常州地铁1号线国产化制动系统设计

2019-07-29唐建明

铁道机车车辆 2019年3期

唐建明

(中车南京浦镇车辆有限公司设计开发部，南京 210031)

常州地铁1号线空气制动系统采用海泰公司自主研发设计的EPCD型车控制动系统，该系统能在司机控制器或ATO的控制下对列车进行阶段或一次性的制动与缓解。EPCD型车控制动系统能够实现常用制动、快速制动、紧急制动、保持制动、停放制动、车轮防滑保护、载荷补偿、制动力混合等功能，系统结构清晰、简洁，功能完备，编成列车后不相互干扰，并以“故障导向安全”为设计原则。

1 概述

1.1 列车编组

图1 列车编组图

其中：

Tc车为有司机室的拖车；

Mp车为无司机室带受电弓的动车；

M车为无司机室的动车。

1.2 制动系统主要参数

列车最大运行速度： ≥80 km/h

制动时冲击极限： ≤0.75 m/s3

紧急制动响应时间(制动缸压力从0到90%满制动缸压力的最大时间) ≤1.5 s

常用制动平均减速度(80 km/h～0) ≥1.0 m/s2

紧急制动平均减速度(80 km/h～0) ≥1.2 m/s2

2 制动系统组成

制动系统主要设备组成参见表1。

2.1 供风装置(见图2)

在每辆Tc车配置1台S03T-N0.9型螺杆式空气压缩机组，它主要由SG-0.9A螺杆式压缩机、空气后处理装置、电气控制箱、压力开关箱等部件组成，它们通过吊架集成化组成一个紧凑式供风单元。压缩机由1个三相交流、50 Hz、AC 380 V的电机驱动，其排量约为900 dm3/min，工作转速为1 460 r/min。经过双塔干燥器和油过滤器处理后的压缩空气质量等级满足ISO 8573-1(1991)标准中2-2-2级的要求。

表1 制动系统主要设备配置

图2 供风装置

2.2 制动电子控制单元BECU

制动电子控制单元(BECU)是制动系统核心控制部件，基于海泰公司通用制动电子系统开发平台(HTES)进行研制，其组成及各板卡功能如图3所示。

2.3 制动控制装置(见图4)

每辆车配置一个制动控制装置，将制动控制单元BCU、辅助控制单元ACU、总风缸、空气弹簧(简称：空簧)悬挂风缸和制动风缸高度集成，整体吊挂在车体底架上。其中，制动控制单元BCU、辅助控制单元ACU靠近车侧安装，便于日常维护检修操作。

图3 制动电子控制单元(BECU)

图4 制动控制装置

2.3.1辅助控制单元ACU

辅助控制单元内部气路图参见图5中B12部分。

辅助控制单元(B12)的内部气路将来自总风的压缩空气经过过滤器(.12)和截断塞门(.09)后分为3路，分别给空簧支路、停放制动控制支路和制动控制单元(B11)供风，主要实现空簧供风和停放制动的控制功能。

空簧支路：来自总风的压缩空气经过具有止回功能的溢流阀(.01)后进入空簧风缸并继续流经减压阀(.02)、截断塞门(.11)流入下游的高度阀和空簧。其中溢流阀(.01)用于优先给制动装置供风，确保制动功能可用；减压阀(.02)用于限制进入空簧的最大压力不超过630 kPa，防止下游高度阀故障时总风压力过大对空簧造成损坏；截断塞门(.11)和测试接头(.14)则用于总风压力正常时对空簧及高度阀等设备的检修维护。

B13-总风缸；B15-空簧悬挂风缸；B12-辅助控制单元；B14-制动风缸；B11-制动控制单元。图5 制动控制装置气路图

停放制动控制支路：来自总风的压缩空气经过减压阀(.03)、双脉冲电磁阀(.04)、双向阀(.05)、截断塞门(.06)和测试接头(.13)进入停放制动缸。当双脉冲电磁阀(.04)的停放制动缓解电磁头得电，来自总风的压缩空气沿着上述气路进入停放制动缸，停放制动缸内弹簧压缩，从而缓解停放制动；当双脉冲电磁阀(.04)的停放制动施加电磁头得电，停放制动缸中的压缩空气倒流至双脉冲电磁阀(.04)，并排向大气，停放制动缸内压缩弹簧伸展，从而施加停放制动。其中双向阀(.05)用于防止停放制动力和其他空气制动力叠加对基础制动装置造成损坏。

此外，来自总风的压缩空气经过单向阀(.08)和截断塞门(.10)进入制动控制单元(B11)。

2.3.2制动控制单元BCU

制动控制单元内部气路图参见图5中B11部分。

常用制动和快速制动时，来自制动风缸的压缩空气分两路分别进入中继阀(.04)和高速开关阀(.01和.02)，通过高速开关阀(.01和.02)调节后的压缩空气流经得电的紧急电磁阀(.05)和空重车阀(.06)，进入中继阀(.04)的预控腔以打开其内部开口，使来自制动风缸的压缩空气进入制动缸，实现相应大小的制动力控制。高速开关阀(.01和.02)由BECU 控制，并结合预控压力传感器(.08)做闭环控制。整个预控压力受空重车阀(.06)的限制，使得一定载荷下的常用制动和快速制动预控压力不超过紧急制动时的预控压力。

紧急制动时，车辆安全环路失电，紧急电磁阀(.05)失电，来自制动风缸的压缩空气分两路分别进入中继阀(.04)和紧急电磁阀(.05)，并通过空重车阀(.06)的调整后流入中继阀(.04)的预控腔。预控压力经过中继阀流量放大后使来自制动风缸的压缩空气流入制动缸，实现相应大小的制动力控制。

远程缓解阀(.03)用于当制动控制单元BCU前端压力控制设备故障时，直接将制动缸内压缩空气排向大气，实现制动缓解。为了确保安全，远程缓解功能不能缓解紧急制动和停放制动。

2.3.3风缸

每个制动控制装置配置3个风缸，分别为总风缸、空簧悬挂风缸和制动风缸，风缸容积均为100 dm3，铝合金材质，按照EN286-4标准进行设计。

2.4 基础制动装置

每个转向架设置4套踏面制动装置，其中两套带停放制动功能，在转向架呈对角布置。整车的停放制动力可保证6辆编组的超员列车在35‰的坡道上安全停放。转向架两侧均配有停放制动手动缓解拉绳，在车辆的任意一侧均可以对每个停放缸进行手动缓解。

2.5 防滑装置

为每个转向架配置1台防滑装置，该防滑装置可对转向架两根轴的滑行分别进行控制。

3 制动系统功能

采用MVB列车网络+CAN制动内网的网络架构模式，并设置以太网ETH用于数据下载，参见图6。其中，MVB列车网络用于接收制动指令、电制动和空气制动等信息，上传状态数据和故障数据等信息；CAN内网用于传输制动状态信息、制动力分配、故障诊断、标定和程序下载等信息；以太网用于传输制动状态信息、故障诊断、标定和程序下载等信息。

图6 制动系统网络架构

3.1 常用制动

根据来自信号系统或司机控制器的制动指令，网络系统计算整车制动力需求值，并根据每个动车的电制动状态(是否可用)和电制动力可用值分配每个动车的电制动力，牵引系统将每个动车的实际电制动力完成值反馈给网络系统。若电制动力不能满足总制动力需求，网络系统将需求空气制动力值发送给主BECU，主BECU通过CAN内网来分配整车空气制动力至各个BECU。

3.2 快速制动

当司机将司机控制器拉到"快速制动"位时，司机控制器将输出一个快速制动硬线信号(低电平有效)和参考值的模拟量信号给网络系统，其中硬线信号通过网络和列车线两路同时输入到BECU及牵引控制单元DCU，同时网络系统根据模拟量计算整车制动力值并输入到BECU及DCU。

当司机控制器移出“快速制动”位时，快速制动将被缓解。

在ATO模式下，快速制动被触发时，列车控制单元将忽略来自ATO的制动力需求，按快速制动率执行制动；在紧急牵引模式下，快速制动仅通过硬线命令控制。

3.3 紧急制动

紧急制动由列车的紧急制动环路失电触发，并最终由基础制动装置执行，是通过一个安全回路控制的纯空气制动模式，是列车运行安全导向保证中最重要的环节。紧急制动是故障安全环路，不可逆。

3.4 保持制动

ATO模式的保持制动施加和缓解由信号系统发出指令。

人工手动驾驶模式时，当速度低于0.5 km/h且无牵引命令，制动系统将控制施加保持制动；网络系统设定牵引力阀值，当实际牵引力达到阀值后发出保持制动缓解命令给制动系统，或当速度高于1 km/h后，网络系统也将发出保持制动缓解命令。

在紧急牵引模式下，制动系统检测到无硬线牵引命令和零速信号后施加保持制动；制动系统检测到无硬线制动命令且硬线牵引命令有效超过2 s后缓解保持制动。

保持制动是常用制动的一部分，其默认大小为最大常用制动力的70%，若有更大的制动力需求，将按更大的制动力来施加。

3.5 停放制动

在司机台上设置一个停放制动施加/缓解按钮，在零速情况按下相应按钮，可实现停放制动的施加和缓解控制。

3.6 车轮防滑保护

电制动防滑控制和空气制动防滑控制是各自独立完成的。

当电制动检测到滑行时发出电制动防滑信号给网络系统，网络系统将该信号转发给空气制动系统，空气制动系统根据此信号固化当前实际电制动力值，当电制动防滑信号有效超过3 s，空气制动系统将发送电制动切除信号给网络系统，网络系统转发电制动切除信号给牵引系统。当空气制动系统检测到滑行，空气制动将在1 s内发送电制动切除信号给网络系统，网络系统转发电制动切除信号给牵引系统；在电制动切除的过程中存在电空混合的过程，以保证不会对车辆产生冲击，电制动和空气制动将按照0.75 m/s3的斜率进行转化。

检测到空气制动滑行时，BECU控制该轴防滑阀排风，降低制动缸压力，避免滑行加剧；当检测到滑行得到抑制后，防滑阀停止排风，制动缸保压；当滑行轴速度恢复时，防滑阀充风，恢复制动力。