论文部分内容阅读
[摘 要]随着国内各个城市轨道交通的发展以及国产化率的要求，国内城轨各子系统供应商也生产出国产牵引、制动等子系统。本文主要介绍广州一、二、八号线项目增购车辆使用的国产制动系统，分别从系统总体功能、主要部件、主要功能以及故障诊断方面对此套系统进行了详细介绍说明。
[关键词]国产 制动系统
中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）24-0044-02
1 概述
广州市一、二、八号线车辆增购项目二期制动控制系统使用的是国产控制系统，该系统是采用微机控制的模拟式电-空制动系统，控制系统采用车控方式，每辆车都配有一套电空制动控制装置（BCU），内设有监控终端，具有自诊断和故障记录功能。
2 制动控制系统的介绍
2.1 制动控制系统
制动控制系统主要包括微机控制的模拟电空制动控制装置和辅助控制装置等，电空制动控制装置具有常用和快速制动控制、紧急制动控制以及空气制动防滑控制等功能。
制动控制系统的电气控制系统框图及网络拓扑如图1所示，常用及快速制动指令由司控器或ATO/ATP装置给出，由中央单元接收处理后，传送给各车的电子制动控制单元（EBCU）。
2.2 制动控制装置
制动控制装置（BCU）由制动微机电子控制单元（EBCU）和气动执行单元（PBCU）两部分组成，EBCU和PBCU都有安装在制动控制装置机箱中。
制动控制装置根据制动指令产生要求的制动缸预控压力，再通过中继阀输出制动缸压力，制动控制装置根据空气簧的压力信号实现不同载重的压力控制，并根据纵向冲击率的限制来控制制动缸预控压力的上升速率。中继阀采用双膜板结构，有紧急制动和常用制动两个预控压力输入，输出压力根据二者之间取高的原则，由紧急制动和常用制动两个预控压力中压力较高的控制。制动气动执行部件集成在一个气动板上，易于维护和更换，与电子制动控制装置一起实现常用制动、紧急制动等功能。
制动控制装置电气原理图如（图2）所示，制动控制板上有4路（或）压力传感器输入通道和2路电磁阀驱动输出。制动控制板用于制动力的实时计算，包括空电混合制动时的电制动力分配和空气制动力补充，并实施对制动缸压力的控制。
3 制动控制系统的主要功能
制动控制系统的主要功能包括以下：
（1）常用和快速空气制动控制：
（2）紧急制动控制；
（3）空气制动防滑控制；
（4）停放制动控制；
（5）车辆载荷信号检测及制动载荷补偿
3.1 常用、快速制动
常用制动采用减速度控制模式，制动控制单元根据指令的减速度和车辆载重来计算目标制动力。常用制动具有冲击率限制功能，以改善乘座的舒适性能；常用制动采用空电混合制动并优先使用电制动。
BCU根据目标制动力计算出本车应施加的制动缸目标压力。制动缸压力控制如（图5）所示，制动缸压力的控制是通过对作用风缸压力（预控压力）的闭环控制实现的。
微控制器的制动缸压力智能数字控制，是根据制动缸目标压力的和压力传感器检测的作用（预控）风缸压力以及制动缸压力，来控制E/P转换阀对作用风缸的充风或排风，实现对中继阀预控压力的闭环控制。中继阀受预控压力控制输出大流量的制动缸压力，中继阀的输出压力滞后影响在智能数字控制时进行补偿。
3.2 紧急制动控制
紧急制动采用纯空气制动，紧急制动是由紧急制动安全回路直接控制的，当紧急制动安全回线失电时，列车中的所有车辆即同时实施紧急制动。紧急制动一旦实施，紧急制动安全回路的控制电路可以保证紧急制动将一直保持施加状态直到列车完全停下。为了在应急情况下能缓解紧急制动，紧急制动环路中设有紧急制动旁路开关，但此旁路开关不会将紧急制动按钮开关旁路，以保证在需要时列车仍可实施紧急制动。
紧急制动电磁阀是一个两位三通常开电磁阀，正常情况下处于得电的状态，切断了空重阀输出口与中继阀的紧急制动预控压力口的通路，同时将中继阀的紧急制动预控压力排向大气。当紧急制动电磁阀失电时，紧急制动电磁阀将接通空重阀输出口与中继阀的紧急制动预控压力口的通路，从而使中继输出紧急制动的制动缸压力，紧急制动作用原理如（图4）所示。
紧急制动的载荷调节是由空重车调整阀实现的，当两路空气弹簧压力进入空重阀后，会产生一个平均载重压力，然后通过杠杆变换成相应载荷的制动缸预控压力。从而使制动缸压力能随载重的变化而调整，以保证列车制动率从空车到超员基本不变。如果平均载重压力小于预调的空车载重压力，则空重车调整阀会在预调的弹簧力作用下，产生相当于空车的制动缸控制压力，从而保证了最小制动缸压力。
3.3 防滑控制
空气制动防滑功能在紧急制动和常用制动时都可以起作用。图5为防滑控制单元结构图；
该控制单元具有以下特点：
* 采用微机控制，计算速度快，检测精度高；
* 根据速度差、减速度等多个判据的变化进行防滑控制；
* 具有自检和故障存储功能，自动监督速度传感器和排风阀状态及控制输出状态， 同时控制单元进行自监督；
* 能进行轮径补偿；
* 具有临轴互补功能；
* 能充分利用粘着等；
* 具有冲击率控制功能
* 用有源速度传感器，能在低速运行时（低于2km/h）还可以有很稳定的信号输出。
空气制动滑行控制系统采用速度差和减速度判据进行滑行检测。
（1）速度差判据：当某一轴速度低于参考速度（基准速度）达到判定滑行数值；
（2）减速度判据：当某一轴速度的减速度达到判定滑行数值； 当出现以上任何一种情况时，就判定该轴发生制动滑行，防滑控制系统首先会通过防滑排风阀切断中继阀到该轴制动缸的通路，对制动缸进行保压，如果滑行较大或保压后滑行持续增大，防滑阀还可排出一部分制动缸的压力空气，减小该轴上的制动力，以减小该轴上的滑动程度，使该轴恢复到粘着状态。在粘着恢复再制动充风时，防滑控制系统首先会采用阶段充风方式，一方面可以限制粘着恢复时再制动的纵向冲击率，同时还可以减小粘着恢复过程中的再滑行机率。
当4个轴同时出现滑行时，或4个轴的减速度都远高于正常的制动减速度时，防滑系统会定期短时缓解某一基准轴的空气制动，以便对基准速度进行周期性的修正，减小基准速度的累加偏差，以准确地控制滑动程度，从而确保了在低粘着状态下最大程度提高制动力，同时不会出现车轮擦伤。在发严重滑行时，将切除电制动，以利于粘着恢复。
防滑控制单元在进行滑行控制会自动限制排风和保压的持续时间，以限制空气制动力的减少时间。防滑控制单元还具有独立于主微控制器的监控微控制器，当主微控制器出现异常时，监控微控制器能够切除主微控制器的防滑控制输出，以防止空气制动力的持续减少。
当空气制动滑行控制系统失效时，空气制动将维持运用而无滑行保护。当一个速度传感器出现故障时，受到影响的防滑阀会利用本转向架的另一个速度传感器进行防滑控制。
3.4 停放控制
（图6）停放制动是在车辆停车时防止车辆不溜车而采取的制动方式，停放制动与常用制动的原理相反，是通过制动单元排气施加充气缓解。当辅助控制模块接收列车控制系统指令来控制停放制动的制动或缓解。停放制动的施加和缓解通过硬线输入制内部双脉冲阀来进行相应动作；同时停放压力开关状态有TCMS采集及显示。
3.5 制动载荷补偿
常用制动的空重车调整是根据空簧压力进行控制的，即将两个转向架的空气簧（取对角位置）压力通过P-E转换装置得到与该转向架载重相对应电信号，由两个转向架载重来计算车辆载荷，根据车辆载荷情况对列车制动力进行相应调整。当一端空气簧破裂或P-E转换电路的输出小于空车的信号或大于超员时的车重信号时，则用另一端的载重来代替以计算载重，当两端空气簧破裂或两路P-E转换电路的输出同时小于空车的信号或大于超员时的车重信号时，则按超员载荷计算。另外，此载荷信号还传递给牵引控制装置，用于牵引系统的载荷补偿。
4 控制系统的故障诊断
制动控制装置（BCU）具有系统自动检测及故障诊断功能，自检方式包括上电自动检测（POT）、在线运行自检、命令自检等方式。
上电自动检测是指在控制电源加电时自动进行的检测，上电自动检测的主要内容包括：CPU外设接口自检、EEPROM自检、E/P控制阀检测、防滑排风阀检测、TMS通信接口等。
在线运行检测是在系统正常工作时不需要外部干预也进行的自动检测，在线运行检测内容主要包括：压力传感器检测、速度传感器检测等。
命令自检是由监控系统（TCMS）通过车辆总线发出的系统检测指令，或由检修人员通过按压EBCU 系统自检按钮启动的自检。命令自检内容可以包括上电自检和在线自检内容，同时还可以进行空气制动自动试验和故障诊断。
系统的故障诊断主要是对系统的功能进行诊断，如制动和缓解功能故障。
当诊断系统有故障时，故障信息能够通过通信接口发送给列车监控系统（TCMS），并能够在司机显示屏显示，根据故障的影响程度，提示司机进行适当的处理。系统故障信息及发生故障前后一段时间的数据同时在BCU中存贮，BCU中的存贮显示卡采用了大容量的记录存贮介质，可以存贮大量控制数据及故障信息，存贮信息可以通过通信接口下载分析。
存贮卡中存贮的制动控制信息主要包括制动指令、作用风缸压力、制动缸压力、电制动力、E/P控制阀状态等；存贮的防滑控制信息包括各轴速度、减速度、参考列车速度、滑行检测和各防滑阀工作状态等。
5 结束语
广州地铁一二八车辆增购项目二期采用国产制动系统具有以下优缺点：
优点：该系统控制为车控方式，控制装置内集成化程度高；且系统原理简单、使用方便、利于维修，当车辆出现故障时可以直接更换制动控制箱里面的电子模块或电磁阀。
缺点：制动控制系统响应时间较慢，故障率较高，尤其是制动单位出现严重漏气问题，系统运行状态不稳定。
参考文献
[1] 吴亮，地铁车辆空气制动控制系统的模块化设计[J].城市轨道交通研究，2001（3）.
[2] 方全民，列车空气制动系统的控制模式[J].电力机车技术，1996（2）.
[3] 黄文杰，上海明珠线地铁车辆制动控制系统[J]电力机车技术，2004（7）.
[关键词]国产 制动系统
中图分类号：U463.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）24-0044-02
1 概述
广州市一、二、八号线车辆增购项目二期制动控制系统使用的是国产控制系统，该系统是采用微机控制的模拟式电-空制动系统，控制系统采用车控方式，每辆车都配有一套电空制动控制装置（BCU），内设有监控终端，具有自诊断和故障记录功能。
2 制动控制系统的介绍
2.1 制动控制系统
制动控制系统主要包括微机控制的模拟电空制动控制装置和辅助控制装置等，电空制动控制装置具有常用和快速制动控制、紧急制动控制以及空气制动防滑控制等功能。
制动控制系统的电气控制系统框图及网络拓扑如图1所示，常用及快速制动指令由司控器或ATO/ATP装置给出，由中央单元接收处理后，传送给各车的电子制动控制单元（EBCU）。
2.2 制动控制装置
制动控制装置（BCU）由制动微机电子控制单元（EBCU）和气动执行单元（PBCU）两部分组成，EBCU和PBCU都有安装在制动控制装置机箱中。
制动控制装置根据制动指令产生要求的制动缸预控压力，再通过中继阀输出制动缸压力，制动控制装置根据空气簧的压力信号实现不同载重的压力控制，并根据纵向冲击率的限制来控制制动缸预控压力的上升速率。中继阀采用双膜板结构，有紧急制动和常用制动两个预控压力输入，输出压力根据二者之间取高的原则，由紧急制动和常用制动两个预控压力中压力较高的控制。制动气动执行部件集成在一个气动板上，易于维护和更换，与电子制动控制装置一起实现常用制动、紧急制动等功能。
制动控制装置电气原理图如（图2）所示，制动控制板上有4路（或）压力传感器输入通道和2路电磁阀驱动输出。制动控制板用于制动力的实时计算，包括空电混合制动时的电制动力分配和空气制动力补充，并实施对制动缸压力的控制。
3 制动控制系统的主要功能
制动控制系统的主要功能包括以下：
（1）常用和快速空气制动控制：
（2）紧急制动控制；
（3）空气制动防滑控制；
（4）停放制动控制；
（5）车辆载荷信号检测及制动载荷补偿
3.1 常用、快速制动
常用制动采用减速度控制模式，制动控制单元根据指令的减速度和车辆载重来计算目标制动力。常用制动具有冲击率限制功能，以改善乘座的舒适性能；常用制动采用空电混合制动并优先使用电制动。
BCU根据目标制动力计算出本车应施加的制动缸目标压力。制动缸压力控制如（图5）所示，制动缸压力的控制是通过对作用风缸压力（预控压力）的闭环控制实现的。
微控制器的制动缸压力智能数字控制，是根据制动缸目标压力的和压力传感器检测的作用（预控）风缸压力以及制动缸压力，来控制E/P转换阀对作用风缸的充风或排风，实现对中继阀预控压力的闭环控制。中继阀受预控压力控制输出大流量的制动缸压力，中继阀的输出压力滞后影响在智能数字控制时进行补偿。
3.2 紧急制动控制
紧急制动采用纯空气制动，紧急制动是由紧急制动安全回路直接控制的，当紧急制动安全回线失电时，列车中的所有车辆即同时实施紧急制动。紧急制动一旦实施，紧急制动安全回路的控制电路可以保证紧急制动将一直保持施加状态直到列车完全停下。为了在应急情况下能缓解紧急制动，紧急制动环路中设有紧急制动旁路开关，但此旁路开关不会将紧急制动按钮开关旁路，以保证在需要时列车仍可实施紧急制动。
紧急制动电磁阀是一个两位三通常开电磁阀，正常情况下处于得电的状态，切断了空重阀输出口与中继阀的紧急制动预控压力口的通路，同时将中继阀的紧急制动预控压力排向大气。当紧急制动电磁阀失电时，紧急制动电磁阀将接通空重阀输出口与中继阀的紧急制动预控压力口的通路，从而使中继输出紧急制动的制动缸压力，紧急制动作用原理如（图4）所示。
紧急制动的载荷调节是由空重车调整阀实现的，当两路空气弹簧压力进入空重阀后，会产生一个平均载重压力，然后通过杠杆变换成相应载荷的制动缸预控压力。从而使制动缸压力能随载重的变化而调整，以保证列车制动率从空车到超员基本不变。如果平均载重压力小于预调的空车载重压力，则空重车调整阀会在预调的弹簧力作用下，产生相当于空车的制动缸控制压力，从而保证了最小制动缸压力。
3.3 防滑控制
空气制动防滑功能在紧急制动和常用制动时都可以起作用。图5为防滑控制单元结构图；
该控制单元具有以下特点：
* 采用微机控制，计算速度快，检测精度高；
* 根据速度差、减速度等多个判据的变化进行防滑控制；
* 具有自检和故障存储功能，自动监督速度传感器和排风阀状态及控制输出状态， 同时控制单元进行自监督；
* 能进行轮径补偿；
* 具有临轴互补功能；
* 能充分利用粘着等；
* 具有冲击率控制功能
* 用有源速度传感器，能在低速运行时（低于2km/h）还可以有很稳定的信号输出。
空气制动滑行控制系统采用速度差和减速度判据进行滑行检测。
（1）速度差判据：当某一轴速度低于参考速度（基准速度）达到判定滑行数值；
（2）减速度判据：当某一轴速度的减速度达到判定滑行数值； 当出现以上任何一种情况时，就判定该轴发生制动滑行，防滑控制系统首先会通过防滑排风阀切断中继阀到该轴制动缸的通路，对制动缸进行保压，如果滑行较大或保压后滑行持续增大，防滑阀还可排出一部分制动缸的压力空气，减小该轴上的制动力，以减小该轴上的滑动程度，使该轴恢复到粘着状态。在粘着恢复再制动充风时，防滑控制系统首先会采用阶段充风方式，一方面可以限制粘着恢复时再制动的纵向冲击率，同时还可以减小粘着恢复过程中的再滑行机率。
当4个轴同时出现滑行时，或4个轴的减速度都远高于正常的制动减速度时，防滑系统会定期短时缓解某一基准轴的空气制动，以便对基准速度进行周期性的修正，减小基准速度的累加偏差，以准确地控制滑动程度，从而确保了在低粘着状态下最大程度提高制动力，同时不会出现车轮擦伤。在发严重滑行时，将切除电制动，以利于粘着恢复。
防滑控制单元在进行滑行控制会自动限制排风和保压的持续时间，以限制空气制动力的减少时间。防滑控制单元还具有独立于主微控制器的监控微控制器，当主微控制器出现异常时，监控微控制器能够切除主微控制器的防滑控制输出，以防止空气制动力的持续减少。
当空气制动滑行控制系统失效时，空气制动将维持运用而无滑行保护。当一个速度传感器出现故障时，受到影响的防滑阀会利用本转向架的另一个速度传感器进行防滑控制。
3.4 停放控制
（图6）停放制动是在车辆停车时防止车辆不溜车而采取的制动方式，停放制动与常用制动的原理相反，是通过制动单元排气施加充气缓解。当辅助控制模块接收列车控制系统指令来控制停放制动的制动或缓解。停放制动的施加和缓解通过硬线输入制内部双脉冲阀来进行相应动作；同时停放压力开关状态有TCMS采集及显示。
3.5 制动载荷补偿
常用制动的空重车调整是根据空簧压力进行控制的，即将两个转向架的空气簧（取对角位置）压力通过P-E转换装置得到与该转向架载重相对应电信号，由两个转向架载重来计算车辆载荷，根据车辆载荷情况对列车制动力进行相应调整。当一端空气簧破裂或P-E转换电路的输出小于空车的信号或大于超员时的车重信号时，则用另一端的载重来代替以计算载重，当两端空气簧破裂或两路P-E转换电路的输出同时小于空车的信号或大于超员时的车重信号时，则按超员载荷计算。另外，此载荷信号还传递给牵引控制装置，用于牵引系统的载荷补偿。
4 控制系统的故障诊断
制动控制装置（BCU）具有系统自动检测及故障诊断功能，自检方式包括上电自动检测（POT）、在线运行自检、命令自检等方式。
上电自动检测是指在控制电源加电时自动进行的检测，上电自动检测的主要内容包括：CPU外设接口自检、EEPROM自检、E/P控制阀检测、防滑排风阀检测、TMS通信接口等。
在线运行检测是在系统正常工作时不需要外部干预也进行的自动检测，在线运行检测内容主要包括：压力传感器检测、速度传感器检测等。
命令自检是由监控系统（TCMS）通过车辆总线发出的系统检测指令，或由检修人员通过按压EBCU 系统自检按钮启动的自检。命令自检内容可以包括上电自检和在线自检内容，同时还可以进行空气制动自动试验和故障诊断。
系统的故障诊断主要是对系统的功能进行诊断，如制动和缓解功能故障。
当诊断系统有故障时，故障信息能够通过通信接口发送给列车监控系统（TCMS），并能够在司机显示屏显示，根据故障的影响程度，提示司机进行适当的处理。系统故障信息及发生故障前后一段时间的数据同时在BCU中存贮，BCU中的存贮显示卡采用了大容量的记录存贮介质，可以存贮大量控制数据及故障信息，存贮信息可以通过通信接口下载分析。
存贮卡中存贮的制动控制信息主要包括制动指令、作用风缸压力、制动缸压力、电制动力、E/P控制阀状态等；存贮的防滑控制信息包括各轴速度、减速度、参考列车速度、滑行检测和各防滑阀工作状态等。
5 结束语
广州地铁一二八车辆增购项目二期采用国产制动系统具有以下优缺点：
优点：该系统控制为车控方式，控制装置内集成化程度高；且系统原理简单、使用方便、利于维修，当车辆出现故障时可以直接更换制动控制箱里面的电子模块或电磁阀。
缺点：制动控制系统响应时间较慢，故障率较高，尤其是制动单位出现严重漏气问题，系统运行状态不稳定。
参考文献
[1] 吴亮，地铁车辆空气制动控制系统的模块化设计[J].城市轨道交通研究，2001（3）.
[2] 方全民，列车空气制动系统的控制模式[J].电力机车技术，1996（2）.
[3] 黄文杰，上海明珠线地铁车辆制动控制系统[J]电力机车技术，2004（7）.