地鐵車輛制動國產化項目簡介及典型故障分析

席艷麗

(西安市軌道交通集團有限公司運營分公司 陜西 西安 710016)

目前，我國地鐵裝備市場國產化率偏低，加快關鍵裝備國產化是城軌交通裝備市場的主要發展趨勢。西安地鐵為大力支持地鐵車輛關鍵裝備國產化[1]，在二號線增購車中選取5列進行制動系統國產化，由中車青島四方車輛研究所有限公司(以下簡稱“中車四方所”)研發制造，主要包含制動控制系統、停放控制系統、基礎制動裝置、防滑系統、空氣懸掛裝置及風源系統等。

1 制動系統簡介

西安地鐵二號線增購車制動國產化項目由中車四方所研發制造。考慮到需與西安地鐵二號線車輛既有機械接口、安裝接口及電氣接口相適應，中車四方所在既有成熟產品的基礎上，經過適應性調整，完成了本項目的系統設計。主要包括風源系統、制動控制系統、停放控制系統、基礎制動裝置、防滑系統、空氣懸掛裝置及附屬管路等。系統功能主要包含常用制動、快速制動、緊急制動、停放制動、防滑控制、制動不緩解檢測及強迫緩解、強迫供風、坡道起動制動、保持制動及故障診斷、故障信息儲存等。

2 國產化制動系統重點故障含義

(1)制動不緩解(NRBD)。緩解指令時，制動壓力無法降到規定值以下，導致牽引切除，列車無法動車。主要是因充、排氣閥故障(空簧壓力、制動壓力未達到緊急制動壓力理論值)、緊急閥故障(空簧壓力、制動壓力達到緊急制動壓力理論值)、中繼閥故障(空簧壓力已降為0，但制動壓力未緩解)、EBCU中CB01A電路板故障導致。

(2)制動力不足(IBD)。下達最大常用和快速制動指令時，制動(BC)壓力達不到規定值以上的壓力，導致故障車自動施加緊急制動。產生該故障的原因主要有進入制動控制柜總風不足、充排氣閥故障、中繼閥故障等。

(3)常用制動控制閥異常(MCVF)。指令與反饋值不一致，導致不能進行常用制動控制。產生的原因主要有制動控制裝置中電空轉換閥可能存在短路或斷路故障、發生制動力不足故障或制動不緩解故障、EBCU中制動板(簡稱CB01A)電路板故障。

3 典型故障分析及整改方案

通過統計分析，2016年1月至2019年8月期間，西安地鐵制動國產化車輛共發現故障44件：日常檢修發現故障25件，車輛調試發現故障13件，正線反饋故障6件，其中：典型故障為制動電源板失效、制動不緩解、正線多次列車停車位置未達到運營停車點(以下簡稱“欠標”)，故障嚴重影響地鐵車輛的運行安全，故結合現場運用情況對這些故障進行了深入分析[2-3]。

3.1 制動電源板失效

3.1.1故障描述

制動國產化車輛發生制動電源板失效2起，導致車輛制動裝置電源切斷。通過分析為共性問題。

3.1.2原因分析

上電瞬間，制動系統記錄數據就呈現出異常，此數據異常是由于各部件所需電源發生異常導致。

現場拆解檢查后，發現制動控制裝置電源板異常，電源板如圖1所示，后端起保護作用的TVS管損壞，前端保險絲呈斷路狀態。黑色物質為高溫下氣化后的電路板表層絕緣漆冷凝物。

圖1 電源板燒損

(1)使用此電源模塊的外圍設備(防滑閥、速度傳感器、充排氣電磁閥)均發生短路情況。

(2)上電瞬間外部輸入電流過大。電路板中起保護作用的保險絲呈斷路狀態，一般是由于輸入電流過大，導致保險絲熔化斷開。在保險絲之后的TVS管，由于是浪涌保護器件中響應時間最快的保護元器件，所以在保險絲未斷開前先起到保護作用而損壞。在電流過大后，TVS管會因高溫損壞。

(3)TVS管元件內在失效，因電器元器件存在偶然的內部質量因素，如TVS管內部焊料不均勻、產品自身質量等因素，導致此TVS管使用壽命大大縮短，發生短路。

3.1.3整改措施

(1)對TVS管元件進行分析，優化制動電源板生產工藝，對制動電源板進一步改善耐壓處理電路，批量更換后跟蹤效果良好。

(2)作為運用單位，一方面針對類似故障要結合制動原理編制故障處理指南，提高正線處置效率；另一方面要儲備足夠的備品備件，滿足現場需求。

3.2 制動不緩解

3.2.1故障檢測原理

常用制動時，制動控制裝置中氣動制動控制單元PBCU根據電子制動控制單元EBCU傳來的電信號，通過EP模塊將來自制動儲風缸的壓縮空氣轉換成與電信號相對應的預控壓力，然后預控壓力經緊急閥(常用制動時相當于通路)到達空重車調整閥(常用制動時相當于通路)，從空重車調整閥出來的預控壓力到中繼閥，打開中繼閥中制動儲風缸與制動風缸的通路，最后使得制動缸獲得符合制動力要求的壓力。如圖2所示。

圖2 故障檢測原理圖

同樣，電子制動控制單元EBCU發出緩解指令時，制動控制裝置中EP模塊的排氣電磁閥打開，充氣電磁閥關閉，預控壓力經排氣電磁閥排出，中繼閥膜板移動，切斷制動儲風缸與制動缸通路，打開制動缸與大氣的通路，制動缸壓縮空氣排出。當排氣電磁閥不動作時，會造成預控壓力無法通過排氣閥排出，導致制動不緩解。

發生制動不緩解故障時，即閥芯在復位彈簧的作用下未往上運動，原因有兩點，一是復位彈簧失效，二是閥芯卡滯，造成卡滯的原因為閥內存在雜質或者閥本身存在質量問題。

3.2.2原因分析

根據國產化制動系統特點和原理，造成單車制動不緩解故障的主要原因如下：(1)充排氣電磁閥故障；(2)充氣電磁閥故障連接器短路或開路故障；(3)CB01A電路板故障。

3.2.3故障排查

(1)根據制動裝置制動不緩解的原理：制動指令為緩解時，5 s后BC壓力值無法下降至80 kPa以下，則會報制動裝置制動不緩解故障。結合CF卡數據，每次制動不緩解故障發生時均滿足該條件。

(2)列車回庫后，故障已恢復，進行制動施加緩解試驗，故障不再重現，打開制動控制箱，EBCU顯示9999(表示制動系統無故障)，排除CB01A電路板故障。

(3)檢查全列充排氣電磁閥及連接器，發現排氣電磁閥電氣插口處存在銹跡且沒有安裝過濾網。

3.2.4整改措施

通過分析，原充排氣電磁閥(MAC閥)存在一定的缺陷，后經中車四方所研究分析，統一更換為NASS閥，從更換后的效果來看，目前未再發生類似故障。兩者和外形對比如表1、圖3所示。

表1 MAC閥與NASS閥參數對比

圖3 MAC閥與NASS閥外形對比

關于NASS電磁閥，北京縱橫機電(鐵科院)在動車組及車控制動系統中一直批量使用該型號的電磁閥，且克諾爾、諾冠等知名系統/產品生產廠家也批量使用該品牌同系列/同型號電磁閥，運用情況良好。與MAC電磁閥相比，兩者接口不一致，通徑大小也不一致，換裝該型號電磁閥，需要整體更換EP模塊和連接器，并且控制程序需要適應性更新。

對5列制動國產化車輛刷新匹配的控制程序，增加出現故障時充排氣電磁閥多次動作功能。程序刷新后列車通電并進行制動功能測試及制動不緩解功能測試。一是施加各級常用制動及緊急制動，確認制動缸壓力符合設計標準要求，且響應過程中無延遲、波動等異常現象。二是施加停放制動，將司控器手柄處于緩解位，按下司機臺緊急制動按鈕，待壓力穩定后，拔下任一換裝新充排氣電磁閥的制動控制裝置內緊急電磁閥的插頭，再執行緊急制動緩解操作，8 s后在司機室顯示器上觀察是否有制動不緩解提示；觀察單車監控軟件中排氣電磁閥的動作曲線，確認程序是否增加了制動不緩解時排氣電磁閥進行多次動作的功能。

3.3 正線多次發生欠標

3.3.1故障描述

2017年9月1日至9月27日期間，制動國產化車輛先后發生15次欠標。

3.3.2原因分析

通過讀取的監控數據發現，列車發生欠標時2車的部分制動曲線確實出現異常，該部分實際制動缸壓力沒有跟隨目標值的變化而調整，而5車制動缸壓力跟隨目標值的變化而調整。

經過對比，異常曲線只在2車上出現，其他車輛制動曲線正常。結合制動系統原理和現場運用情況，初步判斷該問題主要是由于制動控制裝置內中繼閥異常(卡滯或者內部存在異物)導致，現場更換故障件，返廠對故障中繼閥進行拆解，發現中繼閥內預控腔縮堵脫落,如圖4所示。

圖4 中繼閥內預控腔縮堵脫落

此處縮堵為閥內制動缸壓力腔縮堵，可以在中繼閥充排氣過程中輔助控制制動缸壓力腔的氣流速度，縮堵松動后會掉入中繼閥排氣口附近，并且受氣流沖擊而在閥內小范圍移動時有一定的概率會影響閥芯動作，因此出現了中繼閥偶爾無法響應的現象。

3.3.3整改措施

經分析，此處所用縮堵螺紋為直管螺紋，且外形為筒形，在頻繁的氣流沖擊下存在松動的隱患。將原裝縮堵更換為帽型結構后可避免此處縮堵向閥內脫落的風險。

由于更換縮堵過程涉及中繼閥的拆解、組裝和試驗，因此已裝車的中繼閥需返廠更換縮堵。

4 結束語

西安地鐵2號線制動國產化列車自運營以來，發生多起制動系統典型故障，文中經過調查分析，提出了有效的解決方案，經實際應用驗證效果顯著，提高了制動系統可靠性，保證了地鐵車輛平安運營，可以從現場運用的角度為同行業提供參考依據。