城軌車輛車控制動系統與架控制動系統對比分析

王壽峰， 徐廣增

(中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

制動系統作為列車最重要的系統之一，主要功能：保證列車減速、停車，并能夠穩定地停止在坡道上。地鐵列車的運行特點是站距短、起制動頻繁、制動減速度大[1]，而且載荷波動較大，對起動和制動時有很高的舒適度要求，停車精度要求高。國內城軌列車制動系統基本采用的是微機控制、直通式電空制動系統，根據控制方式不同，分為車控方式和架控方式。兩者在控制原理、可靠性等方面均有差別，最主要的差別是：車控系統每車設置一套制動控制裝置對單車進行制動控制；架控系統每車設置兩套制動控制裝置分別對各轉向架進行制動控制。

1 車控制動系統

車控制動系統采用分布式控制方式，每輛車配備1個制動控制裝置(BCU)，可以獨立進行制動力的計算和分配并對所在車制動進行控制。每個制動控制裝置直接連掛到列車總線和列車網絡上，各車的BCU直接接收列車的制動指令。如圖1所示。各車制動系統之間的依賴性較小，系統通信故障時對列車制動力的影響相對較小。

圖1 車控制動系統方案

車控制動系統主要由微機控制單元(EBCU)、常用電磁閥、緊急電磁閥、空重車閥和中繼閥等組成，氣動閥集成在一塊鋁基氣路板上。EBCU可以與氣動閥件集成一體安裝在車下，也可單獨放置在車上電器柜內。

1.1 車控制動系統方案1

車控制動系統的一種典型原理如圖2所示。

圖2 車控制動系統典型原理圖1

圖2中，常用制動時，EBCU根制動指令、車重信息和電制動力反饋值等計算出需要補償的空氣制動力，控制常用電磁閥動作，生成預壓力直接通過緊急電磁閥和空重車閥，輸入到中繼閥，控制中繼閥輸出規定壓力值和流量的壓縮空氣到制動缸中，產生常用制動力。

緊急制動時，制動風缸中的壓縮空氣經緊急電磁閥直接輸入到空重車閥生成預壓力，經中繼閥控制制動缸產生緊急制動力。

1.2 車控制動系統方案2

車控制動系統的另一種典型原理如圖3所示。

圖3 車控制動系統典型原理圖2

圖3中，常用制動氣路與緊急制動氣路完全分離。常用制動時，EBCU根制動指令、車重信息和電制動力反饋值等計算出需要補償的空氣制動力，控制常用電磁閥動作，生成預壓力直接輸入到中繼閥，控制中繼閥輸出規定壓力值和流量的壓縮空氣輸入到制動缸中，產生常用制動力。此時緊急電磁閥得電，截斷到緊急制動氣路。

緊急制動時，若EBCU能夠正常工作，則通過常用制動電磁閥會生產緊急制動預壓力1，緊急制動氣路通過空重車閥的調整也輸出緊急制動預壓力2通過緊急制動電磁閥輸入到中繼閥，中繼閥根據緊急制動預壓力1和2兩者中的較大者生成緊急制動缸壓力；若EBCU不能工作，中繼閥根據緊急制動預壓力2生成緊急制動缸壓力。

圖3方案相較于圖2方案，在EBCU能夠正常工作的前提下，將常用制動氣路作為了緊急制動氣路的備份，保證了緊急制動壓力值。

1.3 車控系統的防滑控制

防滑控制一般采用軸控。當EBCU中防滑控制模塊根據監測到某軸速度差或減速度超過范圍時，控制防滑閥動作進行排風、保壓、充風控制的，實現滑行軸的恢復。

目前，國內城軌車輛使用較多的車控系統主要有：北京縱橫機電的EP08制動系統、克諾爾的KBGM-P制動系統、納博泰斯克的HRA制動系統等。其中，KBGM-P制動系統氣路原理同圖2，并在車內電器柜單獨設置EBCU—ESRA制動控制單元；EP08制動系統和HRA制動系統的氣路原理同圖3，EBCU與氣動閥集成一體。

2 架控制動系統

采用架控方式時，每輛車配備兩個制動控制裝置，以轉向架為單位進行制動力的計算和分配。其中制動網關閥(G閥)除具有制動控制功能外，還具有網關功能，負責接收制動指令以及向車輛控制系統反饋制動系統的狀態，制動智能閥(S閥)僅具有制動控制功能，無網關功能，通過內部CAN總線從G閥處獲取制動指令。

全列車制動控制裝置(G閥/S閥)會組成多個CAN網單元(一般2個)。在每一個CAN網單元中，配置主輔2個G閥，其他為S閥，如圖4所示。

圖4 架控制動系統方案

由于單個CAN網單元中G閥進行冗余配置，對G閥可靠性的依賴程度有所降低，對于同樣部件可靠度情況下能提高系統指令傳輸的可靠度。

架控制動系統的EBCU和氣動閥件高度集成，靠近轉向架布置。架控制動系統氣路原理如圖5所示。根據功能模塊，架控制動系統主要由主調節器、次級調節器、負荷單元、BCP調節單元、連接閥、遠程緩解單元、電子單元控制的EP閥及壓力傳感器等組成。

圖5 架控制動系統原理圖

主調節器：根據載荷對緊急制動壓力進行調節。

次級調節器：位于主調節器上游，輸出超員載荷下對應的緊急制動壓力。

負荷單元：根據載荷對緊急和常用制動壓力進行調節，向主調節器提供預壓力。

BCP調節單元：將主調節器輸出的壓力進一步調節，輸出符合規定壓力值的制動缸壓力。同時根據EBCU輸出的指令，進行防滑控制。

連接閥：將BCP調節單元輸出到同一架兩軸的制動缸壓力串通。但出現滑行時，將BCP調節單元輸出的兩路壓力分開，以達到軸控防滑控制的目的。

遠程緩解單元：用于緩解。[2]

電子單元控制的EP閥：將EBCU輸出的電氣指令轉為氣動指令控制相應的單元工作。

壓力傳感器：用于對各路壓力進行監控，實現對制動缸壓力的閉環控制。

目前，國內城軌車輛使用的架控系統主要有：克諾爾的EP2002制動系統和北京縱橫機電的EP09制動系統等，其氣路原理基本一致。

3 車控系統與架控系統對比分析(見表1)

4 結束語

從列車對制動功能和性能需求方面，車控制動系統和架控制動系統均能實現與車輛子系統及整車的完美匹配，兩種系統都有著各自的優勢。車控制動系統在管、線布置、內網通信可靠的依賴性、模塊化與互換性、車輛擴編設計、可維護性和國產化等方面存在一定優勢；架控制動系統在控制對象、安裝、響應時間、故障時制動力損失和與牽引系統匹配性等方面有優勢。

對于編組較短的車輛，為盡量降低制動系統故障時制動力的損失，可優選架控系統；當車輛編組達到6輛及以上時，各車間的制動力冗余度升高，架控優勢將不再明顯，可綜合牽引控制系統的匹配性、制動系統通信接口可靠性等多方面考慮。從車輛的故障運維成本角度看，能夠實現子部件更換的車控方案將在成本方面具有很大優勢。對于未來有靈活編組或擴編需求的車輛，車控系統的適應性更大。

表1 車控系統與架控系統對比分析

從運營維護角度看，架控系統(特別是國產化方案)在可靠性、故障率和子部件維護等方面將是其優化設計的重點。架控系統若相較于車控系統有了較大的提高，將是更優的選擇。