城市轨道交通车辆清洁制动问题探讨

孟 磊， 管佳佳

(郑州市轨道交通有限公司运营分公司， 郑州 450000)

郑州地铁1号线一期车辆为6节编组的B型车，共42列，设计速度90 km/h，最高运营速度80 km/h，牵引采用西门子SIBAS32系统，制动采用克诺尔EP2002电空制动系统，正线使用ATO驾驶模式，采用大小交路运营的方式。在每天早上列车首次投入运营的前几个区间，列车执行踏面清洁制动过程中，HMI提示转向架气压低故障，运营列车产生全常用制动(FSB)，严重影响了正常运营。通过对该故障的原因进行了分析，并提出了解决方法，通过整改，问题得到了解决。

1 清洁制动介绍

1.1 清洁制动设置的目的

城市轨道交通车辆制动包括电制动和空气制动，电制动是牵引系统通过对电机的控制来实现，利用电动机的可逆性原理，将列车的动能转换为电能，牵引电动机变成发电机，这时牵引电动机轴上施加与电枢旋转方向相反的力矩，此力矩在车辆轮上产生制动力，使列车减速或停车。空气制动又称摩擦制动，以压缩空气为动力，通过车轮踏面与闸瓦(或制动夹钳与制动盘)摩擦后将列车动能转换为热能并最终耗散于大气中，能够在电制动不足或特殊情况下为列车提供部分或全部制动力，最终实现列车减速的目的。

电制动与空气制动协调配合，优先使用电制动，电制动力不足或故障时由空气制动补充不足的制动力。随着电力牵引控制技术的进步，电制动能力越来越强大，不需要空气制动参与，仅电制动能够满足整个列车的制动力需求。西门子SIBAS32系统具有强大的电制动能力，能够实现电制动减速到零，因此闸瓦使用频率低，磨耗量小，郑州一号线车辆数据统计为动车平均磨耗0.35 mm/万km，拖车平均磨耗0.55 mm/万km。

这使得制动闸瓦与轮对踏面、闸片与制动盘摩擦频率大幅较少，影响到闸瓦或闸片表面的状态，使得闸瓦或闸片的摩擦力下降，严重降低了空气制动的性能。因此，有必要定期或不定期的使用列车空气制动，使得闸瓦与车轮踏面、闸片与制动盘之间产生一定程度的摩擦，提高清洁摩擦副的效果，这种为了清洁制动摩擦副而施加的空气制动称之为清洁制动。

1.2 清洁制动过程

为了改善制动闸瓦或闸片的表面状态，使其处于正常工作状态，在紧急制动情况下达到最佳的制动效果，每天早上列车出库后，尽快完成清洁制动。清洁制动的原则：首先清洁制动过程中，撤出电制动，完全投入空气制动。其次，为了更好更快的完成清洁制动，列车必须具有较高的运行速度，因为在低速情况下摩擦效果不明显。

一次完整的清洁制动过程可以描述为：早上时间4:00 之后，列车还未完成一次清洁制动，运行速度大于65 km/h，且制动指令有效时，发出清洁制动指令。列车控制管理系统(TCMS)系统切除电制动，摩擦制动施加需求的制动力，制动系统监视整车气闸瓦磨耗热量，并将是否达到设定值的结果反馈至TCMS，当累积能量达到设定值后，当天的清洁制动完成。如果清洁制动过程中速度低于30 km/h时，将暂停清洁制动，待下次条件满足后继续进行。

图1 TCMS清洁制动控制逻辑

在每天列车投入运营前由TCMS系统产生清洁制动请求指令，闸瓦获得满足一次清洁制动所需的摩擦能量后，退出清洁制动。目前郑州地铁1号线的清洁制动能量定义：在AW2载荷下，列车从65 km/h到29.5 km/h施加一次最大制动的能量为78.95 MJ，考虑到系统的安全性，能量值定为90 MJ)。该值是由牵引系统供应商与制动系统提供商根据项目实际情况核算得出。

2 清洁制动存在的问题

郑州地铁1号线二期线路于2017年1月15日开通试运营，采用大小交路运营方式。列车运行中的频繁出现转向架风压低信息提示，并且产生FSB的故障。检查故障列车空气管路的气密符合设计要求5 min泄漏量小于20 kPa的要求，测试空压机打风能力均无异常。事件记录显示故障均是列车清洁制动过程中产生的，且故障时间均为列车当日首趟运营，故障时间集中在工作日7:00左右客流高峰期，故障区间集中在小交路运营的前几个固定区间，由此推断是在清洁制动过程中消耗了大量的风压。

2.1 故障分析

列车回库查看故障记录，故障记录显示：“Low air pressure bogie”。该故障是由制动系统EP2002阀诊断的，通过MVB网络传递给列车中央控制单元(VCU)，并且在HMI上显示，同时VCU将制动系统健康状态反馈给车载控制器(CC)，此时信号系统触发FSB。

如图2所示，每辆车设置1个总风缸(A06)和1个制动风缸(B03)，来自总风管的压缩空气通过端口0 进入制动控制模块。压缩空气流经管道过滤器(B01)、单向阀(B02)和塞门(B04)通过端口10进入制动风缸(B03)，1制动风缸(B03)为2个转向架的8个踏面制动单元(C02、C03)的制动缸提供压缩空气，因此空气制动过程中踏面制动单元制动缸的压缩空气首先被消耗，然后制动风缸向制动缸补充压缩空气，总风缸再向制动风缸补充压缩空气。列车对各风缸压力进行监视，当总风缸压力低于550 kPa时列车产生紧急制动，当制动风缸压(B03)低于650 kPa时产生转向架风压低的信息提示。制动风缸内的压缩空气由一个管道过滤器(B01) 进行清洁处理，并由一个单向阀 (B02) 来进行保护，使得制动风缸不受总风缸内空气压力低的影响。

B00.B04,B00.L06-普通塞门；B05-带电接点的塞门；B00.B01-滤尘器；B03-风缸；B00.B02-止回阀；B00.B01-缩堵；B00.B11-二位三通阀；B00.B09-二位三通电磁阀；B00.B22-压力控制器；B00.L04-测试头；智能阀，网关阀-EP2002阀；B40,B41-软管；C02,C03-基础制动单元。图2 空气制动系统管路图

根据制动风缸风压变化曲线(如图3所示)，可以确定列车制动风缸风压低是真实存在的。牵引系统与制动系统的接口协议定义：制动缸风压低于650 kPa时，发出制动缸压力低预警信息。列车空气制动系统配备2台VVV120型空气压缩机，当制动系统总风压力低于750 kPa时启动单台空压机，低于700 kPa时2台空压机同时启动，采用网络加硬线的冗余控制方式，列车供风能力强大，正常情况不会出现列车总风低于700 kPa的情况。

图3 列车速度与风压变化曲线

2.2 供风能力测试

统计10列正线运营列车，对清洁制动过程的制动风缸压力变化进行统计，最多下降为155 kPa，最少下降76 kPa，平均为97 kPa。列车在静止状态下，2台空压机同时工作至最高压力值，打风时间符合设计要求。

对清洁制动过程进行验证，设置的试验条件如下：静止的AW0载荷的列车总风压力700 kPa，人工驾驶列车加速至80 km/h开始制动，30 km/h惰行至清洁制动完成。列车均未出现转向架制动风压低的故障信息，说明并非车辆本身存在故障导致制动风压低。

由于清洁制动过程中电制动切除，仅仅使用空气制动。清洁制动所需要的闸瓦磨耗能量是固定的，消耗的制动缸风压并未用于列车制动。需要进一步分析故障时列车的制动状态。

2.3 制动状态

查看故障发生前列车的制动指令曲线，发现列车制动施加缓解操作过于频繁(见图4)，在35 s内，牵引指令和制动指令转换了10次。列车在牵引工况和制动工况之间连续转换，每转换一次，制动执行单元闸缸执行一次充气排气过程。充气排气操作，导致制动风缸压力大幅度下降。

牵引指令和制动指令转换过于频繁问题，在郑州地铁开通运营初期已经发现，列车过于频繁的施加制动指令，导致牵引系统产生自我保护，施加牵引封锁。

ATO模式下，由ATC系统(列车自动控制系统)对列车进行控制，实现列车的自动运行，TCMS通过RS485总线接收牵引和制动指令。通过牵引指令与制动指令之间的频繁切换，控制车辆跟随设定的速度曲线运行，不但浪费电能，还对列车产生一种冲击，降低了乘客舒适度。

图4 ATO模式下制动施加缓解指令

3 措施及效果

3.1 临时措施

清洁制动过程中风压异常消耗的根本原因是短时间内牵引指令与制动指令的频繁转换，需要信号系统对控车方式进行优化，才能从根本上解决问题。然而对信号系统进行升级困难大，需要时间漫长。为了降低故障对运营的影响，故障发生后采取了临时措施：列车运营模式由ATO模式(列车自动运行)降级至ATP模式(列车自动保护下的人工驾驶)，该故障不再重复发生。

因为ATP模式下，司机根据信号系统推荐的速度手动驾驶车辆，通过操作司控器发出牵引指令和制动指令，没有频繁的让列车在牵引工况和制动工况之间转换(见图5)，在一个区间运行过程中，仅仅施加了3次制动，避免出现ATO模式下牵引和制动指令切换过于频繁的情况。

图5 手动驾驶时制动施加缓解状态

将列车ATO模式运营过程中牵引指令与制动指令转换情况与郑州地铁2号线列车进行对比(见图6)，并没有出现1号线如此频繁转换的情况，在一个运行区间内，列车没有施加制动指令，仅仅使用牵引和惰行两个工况完成了区间运行。

图6 地铁2号线牵引制动指令状态

3.2 制动系统参数优化

采用ATP驾驶模式仅仅是临时措施，并没有消除故障的根本原因。经过与制动系统厂家沟通，可以对车辆制动系统参数进行修改，将制动系统触发列车产生转向架制动风压低故障的预警值由650 kPa降低为600 kPa，降低故障发生的概率。通过3个月时间的验证，该故障仅发生1次，整改效果明显。

由于列车每天只进行一次清洁制动，在首趟运营的前3个区间即可完成，大部分情况下列车总风压力会高于750 kPa，并且列车总风压力低于550 kPa时，才会触发紧急制动，因此该参数的修改对车辆正常运营并不产生影响。

3.3 措施建议

在以后的工作中，将从以下方面考虑，不断优化清洁制动过程。

(1) 增强空压机打风能力，当总风压力低于800 kPa 的情况下启动单台空压机，保证列车总风压力维持在较高水平；

(2)修改TCMS系统软件，在清洁制动开始时，启动空压机进行打风，及时补充压缩空气，及时补充清洁制动的消耗；

(3)人工选择清洁制动启动时间，避开运营高峰期，提前或者延后进行清洁制动；

(4)新车采购时，增加列车制动风缸的容积。

4 结论及展望

介绍了地铁列车清洁制动的意义及控制逻辑，对列车清洁制动过程发生转向架制动风压低故障的原因进行分析，最终查明风压异常消耗的根本原因是信号系统施加牵引指令和制动指令过于频繁。由于信号系统修改难度大，短时间内不具备升级的条件，在不影响列车安全运营的前提下，提出了优化车辆制动系统参数设置的解决方法，降低了故障对地铁运营的影响，取得很好效果。建议信号系统优化列车牵引指令与制动指令控制方式，在信号与车辆设计联络过程中对接口进行详细讨论，避免埋下故障隐患，影响后续运营。

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