停放制動(dòng)原理分析及故障診斷

杜群威， 張遠(yuǎn)東， 謝川川

(1 中車唐山機(jī)車車輛有限公司， 河北唐山 063035；2 中國(guó)鐵路北京局集團(tuán)有限公司， 北京 100860；3 中國(guó)鐵路沈陽(yáng)局集團(tuán)有限公司， 沈陽(yáng) 110001)

停放制動(dòng)是可以在規(guī)定的坡道上，以規(guī)定的載荷永久保持住列車的制動(dòng)模式。目前停放制動(dòng)通常采用蓄能彈簧的方式進(jìn)行施加，停放制動(dòng)施加時(shí)，通過(guò)蓄能彈簧壓緊制動(dòng)盤，產(chǎn)生停放制動(dòng)力，當(dāng)需要緩解時(shí)，停放制動(dòng)缸充氣，彈簧被壓縮，停放制動(dòng)緩解[1]。在停放制動(dòng)控制方式上，都采用停放電磁閥進(jìn)行控制，同時(shí)進(jìn)行制動(dòng)缸壓力的防疊加設(shè)計(jì)，但在具體的控制方式上卻不盡相同，導(dǎo)致外圍氣路和控制環(huán)路也發(fā)生變化[2]。在停放制動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)實(shí)際的車輛配置和使用需求確定停放制動(dòng)的選型，之后再設(shè)計(jì)外圍氣路和控制環(huán)路。

隨著對(duì)運(yùn)營(yíng)安全性與可靠性認(rèn)識(shí)的不斷加深，停放制動(dòng)的監(jiān)控和故障診斷也有了新的要求，通過(guò)分析常見(jiàn)的停放制動(dòng)組成及控制方式，梳理停放制動(dòng)的控制與監(jiān)控原理，完善停放制動(dòng)的故障診斷邏輯，為后續(xù)停放制動(dòng)的設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 停放制動(dòng)執(zhí)行方式

停放制動(dòng)的執(zhí)行部件為停放制動(dòng)缸，內(nèi)部安裝有預(yù)壓緊的彈簧。在停放制動(dòng)缸排氣狀態(tài)時(shí)，在彈簧力的作用下，停放制動(dòng)活塞桿伸出。當(dāng)停放制動(dòng)缸充氣時(shí)，彈簧被壓縮，停放制動(dòng)緩解。停放制動(dòng)作為一種被動(dòng)式制動(dòng)，通常與常用制動(dòng)缸集成為復(fù)合式制動(dòng)缸使用，如圖1所示，停放制動(dòng)缸部分進(jìn)行停放制動(dòng)的施加和緩解，常用制動(dòng)缸接口連接BCU，進(jìn)行緊急制動(dòng)、常用制動(dòng)和保持制動(dòng)的控制。動(dòng)車組與城鐵車輛的基礎(chǔ)制動(dòng)一般采用常用制動(dòng)缸+復(fù)合式制動(dòng)缸，根據(jù)停放坡度和列車總質(zhì)量確定總停放制動(dòng)力，之后進(jìn)行停放制動(dòng)力的選型，并確定復(fù)合式制動(dòng)缸在基礎(chǔ)制動(dòng)裝置中的布置。由于停放制動(dòng)彈簧力較大，一根車軸上最多布置一個(gè)復(fù)合制動(dòng)缸。在一些低地板輕軌車輛液壓制動(dòng)系統(tǒng)中，動(dòng)車的基礎(chǔ)制動(dòng)為單停放制動(dòng)缸的配置形式，與常規(guī)BCU控制不同的是：液壓油增壓時(shí)緩解制動(dòng)，液壓油減壓時(shí)施加制動(dòng)，當(dāng)需要施加停放制動(dòng)時(shí)，液壓油壓力為零。

圖1 復(fù)合式制動(dòng)缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 停放制動(dòng)氣路分析

停放制動(dòng)由電磁閥進(jìn)行控制，包括雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥和兩位三通電磁閥，停放制動(dòng)的氣路供應(yīng)分為總風(fēng)管直接供風(fēng)和制動(dòng)風(fēng)缸供風(fēng)。在防疊加功能上制動(dòng)缸管路通過(guò)雙向逆止閥或電磁閥排氣口兩種方式。常見(jiàn)的停放制動(dòng)控制氣路如圖2所示，A1為供氣口，通過(guò)外部氣源給電磁閥供風(fēng)；A2為常用制動(dòng)缸管路接口，通過(guò)此接口接入制動(dòng)缸壓力進(jìn)行停放制動(dòng)的防疊加；A3為停放制動(dòng)缸管路接口，通過(guò)此接口輸出停放制動(dòng)控制壓力，進(jìn)行停放制動(dòng)控制。B1為雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥，閥芯不帶復(fù)位彈簧，通過(guò)布置在閥芯兩側(cè)的脈沖電磁閥控制閥芯動(dòng)作，每次電磁閥動(dòng)作完成后閥芯停留在此位置，直至下一次工作。B2為兩位三通電磁閥，當(dāng)電磁閥得電時(shí)，氣路導(dǎo)通，A1供氣口的壓縮空氣進(jìn)入A3停放制動(dòng)缸管路；當(dāng)電磁閥失電時(shí)，電磁閥截止。B3為雙向逆止閥，也成為邏輯“或”閥，輸出口與兩個(gè)輸入口中壓力較大的通路導(dǎo)通，兩個(gè)輸入口處于關(guān)閉狀態(tài)。

A1-供氣口； A2-常用制動(dòng)缸管路；A3-停放制動(dòng)缸管路；B1-雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥；B2-兩位三通電磁閥；B3-雙向逆止閥。圖2 停放制動(dòng)模塊氣路原理圖

圖2為4種常見(jiàn)的停放制動(dòng)氣路布置，其編號(hào)①②③④分別對(duì)應(yīng)雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥+雙向逆止閥、兩位三通電磁閥+雙向逆止閥、雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥、兩位三通電磁閥的停放制動(dòng)氣路布置方案。雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥僅通過(guò)兩側(cè)的脈沖電磁閥控制閥芯的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，其控制信號(hào)為脈沖信號(hào)，持續(xù)100 ms即可完成電磁閥的切換，停放制動(dòng)的電氣控制通過(guò)兩根列車線進(jìn)行控制，分別為停放制動(dòng)施加指令列車線和停放制動(dòng)緩解指令列車線，電磁閥的狀態(tài)為兩根控制列車線中最后得電的那根列車線的控制狀態(tài)。雙穩(wěn)態(tài)電磁閥兩側(cè)帶有外部操作機(jī)構(gòu)，可以手動(dòng)控制閥芯狀態(tài)，通過(guò)按下操作機(jī)構(gòu)，帶動(dòng)閥芯運(yùn)動(dòng)另一側(cè)，方便進(jìn)行手動(dòng)操作。部分雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥的閥芯和操作結(jié)構(gòu)直接連接，通過(guò)查看操作結(jié)構(gòu)的位置就可以確定閥芯的狀態(tài)。

兩位三通電磁閥為帶彈簧復(fù)位的單閥頭電磁閥，其電磁閥線圈工作率為100%，可以保證長(zhǎng)時(shí)間得電工作。其控制信號(hào)為持續(xù)的控制信號(hào)，停放制動(dòng)的電氣控制通過(guò)一根列車線進(jìn)行控制：為停放制動(dòng)施加指令列車線，此列車線得電時(shí)停放制動(dòng)緩解，當(dāng)此列車線失電時(shí)停放制動(dòng)施加，此種特性可以保證列車關(guān)閉或意外斷電時(shí)停放制動(dòng)可以自動(dòng)施加，當(dāng)列車再次上電，可以通過(guò)司機(jī)操作控制停放制動(dòng)列車線得電后緩解停放制動(dòng)。兩位三通電磁閥較雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥，外形尺寸小，安裝緊湊，方便集成。

停放制動(dòng)的防疊加功能是防止同時(shí)產(chǎn)生常用制動(dòng)缸和停放制動(dòng)缸壓力，避免兩者同時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)力而造成制動(dòng)力過(guò)大，引發(fā)車輪抱死和閘片過(guò)熱現(xiàn)象。停放制動(dòng)的防疊加功能使用場(chǎng)景有：(1)停放制動(dòng)施加+空氣制動(dòng)緩解，此時(shí)常用制動(dòng)缸和停放制動(dòng)缸都沒(méi)有壓縮空氣。施加空氣制動(dòng)之后，BCU給常用制動(dòng)缸充氣，常用制動(dòng)缸壓力進(jìn)入停放制動(dòng)缸中，去緩解部分停放制動(dòng)力，起到防疊加作用，但此場(chǎng)景下的充風(fēng)容積增加了停放制動(dòng)管路和停放制動(dòng)缸，制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間要大于正常值。(2)停放制動(dòng)緩解+常用制動(dòng)施加，此時(shí)常用制動(dòng)缸和停放制動(dòng)缸都有壓縮空氣，之后施加停放制動(dòng)，此時(shí)電磁閥從A1口的供氣通道關(guān)閉，常用制動(dòng)缸管路開始給停放制動(dòng)缸充風(fēng)，去緩解部分停放制動(dòng)力，起到防疊加作用，但此場(chǎng)景下停放制動(dòng)缸和停放制動(dòng)管路內(nèi)的壓縮空氣流進(jìn)常用制動(dòng)管路中，造成常用制動(dòng)缸壓力上升，需要BCU快速排氣，來(lái)調(diào)節(jié)下游制動(dòng)缸壓力。

雙向逆止閥通過(guò)安裝在電磁閥下游，兩個(gè)進(jìn)氣口分別連接電磁閥出口與常用制動(dòng)缸管路，取兩者中壓力較大的輸出到停放制動(dòng)管路中。兩個(gè)進(jìn)氣口中只要一個(gè)有壓力，即可輸出停放制動(dòng)缸壓力，保證停放制動(dòng)的防疊加。在上面的場(chǎng)景1中，雙向逆止閥右側(cè)管路沒(méi)有壓縮空氣，左側(cè)管路開始充入常用制動(dòng)壓縮空氣，雙向逆止閥下游充入常用制動(dòng)壓縮空氣。在上文的場(chǎng)景2中，雙向逆止閥兩側(cè)管路均有壓縮空氣，且右側(cè)壓力大于左側(cè)壓力，雙向逆止閥閥芯截?cái)嘧髠?cè)管路，之后右側(cè)管路壓力排空，雙向逆止閥閥芯截?cái)嘤覀?cè)管路，下游高壓力壓縮空氣流向左側(cè)，利用BCU的壓力調(diào)節(jié)功能將其調(diào)節(jié)常用制動(dòng)壓力起到防疊加作用。

采用排氣口出口連接常用制動(dòng)缸壓力作為防疊加功能，此時(shí)電磁閥的供氣要保證可靠，不能出現(xiàn)壓力不穩(wěn)的情況，即便是在回送等情況下，此時(shí)建議使用制動(dòng)風(fēng)缸供風(fēng)，因?yàn)橹苿?dòng)風(fēng)缸與總風(fēng)管之間設(shè)置單向閥，可以保證制動(dòng)風(fēng)缸的壓力穩(wěn)定性，不受總風(fēng)管壓力下降的影響。在上面的場(chǎng)景1中，電磁閥A3與A2接通，常用制動(dòng)時(shí)通過(guò)此通道將常用制動(dòng)壓縮空氣充入停放制動(dòng)管路。在上文的場(chǎng)景2中，通過(guò)電磁閥，A1與A3接通，A2內(nèi)有常用制動(dòng)壓縮空氣，且A3的空氣壓力大于A2的空氣壓力，當(dāng)電磁閥失電后，A3與A2接通，停放制動(dòng)缸內(nèi)的壓縮氣體流入到常用制動(dòng)管路中通過(guò)BCU進(jìn)行壓力調(diào)節(jié)。

表1 停放制動(dòng)氣路對(duì)比

3 停放制動(dòng)電氣控制

停放制動(dòng)的電氣控制包括停放制動(dòng)指令列車線和停放制動(dòng)狀態(tài)環(huán)路，停放制動(dòng)指令列車線數(shù)量參照停放電磁閥選型。在停放制動(dòng)管路上設(shè)置壓力開關(guān)，用來(lái)檢測(cè)每個(gè)停放控制模塊施加狀態(tài)，將所有的壓力開關(guān)狀態(tài)串入停放制動(dòng)狀態(tài)環(huán)路，通過(guò)環(huán)路可以判斷停放制動(dòng)的狀態(tài)。常見(jiàn)的雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥的停放制動(dòng)電氣結(jié)構(gòu)為：兩根停放制動(dòng)指令列車線+兩個(gè)停放制動(dòng)狀態(tài)環(huán)路，如圖3所示。

圖3 雙穩(wěn)態(tài)脈沖電磁閥的停放制動(dòng)電氣結(jié)構(gòu)

如圖3中停放制動(dòng)狀態(tài)環(huán)路，壓力開關(guān)連接繼電器，通過(guò)檢測(cè)停放制動(dòng)壓力，控制繼電器線圈動(dòng)作，繼而控制狀態(tài)環(huán)路。當(dāng)列車上所有壓力開關(guān)產(chǎn)生一致的動(dòng)作后，狀態(tài)回路建立，可以通過(guò)司機(jī)臺(tái)LED給司機(jī)顯示停放制動(dòng)的施加緩解狀態(tài)。在車輛的具體配置上，可以對(duì)狀態(tài)環(huán)路進(jìn)行簡(jiǎn)化，保留緩解狀態(tài)回路，當(dāng)緩解回路建立后認(rèn)為停放制動(dòng)緩解，其他情況均認(rèn)為停放制動(dòng)施加，此簡(jiǎn)化方案與兩位三通電磁的停放制動(dòng)電氣結(jié)構(gòu)為：停放制動(dòng)緩解指令列車線+停放制動(dòng)緩解狀態(tài)環(huán)路，如圖4所示。

圖4 兩位三通電磁的停放制動(dòng)電氣結(jié)構(gòu)

4 停放制動(dòng)故障診斷

停放制動(dòng)主要運(yùn)用在車輛靜止后需要長(zhǎng)時(shí)間在坡道上停放，在一般項(xiàng)目中，停放制動(dòng)的整列配置比為2:1或4:1，停放制動(dòng)力大于常用制動(dòng)力，在車輛運(yùn)動(dòng)過(guò)程中意外施加停放制動(dòng)會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的制動(dòng)力而擦傷車輪，所以車輛增加運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的停放制動(dòng)意外施加的故障保護(hù)，列車?yán)^電器回路的故障保護(hù)原理見(jiàn)圖5所示，在車輛運(yùn)行過(guò)程中，停放制動(dòng)未被旁路的情況下，停放制動(dòng)緩解回路失效后列車立刻施加緊急制動(dòng)，并封鎖牽引力。

圖5 繼電器回路的故障保護(hù)原理

在停放制動(dòng)管路上會(huì)設(shè)置壓力傳感器與電觸點(diǎn)截?cái)嗳T，通過(guò)BCU(或TCMS)采集停放制動(dòng)壓力與塞門狀態(tài)，在HMI上顯示停放制動(dòng)施加、緩解或切除狀態(tài)。此時(shí)壓力傳感器的判斷閾值與壓力開關(guān)一致才能保證顯示結(jié)果的同步性。在一些項(xiàng)目中取消壓力開關(guān)，僅通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行停放制動(dòng)的故障診斷，此時(shí)BCU(或TCMS)采集的信息除了在HMI上顯示外還進(jìn)行停放制動(dòng)的診斷，以一列車有A車和B車安裝有停放制動(dòng)為例，BCU(或TCMS)通過(guò)故障診斷后判斷列車停放制動(dòng)是否已緩解，可以通過(guò)控制一個(gè)繼電器去觸發(fā)緊急制動(dòng)，如圖6所示。

圖6 BCU(或TCMS)停放制動(dòng)緩解狀態(tài)診斷邏輯

5 結(jié) 論

通過(guò)介紹停放制動(dòng)缸的工作原理，對(duì)停放制動(dòng)的施加方式和電磁閥組成進(jìn)行匯總，對(duì)4種常見(jiàn)的停放控制氣路進(jìn)行細(xì)致分析，從控制方式、使用場(chǎng)景逐個(gè)進(jìn)行討論。通過(guò)分析停放制動(dòng)的電路控制，完成了兩種電磁閥的停放控制整車控制原理。最后對(duì)停放制動(dòng)的故障保護(hù)和診斷進(jìn)行討論，按照實(shí)際實(shí)現(xiàn)途徑闡述了壓力開關(guān)與壓力傳感器的兩種診斷方式。最后梳理并匯總了停放制動(dòng)的氣路與電氣控制方案，對(duì)后續(xù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和性能研究提供支持。