王仁慶

(南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司 江蘇 南京 210017)

0 引言

制動(dòng)系統(tǒng)是地鐵列車的關(guān)鍵核心子系統(tǒng)之一，其可靠性和穩(wěn)定性直接關(guān)系到列車行車安全[1]，任何制動(dòng)系統(tǒng)的故障或質(zhì)量問題都可能造成重大安全事故。因此車輛制動(dòng)系統(tǒng)表現(xiàn)出的任何非正常問題均應(yīng)該引起高度重視和充分關(guān)注，對(duì)發(fā)生故障的原因進(jìn)行深入分析，根據(jù)故障原因采取相應(yīng)整改措施和有效方案，以確保列車運(yùn)行的絕對(duì)安全。

下面結(jié)合南京某線正在調(diào)試中的地鐵列車制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生的一例典型故障進(jìn)行原因分析并提出改進(jìn)措施。2018年5月在南京某地鐵線路正式運(yùn)營前的車輛正線調(diào)試過程中，某列車在進(jìn)站制動(dòng)時(shí)A1車報(bào)制動(dòng)檢測到滑行(一軸滑行，防滑控制失效長達(dá)7.195 s)、防滑失效、制動(dòng)抱死、轉(zhuǎn)向架EP不可用、制動(dòng)重故障等故障信息。

1 列車概況及制動(dòng)系統(tǒng)介紹

該線列車為最高運(yùn)行速度100 km/h的四節(jié)編組(動(dòng)拖比為3∶1)B型車，編組型式為“=A1+ B1+B2+A2=”，其中：A1、A2車為半動(dòng)車，即一位端轉(zhuǎn)向架無動(dòng)力，二位端轉(zhuǎn)向架為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架；B1、B2車為2個(gè)轉(zhuǎn)向架均是動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的全動(dòng)車。列車制動(dòng)系統(tǒng)采用高度集成的機(jī)電一體化產(chǎn)品[2]，每輛車上設(shè)有2個(gè)制動(dòng)微機(jī)控制單元，其集成了電子控制和氣電轉(zhuǎn)換的所有功能，用來控制列車空氣制動(dòng)的執(zhí)行，進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)視及回饋，提供空氣制動(dòng)車輪防滑控制。制動(dòng)控制采用“架控”模式，車輪防滑保護(hù)采用“軸控”模式。每列車的制動(dòng)微機(jī)控制單元的配置如圖1所示。

圖1 空氣制動(dòng)微機(jī)控制單元配置圖

2 防滑控制原理及故障原因分析

在該列車進(jìn)站制動(dòng)時(shí)，A1車報(bào)出制動(dòng)檢測到滑行、防滑失效、制動(dòng)抱死、轉(zhuǎn)向架EP不可用、制動(dòng)重故障等故障信息后，檢修人員在第一時(shí)間檢查了列車制動(dòng)系統(tǒng)，外觀檢查發(fā)現(xiàn)通往A1車一位端轉(zhuǎn)向架1、2軸制動(dòng)缸的制動(dòng)管路接反。隨后收集了相關(guān)的數(shù)據(jù)記錄，并進(jìn)行了分析。

2.1 列車制動(dòng)系統(tǒng)防滑控制原理

空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng)主要由速度傳感器、防滑控制器及防滑排風(fēng)閥組成。速度傳感器在速度很低時(shí)仍可準(zhǔn)確地檢測速度，防滑排風(fēng)閥用于在發(fā)生制動(dòng)滑行時(shí)對(duì)單個(gè)軸的空氣制動(dòng)進(jìn)行緩解，以消除制動(dòng)滑行。

空氣制動(dòng)防滑控制采用兩種滑行探測方法來判定是否存在滑行情況[3]：

(1)速度差判據(jù)：當(dāng)某一軸速度低于參考速度(基準(zhǔn)速度)，達(dá)到判定滑行數(shù)值；

(2)減速度判據(jù)：當(dāng)某一軸的減速度達(dá)到判定滑行數(shù)值。

當(dāng)出現(xiàn)以上任何一種情況時(shí)，就判定該軸發(fā)生了制動(dòng)滑行，防滑控制系統(tǒng)首先會(huì)通過防滑排風(fēng)閥切斷中繼閥到該軸制動(dòng)缸的通路，使制動(dòng)缸保壓(壓力不再增大)，如果滑行較大或保壓后滑行持續(xù)增大，防滑閥還可以排出一部分制動(dòng)缸的壓力空氣，減小該軸上的制動(dòng)力，以減小該軸上的滑行程度，使該軸恢復(fù)到黏著狀態(tài)。在黏著恢復(fù)再制動(dòng)充風(fēng)時(shí)，防滑控制系統(tǒng)首先會(huì)采用階段充風(fēng)方式，一方面可以限制黏著恢復(fù)時(shí)再制動(dòng)的縱向沖擊率，同時(shí)還可以減小黏著恢復(fù)過程中的再滑行幾率。

空氣制動(dòng)在任何軸上不允許制動(dòng)力連續(xù)降低長于5 s，在此期間之后，制動(dòng)將自動(dòng)恢復(fù)。當(dāng)空氣制動(dòng)滑行保護(hù)系統(tǒng)失效或故障時(shí)，空氣制動(dòng)將維持施加而無滑行保護(hù)。

2.2 故障數(shù)據(jù)

從制動(dòng)系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)(見圖2)來看，A1車一位端轉(zhuǎn)向架在補(bǔ)充空氣制動(dòng)后1軸和2軸幾乎同時(shí)發(fā)生了滑行，滑行后1軸和2 軸幾乎同時(shí)對(duì)制動(dòng)缸進(jìn)行了排風(fēng)控制。1軸排風(fēng)后，軸速很快恢復(fù)。在1軸軸速恢復(fù)過程中1軸制動(dòng)缸開始充風(fēng)，充風(fēng)后持續(xù)保壓了約5 s排風(fēng)緩解，期間軸速一直正常。2軸排風(fēng)后軸速恢復(fù)較慢，但排風(fēng)后軸速下降速度有所減小，在2軸制動(dòng)缸完全緩解后，軸速不僅沒有快速恢復(fù)，反而繼續(xù)下降直到完全抱死。2軸抱死約5 s后1軸制動(dòng)缸排風(fēng)緩解，緩解后2軸軸速很快恢復(fù)正常。

圖2 A1車一位端轉(zhuǎn)向架軸速和制動(dòng)過程數(shù)據(jù)

分析滑行前后的動(dòng)力轉(zhuǎn)向架(見圖3、圖4)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，制動(dòng)級(jí)位增大后動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的電制動(dòng)出現(xiàn)了滑行，電制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了防滑控制，在電制動(dòng)防滑控制后由于電制動(dòng)力下降，在無動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上補(bǔ)充了空氣制動(dòng)。電制動(dòng)防滑控制約2 s后由于制動(dòng)級(jí)位減小，B1車的電制動(dòng)恢復(fù)正常，A1車二位端轉(zhuǎn)向架的電制動(dòng)由于滑行超時(shí)而切除。由于整列車的電制動(dòng)力滿足需求，所以制動(dòng)級(jí)位減小后至電制動(dòng)退出前，除A1車一位端轉(zhuǎn)向架外，其他轉(zhuǎn)向架都沒有補(bǔ)充空氣制動(dòng)。

圖3 A1車二位端轉(zhuǎn)向架軸速和制動(dòng)過程數(shù)據(jù)

圖4 B1車一位端轉(zhuǎn)向架軸速和制動(dòng)過程數(shù)據(jù)

2.3 防滑失效和制動(dòng)抱死原因分析

從制動(dòng)系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)看(見圖2)，A1車一位端轉(zhuǎn)向架2軸在2軸制動(dòng)缸完全緩解后，軸速不能恢復(fù)，但在1軸制動(dòng)缸緩解后軸速很快恢復(fù)，數(shù)據(jù)記錄的過程與實(shí)際上一位端轉(zhuǎn)向架2個(gè)軸的制動(dòng)缸管路接反是吻合的，因此防滑失效和制動(dòng)抱死的原因是由于轉(zhuǎn)向架1、2軸制動(dòng)缸管路接反造成的。

2.4 制動(dòng)重故障原因分析

根據(jù)對(duì)記錄數(shù)據(jù)的分析，在出現(xiàn)滑行約2 s后減小了制動(dòng)級(jí)位(見圖2)，A1車一位端轉(zhuǎn)向架不再需要補(bǔ)充空氣制動(dòng)，應(yīng)該將制動(dòng)缸壓力緩解，但由于A1車一位端轉(zhuǎn)向架2軸的軸速未恢復(fù)，滑行仍是激活狀態(tài)，仍在進(jìn)行防滑控制。目前的防滑控制軟件在防滑激活時(shí),為充分利用未滑行軸的黏著以補(bǔ)償滑行軸上的制動(dòng)力損失，采用的控制策略是對(duì)沒有滑行的輪軸制動(dòng)缸只做充風(fēng)和保壓控制，不進(jìn)行排風(fēng)控制。在2軸防滑控制失效后由于持續(xù)處于滑行激活狀態(tài)，造成未滑行的1軸制動(dòng)缸在應(yīng)該緩解時(shí)也不能正常緩解，不緩解狀態(tài)持續(xù)5 s后觸發(fā)了制動(dòng)不緩解故障和制動(dòng)重故障。制動(dòng)重故障發(fā)生后，由內(nèi)部遠(yuǎn)程緩解閥緩解了空氣制動(dòng)。同時(shí)由于制動(dòng)重故障不能自動(dòng)清除造成了轉(zhuǎn)向架常用制動(dòng)損失。

由于發(fā)生制動(dòng)不緩解故障后很快由遠(yuǎn)程緩解閥成功緩解，緩解后制動(dòng)不緩解故障自動(dòng)清除，所以制動(dòng)不緩解故障持續(xù)時(shí)間很短，持續(xù)時(shí)間小于故障數(shù)據(jù)的記錄間隔，因此在數(shù)據(jù)記錄中未出現(xiàn)制動(dòng)不緩解故障，在試驗(yàn)室模擬現(xiàn)場故障時(shí)，采用了實(shí)時(shí)連續(xù)記錄方式可以捕捉到短暫的制動(dòng)不緩解故障。

3 整改方案

3.1 防滑控制軟件優(yōu)化

目前的防滑控制軟件在防滑激活后優(yōu)先進(jìn)行防滑控制，而且對(duì)沒有滑行的輪軸制動(dòng)缸只有充風(fēng)和保壓控制，沒有進(jìn)行緩解排風(fēng)控制。這種控制模式雖然在某些情況下可以增加一些滑行后的黏著利用，但存在防滑控制失效后不能及時(shí)緩解制動(dòng)壓力的隱患，在某些情況下還會(huì)觸發(fā)制動(dòng)重故障。為消除防滑控制失效后不能及時(shí)緩解及觸發(fā)制動(dòng)重故障的隱患，對(duì)防滑控制軟件進(jìn)行以下優(yōu)化整改：

(1)當(dāng)空氣制動(dòng)完全緩解(制動(dòng)缸壓力目標(biāo)值為零)時(shí)，不再進(jìn)行空氣制動(dòng)防滑控制，而以正常緩解方式緩解制動(dòng)缸壓力，以防止防滑失效后持續(xù)防滑控制。

(2)當(dāng)空氣制動(dòng)部分緩解(制動(dòng)缸壓力目標(biāo)值降低)時(shí)，如果未滑行軸的制動(dòng)缸壓力高于制動(dòng)缸壓力目標(biāo)值，對(duì)未滑行軸進(jìn)行緩解排風(fēng)控制，使未滑行軸的制動(dòng)缸壓力能快速部分緩解。

控制軟件增加以上兩個(gè)功能后，在空氣制動(dòng)目標(biāo)壓力部分緩解或完全緩解時(shí)，制動(dòng)缸壓力都可以及時(shí)降低或緩解，從而可以避免滑行激活后未滑行軸的持續(xù)保壓和因此造成的制動(dòng)不緩解故障及制動(dòng)重故障。

3.2 生產(chǎn)、質(zhì)量管理和控制

轉(zhuǎn)向架制動(dòng)缸管路接反的根本原因是工藝文件中對(duì)制動(dòng)缸管路連接要求錯(cuò)誤，在發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤后對(duì)工藝文件現(xiàn)場更改以后未及時(shí)進(jìn)行正式的更正，工藝部門到現(xiàn)場后未認(rèn)真核對(duì)相關(guān)工藝文件，傳遞錯(cuò)誤工藝要求等。制造部門應(yīng)從設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)、試驗(yàn)、質(zhì)檢、驗(yàn)收等多個(gè)環(huán)節(jié)，認(rèn)真分析故障原因，及時(shí)總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，制定完善的預(yù)防和整改方案，從源頭上控制和保證產(chǎn)品質(zhì)量。

轉(zhuǎn)向架制動(dòng)缸管路重新連接及防滑控制軟件優(yōu)化后，該線列車從2018年5月份正式運(yùn)營至今，制動(dòng)系統(tǒng)再未出現(xiàn)過類似故障。

4 結(jié)論

地鐵列車主要采用輪軌黏著制動(dòng)，而因?yàn)檩嗆夝ぶ牟淮_定性造成車輪滑行的現(xiàn)象比較常見，因此制動(dòng)系統(tǒng)防滑控制故障不僅容易造成列車制動(dòng)距離延長，停車誤差較大，而且會(huì)導(dǎo)致車輪踏面或軌面擦傷、輪軌接觸狀態(tài)惡劣，影響列車運(yùn)行平穩(wěn)性，極端情況下甚至?xí)斐闪熊嚊_標(biāo)，嚴(yán)重影響運(yùn)營安全。所以，對(duì)列車制動(dòng)系統(tǒng)不僅應(yīng)在出現(xiàn)防滑控制故障時(shí)高度重視、密切關(guān)注，徹底分析故障原因，采取有效措施改進(jìn)，更應(yīng)從設(shè)計(jì)、工藝、生產(chǎn)和驗(yàn)收等源頭上嚴(yán)格把控產(chǎn)品質(zhì)量，以確保列車運(yùn)行安全。以上整改措施在實(shí)際使用過程中，反饋效果良好，未再出現(xiàn)過類似故障。