史富強(qiáng)

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

西安地鐵2號線電動客車HRDA制動系統(tǒng)

史富強(qiáng)

（西安鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西 西安 710014）

對西安地鐵2號線地鐵車輛采用的日本NABTSCO公司的HRDA制動系統(tǒng)的原理、功能和主要組成部件、控制作用的原理與過程進(jìn)行了分析，總結(jié)出西安地鐵2號線采用HRDA型制動系統(tǒng)的主要特點(diǎn)和HRDA制動系統(tǒng)應(yīng)用前景。

西安地鐵2號線；HRDA；控制過程；特點(diǎn)；應(yīng)用前景

西安地鐵2號線是由長春軌道有限責(zé)任公司生產(chǎn)的具有車內(nèi)先進(jìn)水平的地鐵電動客車，為提高其制動性能上采用了日本NABCO公司的HRDA型電空制動機(jī)。HRDA型電空制動機(jī)的控制技術(shù)能適應(yīng)地鐵列車站間距離短，列車起動制動頻繁的特點(diǎn)，HRDA型電空制動機(jī)的控制技術(shù)水平在世界上是較為先進(jìn)的。它在本車制動力的計(jì)算、車輛之間交叉混合制動力的計(jì)算與分配、電制動與空氣制動力的控制及監(jiān)控、防滑等控制方面均采用微機(jī)進(jìn)行控制，所以提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度[1]。

HRDA空氣制動系統(tǒng)是日本的Nabtesco公司為適應(yīng)城軌車輛發(fā)展的需要研制了一套采用微機(jī)控制的模擬式電—空制動系統(tǒng)，內(nèi)設(shè)監(jiān)控終端，具有自診斷和故障記錄功能，系統(tǒng)采用車控方式，是一套高應(yīng)答性、高可靠性的電氣指令式制動系統(tǒng)，以事故導(dǎo)向安全為設(shè)計(jì)原則，對列車的運(yùn)營提供充分的安全保障。主要特點(diǎn)如下：在常用制動、緊急制動功能的基礎(chǔ)外，增加了防滑控制功能；能與 ATP系統(tǒng)配合控制；實(shí)現(xiàn)了動車和拖車之間制動力的交叉混合及電空制動的協(xié)調(diào)配合，優(yōu)先充分使用電制動，不足部分的空氣制動力是通過反饋來控制的，精度更高；采用微機(jī)控制，最大限度地滿足控制精度和乘坐舒適性的要求等[2]。

1 HRDA制動系統(tǒng)的主要組成

HRDA制動系統(tǒng)主要由供風(fēng)系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)組成，其中制動控制系統(tǒng)中的制動控制單元為HRDA制動的核心部件。

1.1 供風(fēng)系統(tǒng)

供風(fēng)系統(tǒng)由空壓機(jī)、干燥器、空壓機(jī)啟動裝置、冷卻器、干燥器、濾清器、儲風(fēng)缸、安全閥、總風(fēng)壓力開關(guān)（包含于BCU中）、壓力調(diào)節(jié)裝置等組成。供風(fēng)系統(tǒng)為制動系統(tǒng)提供的干燥、足夠的壓縮空氣。整列車配備兩套供風(fēng)系統(tǒng)，其總能力能夠滿足整列車在各種工況的用風(fēng)需求，一般情況均留有一定的裕度，以保證在個(gè)別特殊情況下整列車制動性能的安全?？傮w看來，該項(xiàng)目風(fēng)源系統(tǒng)的集成度較低、所占空間大，給整車的設(shè)備布置帶來較大困難。

1.2 制動控制系統(tǒng)

每輛車配備一套制動控制裝置（其中頭車制動控制單元內(nèi)部配備有總風(fēng)低壓壓力開關(guān)，此信號將串聯(lián)至緊急回路），用于進(jìn)行帶有空重車調(diào)整的常用制動和緊急制動以及滑行保護(hù)等的控制，此外具有自診斷等諸多功能。制動控制系統(tǒng)主要分為電子制動控制單元BECU和制動控制單元BCU。制動控制裝置內(nèi)部部件布局如圖1所示[3]。

如圖2所示為HRDA制動系統(tǒng)的主要部件制動控制單元，不僅制動系統(tǒng)的中樞，而且也是與外界各系統(tǒng)聯(lián)系的紐帶，它控制著整套系統(tǒng)的正常有序的工作。制動控制裝置由EP電空中繼閥（帶壓力傳感器）、電子控制單元（BECU）、試驗(yàn)用接頭、過濾器、壓力開關(guān)等組成。電子制動控制單元BECU為電氣部件，具有以下功能：1）檢測2個(gè)空氣簧的壓力并通過壓力傳感器進(jìn)行空電轉(zhuǎn)換，從而保證無論空車還是超員均可以得到穩(wěn)定的牽引力和制動力。2）進(jìn)行電空演算，從而進(jìn)行常用制動控制，并保證優(yōu)先使用電制動。3）具有滑行檢測和矯正功能。即測定各個(gè)車軸的速度，一旦檢測出車輪滑行，則通過控制防滑閥來降低制動缸內(nèi)部壓力，從而盡快恢復(fù)粘著。提供狀態(tài)監(jiān)測和診斷功能。

圖1 制動控制裝置Fig.1 Brake control device

圖2 電子制動控制單元Fig.2 Electronic brake control unit

如圖3所為制動控制單元的內(nèi)部氣路圖，表1為對應(yīng)名稱的簡稱對照表。制動控制單元BCU包括常用制動和緊急制動所需的所有電空閥和壓力傳感器。中繼閥（RV）中繼閥為氣動操作閥，可將大量壓縮空氣由制動風(fēng)缸提供給制動缸。供風(fēng)壓力等同于中繼閥通過變載截?cái)嚅y從制動/緩解和緊急閥獲得的壓力信號。如果壓力信號保持一定，中繼閥將保持恒定的閘缸壓力以防泄露，并自動補(bǔ)充發(fā)生的任何泄露[1]。空重車調(diào)整閥（VLV）空重車調(diào)整閥為機(jī)械變壓限制裝置，它可將中繼閥信號閥口的供風(fēng)壓力限制在稱重緊急制動所需的壓力以下。空重車調(diào)整閥只影響緊急制動的壓力并正比于空氣簧壓力。此外通過兩個(gè)連接管路上的節(jié)流孔來減小空氣彈簧的壓力產(chǎn)生波動。當(dāng)沒有空氣簧壓力信號時(shí)（例如空氣簧爆裂），空重車調(diào)整閥將默認(rèn)空載緊急制動值為缺省值。常用電磁閥（SBV）電子制動控制單元通過壓力傳感器來感應(yīng)空氣簧的壓力，通過總線接收常用制動指令，從而計(jì)算出制動缸的壓力，并通過控制常用電磁閥中的供給閥和排氣閥得電和失電[4]，使實(shí)際的制動缸的壓力與計(jì)算出的制動缸壓力相符。緊急制動電磁閥（EBV）緊急制動電磁閥采用得電緩解，失電制動的形式。因此車輛在正常運(yùn)行期間，緊急制動電磁閥必須得電，無論何種原因?qū)е率щ姡熊噷⒘⒓词┘泳o急制動。在緊急制動施加期間，通過空重車調(diào)整閥進(jìn)行空重車調(diào)節(jié)。

圖3 制動控制單元內(nèi)部氣路圖Fig.3 Brake control unit of internal gas diagram

表1 制動控制單元簡稱對照表Tab.1 Brake control unit as the control table

1.3 其他主要部件

列車防滑系統(tǒng)，車輪滑動保護(hù)系統(tǒng)采用基于單軸的滑動檢測和矯正功能，即每個(gè)軸配備一套速度傳感器和防滑閥。停放制動控制裝置，停放制動電磁閥在車輛正常運(yùn)行狀態(tài)下為失電狀態(tài)，此時(shí)停放制動緩解，并通過停放制動壓力開關(guān)進(jìn)行反饋，壓力設(shè)定為500-700 kpa（該壓力可以根據(jù)需要調(diào)整），即高于700 kpa列車停放制動緩解，低于500 kpa列車制動將隨著壓縮空氣壓力的降低而逐漸施加。安裝在制動模塊上的停放制動隔離塞門由主風(fēng)進(jìn)行供風(fēng)。更換閘瓦時(shí)，可操縱此塞門將停放制動裝置隔離并排風(fēng)以實(shí)現(xiàn)手動緩解。主風(fēng)低壓開關(guān)每輛頭車上設(shè)有一個(gè)壓力開關(guān)（制動控制單元內(nèi)），用以監(jiān)控主風(fēng)壓力。當(dāng)主風(fēng)壓力降至設(shè)定值6 bar以下時(shí)，列車緊急回路將斷開，列車將立即實(shí)施緊急制動。當(dāng)壓力升到7 bar以上，緊急制動才可能進(jìn)行緩解。司機(jī)臺儀表；司機(jī)臺上設(shè)置一雙針壓力表它在駕駛車上顯示主風(fēng)壓力和制動缸壓力。紅針用于顯示主風(fēng)缸的壓力，黑針用于顯示頭車第一根軸的制動缸壓力。制動缸隔離塞門HRDA制動系統(tǒng)設(shè)置有制動缸隔離塞門（排風(fēng)塞門），可以分別對轉(zhuǎn)向架制動力進(jìn)行緩解。車輛正常運(yùn)行期間，此塞門的手柄應(yīng)該與管路平行，一旦操作（即手柄垂直于管路），與其相連的轉(zhuǎn)向架的空氣制動將丟失，鑒于安全方面的考慮，此塞門的狀態(tài)信息將要報(bào)告給列車管理系統(tǒng)[5]。

2 HRDA制動系統(tǒng)的控制過程與作用原理

HRDA制動系統(tǒng)具有：常用制動、快速制動、緊急制動、停放制動和防滑控制等功能。

2.1 常用制動控制

如圖4所示制動控制單元的內(nèi)部原理圖，制動系統(tǒng)收到來自司機(jī)控制器（或ATO）或列車監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的常用制動指令后施加常用制動。常用制動過程中優(yōu)先采用節(jié)能環(huán)保的電制動，電制動優(yōu)先選用再生制動，當(dāng)再生制動達(dá)到能力上限時(shí)，系統(tǒng)自動轉(zhuǎn)為電阻制動。當(dāng)電制動不能滿足整列車制動力需求時(shí)，空氣制動適時(shí)補(bǔ)足。通常情況下，空氣制動優(yōu)先使用拖車的空氣制動力，拖車制動力達(dá)到上限要求時(shí)仍滿足不了制動力需求時(shí)，動車的空氣制動進(jìn)行補(bǔ)充。制動過程中電制動與空氣制動協(xié)調(diào)配合。常用制動具有防滑功能且受到列車沖擊極限的限制[6]。

圖4 制動控制單元內(nèi)部原理圖Fig.4 Schematic diagram of brake control unit

常用制動的指令以PWM信號方式向BECU 發(fā)出指令。當(dāng)BECU 檢測到電制動能力達(dá)不到所接收指令需要的制動力時(shí)，則發(fā)出補(bǔ)足制動力的命令到EP電空轉(zhuǎn)換中繼閥，通過空氣制動力補(bǔ)足。EP電空轉(zhuǎn)換中繼閥由常用控制閥、緊急電磁閥以及雙活塞中繼閥等構(gòu)成，它將所接收的電信號轉(zhuǎn)換成氣壓信號。常用控制閥根據(jù)電信號輸出一個(gè)反饋壓力，該壓力通過圖4中AC壓力傳感器反饋給BECU 進(jìn)行大小的調(diào)整。調(diào)整后的反饋壓力進(jìn)入中繼閥增加流量，將其壓力輸出作為制動力大小進(jìn)入制動缸，常用制動得以施加。常用制動制動力分配采用電制動優(yōu)先投入，拖車氣制動隨后投入原則，以T-M組合的一動一拖的情況為例，M車的電子控制裝置通過檢測出自身車廂以及拖車的空氣彈簧壓力，同時(shí)計(jì)算并分配M車自身以及T車的制動作用力。M車的控制系統(tǒng)除用本車的電制動和氣制動外，優(yōu)先傳達(dá)電制動指令，在電制動不能滿足制動要求時(shí)，優(yōu)先通過拖車的空氣制動力補(bǔ)充電制動不足[7]。

2.2 快速制動控制

制動系統(tǒng)收到來自司機(jī)控制器（或ATO）或列車監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出的快速制動指令后施加快速制動?？焖僦苿涌刂品绞脚c常用制動控制方式相同，也是優(yōu)先使用電制動，電制動不足時(shí)由空氣制動承擔(dān)，當(dāng)電制動故障時(shí)，制動力全部由空氣制動承擔(dān)；減速度與緊急制動的減速度相當(dāng)，但是快速制動是可逆的，快速制動同樣具有防滑保護(hù)功能及受到列車沖擊極限的限制。

2.3 緊急制動控制

列車在運(yùn)行過程中遇到緊急情況，司機(jī)可以通過操作司機(jī)臺上的緊急制動按鈕或主控制器拉至緊急制動位（該制動位的設(shè)置與否看客戶需求）對列車施加緊急制動，列車一旦施加緊急制動后不能緩解直至列車速度降為零。緊急制動控制系統(tǒng)，采用時(shí)常帶電的緊急制動環(huán)路進(jìn)行控制。不論任何原因造成緊急電路失電，全列車將自動實(shí)施緊急制動。緊急制動減速度通常為1.2 m/s2，且無沖動限制。緊急制動同樣具有防滑保護(hù)功能。

為了確保列車的運(yùn)行安全，緊急制動采用了復(fù)式緊急制動系統(tǒng)回路。當(dāng)操縱司控器或緊急制動開關(guān)，以及當(dāng)列車分離或風(fēng)源壓力超低時(shí)，BECU 都將接收到緊急制動指令，從而導(dǎo)致緊急電磁閥動作而施加基本的制動力。緊急電磁閥將壓力輸入至中繼閥過程同常用控制閥一樣，輸入的氣體在中繼閥被放大，所放大的壓縮空氣輸入到制動缸并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的制動力施加制動。在拖車的制動控制裝置內(nèi)還設(shè)有一個(gè)總風(fēng)壓力開關(guān)，它的氣路連接總風(fēng)管，電路部分與緊急制動復(fù)式環(huán)路相接。當(dāng)總風(fēng)壓力低于一定值時(shí)，緊急制動回路立即斷開，系統(tǒng)施加緊急制動。

2.4 停放制動控制

由于列車斷電停放時(shí)，制動缸壓力會因管路漏泄無壓力空氣補(bǔ)充而逐步下降到零，所以停放制動不同于一般的充氣—制動，排氣—緩解，它是通過彈簧作用力而產(chǎn)生制動作用，能滿足列車較長時(shí)間斷電停放的要求。除在司機(jī)臺上設(shè)有停放制動施加/緩解按鈕，可以對列車施加緩解停放制動外，當(dāng)主風(fēng)壓力降低到某一設(shè)定值時(shí)，停放制動會自動施加，當(dāng)主風(fēng)壓力升到某一設(shè)定值時(shí)，停放制動自動緩解。同時(shí)這種單元制動機(jī)還具有手動緩解停放制動的功能，通過操作停放制動手動緩解裝置，可以手動緩解停放制動[8]。

2.5 保持控制

保持制動功能是在ATO模式下，制動過程中列車自動施加的一個(gè)相當(dāng)于3級常用制動力大小的制動力。保持制動可以防止列車由制動施加狀態(tài)轉(zhuǎn)為牽引狀態(tài)時(shí)由于牽引力不足引發(fā)的列車在坡道上后溜情況。

2.6 防滑控制

由于受氣候環(huán)境等影響，輪軌間的粘著將會有較大的變化，當(dāng)粘著低至一定值而不能與制動力距要求相適應(yīng)時(shí)，將出現(xiàn)打滑。HRDA制動防滑系統(tǒng)的工作原理主要是由制動電子控制單元檢測出受制動力的車輪趨于抱死時(shí)，發(fā)出指令，使系統(tǒng)迅速釋放部分制動力，恢復(fù)輪軌間的粘著，防止車輪擦傷。

3 HRDA制動系統(tǒng)的功能

3.1 可變負(fù)載功能

可變負(fù)載功能即空重車調(diào)整功能。地鐵列車的乘客量波動大，乘客量對車輛總重有較大的影響。為了保證列車制動具有一定的減速度，制動系統(tǒng)具備有可變負(fù)載功能，即實(shí)時(shí)地將載荷值傳遞到BECU，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的制動力輸出。HRDA制動系統(tǒng)通過前后轉(zhuǎn)向架空氣彈簧壓力信號的平均值來計(jì)算車輛重量，這種信號是由EP 電空中繼閥里的壓力傳感器提供。BECU 接收載荷信號后計(jì)算出應(yīng)施加的列車總制動力，然后再根據(jù)電制動能力得出應(yīng)分配到各輛車的空氣制動力大小，并以電信號的形式傳遞到EP電空中繼閥。EP電空中繼閥輸出相應(yīng)的空氣壓力，而后進(jìn)入制動缸。當(dāng)空氣彈簧發(fā)生破裂或壓力傳感器接收的壓力信號小于空車信號時(shí)，系統(tǒng)默認(rèn)按空車狀態(tài)的80％進(jìn)行計(jì)算；若接收的信號過大，將按照滿車重量的120％進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)然，根據(jù)實(shí)際情況可對計(jì)算系數(shù)作相應(yīng)調(diào)整[9]。

3.2 防滑控制功能

如圖5所示為防滑控制的示意圖，防滑系統(tǒng)由速度傳感器、防滑閥等部件構(gòu)成。速度傳感器安裝于轉(zhuǎn)向架軸端，將相應(yīng)速度的脈沖信號傳遞到BECU。BECU 通過接收的信號來控制各條車軸的防滑閥，而使它操作制動缸的壓縮空氣，即實(shí)現(xiàn)BC壓力的排出、供氣和保持。

圖5 防滑控制示意圖Fig.5 Schematic diagram of anti-skid control

防滑控制主要通過兩種方式實(shí)現(xiàn)：檢測減速度，若速度傳感器檢測到列車的減速度超過預(yù)設(shè)值而在車軸產(chǎn)生滑動現(xiàn)象時(shí)，BECU 將控制防滑閥使之排氣，減小制動作用力；列車排氣后隨著黏著的恢復(fù)而加速，當(dāng)加速信號超過預(yù)設(shè)值時(shí)，BECU 又發(fā)出重新施加制動作用力的指令；檢測速度差：系統(tǒng)比較4個(gè)速度傳感器檢測的信號，若任兩條車軸的速度差超過預(yù)設(shè)值，BECU 將發(fā)出指令減小相應(yīng)車軸的制動力。

3.3 其他功能

HRDA制動系統(tǒng)除具有上述基本功能外，為改善列車的運(yùn)行性能還開發(fā)了其它一些功能。為防沖擊而確保列車乘坐舒適，系統(tǒng)具有沖動控制功能。系統(tǒng)能夠通過接收輸入信號檢測制動是否緩解，即檢測制動不能緩解功能。產(chǎn)生制動不能緩解的狀態(tài)時(shí)，它可通過強(qiáng)迫緩解開關(guān)給強(qiáng)迫緩解指令回路供電，從而控制不能緩解車輛的壓力控制閥，實(shí)現(xiàn)緩解制動。BECU 通過壓力傳感器能檢測出施加制動力的不足，此時(shí)，緊急制動輔助繼電器動作施加緊急制動，確保列車安全[10]。

4 結(jié) 論

HRDA制動系統(tǒng)具有直觀的故障顯示功能，制動控制單元BECU具有故障記錄功能，并能將故障信息發(fā)送給列車監(jiān)控系統(tǒng)，可以提供位數(shù)字的故障代碼顯示，有利于工作人員查找故障。互換性好；HRDA制動系統(tǒng)中除M車的制動控制單元BCU與T車的不能互換外，HRDA制動系統(tǒng)同一型號的部件都可以互換；具有制動力補(bǔ)償功能，HRDA制動系統(tǒng)單節(jié)車故障失去制動力后，其余車會重新分配制動力，確保整列車制動力滿足制動要求。但HRDA制動系統(tǒng)也存在單點(diǎn)故障對運(yùn)營影響較大的缺點(diǎn)，由于采用車控控制方式，單節(jié)車的制動控制單元故障會導(dǎo)致整節(jié)車制動力丟失，對列車運(yùn)營造成較大影響，另外HRDA制動系統(tǒng)的集成化不高，整套HRDA 制動系統(tǒng)以散件居多，配管、布線占用很大空間，在模塊化設(shè)計(jì)上還有很大的開發(fā)空間；HRDA制動系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制功能薄弱，由于采用硬線控制，系統(tǒng)的制動精度難以提高。

目前HRDA型電空制動在西安地鐵2號線已經(jīng)有將近2年的運(yùn)行考驗(yàn)，證明HRDA型電空制動系統(tǒng)在國產(chǎn)地鐵制動系統(tǒng)上的應(yīng)用是非常成功的，系統(tǒng)以控制技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)簡單、操縱及檢修也都比較方便等優(yōu)點(diǎn)得到了用戶的肯定，HRDA型電空制動機(jī)的控制技術(shù)應(yīng)是在國產(chǎn)地鐵客車制動系統(tǒng)上優(yōu)先選用的國外先進(jìn)制動控制技術(shù)之一。目前已經(jīng)應(yīng)用在北京地鐵復(fù)八線、 HRDA 制動系統(tǒng)可靠性較高，在國內(nèi)外都有成熟的使用業(yè)績，廣泛應(yīng)用在國內(nèi)北京、成都、武漢、西安等城市的地鐵列車。

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The HRDA brake system of electric bus Xi'an metro line 2

SHI Fu-qiang
（Xi'an Railway Vocational ＆ Technical Institute，Xi'an 710014，China）

The principle and process principle，functions and main components，control effect of HRDA braking system of Xi'an metro line 2 vehicles using the Japanese NABTSCO company of the analysis，summed up the main characteristics of Xi'an Metro and the application prospect of HRDA brake system using HRDA type braking system of No.2 line.

Xi'an metro line 2；HRDA；control process；characteristics；application prospect

TN05

A

1674-6236（2014）11-0039-04

2013-09-25 稿件編號：201309197

史富強(qiáng)（1971—），男，陜西扶風(fēng)人，碩士，副教授。研究方向：鐵路軌道車輛技術(shù)。