李 莉

(中車青島四方車輛研究所有限公司 制動(dòng)事業(yè)部，山東 青島 266031)

傳統(tǒng)城市軌道交通項(xiàng)目一般采用“軌旁聯(lián)鎖+軌旁區(qū)域控制+車載列車防護(hù)+控制中心”的架構(gòu)，設(shè)備配置多，系統(tǒng)接口復(fù)雜，故障影響范圍大，建設(shè)維護(hù)成本高，施工調(diào)試周期長(zhǎng)，互聯(lián)互通困難。青島地鐵集團(tuán)有限公司聯(lián)合中車青島四方車輛研究所有限公司研究開(kāi)發(fā)了一套以“車—車”通信為基礎(chǔ)、以列車為主體和控制核心，具有列車主動(dòng)進(jìn)路、列車自主防護(hù)、列車自主調(diào)整以及無(wú)人駕駛(DTO)功能，并支持車輛段和正線一體化的新型列車自主運(yùn)行系統(tǒng)(TACS)。TACS采用了車載列控子系統(tǒng)與列車控制管理系統(tǒng)(TCMS)、牽引、制動(dòng)等其他控制系統(tǒng)深度融合的方案。其中車輛制動(dòng)系統(tǒng)由JK02型制動(dòng)控制閥、輔助控制單元、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、防滑系統(tǒng)等組成，目前已完成了裝車試驗(yàn)。

1 制動(dòng)系統(tǒng)

青島地鐵6號(hào)線地鐵列車采用4動(dòng)2拖編組，如圖1所示。制動(dòng)系統(tǒng)作為T(mén)ACS的重要組成部分，除了需要完成傳統(tǒng)城市軌道交通車輛要求的常用制動(dòng)、快速制動(dòng)、緊急制動(dòng)、停放制動(dòng)等制動(dòng)系統(tǒng)功能外，還需要完成與車輛網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)融合、與ATO(列車自動(dòng)駕駛系統(tǒng))子系統(tǒng)融合的任務(wù)。其中與ATO子系統(tǒng)融合是要求ATO子系統(tǒng)集成在電子制動(dòng)控制單元EBCU設(shè)備中，并能夠通過(guò)EBCU實(shí)時(shí)獲得車輛自身以及車輛牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)等的狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)ATO子系統(tǒng)精確控制提供更精準(zhǔn)的技術(shù)條件。圖1所示的JK02S_A型制動(dòng)控制單元集成了ATO子系統(tǒng)[1]。

2 制動(dòng)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)

青島地鐵6號(hào)線車輛制動(dòng)系統(tǒng)主要由風(fēng)源系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、防滑系統(tǒng)、空氣懸掛供風(fēng)裝置等子系統(tǒng)組成。制動(dòng)控制系統(tǒng)以轉(zhuǎn)向架為單位進(jìn)行制動(dòng)控制，每臺(tái)轉(zhuǎn)向架可以單獨(dú)進(jìn)行常用制動(dòng)控制和緊急制動(dòng)控制，融合的車輛網(wǎng)絡(luò)代替了傳統(tǒng)的CAN 總線網(wǎng)絡(luò)，將列車單元內(nèi)的全部控制閥連接起來(lái)實(shí)現(xiàn)整列車的制動(dòng)力分配。

2.1 風(fēng)源系統(tǒng)

風(fēng)源系統(tǒng)主要由無(wú)油渦旋式空氣壓縮機(jī)、冷卻系統(tǒng)、前置過(guò)濾器、干燥器等組成，為制動(dòng)系統(tǒng)等用風(fēng)設(shè)備提供壓縮空氣。每列車有2 套風(fēng)源系統(tǒng)，分別吊裝在2輛拖車的底架上。

Tc1、Tc2.帶司機(jī)室的拖車；M1、M2、M3.動(dòng)車；CCU.中央控制單元；DCU.牽引控制單元；JK02S_A、JK02S_B.制動(dòng)控制單元；TB.拖車轉(zhuǎn)向架；MB.動(dòng)車轉(zhuǎn)向架。圖1 青島地鐵6號(hào)線車輛制動(dòng)控制系統(tǒng)組成圖

2.2 制動(dòng)控制系統(tǒng)

制動(dòng)控制系統(tǒng)包括JK02S_A型主控制閥制動(dòng)控制單元和JK02S_B型輔控制閥制動(dòng)控制單元。JK02S_B型輔控制閥制動(dòng)控制單元具備網(wǎng)絡(luò)通信、制動(dòng)管理、防滑控制、故障記錄等功能。JK02S_A型制動(dòng)控制單元除了具備JK02S_B型制動(dòng)控制單元的所有功能，還具備ATO功能和制動(dòng)系統(tǒng)維護(hù)端口。

制動(dòng)控制單元內(nèi)的EBCU由EB01通信板、CB01控制板、ATO控制板(JK02S_A型)組成。列車所有制動(dòng)控制單元通過(guò)列車以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)載荷、制動(dòng)百分比、電制動(dòng)力實(shí)際值等信息的共享，按照整列制動(dòng)力分配的制動(dòng)計(jì)算獨(dú)立實(shí)現(xiàn)本轉(zhuǎn)向架的制動(dòng)力計(jì)算，實(shí)現(xiàn)整車的電空混合制動(dòng)任務(wù)。各控制單元均向TCMS傳輸本轉(zhuǎn)向架制動(dòng)單元的狀態(tài)和故障信息，可以通過(guò)列車顯示屏顯示。

JK02S_A型主控制閥制動(dòng)控制單元實(shí)現(xiàn)ATO功能， ATO板卡集成到此EBCU內(nèi)，ATO可實(shí)時(shí)獲取制動(dòng)系統(tǒng)與牽引系統(tǒng)的狀態(tài)信息。該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了ATO與牽引、制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享，方便ATO進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)控制，有利于優(yōu)化ATO對(duì)牽引、電制動(dòng)及空氣制動(dòng)的控制。當(dāng)主控制閥的ATO功能失效時(shí)，車輛另一端的JK02S_A型制動(dòng)控制單元成為主控制閥，繼續(xù)實(shí)現(xiàn)ATO功能。

2.3 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用盤(pán)形制動(dòng)形式，每套盤(pán)形制動(dòng)裝置由夾鉗、輪裝制動(dòng)盤(pán)和閘片組成。每臺(tái)轉(zhuǎn)向架裝有4 套夾鉗，其中2 套帶停放制動(dòng)功能，在轉(zhuǎn)向架上呈對(duì)角線布置?；A(chǔ)制動(dòng)裝置由制動(dòng)控制系統(tǒng)控制，產(chǎn)生符合制動(dòng)指令要求的制動(dòng)力。

2.4 防滑系統(tǒng)

防滑系統(tǒng)由防滑控制板、防滑閥、測(cè)速齒輪及速度傳感器等組成，能在充分利用輪軌黏著的前提下有效地防止車輪滑行擦傷。防滑控制板和防滑閥集成在制動(dòng)控制單元中，防滑控制計(jì)算、滑行判斷、防滑動(dòng)作的執(zhí)行由制動(dòng)控制單元完成，采用軸控防滑方式。

2.5 空氣懸掛供風(fēng)裝置

空氣懸掛供風(fēng)裝置包括安裝在制動(dòng)控制單元中的溢流閥和減壓閥，還包括安裝在轉(zhuǎn)向架上的高度控制閥和差壓閥，每臺(tái)轉(zhuǎn)向架上分左右裝有2個(gè)高度控制閥和1個(gè)差壓閥。

3 制動(dòng)系統(tǒng)主要功能

TCMS將制動(dòng)指令信號(hào)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送給各制動(dòng)控制單元。列車網(wǎng)絡(luò)正常時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)先使用網(wǎng)絡(luò)傳送的制動(dòng)指令；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)列車硬線信號(hào)根據(jù)當(dāng)前載荷條件施加相應(yīng)的常用制動(dòng)；當(dāng)緊急制動(dòng)時(shí)，各個(gè)制動(dòng)控制單元根據(jù)自己的載荷，施加緊急制動(dòng)。

3.1 常用制動(dòng)管理

常用制動(dòng)采用電空混合制動(dòng)，優(yōu)先使用電制動(dòng)，電制動(dòng)力不足或者失效時(shí)，由空氣制動(dòng)補(bǔ)足或者替代，電制動(dòng)與空氣制動(dòng)實(shí)時(shí)連續(xù)協(xié)調(diào)配合。

制動(dòng)控制系統(tǒng)根據(jù)空氣彈簧提供的載荷壓力，在常用制動(dòng)時(shí)對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算，制動(dòng)控制系統(tǒng)將載荷壓力值傳輸至TCMS。各制動(dòng)控制單元共享列車載荷信息，并且提供給牽引控制系統(tǒng)，牽引控制系統(tǒng)根據(jù)制動(dòng)百分比信息和列車載荷信息計(jì)算并施加電制動(dòng)力，同時(shí)將實(shí)際電制動(dòng)力反饋給各制動(dòng)控制單元。制動(dòng)控制單元將實(shí)際電制動(dòng)力與列車所需制動(dòng)力進(jìn)行比較，如果電制動(dòng)力能夠滿足列車制動(dòng)需求，動(dòng)車和拖車均不施加空氣制動(dòng)；如果電制動(dòng)力無(wú)法滿足列車的制動(dòng)需求，不足部分用拖車優(yōu)先原則補(bǔ)充空氣制動(dòng)[2]。

3.2 保持制動(dòng)施加與緩解功能

保持制動(dòng)的施加與緩解一方面影響車輛的安全停車，另一方面，在自動(dòng)駕駛時(shí)，對(duì)精確停車有很大影響。非自動(dòng)駕駛模式下，車速小于1 km/h時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)施加保持制動(dòng)。自動(dòng)駕駛模式下的保持制動(dòng)施加由信號(hào)系統(tǒng)控制，制動(dòng)系統(tǒng)接收到ATP(列車自動(dòng)防護(hù)系統(tǒng))發(fā)送的“保持制動(dòng)施加由信號(hào)控制”及“保持制動(dòng)施加”這2個(gè)信號(hào)后，施加保持制動(dòng)?；贏TO融合于EBCU的新設(shè)計(jì)，自動(dòng)駕駛模式下可以更加快捷準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)保持制動(dòng)完全由信號(hào)系統(tǒng)根據(jù)站點(diǎn)信息進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)安全停車。

網(wǎng)絡(luò)正常并且處于牽引狀態(tài)時(shí)，TCMS會(huì)發(fā)出保持制動(dòng)緩解信號(hào)。網(wǎng)絡(luò)故障牽引狀態(tài)下，制動(dòng)系統(tǒng)自行進(jìn)行車速與指令判斷，實(shí)施保持制動(dòng)緩解。

3.3 緊急制動(dòng)功能

緊急制動(dòng)采用“得電緩解”方式，貫穿整個(gè)列車的連續(xù)電源線控制制動(dòng)系統(tǒng)的緩解，此線路一旦斷開(kāi)，列車編組中的所有車輛會(huì)實(shí)施緊急制動(dòng)，全部制動(dòng)力由空氣制動(dòng)獨(dú)立承擔(dān)。列車中各制動(dòng)控制單元實(shí)時(shí)采集緊急列車線的狀態(tài)，并且發(fā)送給TCMS。當(dāng)緊急制動(dòng)指令發(fā)出時(shí)，立刻施加緊急制動(dòng)，此時(shí)電制動(dòng)被自動(dòng)切除。一旦施加緊急制動(dòng)，列車停車前不能緩解。

3.4 防滑控制管理

動(dòng)車的防滑功能由電制動(dòng)和空氣制動(dòng)共同完成，電制動(dòng)與空氣制動(dòng)的防滑控制系統(tǒng)獨(dú)立工作。牽引控制單元DCU 完成電制動(dòng)防滑的控制，電空混合制動(dòng)時(shí)一旦出現(xiàn)滑行，首先由DCU進(jìn)行電制動(dòng)的防滑控制，同時(shí)把電制動(dòng)滑行信號(hào)傳給制動(dòng)控制單元，此時(shí)空氣制動(dòng)不因電制動(dòng)力的減小而進(jìn)一步補(bǔ)充。如果DCU 防滑控制超過(guò)某一設(shè)定時(shí)間仍然滑行，則切除滑行車的電制動(dòng)，由空氣制動(dòng)的防滑控制來(lái)實(shí)施防滑功能。

拖車的防滑功能由空氣制動(dòng)獨(dú)立完成。防滑系統(tǒng)根據(jù)速度差或減速度判定滑行程度的大小，通過(guò)防滑閥控制制動(dòng)缸進(jìn)行保壓/排氣/充氣，以維持/減小/增加作用于該軸上的制動(dòng)力，避免車輪出現(xiàn)滑行[3]。

3.5 與ATO的融合功能

制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了ATO 與BCU 的深度融合，將ATO 功能集成至車輛制動(dòng)系統(tǒng)EBCU 中。ATO通過(guò)與制動(dòng)系統(tǒng)的直接通信，獲取列車載重信息、牽引系統(tǒng)狀態(tài)、制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài)，根據(jù)計(jì)算的列車速度，生成ATO 曲線，并據(jù)此控制列車運(yùn)行。從而避免了因多節(jié)點(diǎn)設(shè)備中部分故障導(dǎo)致的制動(dòng)力不足(包括電制動(dòng)力、空氣制動(dòng)力)，以及因軌道濕滑引起的列車滑行等情況下外部設(shè)備給ATO 控制帶來(lái)的不利影響。同時(shí)，ATO 可根據(jù)當(dāng)前整車的載荷、制動(dòng)力需求、電制動(dòng)能力等信息，更加合理地分配電制動(dòng)與空氣制動(dòng)，充分利用制動(dòng)級(jí)位，盡可能保證列車高速段不使用空氣制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)真正的綠色停車。與此同時(shí)，ATO 與制動(dòng)功能的融合實(shí)現(xiàn)了信號(hào)系統(tǒng)與制動(dòng)、牽引系統(tǒng)的信息共享，信號(hào)系統(tǒng)將輪徑校準(zhǔn)應(yīng)答器信息發(fā)送給制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)利用此信息可以更加準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)輪徑校核，該功能有助于更精準(zhǔn)地進(jìn)行制動(dòng)管理和防滑控制。

4 創(chuàng)新項(xiàng)點(diǎn)

青島地鐵6號(hào)線采用列車自主運(yùn)行系統(tǒng)(TACS)，與傳統(tǒng)城市軌道交通項(xiàng)目相比具有多個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。例如：以列車之間數(shù)據(jù)通信為基礎(chǔ)，以車載控制為核心；車載控制系統(tǒng)深度融合；智能化駕駛控制；車輛段設(shè)備與行車控制等。制動(dòng)系統(tǒng)與之相適應(yīng)，做出了一些創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

4.1 網(wǎng)絡(luò)升級(jí)

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)架控制動(dòng)系統(tǒng)不同，如圖2所示，傳統(tǒng)模式的制動(dòng)控制系統(tǒng)組建獨(dú)立的CAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行制動(dòng)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力分配；而TACS利用整車的以太網(wǎng)資源組建制動(dòng)網(wǎng)，制動(dòng)系統(tǒng)作為節(jié)點(diǎn)加入整車的以太網(wǎng)。該設(shè)計(jì)一方面提高了信息的傳遞速度，同時(shí)可以大幅增加傳遞的信息量，實(shí)現(xiàn)了TACS要求的融合設(shè)計(jì)。

圖2 制動(dòng)控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)升級(jí)示意圖

4.2 ATO功能

傳統(tǒng)城市軌道交通的ATO是一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的設(shè)備，TACS實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)系統(tǒng)融合ATO的功能?；贏TO與制動(dòng)系統(tǒng)共享相同的速度信號(hào)源，并且可以直接共享信號(hào)系統(tǒng)的控車信號(hào)，制動(dòng)系統(tǒng)可以獲取更多的制動(dòng)性能數(shù)據(jù)，所以使制動(dòng)系統(tǒng)減少了惰行時(shí)間，提高了行車效率，另一方面控車也更加精確。

ATO融合使制動(dòng)系統(tǒng)增加了跳躍模式，制動(dòng)系統(tǒng)收到跳躍模式指令會(huì)自動(dòng)施加最大常用制動(dòng)20%的保持制動(dòng)力，可以配合ATO實(shí)現(xiàn)車輛站停調(diào)節(jié)。增加的另一個(gè)模式是自動(dòng)洗車模式，在該模式下，ATP向TCMS發(fā)送自動(dòng)洗車標(biāo)志與洗車牽引/制動(dòng)命令，由TCMS統(tǒng)一向牽引/制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)送指令。接近洗車終點(diǎn)時(shí)，由TCMS轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)系統(tǒng)的洗車制動(dòng)命令，制動(dòng)系統(tǒng)施加最大常用制動(dòng)實(shí)現(xiàn)停車，完成自動(dòng)洗車。

4.3 輪徑校準(zhǔn)升級(jí)

列車出庫(kù)，通過(guò)輪徑校正區(qū)域時(shí)，制動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行輪徑校準(zhǔn)(圖3)。制動(dòng)控制系統(tǒng)接收到輪徑校準(zhǔn)應(yīng)答器1的信號(hào)后，對(duì)基準(zhǔn)軸速度傳感器的脈沖信號(hào)開(kāi)始計(jì)數(shù)，接收到輪徑校準(zhǔn)應(yīng)答器2的信號(hào)后，停止對(duì)基準(zhǔn)軸速度傳感器的脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)。經(jīng)過(guò)輪徑校準(zhǔn)區(qū)域脈沖計(jì)數(shù)為N，速度齒盤(pán)齒數(shù)為n，輪徑校準(zhǔn)區(qū)域兩個(gè)輪徑校準(zhǔn)應(yīng)答器之間的距離為S，則基準(zhǔn)軸輪徑值D為：D=S×n/(N×π)。由此可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輪徑較準(zhǔn)。

圖3 輪徑校準(zhǔn)示意圖

5 結(jié)束語(yǔ)

該項(xiàng)目的實(shí)施有利于提高城軌制動(dòng)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平，豐富城軌車輛架控制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品的多樣性，提升制動(dòng)系統(tǒng)國(guó)產(chǎn)化的競(jìng)爭(zhēng)力。目前該制動(dòng)系統(tǒng)已完成所有的例行試驗(yàn)和型式試驗(yàn)，并且完成了裝車前的各項(xiàng)調(diào)試，均滿足裝車要求。青島地鐵6號(hào)線作為列車自主運(yùn)行系統(tǒng)(TACS)的示范工程，制動(dòng)系統(tǒng)有大幅創(chuàng)新改進(jìn)，制動(dòng)控制能力更為精準(zhǔn)，車輛運(yùn)行更加安全、可靠。