常州地鐵1號線國產化制動系統設計

唐建明

(中車南京浦鎮車輛有限公司 設計開發部， 南京 210031)

常州地鐵1號線空氣制動系統采用海泰公司自主研發設計的EPCD型車控制動系統，該系統能在司機控制器或ATO的控制下對列車進行階段或一次性的制動與緩解。EPCD型車控制動系統能夠實現常用制動、快速制動、緊急制動、保持制動、停放制動、車輪防滑保護、載荷補償、制動力混合等功能，系統結構清晰、簡潔，功能完備，編成列車后不相互干擾，并以“故障導向安全”為設計原則。

1 概述

1.1 列車編組

圖1 列車編組圖

其中：

Tc車為有司機室的拖車；

Mp車為無司機室帶受電弓的動車；

M車為無司機室的動車。

1.2 制動系統主要參數

列車最大運行速度： ≥80 km/h

制動時沖擊極限： ≤0.75 m/s3

緊急制動響應時間(制動缸壓力從0到90%滿制動缸壓力的最大時間) ≤1.5 s

常用制動平均減速度(80 km/h～0) ≥1.0 m/s2

緊急制動平均減速度(80 km/h～0) ≥1.2 m/s2

2 制動系統組成

制動系統主要設備組成參見表1。

2.1 供風裝置(見圖2)

在每輛Tc車配置1臺S03T-N0.9型螺桿式空氣壓縮機組，它主要由SG-0.9A螺桿式壓縮機、空氣后處理裝置、電氣控制箱、壓力開關箱等部件組成，它們通過吊架集成化組成一個緊湊式供風單元。壓縮機由1個三相交流、50 Hz、AC 380 V的電機驅動，其排量約為900 dm3/min，工作轉速為1 460 r/min。經過雙塔干燥器和油過濾器處理后的壓縮空氣質量等級滿足ISO 8573-1(1991)標準中2-2-2級的要求。

表1 制動系統主要設備配置

圖2 供風裝置

2.2 制動電子控制單元BECU

制動電子控制單元(BECU)是制動系統核心控制部件，基于海泰公司通用制動電子系統開發平臺(HTES)進行研制，其組成及各板卡功能如圖3所示。

2.3 制動控制裝置(見圖4)

每輛車配置一個制動控制裝置，將制動控制單元BCU、輔助控制單元ACU、總風缸、空氣彈簧(簡稱：空簧)懸掛風缸和制動風缸高度集成，整體吊掛在車體底架上。其中，制動控制單元BCU、輔助控制單元ACU靠近車側安裝，便于日常維護檢修操作。

圖3 制動電子控制單元(BECU)

圖4 制動控制裝置

2.3.1輔助控制單元ACU

輔助控制單元內部氣路圖參見圖5中B12部分。

輔助控制單元(B12)的內部氣路將來自總風的壓縮空氣經過過濾器(.12)和截斷塞門(.09)后分為3路，分別給空簧支路、停放制動控制支路和制動控制單元(B11)供風，主要實現空簧供風和停放制動的控制功能。

空簧支路：來自總風的壓縮空氣經過具有止回功能的溢流閥(.01)后進入空簧風缸并繼續流經減壓閥(.02)、截斷塞門(.11)流入下游的高度閥和空簧。其中溢流閥(.01)用于優先給制動裝置供風，確保制動功能可用；減壓閥(.02)用于限制進入空簧的最大壓力不超過630 kPa，防止下游高度閥故障時總風壓力過大對空簧造成損壞；截斷塞門(.11)和測試接頭(.14)則用于總風壓力正常時對空簧及高度閥等設備的檢修維護。

B13-總風缸；B15-空簧懸掛風缸；B12-輔助控制單元；B14-制動風缸；B11-制動控制單元。圖5 制動控制裝置氣路圖

停放制動控制支路：來自總風的壓縮空氣經過減壓閥(.03)、雙脈沖電磁閥(.04)、雙向閥(.05)、截斷塞門(.06)和測試接頭(.13)進入停放制動缸。當雙脈沖電磁閥(.04)的停放制動緩解電磁頭得電，來自總風的壓縮空氣沿著上述氣路進入停放制動缸，停放制動缸內彈簧壓縮，從而緩解停放制動；當雙脈沖電磁閥(.04)的停放制動施加電磁頭得電，停放制動缸中的壓縮空氣倒流至雙脈沖電磁閥(.04)，并排向大氣，停放制動缸內壓縮彈簧伸展，從而施加停放制動。其中雙向閥(.05)用于防止停放制動力和其他空氣制動力疊加對基礎制動裝置造成損壞。

此外，來自總風的壓縮空氣經過單向閥(.08)和截斷塞門(.10)進入制動控制單元(B11)。

2.3.2制動控制單元BCU

制動控制單元內部氣路圖參見圖5中B11部分。

常用制動和快速制動時，來自制動風缸的壓縮空氣分兩路分別進入中繼閥(.04)和高速開關閥(.01和.02)，通過高速開關閥(.01和.02)調節后的壓縮空氣流經得電的緊急電磁閥(.05)和空重車閥(.06)，進入中繼閥(.04)的預控腔以打開其內部開口，使來自制動風缸的壓縮空氣進入制動缸，實現相應大小的制動力控制。高速開關閥(.01和.02)由BECU 控制，并結合預控壓力傳感器(.08)做閉環控制。整個預控壓力受空重車閥(.06)的限制，使得一定載荷下的常用制動和快速制動預控壓力不超過緊急制動時的預控壓力。

緊急制動時，車輛安全環路失電，緊急電磁閥(.05)失電，來自制動風缸的壓縮空氣分兩路分別進入中繼閥(.04)和緊急電磁閥(.05)，并通過空重車閥(.06)的調整后流入中繼閥(.04)的預控腔。預控壓力經過中繼閥流量放大后使來自制動風缸的壓縮空氣流入制動缸，實現相應大小的制動力控制。

遠程緩解閥(.03)用于當制動控制單元BCU前端壓力控制設備故障時，直接將制動缸內壓縮空氣排向大氣，實現制動緩解。為了確保安全，遠程緩解功能不能緩解緊急制動和停放制動。

2.3.3風缸

每個制動控制裝置配置3個風缸，分別為總風缸、空簧懸掛風缸和制動風缸，風缸容積均為100 dm3，鋁合金材質，按照EN286-4標準進行設計。

2.4 基礎制動裝置

每個轉向架設置4套踏面制動裝置，其中兩套帶停放制動功能，在轉向架呈對角布置。整車的停放制動力可保證6輛編組的超員列車在35‰的坡道上安全停放。轉向架兩側均配有停放制動手動緩解拉繩，在車輛的任意一側均可以對每個停放缸進行手動緩解。

2.5 防滑裝置

為每個轉向架配置1臺防滑裝置，該防滑裝置可對轉向架兩根軸的滑行分別進行控制。

3 制動系統功能

采用MVB列車網絡+CAN制動內網的網絡架構模式，并設置以太網ETH用于數據下載，參見圖6。其中，MVB列車網絡用于接收制動指令、電制動和空氣制動等信息，上傳狀態數據和故障數據等信息；CAN內網用于傳輸制動狀態信息、制動力分配、故障診斷、標定和程序下載等信息；以太網用于傳輸制動狀態信息、故障診斷、標定和程序下載等信息。

圖6 制動系統網絡架構

3.1 常用制動

根據來自信號系統或司機控制器的制動指令，網絡系統計算整車制動力需求值，并根據每個動車的電制動狀態(是否可用)和電制動力可用值分配每個動車的電制動力，牽引系統將每個動車的實際電制動力完成值反饋給網絡系統。若電制動力不能滿足總制動力需求，網絡系統將需求空氣制動力值發送給主BECU，主BECU通過CAN內網來分配整車空氣制動力至各個BECU。

3.2 快速制動

當司機將司機控制器拉到"快速制動"位時，司機控制器將輸出一個快速制動硬線信號(低電平有效)和參考值的模擬量信號給網絡系統，其中硬線信號通過網絡和列車線兩路同時輸入到BECU及牽引控制單元DCU，同時網絡系統根據模擬量計算整車制動力值并輸入到BECU及DCU。

當司機控制器移出“快速制動”位時，快速制動將被緩解。

在ATO模式下，快速制動被觸發時，列車控制單元將忽略來自ATO的制動力需求，按快速制動率執行制動；在緊急牽引模式下，快速制動僅通過硬線命令控制。

3.3 緊急制動

緊急制動由列車的緊急制動環路失電觸發，并最終由基礎制動裝置執行，是通過一個安全回路控制的純空氣制動模式，是列車運行安全導向保證中最重要的環節。緊急制動是故障安全環路，不可逆。

3.4 保持制動

ATO模式的保持制動施加和緩解由信號系統發出指令。

人工手動駕駛模式時，當速度低于0.5 km/h且無牽引命令，制動系統將控制施加保持制動；網絡系統設定牽引力閥值，當實際牽引力達到閥值后發出保持制動緩解命令給制動系統，或當速度高于1 km/h后，網絡系統也將發出保持制動緩解命令。

在緊急牽引模式下，制動系統檢測到無硬線牽引命令和零速信號后施加保持制動；制動系統檢測到無硬線制動命令且硬線牽引命令有效超過2 s后緩解保持制動。

保持制動是常用制動的一部分，其默認大小為最大常用制動力的70%，若有更大的制動力需求，將按更大的制動力來施加。

3.5 停放制動

在司機臺上設置一個停放制動施加/緩解按鈕，在零速情況按下相應按鈕，可實現停放制動的施加和緩解控制。

3.6 車輪防滑保護

電制動防滑控制和空氣制動防滑控制是各自獨立完成的。

當電制動檢測到滑行時發出電制動防滑信號給網絡系統，網絡系統將該信號轉發給空氣制動系統，空氣制動系統根據此信號固化當前實際電制動力值，當電制動防滑信號有效超過3 s，空氣制動系統將發送電制動切除信號給網絡系統，網絡系統轉發電制動切除信號給牽引系統。當空氣制動系統檢測到滑行，空氣制動將在1 s內發送電制動切除信號給網絡系統，網絡系統轉發電制動切除信號給牽引系統；在電制動切除的過程中存在電空混合的過程，以保證不會對車輛產生沖擊，電制動和空氣制動將按照0.75 m/s3的斜率進行轉化。

檢測到空氣制動滑行時，BECU控制該軸防滑閥排風，降低制動缸壓力，避免滑行加劇；當檢測到滑行得到抑制后，防滑閥停止排風，制動缸保壓；當滑行軸速度恢復時，防滑閥充風，恢復制動力。

3.7 載荷補償

由BECU接收來自每個轉向架空簧的壓力信號，作為轉向架載荷信號，實現牽引、制動時的載荷補償功能。

當制動系統收到網絡發出的所有門關好信號后，制動系統將鎖定載荷信號。

每個車有2個空簧壓力點，當相應的空簧壓力點故障時，具體處理措施如下：

(1)某一轉向架的空簧壓力點故障時，以另一轉向架的空簧壓力點的壓力為準；

(2)如果一個車2個空簧壓力點都故障，將按照AW3載荷進行制動控制；

(3)本車BECU采集到壓力值小于70%×AW0時，將按照AW3載荷進行制動控制；

(4)本車BECU采集到壓力值大于110%×AW3時，將按照AW3載荷進行制動控制。

3.8 制動力混合

電、空制動力混合的策略是按"列車級"進行制動力分配的。在制動過程中優先采用電制動，空氣制動適時補充的混合制動方式。故障動車或者電制動被關閉的動車，將被當作拖車來處理。

3.9 空壓機管理

兩臺空壓機組采用單雙日主輔交替控制模式，由BECU根據來自列車控制單元的主輔信號以及BECU采集到的總風壓力、油溫、缺相、過載和雙塔干燥器的信號等綜合判定，發出啟停命令。

當總風壓力值低于750 kPa時主空壓機啟動；當總風壓力值達到900 kPa時，該空壓機停止；

當總風壓力值低于700 kPa時，兩臺空壓機同時啟動，當總風壓力值達到900 kPa時，兩臺空壓機同時停止工作。

4 結束語

目前常州地鐵1號線首列車已完成所有型式試驗考核并交付，制動系統各項功能、性能穩定可靠，指標均滿足合同要求。這是海泰公司自主研發的空氣制動系統首次大批量(共36列/216輛)在地鐵列車上運用，對我國城市軌道交通裝備國產化的健康發展起到重要促進作用。