城市轨道交通车辆防滑系统故障分析与仿真*

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，200092，上海∥第一作者，硕士研究生）

城市轨道交通车辆防滑系统故障分析与仿真*

王宗明 左建勇 吴萌岭

（同济大学铁道与城市轨道交通研究院，200092，上海∥第一作者，硕士研究生）

介绍了城市轨道交通车辆制动系统以及防滑系统的构成。对防滑阀故障特征进行了分析。提出了用于检测防滑阀的算法流程。采用故障再现理念，基于AMESim仿真软件建立了制动系统仿真模型。该模型能够反映制动发生滑行时防滑控制的特性。在此基础上，模拟了防滑阀的故障状态。仿真结果表明，对防滑阀的故障分析是正确的。

城市轨道交通车辆；防滑系统；故障分析

First-author's address Institute of Railway and Urban Mass Transit，Tongji University，200092，Shanghai，China

城市轨道交通车辆采用电气指令微机控制直通式制动系统，空电复合制动、再生优先控制。其普遍使用微机式防滑装置，通过微机来判断滑行，并向防滑阀发出逻辑控制。该种防滑装置的特点是计算速度快，检测灵敏度更高，能更好地利用粘着［1］。

防滑器在实际运用过程中会发生许多故障［2］。防滑系统发生故障会使得滑行失控，可能会造成严重的后果。因此，需要对防滑系统的故障进行研究。

实践表明，城市轨道交通车辆制动系统可以通过数学建模的方式进行仿真模拟［3］。为了能够再现防滑系统故障，使用专业仿真软件AMESim建立防滑系统模型，并对其进行故障模拟仿真。文献［4］在AMESim中建立了高速动车组防滑阀模型，文献［5］建立了基于AMESim动车组防滑系统模型，但它们都没有进行故障仿真。为了能更好地反映防滑系统在整个制动系统中的作用，本文建立了完整的整车制动系统模型，其中包含了防滑系统，并在此基础上进行故障再现模拟仿真。

1 防滑系统构成及故障分析

1.1 滑行的产生与防滑控制

当列车开始制动时，如果制动力过大超过了正常的粘着力或者轮轨间的接触情况发生变化使得粘着系数减小，造成粘着力小于制动力的情况，此时滑行产生。滑行会导致车轮踏面与铁轨轨面间的擦伤，同时制动力的减小也会使制动距离增大。当防滑系统检测到发生滑行时，通过防滑阀使闸瓦压力迅速下降，直至粘着恢复为止。这种防滑控制不仅能有效抑制滑行的发生，而且能在制动时充分利用粘着，使列车制动距离尽可能缩短［6］。

1.2 防滑系统

典型的防滑系统主要由速度检测装置、控制单元和防滑阀三大部分组成，如图1所示。防滑阀是防滑系统的核心部件，由一个保压阀和一个排风阀组成。在防滑控制过程中保压阀和排风阀的一次完整动作如下：发生滑行时，保压阀关闭，排风阀打开；当滑行至车轮速度不再进一步降低时，保压阀关闭，排风阀关闭；当车轮速度回复至正常值时，保压阀打开，排风阀关闭。防滑系统的具体工作原理为：车轮上的速度检测装置不断检测车轮速度，并将所测车轮速度送至制动控制单元中的防滑控制模块，通过计算判断滑行的各项指标是否超标。当列车发生滑行时，滑行的车轴速度明显下降，此时计算结果超出标准，制动控制单元中的防滑模块就会向防滑阀发出指令，使其开始排风，逐渐使车轮速度回复，并在粘着关系恢复后回到正常的制动中。

图1 防滑系统的构成

1.3 防滑故障分析

防滑故障的产生是由于防滑系统内某个部件发生故障。其中，防滑阀作为防滑系统的核心部分，其好坏决定了防滑故障是否发生。防滑阀的故障主要是由阀体本身的机械故障造成的，具体故障包括：阀体动作与逻辑控制不一致，阀体内部阀座与阀口接触不紧密造成的泄漏和阀体内部气路因异物造成的堵塞，等等。防滑阀故障导致的影响可从两种工况中反映出来：当没有车轴发生滑行即没有防滑控制时，防滑阀故障会导致正常制动时制动缸压力过低，当有车轴发生滑行即有防滑控制时，防滑阀故障会导致防滑控制失效或效果低下。由此，可从中找到反映其故障的特征，包括预控制（Cv）压力、车轴速度等，通过这些特征的异常来描述故障。根据分析，可以得到3个具体的防滑阀故障。

（1）防滑阀故障1---有任意的制动指令，Cv压力正常，Cv压力与制动缸压力差超过50 kPa。该故障是由排风阀的泄露造成的。排风阀的泄露导致进入制动缸的压力下降，从而使制动力不足。

（2）防滑阀故障2---1～4轴有滑行控制，防滑控制逻辑变量正常（在防滑发生时，向防滑阀发出了保压阀关闭、排风阀打开的控制指令），但发生滑行的车轴速度仍急剧下降直至零。这说明防滑阀有故障，虽然接收到控制逻辑但没有正确地动作。可能发生的情况有：保压阀关闭，排风阀关闭；保压阀打开，排风阀关闭。说明保压阀或排风阀已损坏，这些现象都是防滑阀故障的表现。

（3）防滑阀故障3---1～4轴有滑行控制，但发生滑行的车轴速度恢复到正常值过慢，或最终无法恢复到正常值。该故障可能是排风阀异物堵塞导致排风不畅。

1.4 故障诊断流程

根据上述故障中描述的现象特征，可以利用不同故障现象来判断是否发生了防滑故障。防滑阀故障诊断流程如图2所示。

图2 防滑阀故障诊断流程图

由故障分析可知，制动指令、滑行控制信号和滑行轴速度为判断是否有防滑故障的主要依据。获取制动指令和滑行控制信号可确定车辆是否处于制动工况并且是否发生滑行。滑行轴速度反映了防滑阀实际动作的情况，可判断滑行控制是否正常。通过这些特征可以判断防滑阀是否发生故障。

2 防滑故障仿真方法及模型建立

2.1 防滑故障仿真方法

为了给防滑故障分析提供可靠的依据，并且验证故障分析的正确性，需要再现故障。故障再现是通过某种手段让故障再发生。故障再现能更为清晰地反映防滑故障的机理、特征等［7］。

再现故障的手段有许多，本文使用计算机仿真方法来实现故障再现［8］。使用专业仿真软件AMESim建立制动系统模型，在模型基础上进行防滑故障仿真。

2.2 制动系统模型建立

制动系统模型如图3所示。该模型中，主要的建模对象有制动风缸、BCU、防滑系统、空气弹簧、基础制动装置。模型能模拟实车制动系统特性。

图3 制动系统模型

防滑系统是本次仿真的重点。防滑系统模型包括了2个电磁阀、力学模型和控制模型。2个电磁阀指的是保压阀和排风阀，是两位两通的电磁阀。力学模型主要表达轮轨力学关系。在实施制动时，制动缸推动闸瓦，闸瓦压在车轮上，并通过钢轨产生相应的制动力，其产生的效果是使车轮转速变为零并使车速降为零。这就是力学模型所要反映的结果。力学模型模拟车轮在制动时受到的各种力以及受力后车轮速度的变化。控制模型根据滑行判断条件对防滑阀进行防滑逻辑控制。它从力学模型中得到实时车轮转速，通过计算判断车轮是否滑行；对已经发生滑行的车轮进行防滑控制，向2个电磁阀送去控制信号，控制其动作。

3 模型仿真结果

3.1 正常防滑控制

图4为空气制动时正常防滑控制的速度曲线，其中1条为参考速度曲线，1条为滑行轴速度曲线。由图4可以看到，滑行轴的轴速在5 s后发生了较大的变化，说明滑行开始了；其后滑行轴受防滑控制，速度下降得越来越慢，直到最低点后，车轴速度开始逐步回升；当滑行轴速度与基准速度接近时，恢复正常制动。该仿真反映了一个完整的防滑控制过程。

图4 正常防滑速度曲线

3.2 防滑阀故障1的仿真

该仿真模拟正常制动工况下，没有发生滑行时防滑阀出现故障的情况。此时正常空气制动，保压阀处于打开状态，排风阀则处于关闭状态。防滑阀故障1是排风阀发生泄露，仿真时在保压阀和排风阀之间放置一个节流阀通大气即可模拟故障1。图5为防滑阀发生故障1时的仿真曲线，由于排风阀发生泄漏，使得制动缸压力无法上升至与Cv压力一样的值。可见，在没有发生滑行时，防滑阀发生故障也会对正常制动产生影响。

图5 故障1下的Cv压力与制动缸压力曲线

3.3 防滑阀故障2的仿真

图6为发生滑行的车轴与正常速度车轴的速度曲线。此故障模拟制动时有一根车轴发生滑行的情况。可通过断掉控制部分与防滑阀的连线来实现故障2。正常时防滑阀应动作，但由图6可看到，当有一根轴发生滑行时虽然有防滑控制，但没有任何作用，发生滑行的车轴速度迅速下降至零。这说明防滑阀发生了故障，可能是排风阀损坏不能打开，使得制动缸内气体未能排出，导致滑行持续直至抱死。

3.4 防滑阀故障3的仿真

图7表示防滑阀正常和故障时发生滑行的车轴速度曲线，此防滑阀故障模拟的是排风阀排风不畅。由图7可以看到，防滑阀正常动作时滑行轴速度迅速恢复；当防滑阀发生故障时，由于排风缓慢，使得滑行轴速度在一定时间内仍在下降，滑行时间增大，速度恢复十分缓慢。这样会使得车轮踏面擦伤程度增大。

图6 故障2下的速度曲线

图7 故障3下的速度曲线

4 结语

本文对城市轨道交通车辆制动系统的防滑系统故障进行分析。防滑系统故障的特点是故障导致防滑阀在车辆发生滑行时不能正常动作。本文重点分析作为防滑系统核心部件的防滑阀的故障。首先对防滑阀的工作原理进行分析，在此基础上罗列了防滑阀可能出现的故障；然后根据故障现象反推得到防滑阀故障诊断流程图；再利用AMESim软件建立整车制动系统模型，其中的防滑系统模型有完整的滑行判断和防滑控制功能；在此基础上对防滑阀模型部分进行故障仿真。仿真结果表明，建立的制动系统模型符合制动特性，防滑系统控制正确并能够实现防滑功能。故障再现仿真结果表明，对防滑阀的故障分析是正确的。

［1］ 李培曙.地铁车辆的防滑控制［J］.铁道车辆，2001，39（7）：9.

［2］ 牛义春.TFX1型电子防滑器常见故障分析与处理［J］.机械管理开发，2010，25（6）：79.

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［5］ 廖志坚，刘争平，王月明.基于AMESim的动车组制动防滑系统自定义建模与仿真［J］.电力机车与城轨车辆，2012，35（4）：29.

［6］ 姚寿文，陈朝发，钱立新.智能型电子防滑器控制系统的研究［J］.中国铁道科学，2001，22（4）：21.

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［8］ Pugi L，Mavlezzi M，Allotta B，et al.A parametric library for the simulation of a Union Internationale des Chemins de Fer（UIC）pneumatic braking system［J］.Rail and Rapid Transit，2004，218（2）：117.

Fault Analysis of Anti-skid System in Metro Vehicle and Simulation

Wang Zongming，Zuo Jianyong，Wu Mengling

The air brake system in metro vehicle and the constitution of anti-skid system are introduced，the mechanical fault in solenoid valve of the system is the main cause，including leak and blocking.In order to find the fault in time，the characteristics of these faults are analyzed and the faults are found through monitoring some characteristic quantities，also the algorithm of fault diagnosis of anti-skid valve is presented.By using the simulation software AMES-im，the model of air brake system is completed，which can reflect the characteristic of anti-skid system whenthe wheelslip is occurred.Based on the model，the fault of antiskid valve can be simulated.The result of simulation suggests that the analysis of valve fault is correct.

urban rail transit vehicle；anti-skid system；fault analysis

U 266.29

2012-11-23）

*国家“八六三”高技术研究发展计划项目（2011AA110503-3）