葛 永， 賀 成， 張鵬飛， 李增輝

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

徐州地鐵1 號線列車制動系統(tǒng)采用南京海泰公司自主設(shè)計研發(fā)的EPBD-1 型架控制動系統(tǒng)，該制動系統(tǒng)具有常用制動、快速制動、緊急制動、停放制動、保持制動、電空混合制動、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)計原則[3]，具有制動管理靈活、制動響應(yīng)快、產(chǎn)品集成化程度高、重量輕、安裝便利等特點[4]。

1 制動系統(tǒng)產(chǎn)品

EPBD-1 型架控制動系統(tǒng)主要產(chǎn)品包括供風(fēng)裝置、制動控制單元、輔助控制裝置和基礎(chǔ)制動裝置等。

1.1 供風(fēng)裝置

供風(fēng)裝置是一種為列車制動系統(tǒng)或其他用風(fēng)產(chǎn)品提供潔凈的壓縮空氣的產(chǎn)品，一般安裝在拖車下。每列配置2 臺供風(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 號線列車制動系統(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（見圖1），該供風(fēng)裝置主要由空氣壓縮機(jī)、前置過濾系統(tǒng)、空氣干燥系統(tǒng)、 壓力開關(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)作用是再次過濾壓縮空氣中的水分， 壓力開關(guān)箱內(nèi)部件可進(jìn)行壓力值監(jiān)測， 發(fā)送壓力信號至MVB 列車網(wǎng)絡(luò)，MVB 列車網(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。

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

1.2 制動控制單元

制動控制單元作為制動系統(tǒng)的關(guān)鍵產(chǎn)品， 主要由氣動制動控制模塊和電子制動控制模塊組成。 電子制動控制模塊作為制動系統(tǒng)的“大腦”，具有制動力運(yùn)算、控制及管理等功能。 氣動制動控制模塊負(fù)責(zé)將接收到的電子制動控制模塊電氣制動指令轉(zhuǎn)換成空氣制動指令， 經(jīng)過空氣制動指令調(diào)控后的壓縮空氣作為基礎(chǔ)制動裝置執(zhí)行制動的動力源。 制動系統(tǒng)通過制動控制單元實現(xiàn)其功能。

徐州地鐵1 號線列車制動系統(tǒng)制動控制單元選用的是南京海泰公司的EPBD-1 型制動控制單元（見圖3）。

EPBD-1 型制動控制單元主要由電子制動控制單元（EBCU）、氣動制動控制單元（PBCU）和護(hù)箱等組成。 EPBD-1 型制動控制單元的氣路原理 （見圖4）。EBCU 通 過 列 車MVB 網(wǎng)絡(luò)、CAN 制動內(nèi)網(wǎng)和維護(hù)以太網(wǎng)進(jìn)行信息交互，可以根據(jù)接收到車輛指令，控制PBCU動作。PBCU 主要由電子稱重閥、EP 氣動閥、緩限氣動閥、連接氣動閥、過濾器、壓力采集模塊和集成氣路板組成。

圖3 EPBD-1 型制動控制單元

圖4 EPBD-1 型制動控制單元氣路原理圖

1.3 輔助控制裝置

在架控制動控制系統(tǒng)中， 輔助控制裝置主要用于進(jìn)行停放制動控制、 空簧供風(fēng)控制、 制動供風(fēng)控制和壓力測試。

徐州地鐵1 號線列車制動控制系統(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輛吊裝。護(hù)箱用于對輔助控制單元進(jìn)行防護(hù)。 風(fēng)缸模塊由總風(fēng)缸、制動風(fēng)缸和空簧風(fēng)缸組成， 用于在供風(fēng)裝置停機(jī)時進(jìn)行壓縮空氣儲存。輔助控制單元主要有減壓閥、塞門、溢流閥、過濾器、雙向閥、制動電磁閥、壓力開關(guān)、止回閥、測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

1.4 基礎(chǔ)制動裝置

基礎(chǔ)制動裝置作為制動系統(tǒng)的制動執(zhí)行部件， 是一種能將空氣壓力轉(zhuǎn)換成摩擦制動力的產(chǎn)品。

徐州地鐵1 號線列車制動控制系統(tǒng)基礎(chǔ)制動裝置采用的是南京海泰公司的TW-PLE-10D 型踏面制動單元（見圖7）和TW-XLE-10X 型踏面制動單元（見圖8），其中TW-PLE-10D 型踏面制動單元為帶停放功能踏面制動單元， 可以實現(xiàn)滿員狀態(tài)下最大坡度40‰的列車停放。

圖7 TW-PLE-10D 型踏面制動單元

圖8 TW-XLE-10X 型踏面制動單元

列車每根軸配置1 臺TWPLE-10D 型踏面制動單元和1 臺TW-XLE-10X 型踏面制動單元， 安裝時以轉(zhuǎn)向架為單位進(jìn)行對角分布（見圖9）。 TW-PLE-10D 型踏面制動單元配置的兩根手動緩解拉繩安裝于車輛兩側(cè)， 司勤人員在列車任意側(cè)均可進(jìn)行手動停放制動緩解操作。

圖9 踏面制動單元分布示意圖

2 制動系統(tǒng)功能

徐州地鐵1 號線列車制動控制系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為高實用性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（如圖10 所示），該網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由MVB 列車網(wǎng)絡(luò)、CAN 制動內(nèi)網(wǎng)和維護(hù)以太網(wǎng)組成。 制動系統(tǒng)通過MVB 列車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息采集、 指令接收和故障上傳等。 每三輛車的制動控制單元組成一組CAN 制動內(nèi)網(wǎng)，每組內(nèi)網(wǎng)中包括2 套EPBD-10A 制動控制單元和4套EPBD-11A 制動控制單元。 制動控制單元可通過CAN 制動內(nèi)網(wǎng)實現(xiàn)制動信息傳輸、制動力管理、故障診斷等功能。整列車的制動控制單元通過以太網(wǎng)交換機(jī)組成維護(hù)以太網(wǎng)，可通過以太網(wǎng)交換機(jī)實現(xiàn)制動狀態(tài)傳輸、故障診斷與存儲、程序下載與燒錄等功能。

圖10 高實用性網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 常用制動

ATO 自動駕駛模式中，列車在ATC 系統(tǒng)的控制監(jiān)護(hù)下進(jìn)行自動駕駛。當(dāng)需要進(jìn)行列車制動時，ATC 將制動力需求數(shù)據(jù)上傳網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過解析后通過MVB 列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給EPBD-10A 制動控制單元，EPBD-10A 制動控制單元根據(jù)制動力需求進(jìn)行整車制動力計算和分配。

人工駕駛模式中， 司機(jī)操作主司控器手柄進(jìn)行常用制動級位控制，司控器將制動級位上傳網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過解析后通過MVB 列車網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給EPBD-10A 制動控制單元，EPBD-10A 制動控制單元根據(jù)制動力需求進(jìn)行整車制動力計算和分配。

EPBD-10A 制動控制單元將計算出的整車制動力值與從DCU 接收到的每車電制動狀態(tài)信息和電制動力進(jìn)行核算，將核算后的制動力值平均分配到每個動車。待動車轉(zhuǎn)向架達(dá)到粘著極限后， 把剩余空氣制動力平均分配到每個拖車轉(zhuǎn)向架。

當(dāng)列車速度較低時（≤5km/h），電制動作用將越來越小，MVB 列車網(wǎng)絡(luò)會發(fā)送電制動淡出信號給EPBD-10A制動控制單元， 經(jīng)過一定時間的延時處理后，EPBD-10A制動控制單元進(jìn)行純空氣制動力計算和管理。

2.2 快速制動

當(dāng)司機(jī)將主司控器手柄拉到“快速制動”級位時，列車將以與緊急制動相同的減速度實施電空制動。 但快速制動不同于緊急制動， 快速制動可通過恢復(fù)手柄位置至零位進(jìn)行快速制動緩解， 并且快速制動要求沖擊率≤0.75m/s3。

正常模式下，快速制動的制動模式為電空混合制動?？焖僦苿訒r列車所需的總制動力由制動控制單元計算和管理，優(yōu)先使用100%的電制動力，當(dāng)電制動力不足時，進(jìn)行空氣制動力補(bǔ)償。

緊急牽引模式下，快速制動為純空氣制動， 每組CAN 制動內(nèi)網(wǎng)中，EPBD-10A 制動控制單元負(fù)責(zé)將計算后的制動力值平均分配到該單元所在的轉(zhuǎn)向架上。此時的快速制動通過硬線進(jìn)行控制。

在ATO 模式下觸發(fā)快速制動，牽引控制單元（DCU）和制動控制單元將忽略來自ATO 的制動力需求，按快速制動率執(zhí)行制動。

2.3 緊急制動

緊急制動由列車的緊急制動環(huán)路失電觸發(fā)，屬于純空氣制動。作為列車運(yùn)行安全保證中最重要的功能，緊急制動設(shè)置于故障安全環(huán)路。緊急制動不受列車沖擊極限限制。

緊急制動采用硬線控制， 在制動控制單元上配置了由列車安全環(huán)路硬線控制的緊急制動部分。 若列車安全環(huán)線斷開，將立即觸發(fā)緊急制動。

不同于快速制動，緊急制動的施加是不可逆的，僅當(dāng)所有緊急制動觸發(fā)條件都消失， 且列車零速時緊急制動才能被緩解。

2.4 停放制動

停放制動通過基礎(chǔ)制動裝置中的彈簧施加， 當(dāng)停放回路空氣壓力小于彈簧力時， 基礎(chǔ)制動裝置通過彈簧力施加停放制動。當(dāng)停放回路中空氣壓力大于彈簧力時，空氣壓力抵消施加的彈簧力，實現(xiàn)基停放制動緩解。

在列車零速狀態(tài)下， 司機(jī)可以通過司機(jī)室的停放施加/緩解按鈕進(jìn)行停放制動控制。 停車狀態(tài)下，也可以操作輔助控制單元內(nèi)的停放隔塞門實現(xiàn)停放制動和施加。此外，當(dāng)停放回路壓力不足時，停放制動將通過彈簧自動施加。

2.5 保持制動

保持制動是常用制動的一部分， 主要用于防止車輛在坡道上啟動時發(fā)生溜車。

在ATO 模式下， 保持制動施加指令由ATO 發(fā)送給MVB 列車網(wǎng)絡(luò)， 保持制動緩解指令由VCU 發(fā)送給MVB列車網(wǎng)絡(luò)。 EPBD-10A 制動控制單元接收到保持制動指令后，控制基礎(chǔ)制動裝置進(jìn)行保持制動施加和緩解。

在緊急牽引模式下， 列車的保持制動施加與緩解由EPBD-10A 制動控制單元控制，將不再接收MVB 列車網(wǎng)絡(luò)保持制動施加或緩解指令。

2.6 電空混合制動

列車的制動力分配是按 “列車級” 進(jìn)行制動力分配的。電空混合制動模式為優(yōu)先采用電制動、空氣制動補(bǔ)償?shù)闹苿幽Ｊ健?/p>

電空混合制動僅在網(wǎng)絡(luò)正常情況下起效， 在發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障后，列車進(jìn)行緊急牽引時，采用純空氣制動進(jìn)行列車制動。

2.7 載荷補(bǔ)償

制動控制單元實時采集轉(zhuǎn)向架上空氣彈簧的壓力信號。壓力信號經(jīng)制動控制單元轉(zhuǎn)換計算后，將轉(zhuǎn)換為此轉(zhuǎn)向架的載荷信號，供載荷補(bǔ)償時使用。

每輛車有4 個空氣彈簧壓力檢測點， 當(dāng)監(jiān)測到某個空氣彈簧故障（壓力值超出正常范圍）時，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)向架的單個空氣彈簧壓力點故障時，以同一轉(zhuǎn)向架另一個空氣彈簧壓力作為載荷壓力。

（2）當(dāng)某轉(zhuǎn)向架的兩個空氣彈簧壓力點全故障時，該轉(zhuǎn)向架將以本輛車另一個轉(zhuǎn)向架的空氣彈簧壓力作為載荷壓力。

（3）當(dāng)某輛車四個空氣彈簧壓力點都故障，載荷壓力默認(rèn)選取AW3 對應(yīng)空氣彈簧壓力。

2.8 防滑控制

列車的電制動防滑控制和空氣制動防滑控制是各自獨立完成的，具體實現(xiàn)方式如下：

（1） 當(dāng)電制動檢測到滑行時發(fā)出電制動防滑信號給制動控制系統(tǒng)， 制動控制系統(tǒng)根據(jù)此信號固定當(dāng)前實際電制動力值。

（2）當(dāng)電制動防滑信號有效超過2s 時，制動控制系統(tǒng)將發(fā)送電制動切除信號給MVB 列車網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)此電制動切除信號給牽引系統(tǒng)。

（3）當(dāng)制動控制系統(tǒng)檢測到滑行，制動控制系統(tǒng)將在1s 內(nèi)發(fā)送電制動切除信號給MVB 列車網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)電制動切除信號給牽引系統(tǒng)。

（4）當(dāng)制動控制系統(tǒng)檢測到嚴(yán)重滑行，制動控制系統(tǒng)將在0.5s 內(nèi)發(fā)送電制動切除信號給列車網(wǎng)絡(luò)， 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)電制動切除信號給牽引系統(tǒng)。

在電制動切除的過程中存在電空混合制動， 以確保車輛沖擊率不大于0.75m/s3。

2.9 空壓機(jī)控制

制動控制系統(tǒng)的兩臺供風(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 車的EPBD-10A 制動控制單元指定。 EPBD-10A 制動控制單元根據(jù)VCU 發(fā)送的時間信號指定此時的主輔空壓機(jī)，并根據(jù)EPBD-11A 制動控制單元采集主風(fēng)缸壓力值判定是否進(jìn)行空壓機(jī)啟動控制。

主輔空壓機(jī)控制策略如下：

（1）列車網(wǎng)絡(luò)正常模式下，當(dāng)主風(fēng)缸的壓力值低于750 kPa 時控制主空壓機(jī)啟動； 當(dāng)主風(fēng)缸的壓力值達(dá)到900 kPa 時，控制主空壓機(jī)停止；

（2）列車網(wǎng)絡(luò)正常模式下，當(dāng)主風(fēng)缸的壓力值低于700 kPa 時，主、輔空壓機(jī)同時啟動，當(dāng)主風(fēng)缸的壓力值達(dá)到900 kPa 時，兩臺空壓機(jī)都停止。

（3）當(dāng)列車網(wǎng)絡(luò)故障或在緊急牽引模式下，制動系統(tǒng)默認(rèn)使用Tc1 車的空壓機(jī)為主空壓機(jī)，Tc2 車的空壓機(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EPBD-10A 故障時，空壓機(jī)可通過內(nèi)置的總風(fēng)壓力開關(guān)通斷來控制啟停， 控制壓力同網(wǎng)絡(luò)正常模式。

（5）在司機(jī)臺設(shè)置有強(qiáng)迫泵風(fēng)按鈕，任何時候操作此按鈕，本車的空壓機(jī)均會啟動。

2.10 輪徑修正

列車網(wǎng)絡(luò)在DDU 中設(shè)置每車3 軸輪徑為輪徑參考值， 并通過VCU 發(fā)送給EPBD-10A 制動控制單元，EPBD-10A 制動控制單元根據(jù)此輪徑參考值進(jìn)行防滑控制等。

當(dāng)列車處于惰行（至少持續(xù)5s，速度大于20km/h）且CAN 制動內(nèi)網(wǎng)中的制動控制單元沒有檢測到列車滑行時，制動控制系統(tǒng)將進(jìn)行輪徑校正。

3 結(jié)束語

目前，設(shè)計的共計23 列的徐州地鐵1 號線制動系統(tǒng)已完成所有試驗并全部交付運(yùn)營。 該制動系統(tǒng)已運(yùn)營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， 對我國城市軌道交通制動產(chǎn)品的健康發(fā)展起到了重要的促進(jìn)作用。

架控制動系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)自主化， 但部分核心部件仍依賴進(jìn)口，如高速開關(guān)電磁閥、傳感器、電子芯片、高強(qiáng)度緊固件、壓力開關(guān)等，導(dǎo)致國產(chǎn)化架控制動控制系統(tǒng)仍然會受到全球貿(mào)易環(huán)境及供應(yīng)鏈安全的影響， 存在一定的隱患， 不利于國產(chǎn)化架控制動系統(tǒng)的長期健康發(fā)展。 因此， 攻關(guān)核心部件實現(xiàn)完全自主化是國產(chǎn)化架控制動系統(tǒng)發(fā)展的重要任務(wù)， 也是國內(nèi)城市軌道交通產(chǎn)品的健康發(fā)展的必經(jīng)之路。