地鐵列車制動控制單元優化設計與試驗研究

葛永，張鵬飛，楊正專，楊俊

（南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司，南京 211800）

制動系統作為地鐵列車的關鍵系統之一，是列車安全運行的重要保障［1］。設計生產出可靠、穩定、低故障率的國產制動系統產品，一直是企業的不懈追求。目前，地鐵列車主要有車控和架控2 種類型制動系統，其中車控制動系統在管路線纜布局、通信可靠的依賴性、車輛自由擴編設計、國產化成熟度等方面存在一定的優勢［2-3］。車控制動系統主要由風源裝置、制動控制裝置、電子制動控制單元、基礎制動裝置和防滑裝置等產品組成［4］。其中制動控制單元作為制動控制裝置的氣制動控制部件，直接接收來自車輛和電子制動控制單元的控制指令，可以實現制動系統的常用制動、停車制動、緊急制動等關鍵功能。

文中結合某地鐵線擴編列車制動系統大修的契機，借鑒公司產品營運經驗，以提高制動控制單元常用制動功能和降低故障率為目標，以故障導向安全為原則，對制動控制單元產品進行優化升級。通過原理優化分析、試驗對比研究、產品性能試驗、整車性能試驗和載客運行研究，對制動控制單元升級產品的可靠性、穩定性和故障率進行了充分驗證和考核，驗證了升級方案的可行性和實用性，為同類產品的研究提供了新的解決思路和參考。

1 原理介紹

1.1 制動控制單元介紹

制動控制單元的氣路原理如圖1 所示，制動控制單元根據來自電子制動控制單元或列車的電磁閥控制信號，可以實現緊急制動、常用制動、停車制動、緊急強迫緩解等功能。

圖1 制動控制單元氣路原理

1.2 空重車閥介紹

空重車閥是車控制動系統的主要部件，在列車緊急制動時，空重車閥通過純機械結構調整，使制動控制單元在不同載重情況下施加緊急制動時，緊急減速度保持不變，同時，空重車閥的最小壓力保證，可以確保在空簧無壓力輸入工況下，仍能輸出一定的緊急制動壓力。在列車常用制動時，若故障導致電子制動控制單元無法正常調控壓力，空重車閥可以防止制動壓力過高導致車輪抱死或基礎制動設備損傷的故障發生［5］。

空重車閥的結構和工作原理如圖2 所示，從工作流程圖中可以看出，空重車閥輸出壓力受多種因素影響，且子部件故障很容易導致輸出壓力異常。

圖2 空重車閥結構與工作流程示意圖

1.3 常用制動功能原理介紹

圖1的制動控制單元在進行常用制動施加時的過程如圖3 所示，從圖3 中可以看出，空重車閥的故障將影響常用制動的控制。

圖3 常用制動施加流程圖

2 優化設計

2.1 優化分析

圖1 制動控制單元中的空重車閥設置在緊急電磁閥后端和中繼閥預控前端，結合圖2 和圖3 可知，當空重車閥發生故障時，將會影響常用制動控制精度。

相比進口空重車閥，國產空重車閥的穩定性仍有待繼續提高［5-6］。相對產品的緊急制動功能，列車對常用制動功能的控制精度要求較高［7］。圖1中空重車閥同時設置在常用制動回路和緊急制動回路，對空重車閥的穩定性要求較高。根據某車控制動系統運營經驗，由于國產彈簧的穩定性不高，空重車閥的止回閥開啟壓力較大，從而制動緩解時殘余70 kPa 壓力，列車報制動不緩解故障?？罩剀囬y彈簧穩定性差，實際輸出壓力超出控制精度要求，降低制動控制精度，可能影響對門精度，同時引起充氣電磁閥和排氣電磁閥頻繁動作，增加制動控制單元故障率和維修成本。因此，在目前國產空重車閥穩定性無法顯著提高的背景下，進行產品氣路原理優化設計，可以消除空重車閥對常用制動控制的影響。

2.2 產品優化

優化后的制動控制單元氣路原理如圖4 所示，該氣路原理主要做了以下優化改進：

圖4 優化后制動控制單元氣路原理

（1）將空重車閥改至緊急電磁閥前端，此時空重車閥僅作用于緊急制動回路，消除其對常用制動回路控制精度的影響。

（2）充氣電磁閥前端設置減壓閥，常用制動失控時，減壓閥代替空重車閥，對產品進行限壓保護。

（3）充氣電磁閥前端和減壓閥后端，設置穩壓容積腔和測試接頭。穩壓容積腔用于存儲壓縮空氣，設置合理的容積尺寸，可以消除減壓閥動作延遲時對后端控制響應時間的影響。測試接頭用于定期對減壓閥進行維護。

（4）穩壓容積腔和壓力傳感器改至充氣電磁閥后端和緊急電磁閥前端，可以提高常用制動控制的響應時間和效率。其中穩壓容積腔便于調整充氣或排氣的速率，可提高常用制動時壓力控制精度和降低電磁閥動作次數。壓力傳感器用于對電磁閥調控壓力的閉環控制。

3 試驗研究

采用試驗對比研究、產品性能試驗、整車性能試驗和載客運行的方式，對優化后制動控制單元的性能進行充分驗證和考核，以確定優化后產品的性能指標、可行性、可靠性和實用性。

3.1 試驗原理

試驗原理如圖5 所示，搭建的試驗臺需具備制動供風、壓力采集、電磁閥控制、負載模擬、車重模擬、程序控制等功能。

圖5 試驗原理簡圖

3.2 試驗臺

研究制動控制單元選用了公司的城軌制動系統地面型式試驗臺，該試驗臺可對城軌制動系統進行地面型式試驗和產品研究試驗，模擬制動系統裝車運行工況，檢測全過程試驗數據，可實現城軌制動系統技術研究、產品研發、功能測試、軟件測試、故障注入及線路故障重現等功能。試驗臺具備制動系統功能測試、性能測試、制動系統與牽引系統匹配試驗、制動系統與網絡系統匹配試驗、模擬實際線路條件的制動系統長期運行試驗等功能。

3.3 試驗項點

開展試驗研究的主要試驗項點如下：

（1）空重車閥對常用制動控制的影響。

（2）減壓閥設定值對常用制動控制的影響。

（3）不同制動級位，減壓閥設定值對產品的制動性能影響。

（4）閉環控制傳感器和穩壓容積腔位置對常用制動控制的影響。

（5）產品性能研究。（6）產品裝車后整車性能研究。（7）載客運營考核。

3.4 試驗結果

根據圖5 所示的試驗原理，在城軌制動系統地面型式試驗臺搭建試驗環境，設計的試驗產品如圖6 所示。

圖6 待試驗產品示例

3.4.1 空重車閥影響研究

采用圖1 氣路原理產品為試驗對象，對比有空重車閥和無空重車閥對常用制動控制的影響，試驗結果見表1。

表1 常用制動控制試驗結果（空重車閥影響）

試驗結論：空重車閥設置在常用制動回路對常用制動控制影響較大。

3.4.2 減壓閥設定值影響研究

利用試驗工裝，在圖1 中充氣電磁閥前端設置減壓閥，并將空重車閥從氣路中隔離，測試減壓閥設定值對氣壓控制和響應時間影響，試驗結果見表2。

表2 常用制動控制試驗結果（減壓閥設定值影響）

試驗結論：

（1）減壓閥限制了供氣速率，其設定值與產品的響應時間成反比。

（2）減壓閥設定值越低，設定值越接近目標壓力，常用制動控制穩定性越差。

（3）減壓閥后端需增加容積腔，已減小減壓閥動態響應延遲對供氣的影響

3.4.3 不同制動級位，減壓閥設定值影響研究

產品在不同減壓閥設定值和不同制動級位下的響應時間，試驗結果見表3。

表3 不同級位常用制動控制試驗結果（減壓閥設定值影響）

試驗結論：

（1）目標壓力越大，產品響應時間越長。

（2）減壓閥設定值小于600 kPa時，無法滿足車輛對常用制動響應時間（<2 s）的要求。

（3）減壓閥設定值越小，對后端產品的限壓保護越有利，設定值650 kPa、700 kPa 對響應時間的影響差異較小，優選650 kPa 為減壓閥設定值。

3.4.4 閉環控制傳感器和容積腔位置影響研究

利用試驗工裝，將閉環控制傳感器和容積腔位置分別設置在緊急電磁閥前端和緊急保護閥后端，試驗結果見表4。

表4 常用制動控制試驗結果（傳感器和容積腔位置影響）

3.4.5 產品性能試驗研究

根據前文的對比試驗結論和圖4，設計的制動控制單元如圖7 所示，選擇5 臺產品進行產品性能試驗，試驗結果見表5。

表5 產品性能試驗結果 單位：kPa

試驗結論：從表5 試驗結果可以看出，優化后制動控制單元的制動功能均能滿足設計要求，且實測值與目標值之間的最大偏差不超過6 kPa。將空重車閥從常用制動回路移除，僅設置于緊急制動回路，顯著提高了產品對常用、保持和快速制動的控制精度，且并未影響產品對緊急制動的控制精度。

3.4.6 整車性能試驗研究

將表5 產品安裝于某地鐵線01A02 型電動列車第115列，開展整車性能試驗，試驗結果見表6～表9 和如圖8、圖9 所示。

表8 整車制動系統制動距離試驗結果（純空氣） 單位：m

表9 整車制動系統沖擊率試驗結果（純空氣） 單位：m/s3

圖8 AW0 工況各站點對門精度

圖9 AW3 工況各站點對門精度

試驗結論：從表6～表9 和圖8、圖9 可以看出，優化后產品裝車后，整車的常用制動、緊急制動和快速制動的靜態性能、減速度、制動距離和沖擊率等指標均能夠滿足相關行業標準要求［8］，優化后制動控制單元性能滿足裝車運營要求。

3.4.7 裝車考核驗證

自上線載客運行至今，未報出任何有關制動控制單元的產品故障，充分驗證了優化后制動控制單元的可靠性和實用性。

4 結論

綜上所述，文中結合國產化閥的現狀，對產品氣路原理進行優化分析，有效消除閥不穩定性對產品常用制動控制的影響。并通過試驗對比研究、產品性能試驗、整車性能試驗和載客運營考核相結合的方式，對優化后制動控制單元進行充分研究，為后續同類產品研究提供新的解決思路和參考。文中的研究成果已成功應用于其他車控項目。