使得制動閘瓦與輪對踏面、閘片與制動盤摩擦頻率大幅較少，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，嚴重降低了空氣制動的性能。因此，有必要定期或不定期的使用列車空氣制動，使得閘瓦與車輪踏面、閘片與制動盤之間產生一定程度的摩擦，提高清潔摩擦副的效果，這種為了清潔制動摩擦副而施加的空氣制動稱之為清潔制動。

1.2 清潔制動過程

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，在緊急制動情況下達到最佳的制動效果，每天早上列車出庫后，盡快完成清潔制動。清潔制動的原則：首先清潔制動過程中，撤出電制動，完全投入空氣制動。其次，為了更好更快的完成清潔制動，列車必須具有較高的運行速度，因為在低速情況下摩擦效果不明顯。

一次完整的清潔制動過程可以描述為：早上時間4:00 之后，列車還未完成一次清潔制動，運行速度大于65 km/h，且制動指令有效時，發出清潔制動指令。列車控制管理系統(TCMS)系統切除電制動，摩擦制動施加需求的制動力，制動系統監視整車氣閘瓦磨耗熱量，并將是否達到設定值的結果反饋至TCMS，當累積能量達到設定值后，當天的清潔制動完成。如果清潔制動過程中速度低于30 km/h時，將暫停清潔制動，待下次條件滿足后繼續進行。

圖1 TCMS清潔制動控制邏輯

在每天列車投入運營前由TCMS系統產生清潔制動請求指令，閘瓦獲得滿足一次清潔制動所需的摩擦能量后，退出清潔制動。目前鄭州地鐵1號線的清潔制動能量定義：在AW2載荷下，列車從65 km/h到29.5 km/h施加一次最大制動的能量為78.95 MJ，考慮到系統的安全性，能量值定為90 MJ)。該值是由牽引系統供應商與制動系統提供商根據項目實際情況核算得出。

2 清潔制動存在的問題

鄭州地鐵1號線二期線路于2017年1月15日開通試運營，采用大小交路運營方式。列車運行中的頻繁出現轉向架風壓低信息提示，并且產生FSB的故障。檢查故障列車空氣管路的氣密符合設計要求5 min泄漏量小于20 kPa的要求，測試空壓機打風能力均無異常。事件記錄顯示故障均是列車清潔制動過程中產生的，且故障時間均為列車當日首趟運營，故障時間集中在工作日7:00左右客流高峰期，故障區間集中在小交路運營的前幾個固定區間，由此推斷是在清潔制動過程中消耗了大量的風壓。

2.1 故障分析

列車回庫查看故障記錄，故障記錄顯示：“Low air pressure bogie”。該故障是由制動系統EP2002閥診斷的，通過MVB網絡傳遞給列車中央控制單元(VCU)，并且在HMI上顯示，同時VCU將制動系統健康狀態反饋給車載控制器(CC)，此時信號系統觸發FSB。

如圖2所示，每輛車設置1個總風缸(A06)和1個制動風缸(B03)，來自總風管的壓縮空氣通過端口0 進入制動控制模塊。壓縮空氣流經管道過濾器(B01)、單向閥(B02)和塞門(B04)通過端口10進入制動風缸(B03)，1制動風缸(B03)為2個轉向架的8個踏面制動單元(C02、C03)的制動缸提供壓縮空氣，因此空氣制動過程中踏面制動單元制動缸的壓縮空氣首先被消耗，然后制動風缸向制動缸補充壓縮空氣，總風缸再向制動風缸補充壓縮空氣。列車對各風缸壓力進行監視，當總風缸壓力低于550 kPa時列車產生緊急制動，當制動風缸壓(B03)低于650 kPa時產生轉向架風壓低的信息提示。制動風缸內的壓縮空氣由一個管道過濾器(B01) 進行清潔處理，并由一個單向閥 (B02) 來進行保護，使得制動風缸不受總風缸內空氣壓力低的影響。

B00.B04,B00.L06-普通塞門；B05-帶電接點的塞門；B00.B01-濾塵器；B03-風缸；B00.B02-止回閥；B00.B01-縮堵；B00.B11-二位三通閥；B00.B09-二位三通電磁閥；B00.B22-壓力控制器；B00.L04-測試頭；智能閥，網關閥-EP2002閥；B40,B41-軟管；C02,C03-基礎制動單元。圖2 空氣制動系統管路圖

根據制動風缸風壓變化曲線(如圖3所示)，可以確定列車制動風缸風壓低是真實存在的。牽引系統與制動系統的接口協議定義：制動缸風壓低于650 kPa時，發出制動缸壓力低預警信息。列車空氣制動系統配備2臺VVV120型空氣壓縮機，當制動系統總風壓力低于750 kPa時啟動單臺空壓機，低于700 kPa時2臺空壓機同時啟動，采用網絡加硬線的冗余控制方式，列車供風能力強大，正常情況不會出現列車總風低于700 kPa的情況。

圖3 列車速度與風壓變化曲線

2.2 供風能力測試

統計10列正線運營列車，對清潔制動過程的制動風缸壓力變化進行統計，最多下降為155 kPa，最少下降76 kPa，平均為97 kPa。列車在靜止狀態下，2臺空壓機同時工作至最高壓力值，打風時間符合設計要求。

對清潔制動過程進行驗證，設置的試驗條件如下：靜止的AW0載荷的列車總風壓力700 kPa，人工駕駛列車加速至80 km/h開始制動，30 km/h惰行至清潔制動完成。列車均未出現轉向架制動風壓低的故障信息，說明并非車輛本身存在故障導致制動風壓低。

由于清潔制動過程中電制動切除，僅僅使用空氣制動。清潔制動所需要的閘瓦磨耗能量是固定的，消耗的制動缸風壓并未用于列車制動。需要進一步分析故障時列車的制動狀態。

2.3 制動狀態

查看故障發生前列車的制動指令曲線，發現列車制動施加緩解操作過于頻繁(見圖4)，在35 s內，牽引指令和制動指令轉換了10次。列車在牽引工況和制動工況之間連續轉換，每轉換一次，制動執行單元閘缸執行一次充氣排氣過程。充氣排氣操作，導致制動風缸壓力大幅度下降。

牽引指令和制動指令轉換過于頻繁問題，在鄭州地鐵開通運營初期已經發現，列車過于頻繁的施加制動指令，導致牽引系統產生自我保護，施加牽引封鎖。

ATO模式下，由ATC系統(列車自動控制系統)對列車進行控制，實現列車的自動運行，TCMS通過RS485總線接收牽引和制動指令。通過牽引指令與制動指令之間的頻繁切換，控制車輛跟隨設定的速度曲線運行，不但浪費電能，還對列車產生一種沖擊，降低了乘客舒適度。

圖4 ATO模式下制動施加緩解指令

3 措施及效果

3.1 臨時措施

清潔制動過程中風壓異常消耗的根本原因是短時間內牽引指令與制動指令的頻繁轉換，需要信號系統對控車方式進行優化，才能從根本上解決問題。然而對信號系統進行升級困難大，需要時間漫長。為了降低故障對運營的影響，故障發生后采取了臨時措施：列車運營模式由ATO模式(列車自動運行)降級至ATP模式(列車自動保護下的人工駕駛)，該故障不再重復發生。

因為ATP模式下，司機根據信號系統推薦的速度手動駕駛車輛，通過操作司控器發出牽引指令和制動指令，沒有頻繁的讓列車在牽引工況和制動工況之間轉換(見圖5)，在一個區間運行過程中，僅僅施加了3次制動，避免出現ATO模式下牽引和制動指令切換過于頻繁的情況。

圖5 手動駕駛時制動施加緩解狀態

將列車ATO模式運營過程中牽引指令與制動指令轉換情況與鄭州地鐵2號線列車進行對比(見圖6)，并沒有出現1號線如此頻繁轉換的情況，在一個運行區間內，列車沒有施加制動指令，僅僅使用牽引和惰行兩個工況完成了區間運行。

圖6 地鐵2號線牽引制動指令狀態

3.2 制動系統參數優化

采用ATP駕駛模式僅僅是臨時措施，并沒有消除故障的根本原因。經過與制動系統廠家溝通，可以對車輛制動系統參數進行修改，將制動系統觸發列車產生轉向架制動風壓低故障的預警值由650 kPa降低為600 kPa，降低故障發生的概率。通過3個月時間的驗證，該故障僅發生1次，整改效果明顯。

由于列車每天只進行一次清潔制動，在首趟運營的前3個區間即可完成，大部分情況下列車總風壓力會高于750 kPa，并且列車總風壓力低于550 kPa時，才會觸發緊急制動，因此該參數的修改對車輛正常運營并不產生影響。

3.3 措施建議

在以后的工作中，將從以下方面考慮，不斷優化清潔制動過程。

(1) 增強空壓機打風能力，當總風壓力低于800 kPa 的情況下啟動單臺空壓機，保證列車總風壓力維持在較高水平；

(2)修改TCMS系統軟件，在清潔制動開始時，啟動空壓機進行打風，及時補充壓縮空氣，及時補充清潔制動的消耗；

(3)人工選擇清潔制動啟動時間，避開運營高峰期，提前或者延后進行清潔制動；

(4)新車采購時，增加列車制動風缸的容積。

4 結論及展望

介紹了地鐵列車清潔制動的意義及控制邏輯，對列車清潔制動過程發生轉向架制動風壓低故障的原因進行分析，最終查明風壓異常消耗的根本原因是信號系統施加牽引指令和制動指令過于頻繁。由于信號系統修改難度大，短時間內不具備升級的條件，在不影響列車安全運營的前提下，提出了優化車輛制動系統參數設置的解決方法，降低了故障對地鐵運營的影響，取得很好效果。建議信號系統優化列車牽引指令與制動指令控制方式，在信號與車輛設計聯絡過程中對接口進行詳細討論，避免埋下故障隱患，影響后續運營。

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