葛 永，蔣愛軍，賀 成

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

自動旅客捷運(yùn)系統(tǒng)(APM)是以無人駕駛膠輪電動車輛為主導(dǎo)，在配有運(yùn)行軌道與導(dǎo)向軌的專用線路上全自動運(yùn)行的城市軌道交通系統(tǒng)。APM具有中高運(yùn)量、爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、運(yùn)行噪音低、綜合造價(jià)省等優(yōu)點(diǎn)。適用于受地形等建設(shè)條件限制多、景觀和環(huán)境要求高、投資經(jīng)濟(jì)合理性高的場合，如二、三線城市軌道交通干線、大城市聯(lián)絡(luò)線和補(bǔ)償線、以及大型機(jī)場、CBD商貿(mào)區(qū)、企業(yè)園區(qū)的中運(yùn)量軌道交通線路[1-3]。

國內(nèi)首個(gè)國產(chǎn)化APM項(xiàng)目—上海浦江APM項(xiàng)目于2018年3月1日正式開通運(yùn)營。該項(xiàng)目以龐巴迪(美國)的INNOVIA APM 300系統(tǒng)為基礎(chǔ)[4]，系統(tǒng)使用的制動控制模塊設(shè)計(jì)方為龐巴迪(美國)，制造方為南京海泰，并未實(shí)現(xiàn)自主國產(chǎn)化設(shè)計(jì)。南京海泰公司以上海浦江APM項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以國產(chǎn)深圳APM、成都APM、泰國APM和香港APM系統(tǒng)項(xiàng)目為依托，以故障導(dǎo)向安全為設(shè)計(jì)原則，開展制動控制模塊自主國產(chǎn)化設(shè)計(jì)制造。

1 概 述

APM列車采用移動閉塞式信號技術(shù)，該技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)單車全自動無人駕駛獨(dú)立運(yùn)行，且每輛車都擁有相同的配置，可進(jìn)行靈活編組，主要參數(shù)見表1。運(yùn)營方可根據(jù)工程投資需求、線路運(yùn)營能耗、客流高低峰等情況對APM列車進(jìn)行1～6節(jié)任意編組[5]。

表1 APM車輛的主要參數(shù)

2 制動控制模塊產(chǎn)品

APM列車制動控制模塊的主要產(chǎn)品見表2。

表2 制動控制模塊產(chǎn)品配置

2.1 供風(fēng)裝置

每輛車配置一臺供風(fēng)裝置，主要用于為制動系統(tǒng)和其他輔助系統(tǒng)提供潔凈的壓縮空氣。

F03T-N0.4B供風(fēng)裝置無油渦旋的方式進(jìn)行空氣壓縮，可將供風(fēng)裝置分為空氣壓縮模塊、空氣過濾模塊和空氣控制模塊三大模塊?？諝鈮嚎s模塊主要由電動機(jī)(M)、壓縮機(jī)(C)、進(jìn)氣過濾器(AF)、冷卻器(AC1)和安全閥(SF1)組成，其主要功能是提供壓縮并冷卻后的空氣?？諝膺^濾模塊主要由氣水分離器(WS)、雙塔干燥器(DT)、灰塵過濾器(DF)和排污電磁閥(SV1/SV2)組成，其主要功能是對壓縮空氣進(jìn)行過濾排污處理，提高壓縮空氣潔凈度?？諝饪刂颇K由最小壓力閥(MPV)、總風(fēng)隔離旋塞(DC)、測試插座(TP)和壓力傳感器(P/I)組成，其主要功能是監(jiān)測壓力并對壓縮空氣供給進(jìn)行控制。供風(fēng)裝置各子部件通過吊架集成，結(jié)構(gòu)緊湊，對安裝空間需求較小，有利于列車部件的集成布局。

2.2 空氣控制包

每輛車配置一臺空氣控制包，主要用于調(diào)節(jié)和分配壓縮空氣至制動系統(tǒng)產(chǎn)品和其他氣動附件。海泰公司的空氣控制包共有兩種國產(chǎn)型號，其中ACP-20型號是在上海項(xiàng)目營運(yùn)經(jīng)驗(yàn)、客戶需求和國內(nèi)外貿(mào)易環(huán)境影響下設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品，ACP-20型號相比ACP-10型號性能更優(yōu)、故障率更低、國產(chǎn)化率更高。

空氣控制包可分為氣控和電控箱兩大模塊，其中電控箱模塊主要由護(hù)箱、模擬量控制器(AX-320)、數(shù)字量控制器(DX-310)和繼電器(BIR)等電器部件組成。通過模擬量控制器和數(shù)字量控制器，車輛可進(jìn)行制動控制管理。繼電器用于緊急制動回路，可通過繼電器控制多個(gè)電磁閥進(jìn)行緊急制動并上報(bào)緊急制動狀態(tài)信號。氣控模塊主要由風(fēng)缸(R3)、過濾器(F2)、壓力開關(guān)(PS-MRL)、減壓閥(PR-PB/PR-AR)、塞門(MV-SS/MV-AR)、溢流閥(PH-SS)、壓力表(PG-PB/PG-AR)、快泄閥(QRV)、電磁閥(SV-AR/SV-FS)、安全閥(RV3)和止回閥(CV3/CV4)等功能部件組成。

控制控制包主要功能如下，如圖2所示。

(1)制動供風(fēng)控制。經(jīng)過減壓閥(PR-PB)調(diào)壓后，壓縮空氣通過“PROT B”口輸往制動控制包。

(2)空簧供風(fēng)控制。經(jīng)過塞門(MV-SS)和溢流閥(PH-SS)的壓縮空氣通過“PROT S”口輸往高度閥進(jìn)氣口。塞門(MV-SS)用于控制供氣狀態(tài)，溢流閥(PH-SS)用于設(shè)置進(jìn)行空簧供風(fēng)的壓力門檻值。

(3)彈簧制動施加。電磁閥(SV-FS)斷電后，彈簧缸的壓縮空氣通過“PROT E”口、塞門(MV-AR)、快泄閥(QRV)和電磁閥(SV-FS)排空。

(4)彈簧制動緩解?？諝饪刂瓢灿腥N冗余彈簧制動緩解方式：①通過電磁閥(SV-FS)通電后，來自主風(fēng)缸的壓縮空氣經(jīng)過電磁閥(SV-FS)、快泄閥(QRV)、塞門(MV-AR)和“PROT E”口輸往彈簧缸進(jìn)行緩解。②通過電磁閥(SV-AR)和電磁閥(SV-FS)通電后，來自風(fēng)缸(R3)的壓縮空氣經(jīng)過電磁閥(SV-AR)、電磁閥(SV-FS)、快泄閥(QRV)、塞門(MV-AR)和“PROT E”口輸往彈簧缸進(jìn)行緩解。③通過操作塞門(MV-AR)后，來自風(fēng)缸(R3)的壓縮空氣經(jīng)過塞門(MV-AR)和“PROT E”口輸往彈簧缸進(jìn)行緩解。

(5)空氣壓力監(jiān)測。壓力表(PG-PB/PG-AR)用于實(shí)時(shí)顯示氣路壓力，壓力開關(guān)(PS-MRL)實(shí)時(shí)監(jiān)測總風(fēng)壓力，上報(bào)壓力狀態(tài)用于進(jìn)行空壓機(jī)控制判定。

(6)彈簧制動緩解保障。通過風(fēng)缸(R3)和止回閥(CV3/CV4)可以消除總風(fēng)缸壓力波動對彈簧制動緩解的影響。

2.3 制動控制包

每輛車配置兩臺制動控制包，分布安裝于車輛兩端，每臺制動控制包獨(dú)立控制每個(gè)車軸上的制動器進(jìn)行摩擦制動。如果任一臺制動控制包制動失效，則另一臺制動控制包將為整輛車提供所需制動力。如兩臺制動控制包制動均失效，為確保行車安全，車輛將觸發(fā)緊急制動。

海泰公司的國產(chǎn)化制動控制包共有兩種型號，其中BCP-20型號是在上海項(xiàng)目營運(yùn)經(jīng)驗(yàn)、客戶需求和國內(nèi)外貿(mào)易環(huán)境影響下設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品，BCP-20型號相比BCP-10型號性能更優(yōu)、故障率更低、國產(chǎn)化率更高。BCP-20新增空重車閥，使車輛緊急制動減速度不受載客情況影響，保持不變。

制動控制包主要由過濾器(F1，僅BCP-20)、止回閥(CV2)、風(fēng)缸(R2)、中繼閥(RLV)、電磁閥(SV-PE)、塞門(MV-BC)、壓力開關(guān)(PS-P/PS-A/PS-E/PS-S，PS-S僅BCP-20)、壓力傳感器(PT-BC)、測試接頭(T1/T2)、溢流雙向閥(PPV-DCV1)、快泄閥(QRV)、減壓閥(PR-PE)、壓力表(PG-PE)、電空比例閥(PAV)、空重車閥(ELAV，僅BCP-20)等組成。

制動控制包通過風(fēng)缸(R2)存儲制動用風(fēng)，產(chǎn)品進(jìn)氣口處過濾器(F1)可進(jìn)一步提升供氣質(zhì)量，止回閥(CV2)可以避免供氣端壓力衰減對制動用風(fēng)產(chǎn)生影響。

制動控制包中的中繼閥(RLV)具有空氣流量放大作用，以便快速響應(yīng)制動指令，電空比例閥(PAV)用于實(shí)現(xiàn)常用制動時(shí)車輛控制電壓與空氣壓力之間轉(zhuǎn)換，最后通過電磁閥(SV-PE)和中繼閥將常用制動壓力輸送至制動缸。經(jīng)過減壓閥(PR-PE)和空重車閥(ELAV)調(diào)整后的壓縮空氣，通過電磁閥和中繼閥將緊急制動壓力輸送至制動缸。制動控制包的電磁閥用于對緊急制動模式和常用制動模式切換，以故障導(dǎo)向安全為原則，失電快速施加空氣緊急制動。

塞門(MV-BC)可通過車廂內(nèi)緩解拉繩操作，用于制動緩解故障時(shí)的制動力切除。雙向溢流閥(PPV-DCV1)用于防止彈簧制動和空氣制動疊加?？煨归y(QRV)可以快速排空彈簧氣室的空氣，實(shí)現(xiàn)彈簧緊急制動的快速響應(yīng)。

壓力開關(guān)和壓力傳感器(PT-BC)將回路壓力狀態(tài)反饋至TCMS系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測行車制動壓力。其中壓力開關(guān)(PS-A)反饋保持制動是否施加信號、壓力開關(guān)(PS-E)反饋壓力制動是否施加信號、壓力開關(guān)(PS-P)反饋壓力制動是否緩解信號、壓力開關(guān)(PS-S)反饋彈簧制動是否緩解信號和壓力傳感器負(fù)責(zé)進(jìn)行制動閉環(huán)控制監(jiān)測。

2.4 高度閥

APM車輛采用高度閥三點(diǎn)位置控制設(shè)計(jì)[6]，所以每輛車配置三個(gè)高度閥。高度閥用于自動調(diào)整車輛高度，在不同載客量下，始終確保車輛地板高度和站臺平面等高，以便進(jìn)行無障礙上下客。

2.5 主風(fēng)缸

每輛車配置一臺主風(fēng)缸，主風(fēng)缸直接設(shè)置在供風(fēng)裝置出口處，用于存儲壓縮空氣，在主風(fēng)缸上裝有一個(gè)安全閥(11 bar)和一個(gè)排水旋塞。安全閥可在供風(fēng)裝置故障時(shí)進(jìn)行泄壓，排水塞門可定期排放風(fēng)缸內(nèi)積水。

2.6 空簧風(fēng)缸

每輛車配置四臺空簧風(fēng)缸。同高度閥的三點(diǎn)位置控制設(shè)計(jì)相同，僅需對三臺空簧風(fēng)缸配置壓力傳感器，TCMS通過壓力傳感器監(jiān)測空簧壓力狀態(tài)，在異常時(shí)向車輛發(fā)出警報(bào)。

3 制動控制模塊功能

3.1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

APM車輛的列車控制管理系統(tǒng)(TCMS)是國際電工委員會和國際鐵路聯(lián)盟規(guī)定的列車通訊網(wǎng)絡(luò)(TCN)標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。TCMS系統(tǒng)由鉸接式列車總線(WTB)和多功能車輛總線(MVB)組成，具有分布式、模塊化、實(shí)時(shí)通訊等特點(diǎn)。WTB負(fù)責(zé)每輛車之間的通訊，MVB負(fù)責(zé)每輛車內(nèi)設(shè)備之間通訊。每輛車上的TCMS系統(tǒng)均相同。

3.2 運(yùn)行控制功能

車輛控制單元(VCU-C)通過MVB控制子系統(tǒng)或與子系統(tǒng)進(jìn)行通訊。車輛控制系統(tǒng)軟件安裝在VCU-C中，包括車輛和列車兩種控制功能，其中車輛控制中的運(yùn)行控制模塊負(fù)責(zé)車輛的牽引或制動模式控制。運(yùn)行控制模塊根據(jù)手動控制器或ATC的速度指令和牽引/制動指令，對車輛進(jìn)行牽引或制動模式控制。運(yùn)行控制模塊中的電空混合和電制動淡出邏輯如下。

(1)當(dāng)車輛速度超過5 km/h，電制動發(fā)揮其最大潛能。

(2)當(dāng)車輛速度降低到5 km/h以下時(shí)，電制動減小，常用制動增加，以對減少的電制動力進(jìn)行補(bǔ)償。

(3)在大約1 km/h時(shí)，電制動將降低到零，同時(shí)常用制動力增加到所需要的制動力。

3.3 常用制動控制

常用制動控制模塊負(fù)責(zé)常用制動系統(tǒng)的控制和診斷功能。常用制動控制與緊急制動相互分離，以便TCMS對安全沒有影響。

常用制動控制模塊根據(jù)收到的制動力請求計(jì)算所需制動氣壓。然后通過MVB將所需制動氣壓傳輸?shù)娇諝饪刂瓢械腁X-320。AX-320隨后輸出一個(gè)與壓力請求值成比例的電壓至制動控制包中的PAV，同時(shí)通過PT-BC對制動氣壓進(jìn)行閉環(huán)控制。如果實(shí)際制動氣壓與需求制動氣壓相差超過10%，AX-320將記錄該故障并向ATC發(fā)送報(bào)警信息。

當(dāng)列車需要短暫停車時(shí)，常用制動控制模塊將進(jìn)行保持制動控制，允許列車施加一個(gè)特定的壓力。當(dāng)列車停放在車站時(shí)，每個(gè)制動缸上施加90 PSI的壓力，其余情況下施加100 PSI的壓力。

在緊急制動期間，常用制動控制模塊通過空氣控制包中的DX-310切斷PAV電源。當(dāng)從緊急制動過渡到最大制動時(shí)(緊急制動重置)，立即施加最大制動力，以防止瞬間失去制動力產(chǎn)生沖擊。

3.4 緊急制動控制

緊急制動通過純摩擦制動提供所需制動力，車輛牽引在緊急制動時(shí)為禁用狀態(tài)。在收到來自列車自動控制(ATC)的命令后或在緊急列車線中斷后車輛啟動緊急制動。

制動控制模塊的緊急制動功能以故障導(dǎo)向安全的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過切斷BCP中的SV-PE和ACP中的SV-FS供電的方式施加氣壓緊急制動和彈簧緊急制動。彈簧緊急制動為氣壓緊急制動的冗余。若氣壓緊急制動未達(dá)到BCP中PPV-DCV的設(shè)定值時(shí)，彈簧緊急制動將自動施加以保證車輛安全地緊急停止。

當(dāng)車輛停止服務(wù)或在車間長期停放的時(shí)候，通過斷開緊急列車線的方式施加停放制動。氣壓緊急制動和彈簧緊急制動冗余作用，可使車輛保持在一個(gè)永久靜置的狀態(tài)。

3.5 彈簧制動輔助緩解

為了緩解彈簧緊急制動，需要供應(yīng)足夠的空氣壓力將彈簧狀態(tài)進(jìn)行復(fù)位。緩解彈簧緊急制動的方式有4種。

(1)正常情況下，閉合緊急列車線激活SV-FS的供電，將壓縮空氣充入彈簧缸，彈簧缸壓力達(dá)到3.7 bar后即可完全緩解彈簧緊急制動。

(2)若恢復(fù)SV-FS的供電后，由于ACP前端的氣壓不足導(dǎo)致無法緩解彈簧緊急制動，則需通過操作手動控制器上的輔助釋放按鈕打開ACP上的SV-AR的供電。此時(shí)ACP中R3壓縮空氣將通過SV-AR、SV-FS、QRV和MV-AR到達(dá)彈簧缸，若R3中壓縮空氣大于3.7 bar，即可完全緩解彈簧緊急制動。

(3)可將ACP中MV-AR的手柄轉(zhuǎn)動90°，使R3中的壓縮空氣充入彈簧缸，也可完全緩解彈簧緊急制動。

(4)通過旋轉(zhuǎn)彈簧缸背面的緊固件，手動緩解彈簧緊急制動。

4 展 望

南京海泰公司實(shí)現(xiàn)了APM車輛制動控制模塊的國產(chǎn)化設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，為國內(nèi)首個(gè)也是唯一的APM車輛制動控制模塊的生產(chǎn)廠家。所謂制動控制模塊國產(chǎn)化，包含兩個(gè)內(nèi)容。(1)重要的制動控制模塊產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)在國內(nèi)制造生產(chǎn)，或進(jìn)口國外零部件國內(nèi)組裝，如上海浦江APM項(xiàng)目用制動控制模塊。(2)要實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵核心技術(shù)的自主創(chuàng)新，這種國產(chǎn)化又稱自主化[7]，如國內(nèi)的深圳機(jī)場APM項(xiàng)目(18輛)、成都天府國際機(jī)場APM項(xiàng)目(4輛)和香港機(jī)場APM項(xiàng)目(36輛)和國外的泰國曼谷黃粉線APM項(xiàng)目(6輛)用制動控制模塊。

雖然制動控制模塊已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自主化和出口國外，為我國自動旅客捷運(yùn)系統(tǒng)制動產(chǎn)品的健康發(fā)展起到了重要的引領(lǐng)作用。但部分核心部件仍依賴進(jìn)口，如進(jìn)行制動控制和管理的硬件和軟件系統(tǒng)、電空比例閥、電磁閥、傳感器、壓力開關(guān)、雙向溢流閥和中繼閥，導(dǎo)致制動控制模塊仍然會受到全球貿(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)化制動控制模塊的長期健康發(fā)展。因此，攻關(guān)核心部件實(shí)現(xiàn)完全自主化是國產(chǎn)化制動控制模塊發(fā)展的重要任務(wù)，也是國內(nèi)自動旅客捷運(yùn)系統(tǒng)產(chǎn)品健康發(fā)展的必經(jīng)之路[8]。