葛 永, 賀 成, 張鵬飛, 李增輝
(南京中車(chē)浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司, 江蘇 南京 211800)
徐州地鐵1 號(hào)線列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)采用南京海泰公司自主設(shè)計(jì)研發(fā)的EPBD-1 型架控制動(dòng)系統(tǒng),該制動(dòng)系統(tǒng)具有常用制動(dòng)、快速制動(dòng)、緊急制動(dòng)、停放制動(dòng)、保持制動(dòng)、電空混合制動(dòng)、載荷補(bǔ)償、防滑控制、空壓機(jī)管理、輪徑修正和踏面清掃等功能[2]。系統(tǒng)以故障導(dǎo)向安全為設(shè)計(jì)原則[3],具有制動(dòng)管理靈活、制動(dòng)響應(yīng)快、產(chǎn)品集成化程度高、重量輕、安裝便利等特點(diǎn)[4]。
EPBD-1 型架控制動(dòng)系統(tǒng)主要產(chǎn)品包括供風(fēng)裝置、制動(dòng)控制單元、輔助控制裝置和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等。
供風(fēng)裝置是一種為列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)或其他用風(fēng)產(chǎn)品提供潔凈的壓縮空氣的產(chǎn)品,一般安裝在拖車(chē)下。每列配置2 臺(tái)供風(fēng)裝置,采用主輔工作方式,分正常、輔助、強(qiáng)泵風(fēng)三種工作模式。
徐州地鐵1 號(hào)線列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)供風(fēng)裝置選用的是南京海泰公司的S03T-N0.9A 型螺桿式供風(fēng)裝置(見(jiàn)圖1),該供風(fēng)裝置主要由空氣壓縮機(jī)、前置過(guò)濾系統(tǒng)、空氣干燥系統(tǒng)、 壓力開(kāi)關(guān)箱等模塊組成。
S03T-N0.9A 供風(fēng)裝置氣路原理圖如圖2所示, 空氣壓縮機(jī)系統(tǒng)作用是將吸入的空氣進(jìn)行壓縮, 前置過(guò)濾系統(tǒng)作用是將壓縮空氣中的飽和水蒸氣、油霧及固體雜質(zhì)濾除,空氣干燥系統(tǒng)作用是再次過(guò)濾壓縮空氣中的水分, 壓力開(kāi)關(guān)箱內(nèi)部件可進(jìn)行壓力值監(jiān)測(cè), 發(fā)送壓力信號(hào)至MVB 列車(chē)網(wǎng)絡(luò),MVB 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)接收到的壓力值判定空壓機(jī)是否需要啟動(dòng)。
圖1 S03T-N0.9A 供風(fēng)裝置
圖2 S03T-N0.9A 供風(fēng)裝置氣路原理圖
制動(dòng)控制單元作為制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵產(chǎn)品, 主要由氣動(dòng)制動(dòng)控制模塊和電子制動(dòng)控制模塊組成。 電子制動(dòng)控制模塊作為制動(dòng)系統(tǒng)的“大腦”,具有制動(dòng)力運(yùn)算、控制及管理等功能。 氣動(dòng)制動(dòng)控制模塊負(fù)責(zé)將接收到的電子制動(dòng)控制模塊電氣制動(dòng)指令轉(zhuǎn)換成空氣制動(dòng)指令, 經(jīng)過(guò)空氣制動(dòng)指令調(diào)控后的壓縮空氣作為基礎(chǔ)制動(dòng)裝置執(zhí)行制動(dòng)的動(dòng)力源。 制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)制動(dòng)控制單元實(shí)現(xiàn)其功能。
徐州地鐵1 號(hào)線列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)控制單元選用的是南京海泰公司的EPBD-1 型制動(dòng)控制單元(見(jiàn)圖3)。
EPBD-1 型制動(dòng)控制單元主要由電子制動(dòng)控制單元(EBCU)、氣動(dòng)制動(dòng)控制單元(PBCU)和護(hù)箱等組成。 EPBD-1 型制動(dòng)控制單元的氣路原理 (見(jiàn)圖4)。EBCU 通 過(guò) 列 車(chē)MVB 網(wǎng)絡(luò)、CAN 制動(dòng)內(nèi)網(wǎng)和維護(hù)以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互,可以根據(jù)接收到車(chē)輛指令,控制PBCU動(dòng)作。PBCU 主要由電子稱(chēng)重閥、EP 氣動(dòng)閥、緩限氣動(dòng)閥、連接氣動(dòng)閥、過(guò)濾器、壓力采集模塊和集成氣路板組成。
圖3 EPBD-1 型制動(dòng)控制單元
圖4 EPBD-1 型制動(dòng)控制單元?dú)饴吩韴D
在架控制動(dòng)控制系統(tǒng)中, 輔助控制裝置主要用于進(jìn)行停放制動(dòng)控制、 空簧供風(fēng)控制、 制動(dòng)供風(fēng)控制和壓力測(cè)試。
徐州地鐵1 號(hào)線列車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng)輔助控制裝置采用的是南京海泰公司的ACU-20 輔助控制裝置(見(jiàn)圖5)。 ACU-20輔助控制裝置氣路原理如圖6 所示。
ACU-20 輔助控制裝置主要由輔助控制單元、 護(hù)箱、吊架和風(fēng)缸模塊等組成。 吊架用于輔助控制裝置內(nèi)各模塊的整體集成與車(chē)輛吊裝。護(hù)箱用于對(duì)輔助控制單元進(jìn)行防護(hù)。 風(fēng)缸模塊由總風(fēng)缸、制動(dòng)風(fēng)缸和空簧風(fēng)缸組成, 用于在供風(fēng)裝置停機(jī)時(shí)進(jìn)行壓縮空氣儲(chǔ)存。輔助控制單元主要有減壓閥、塞門(mén)、溢流閥、過(guò)濾器、雙向閥、制動(dòng)電磁閥、壓力開(kāi)關(guān)、止回閥、測(cè)試插座和集成氣路版組成。
圖5 ACU-20 輔助控制裝置
圖6 ACU-20 輔助控制裝置氣路原理圖
基礎(chǔ)制動(dòng)裝置作為制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)執(zhí)行部件, 是一種能將空氣壓力轉(zhuǎn)換成摩擦制動(dòng)力的產(chǎn)品。
徐州地鐵1 號(hào)線列車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用的是南京海泰公司的TW-PLE-10D 型踏面制動(dòng)單元(見(jiàn)圖7)和TW-XLE-10X 型踏面制動(dòng)單元(見(jiàn)圖8),其中TW-PLE-10D 型踏面制動(dòng)單元為帶停放功能踏面制動(dòng)單元, 可以實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)員狀態(tài)下最大坡度40‰的列車(chē)停放。
圖7 TW-PLE-10D 型踏面制動(dòng)單元
圖8 TW-XLE-10X 型踏面制動(dòng)單元
列車(chē)每根軸配置1 臺(tái)TWPLE-10D 型踏面制動(dòng)單元和1 臺(tái)TW-XLE-10X 型踏面制動(dòng)單元, 安裝時(shí)以轉(zhuǎn)向架為單位進(jìn)行對(duì)角分布(見(jiàn)圖9)。 TW-PLE-10D 型踏面制動(dòng)單元配置的兩根手動(dòng)緩解拉繩安裝于車(chē)輛兩側(cè), 司勤人員在列車(chē)任意側(cè)均可進(jìn)行手動(dòng)停放制動(dòng)緩解操作。
圖9 踏面制動(dòng)單元分布示意圖
徐州地鐵1 號(hào)線列車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為高實(shí)用性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(如圖10 所示),該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由MVB 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)、CAN 制動(dòng)內(nèi)網(wǎng)和維護(hù)以太網(wǎng)組成。 制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)MVB 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息采集、 指令接收和故障上傳等。 每三輛車(chē)的制動(dòng)控制單元組成一組CAN 制動(dòng)內(nèi)網(wǎng),每組內(nèi)網(wǎng)中包括2 套EPBD-10A 制動(dòng)控制單元和4套EPBD-11A 制動(dòng)控制單元。 制動(dòng)控制單元可通過(guò)CAN 制動(dòng)內(nèi)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)信息傳輸、制動(dòng)力管理、故障診斷等功能。整列車(chē)的制動(dòng)控制單元通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)組成維護(hù)以太網(wǎng),可通過(guò)以太網(wǎng)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)制動(dòng)狀態(tài)傳輸、故障診斷與存儲(chǔ)、程序下載與燒錄等功能。
圖10 高實(shí)用性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖
ATO 自動(dòng)駕駛模式中,列車(chē)在ATC 系統(tǒng)的控制監(jiān)護(hù)下進(jìn)行自動(dòng)駕駛。當(dāng)需要進(jìn)行列車(chē)制動(dòng)時(shí),ATC 將制動(dòng)力需求數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò),經(jīng)過(guò)解析后通過(guò)MVB 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給EPBD-10A 制動(dòng)控制單元,EPBD-10A 制動(dòng)控制單元根據(jù)制動(dòng)力需求進(jìn)行整車(chē)制動(dòng)力計(jì)算和分配。
人工駕駛模式中, 司機(jī)操作主司控器手柄進(jìn)行常用制動(dòng)級(jí)位控制,司控器將制動(dòng)級(jí)位上傳網(wǎng)絡(luò),經(jīng)過(guò)解析后通過(guò)MVB 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給EPBD-10A 制動(dòng)控制單元,EPBD-10A 制動(dòng)控制單元根據(jù)制動(dòng)力需求進(jìn)行整車(chē)制動(dòng)力計(jì)算和分配。
EPBD-10A 制動(dòng)控制單元將計(jì)算出的整車(chē)制動(dòng)力值與從DCU 接收到的每車(chē)電制動(dòng)狀態(tài)信息和電制動(dòng)力進(jìn)行核算,將核算后的制動(dòng)力值平均分配到每個(gè)動(dòng)車(chē)。待動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架達(dá)到粘著極限后, 把剩余空氣制動(dòng)力平均分配到每個(gè)拖車(chē)轉(zhuǎn)向架。
當(dāng)列車(chē)速度較低時(shí)(≤5km/h),電制動(dòng)作用將越來(lái)越小,MVB 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)會(huì)發(fā)送電制動(dòng)淡出信號(hào)給EPBD-10A制動(dòng)控制單元, 經(jīng)過(guò)一定時(shí)間的延時(shí)處理后,EPBD-10A制動(dòng)控制單元進(jìn)行純空氣制動(dòng)力計(jì)算和管理。
當(dāng)司機(jī)將主司控器手柄拉到“快速制動(dòng)”級(jí)位時(shí),列車(chē)將以與緊急制動(dòng)相同的減速度實(shí)施電空制動(dòng)。 但快速制動(dòng)不同于緊急制動(dòng), 快速制動(dòng)可通過(guò)恢復(fù)手柄位置至零位進(jìn)行快速制動(dòng)緩解, 并且快速制動(dòng)要求沖擊率≤0.75m/s3。
正常模式下,快速制動(dòng)的制動(dòng)模式為電空混合制動(dòng)??焖僦苿?dòng)時(shí)列車(chē)所需的總制動(dòng)力由制動(dòng)控制單元計(jì)算和管理,優(yōu)先使用100%的電制動(dòng)力,當(dāng)電制動(dòng)力不足時(shí),進(jìn)行空氣制動(dòng)力補(bǔ)償。
緊急牽引模式下,快速制動(dòng)為純空氣制動(dòng), 每組CAN 制動(dòng)內(nèi)網(wǎng)中,EPBD-10A 制動(dòng)控制單元負(fù)責(zé)將計(jì)算后的制動(dòng)力值平均分配到該單元所在的轉(zhuǎn)向架上。此時(shí)的快速制動(dòng)通過(guò)硬線進(jìn)行控制。
在ATO 模式下觸發(fā)快速制動(dòng),牽引控制單元(DCU)和制動(dòng)控制單元將忽略來(lái)自ATO 的制動(dòng)力需求,按快速制動(dòng)率執(zhí)行制動(dòng)。
緊急制動(dòng)由列車(chē)的緊急制動(dòng)環(huán)路失電觸發(fā),屬于純空氣制動(dòng)。作為列車(chē)運(yùn)行安全保證中最重要的功能,緊急制動(dòng)設(shè)置于故障安全環(huán)路。緊急制動(dòng)不受列車(chē)沖擊極限限制。
緊急制動(dòng)采用硬線控制, 在制動(dòng)控制單元上配置了由列車(chē)安全環(huán)路硬線控制的緊急制動(dòng)部分。 若列車(chē)安全環(huán)線斷開(kāi),將立即觸發(fā)緊急制動(dòng)。
不同于快速制動(dòng),緊急制動(dòng)的施加是不可逆的,僅當(dāng)所有緊急制動(dòng)觸發(fā)條件都消失, 且列車(chē)零速時(shí)緊急制動(dòng)才能被緩解。
停放制動(dòng)通過(guò)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置中的彈簧施加, 當(dāng)停放回路空氣壓力小于彈簧力時(shí), 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置通過(guò)彈簧力施加停放制動(dòng)。當(dāng)停放回路中空氣壓力大于彈簧力時(shí),空氣壓力抵消施加的彈簧力,實(shí)現(xiàn)基停放制動(dòng)緩解。
在列車(chē)零速狀態(tài)下, 司機(jī)可以通過(guò)司機(jī)室的停放施加/緩解按鈕進(jìn)行停放制動(dòng)控制。 停車(chē)狀態(tài)下,也可以操作輔助控制單元內(nèi)的停放隔塞門(mén)實(shí)現(xiàn)停放制動(dòng)和施加。此外,當(dāng)停放回路壓力不足時(shí),停放制動(dòng)將通過(guò)彈簧自動(dòng)施加。
保持制動(dòng)是常用制動(dòng)的一部分, 主要用于防止車(chē)輛在坡道上啟動(dòng)時(shí)發(fā)生溜車(chē)。
在ATO 模式下, 保持制動(dòng)施加指令由ATO 發(fā)送給MVB 列車(chē)網(wǎng)絡(luò), 保持制動(dòng)緩解指令由VCU 發(fā)送給MVB列車(chē)網(wǎng)絡(luò)。 EPBD-10A 制動(dòng)控制單元接收到保持制動(dòng)指令后,控制基礎(chǔ)制動(dòng)裝置進(jìn)行保持制動(dòng)施加和緩解。
在緊急牽引模式下, 列車(chē)的保持制動(dòng)施加與緩解由EPBD-10A 制動(dòng)控制單元控制,將不再接收MVB 列車(chē)網(wǎng)絡(luò)保持制動(dòng)施加或緩解指令。
列車(chē)的制動(dòng)力分配是按 “列車(chē)級(jí)” 進(jìn)行制動(dòng)力分配的。電空混合制動(dòng)模式為優(yōu)先采用電制動(dòng)、空氣制動(dòng)補(bǔ)償?shù)闹苿?dòng)模式。
電空混合制動(dòng)僅在網(wǎng)絡(luò)正常情況下起效, 在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障后,列車(chē)進(jìn)行緊急牽引時(shí),采用純空氣制動(dòng)進(jìn)行列車(chē)制動(dòng)。
制動(dòng)控制單元實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)向架上空氣彈簧的壓力信號(hào)。壓力信號(hào)經(jīng)制動(dòng)控制單元轉(zhuǎn)換計(jì)算后,將轉(zhuǎn)換為此轉(zhuǎn)向架的載荷信號(hào),供載荷補(bǔ)償時(shí)使用。
每輛車(chē)有4 個(gè)空氣彈簧壓力檢測(cè)點(diǎn), 當(dāng)監(jiān)測(cè)到某個(gè)空氣彈簧故障(壓力值超出正常范圍)時(shí),進(jìn)行載荷補(bǔ)償。具體由以下三種載荷補(bǔ)償模式:
(1)當(dāng)某轉(zhuǎn)向架的單個(gè)空氣彈簧壓力點(diǎn)故障時(shí),以同一轉(zhuǎn)向架另一個(gè)空氣彈簧壓力作為載荷壓力。
(2)當(dāng)某轉(zhuǎn)向架的兩個(gè)空氣彈簧壓力點(diǎn)全故障時(shí),該轉(zhuǎn)向架將以本輛車(chē)另一個(gè)轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧壓力作為載荷壓力。
(3)當(dāng)某輛車(chē)四個(gè)空氣彈簧壓力點(diǎn)都故障,載荷壓力默認(rèn)選取AW3 對(duì)應(yīng)空氣彈簧壓力。
列車(chē)的電制動(dòng)防滑控制和空氣制動(dòng)防滑控制是各自獨(dú)立完成的,具體實(shí)現(xiàn)方式如下:
(1) 當(dāng)電制動(dòng)檢測(cè)到滑行時(shí)發(fā)出電制動(dòng)防滑信號(hào)給制動(dòng)控制系統(tǒng), 制動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)此信號(hào)固定當(dāng)前實(shí)際電制動(dòng)力值。
(2)當(dāng)電制動(dòng)防滑信號(hào)有效超過(guò)2s 時(shí),制動(dòng)控制系統(tǒng)將發(fā)送電制動(dòng)切除信號(hào)給MVB 列車(chē)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)此電制動(dòng)切除信號(hào)給牽引系統(tǒng)。
(3)當(dāng)制動(dòng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到滑行,制動(dòng)控制系統(tǒng)將在1s 內(nèi)發(fā)送電制動(dòng)切除信號(hào)給MVB 列車(chē)網(wǎng)絡(luò),網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)電制動(dòng)切除信號(hào)給牽引系統(tǒng)。
(4)當(dāng)制動(dòng)控制系統(tǒng)檢測(cè)到嚴(yán)重滑行,制動(dòng)控制系統(tǒng)將在0.5s 內(nèi)發(fā)送電制動(dòng)切除信號(hào)給列車(chē)網(wǎng)絡(luò), 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)電制動(dòng)切除信號(hào)給牽引系統(tǒng)。
在電制動(dòng)切除的過(guò)程中存在電空混合制動(dòng), 以確保車(chē)輛沖擊率不大于0.75m/s3。
制動(dòng)控制系統(tǒng)的兩臺(tái)供風(fēng)裝置分為主空壓機(jī)和輔空壓機(jī), 其中主輔空壓機(jī)由Tc 車(chē)的EPBD-10A 制動(dòng)控制單元指定。 EPBD-10A 制動(dòng)控制單元根據(jù)VCU 發(fā)送的時(shí)間信號(hào)指定此時(shí)的主輔空壓機(jī),并根據(jù)EPBD-11A 制動(dòng)控制單元采集主風(fēng)缸壓力值判定是否進(jìn)行空壓機(jī)啟動(dòng)控制。
主輔空壓機(jī)控制策略如下:
(1)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)正常模式下,當(dāng)主風(fēng)缸的壓力值低于750 kPa 時(shí)控制主空壓機(jī)啟動(dòng); 當(dāng)主風(fēng)缸的壓力值達(dá)到900 kPa 時(shí),控制主空壓機(jī)停止;
(2)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)正常模式下,當(dāng)主風(fēng)缸的壓力值低于700 kPa 時(shí),主、輔空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng),當(dāng)主風(fēng)缸的壓力值達(dá)到900 kPa 時(shí),兩臺(tái)空壓機(jī)都停止。
(3)當(dāng)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)故障或在緊急牽引模式下,制動(dòng)系統(tǒng)默認(rèn)使用Tc1 車(chē)的空壓機(jī)為主空壓機(jī),Tc2 車(chē)的空壓機(jī)為輔空壓機(jī),控制策略同網(wǎng)絡(luò)正常模式。
(4)當(dāng)Tc 車(chē)EPBD-10A 故障時(shí),空壓機(jī)可通過(guò)內(nèi)置的總風(fēng)壓力開(kāi)關(guān)通斷來(lái)控制啟停, 控制壓力同網(wǎng)絡(luò)正常模式。
(5)在司機(jī)臺(tái)設(shè)置有強(qiáng)迫泵風(fēng)按鈕,任何時(shí)候操作此按鈕,本車(chē)的空壓機(jī)均會(huì)啟動(dòng)。
列車(chē)網(wǎng)絡(luò)在DDU 中設(shè)置每車(chē)3 軸輪徑為輪徑參考值, 并通過(guò)VCU 發(fā)送給EPBD-10A 制動(dòng)控制單元,EPBD-10A 制動(dòng)控制單元根據(jù)此輪徑參考值進(jìn)行防滑控制等。
當(dāng)列車(chē)處于惰行(至少持續(xù)5s,速度大于20km/h)且CAN 制動(dòng)內(nèi)網(wǎng)中的制動(dòng)控制單元沒(méi)有檢測(cè)到列車(chē)滑行時(shí),制動(dòng)控制系統(tǒng)將進(jìn)行輪徑校正。
目前,設(shè)計(jì)的共計(jì)23 列的徐州地鐵1 號(hào)線制動(dòng)系統(tǒng)已完成所有試驗(yàn)并全部交付運(yùn)營(yíng)。 該制動(dòng)系統(tǒng)已運(yùn)營(yíng)18月, 系統(tǒng)運(yùn)行情況良好, 系統(tǒng)性能可以與進(jìn)口系統(tǒng)相角逐。目前已相繼獲得合肥、常州、杭州、南京、南通、紹興等城市訂單, 對(duì)我國(guó)城市軌道交通制動(dòng)產(chǎn)品的健康發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用。
架控制動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自主化, 但部分核心部件仍依賴(lài)進(jìn)口,如高速開(kāi)關(guān)電磁閥、傳感器、電子芯片、高強(qiáng)度緊固件、壓力開(kāi)關(guān)等,導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)化架控制動(dòng)控制系統(tǒng)仍然會(huì)受到全球貿(mào)易環(huán)境及供應(yīng)鏈安全的影響, 存在一定的隱患, 不利于國(guó)產(chǎn)化架控制動(dòng)系統(tǒng)的長(zhǎng)期健康發(fā)展。 因此, 攻關(guān)核心部件實(shí)現(xiàn)完全自主化是國(guó)產(chǎn)化架控制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的重要任務(wù), 也是國(guó)內(nèi)城市軌道交通產(chǎn)品的健康發(fā)展的必經(jīng)之路。