城轨车辆制动系统的研究

-4-一、绪论（一）选题背景城市轨道交通是目前主流的城市交通方式之一，它的优点在于它承载大，污染小，节能，环保，准时，性价比高，稳定等优点，并且能够对城市地下空间进行有效的利用，能够为当前地面空间已经很紧缩的城市进行节省地表资源。最主要的就是它承载量大的优点，据粗略统计数据，城市轨道交通每小时能够向单方向运输10万人，因此它能够对当前城市交通拥挤进行有效的疏解。截止到2017年12月，国内拥有轨道交通的城市总数一共有35个，总线路171条，总车站数量3269个，轨道总里程5083.456千米，有望成为全球第一大城市轨道交通市场。目前，我国的城市铁路建设步伐不断加快，路网规模不断扩展。城轨车辆市场对城轨车辆的需求量越来越大，城轨车辆的结构和运行环境的多变使得城轨车辆经常出现各种问题。在2015~2017年度重庆市区轨道交通事故中，以城轨车辆失效为主要原因，并以最高速度上升，由43.47%上升到67.28%。因此，在保证地铁行车的正常运行中，保证其正常行驶是保证其安全的重要条件。（二）研究目的与意义城市铁路车辆刹车是保障铁路运行的重要手段，其功能既是提高交通效率，也是保障乘客和乘客生命健康的重要保障。本文的研究内容是关于城轨列车刹车的，在我国，关于城轨列车刹车的研究很少，而在此基础上，本文着重于对列车的刹车系统进行了详细而全面的分析，从而找到了问题的根源，并进行了科学的分析，从而为开发人员的安全和正确的工作奠定了基础。（三）国内外研究现状目前来说国内外对于制动系统的故障分析主要还是从列车运营故障数据进行入手研究，城轨车辆制动系统对城轨交通车辆的安全及正点方面起决定性的作用，能够对城轨车联运营上出现的一些故障进行及时的分析研究，能够针对故障制定出相应的应急措施就是目前的重中之重。国内外对于刹车系统经常发生的故障进行了分析讨论，并根据这些问题，采取了不同的应对对策。李小亮和王鹏飞围绕着城市铁路的刹车装置进行了详细的分析，并从理论上对其进行了详细的阐述，并根据试验结果，给出了在不同情况下如何采取紧急应对的对策；胡婉莹介绍了DK-2型制动机的主要功能和构造，并讨论了制动器在这一领域存在的问题，并给出了相应的解决方案，确保了城市轨道交通的安全；刘腾飞详细地介绍了郑州轨道交通1号线刹车装置的构成，深入地介绍了刹车装置各个重要部件的作用和构造，并将一些常见的故障加以分析，为以后的列车刹车装置的设计和维修提供了依据。同时，目前国内外关于城市轨道交通刹车不能得到有效解决的问题也有深入的探讨。范荣巍等将列车刹车系统的主要问题归结为刹车失灵和刹车失灵，并对其成因进行了归类分析。李巍等对CRH3动车组常见制动、紧急制动、停车制动无法减轻的问题进行了详细的剖析，并从制动机理出发，制订了一系列的紧急处理措施，将事故的影响降到最低，确保了列车的安全。姚辉沛对CRH380D动车组在非主控制端部出现了紧急刹车而不能减轻其问题的原因进行了详细的研究，并针对CRH380D列车的运行机理，给出了相应的解决方案。李健针针对CRH3型和谐号列车的空调系统常见的问题进行了深入的探讨，并提出了解决方案；张巍还针对地铁车辆刹车系统中的常见问题进行了剖析，并给出了相应的解决方案，提高了列车的运行品质；黄晔对2017-5月成都轨道交通车辆刹车装置的防滑失效情况进行了分析，结果显示，该装置的主要失效形式为87.5%，对其运行造成了很大的负面影响。王宗明认为，开发城轨车辆制动系统和防滑结构，分析防滑阀的失效特征，需要提供一系列相关的算法流程，还应该开发制动仿真模型，仿真有可能发生的故障。此外，肖光明还从车辆和驾驶员破坏的角度分析了AC6列车紧急制动的原因，从而提高了列车紧急制动的周期。在此基础上，结合改造前后的各种资料进行了比较和比较。武海清把地铁列车刹车系统的主要失效机制和运行安全问题结合起来，将其划分为三大类型：“有清空乘客需要，需要应急救助）。中度的（火车开往维修点）和次的失效（火车在终点日的运营，返回仓库），以及MVB的失效；指令逻辑故障、空气制动不能减轻是主要故障，将自行车制动系统故障和制动力不足列为中等故障，压力传感器故障、防滑控制系统故障和速度传感器故障属于次级故障。

二、制动系统概述（一）城轨车辆制动系统概述1、制动系统特点城轨车辆制动系统指的是制动系统在地铁自动运行装置（ATO装置）、地铁自动防护装置（ATP装置）的控制中，制动信号出现并发出，电制动和气制动制动力分配协调。（1）现在城市轨道交通为了满足绝大部分人出行的目的地要求，它们的间距都很短，大约都是1~2km内，例如上海地铁1号线从虹梅南路到上海火车站共13个车站，共计16.67km，平均下来站间距仅有1.39km。不仅如此，城市轨道交通运营车站座数也较多，尤其是地铁，例如重庆轨道交通3号线共计39座车站。由于城轨车辆运行速度快、车站座数多且站距较短，使得地铁多次启动和制动，要做到地铁安全运行，应保证制动系统的性能，如运行迅速灵敏、运行准确高效、启停平稳以及制动性能强。（2）城市的客运差别很大，地铁在空载的时候，总重量只是它本身的重量，但是地铁满载的时候，总重量能够达到70.9吨。因此，载重量严重影响着地铁总重，当地铁制动时，需要将减速度控制在合理范围中，防止减速度过大导致车轮被抱死滑行。（3）城市轨道交通一般都建于中大城市中，这些城市因为身处一线地位，客流大，运输需求高，而城市轨道交通就是其中的骨干，城市轨道交通承载乘客运量大，在便捷的同时也对其安全要求更加严格，为了保证城市轨道交通的安全，必须保证城市轨道交通的刹车系统具有应急刹车的作用。如果有什么突发状况，可以用减速的方式，让自己的速度更快。紧急刹车可以通过驾驶员操作紧急刹车键或者地铁电脑来发动，也可以通过乘务员或者旅客拉动应急刹车把来发动。（4）此外，当刹车装置出现故障或性能恶化时，城市铁路车辆刹车系统也必须确保刹车动作，也就是说，刹车系统具有很高的可靠性。2、制动系统功能分析城轨车辆制动系统具备的功能除了制动功能外还有其他常用的功能如快速制动、紧急制动、驻车制动、联合制动和维护制动，以及一些防滑、检测和诊断功能，具体分析如下：（1）常用制动功能城市轨道交通的常用制动功能是为了能够保证运营过程中对地铁的速度进行调节，包括了进站停车施行的制动，这种常用的变速调节制动减速缓和，不会对行驶中的顾客舒适性产生多大的影响。根据实际运行状况，制动能力也能进行相应的调整，且一般情况下仅仅能用到大约制动能力的一半。对于常用制动而言，它仅仅满足地铁正常运行中的减速和停车作用，采用了电空混合制动，使用时会优先使用电制动，然后由空气制动进行补充。（2）快速制动功能快速制动是为了地铁能够尽快减速而实施的制动功能，其目的是在地铁正常运行过程中快速地调节和控制车速。与常用制动的不同之处在于，其作用较迅猛，制动时为全空气制动，无电气制动，在发动快速制动指令时即可进行撤销。（3）紧急制动功能所谓紧急制动，主要是指在紧急情况下，地铁需要进行制动，其特点是效果相对较快，必须充分利用地铁的制动性能。与正常的制动力相比，它的制动力通常高大约10%。在紧急制动期间，它保持全空气制动，没有电制动，并且不由电子制动控制单元（EBCU）控制，而是由空气制动控制单元的紧急电磁阀（PBCU）控制。紧急制动操作是不可逆的，即紧急制动命令是不可逆的，地铁必须减速直到完全停止，也就是零速制动。（4）停放制动功能城轨车辆在停车时，由于空压机装置不能正常起动，管路系统不能向制动缸提供空气，制动器缸内压力趋于于零，导致制动器失去制动力。停车刹车是指城轨车辆在停车时对城轨车辆进行刹车，如“铁鞋”。与城轨车辆行驶时的刹车效果不同，该系统利用弹性作用力来实现刹车。在风源系统工作正常的情况下，管道系统向带有停车作用的刹车油缸输送空气，这时油缸内的气压回复到正常，停车制动就会自行解除；在风源系统停机后，没有任何空气进入制动缸，这时油缸压力接近于零，刹车油缸会排出废气，刹车制动器会自动联接，也可以手动释放。（5）保持制动功能空气制动与行车制动相同，用于防止地铁在停车时打滑。（6）防滑控制功能能对地铁的各轴进行防滑检测，并对空气制动实施防滑保护，空气滑行也能对电制动滑行系统进行协调运作，能够出现滑行事故的车轮尽快调整恢复黏着，并根据速度差和减速等数据的变化来区分防滑控制的需要，具有自检和故障记录等功能，以检测SLD的状态，并识别控制单元本身。（7）检测及故障诊断功能制动系统通过对系统中重要零部件功能和运行状态的检测，能够进行自我检测能够排查故障诊断功能，除此以外，对于制动力不足与制动缓解不良均存在检测功能，当诊断系统出现故障时，故障信息可通过MVB在地铁控制系统中使用，并显示在驾驶员屏幕上。（二）动车制动系统组成1、司机室制动装置包括驾驶员制动手柄、驾驶员紧急制动按钮、紧急制动杆、驻车制动器、释放按钮和驾驶员制动显示器。2、制动控制系统（空气制动、电制动）国内地铁通常采用8节车厢的布置系统，制动系统转向结构分为两个单元，整体制动系统分布相对合理。如图2-1所示。图2-1制动控制系统结构示意图制动控制单位主要的功能是，负责传输，处理地铁本车制动系统之间的信号指令，并能够依据控制系统来控制各车的部件，可以释放和使用空气制动器，负责驱动车辆控制单元，并在制动手柄和地铁自动保护系统以及地铁中央控制单元之间建立联系，以处理和接收不同的指令，然后将指令分发到相应的制动控制单元，以控制制动器。控制是通过连接并释放到牵引系统和制动控制单元的电子制动器的固定信号来实现的。3、防滑控制装置动车组的每个轴承都安装有防止防滑的保护装置，此装置符合UIC规定的标准，能有效预防车轮被擦伤，提高车轮的黏着力，来实现对地铁的防滑保护。4、风源系统主辅供风系统是动车组风源系统的主要系统，主供风系统由四套主供风单元组成，满足用风需求，保证动车组运行时总风压保持在850-1000kPa之间；当动车组总压不足，车辆未通电，主供风单元无法启动时，应通过110伏蓄电池和辅助供风系统启动辅助压缩机，并向高压空气系统供风，维持高压系统电源正常运行。5、基础制动装置动车组有一个基础制动器，工作灵活可靠。动力驱动转向架有许多移动轴，每个轴都有两个反向台制动装置，每个非机动转向架有三个轴平制动器。制动盘、制动鞍座和制动零件都是基本的制动装置。（三）动车对制动系统的特殊要求现在地铁的运行速度越来越高，因此机动车辆对于制动系统的要求随之增高，而在能量角度上考虑，地铁动能和运行速度的平方成为正比，,因此地铁应该具备的制动功率也应该至少得与最高速度的平方成正比，并且我们考虑到黏住与防滑，如果想让地铁在一个规定距离段中停下，是需要一个较大的减速，并且对于粘着要求也是相应挺高的，高性能的防滑设备还能提高粘着度，对地铁运行人员的安全进行保障，还能提高乘坐的舒适度，并且对于制动力的控制精度也有更高的要求，通过这多方面的因素来考虑，高速的地铁制动系统必须具备如下的条件：（1）尽可能缩短制动距离以保障行车安全根据几种制动控制方法的列车空转时间的比较，电气指令式制动型列车空转时间最短。（2）司机操纵地铁制动系统灵活可靠要想让地铁实现自动控制，高速行驶的地铁对制动系统还有另一个要求，制动系统要能适应地铁自动控制系统，必须操纵起来很方便、使用起来很可靠。司机在高速行驶时无法了解地面信息，因此必须使用地铁自动控制系统，能够对地铁制动力增减自如，能够制动平滑。欧美、日本等国的高速地铁都安装了电气指令样式的电空制动机,电空制动机是由电脑来控制的，它集中了地铁监督、制动率、滑行控制、速度控制等功能。（3）尽量减轻制动装置重量尽量降低转向架的簧下质量，并通过快速运行来确保稳定性和舒适性。制动盘重量主要约为总非弹性质量的10%，从制动的角度来看，我们可以开发新的更轻、更高效的刹车片，例如铝合金和碳纤维制成的复合刹车片，可以有效减轻簧下的重量。

三、城轨车辆制动系统故障分析城市轨道交通制动器的结构比较复杂；电气控制装置及附属零件等。与此同时，城市轨道交通的工作环境也是多种多样的，不仅受气温的影响；压力，振动，冲击，湿度，风沙，灰尘，雨水和辐射都会对其产生影响。这些原因使得列车的刹车系统容易出现故障，并且存在着多种类型的故障，严重影响了地铁整体运行的安全。根据制动器的结构构成，分析了制动器的常见故障。（一）空气来源和管道风源和管道系统的故障主要有：空压机的漏气、机头螺栓松动造成的漏油、电源不正常或不正常的吹风；滤清器阻塞或漏气；空气干燥器故障，压力开关损坏，气缸活塞损坏，密封圈松动，软管损坏，连接部件松动，安全阀损坏，漏气。在城市轨道交通列车制动系统中，列车下转向架的排气噪声较大，同时也表明了列车的送风不正常。其主要原因是由于阀体内的橡胶破损，造成阀座与密封件间有气体泄漏。地铁运营中经常会出现管道系统的严重漏风现象，由于列车的气压太低，不能有效地减缓列车的紧急刹车和停车刹车，即使压缩机不停工作，管道内的气压也不会上升，这说明管道可能出现了故障，造成了大量的压缩空气泄漏，泄漏的数量远远大于空气供给，如果气压太低，就会产生紧急刹车或停车制动。（二）气压悬吊装置气浮装置的失效原因有：安全阀失效；阀盖密封件破损或松散，并有气体泄漏；高度阀松动，空气弹簧上盖和阀座密封件之间的橡胶变形，造成装配错误，漏气，差压阀失效等。在城市轨道交通列车的刹车装置中，如果空气弹簧发生故障，很有可能导致列车的行驶安全，甚至是车身的倾侧，更有可能导致列车的出轨。如果空气弹簧布有损伤，空气弹簧裂缝超过30毫米，深及高超过1毫米，空气弹簧气泡的气泡直径大于50毫米时，必须及时替换，以免发生进一步的问题。（三）停放制动系统停放制动系统故障原因主要包括安全阀损坏漏气、双脉冲电磁阀内部“O”形线圈损坏、双向止回阀故障、带电塞门密封圈损坏或松动漏气、软管破损或接头装配松动漏气等。对于城轨车辆制动系统而言，驻车制动不应主要从单车驻车制动中释放，列车驻车制动也不应释放。如果单车驻车制动未释放，可能是驻车制动部件故障，无法正常释放；全列车驻车制动未释放时，多数是因为驾驶室的驻车制动按钮无法释放制动。（四）制动控制装置刹车控制器失效的原因有：过滤器过滤器损坏或阻塞；电动空气变换阀（EP阀）故障，紧急电磁阀故障，空重阀调节螺钉松动，继电器阀内排气阀的弹簧破损，泄漏空气。在城市轨道列车刹车装置的工作中，由于地铁启动和停车频繁，车轮长期处于磨耗的状况下，EBCU印制线路板的单片机晶片容易发生老化，导致刹车电子控制器失效。此外，在一些区段的城轨车辆中，常常会发生空气刹车干扰，造成此故障的主要原因是EP阀门刹车不均衡。当螺线管阀门的内部破损增多时，螺线管将失去高的制动功率。由于螺线管阀门阀盖上的密封圈破裂，阀盖内有金属油脂物，橡胶模板破损或陈旧，造成了单节城轨车辆的气闸故障。（五）基本刹车设备基本刹车系统的失效原因有：塞门密封件破损、泄漏气体、转速传感失效；经常的滑动排气阀阀杆运动导致的橡胶衬板松动，导致定位面突出，制动软管损坏，连接件松动漏气，制动缸漏气等。在城市轨道交通列车的刹车系统中，由于车速和防滑门的存在，一旦这些部件出现了问题，将会对城市轨道交通的安全造成不利的后果。如果传感与转速转换器之间的距离超过规定值，则测量范围和转速区域会出现大量铁粉、油脂等杂质。常见的维修保养不达标、电缆老化迅速等问题，均可造成防滑动装置失效。

四、制动系统故障处理（一）制动系统故障介绍动车组在主干线上正常运行中，制动系统做为动车组安全运行的主要保障条件，在各种使用因素和操作的影响下，各制动单元和部件常会出现各类故障，极大的影响到了动车组的安全准时运行，对旅客出行带来了不便。制动系统出现的故障一般都定意为影响行车的大故障，不经解决，不允许动车组上线运行。动车组在库内检修发现故障时，还可以扣车进行处理，但在运行中，只能在一定时间内解决，如无法解决，会直接降速或者救援处理。之后动车组入库直到故障处理为止。制动系统如果有故障时，表现出的现象就是制动不缓解或都制动不施加。故障产生的原因主要有以下几点：（1）WTB通讯故障（2）管路漏风（3）制动电磁阀故障（4）安全环路故障错误操作导致对于制动系统系统，每天都有检修作业，每次检查，都会对各制动功能进行测试，同时会下载故障信息进行隐形故障的检查。如有各故障发生，则会在第一进间进行处理，保证动车组上线运行的安全可靠。（二）常见故障分析1、停放制动故障故障现象：CRH5A动车组，1车主控，升3车弓，开车前司机缓解停放制动时TD屏报“车辆号1，单列动车组施加停放制动的车辆为5辆或者更少”，TD屏显示8车停放制动不缓解。故障分析：（1）查看8车远程数据和下载BCU故障,故障发生时无制动板卡和停放制动等相关故障信息报出。如下图所示：图4-1故障信息（2）检查95K06控制板卡及双稳态电磁阀，检查95K06控制板卡和双稳态继电器外观未见异常，接线无松动虚接等异常情况，（3）检查30Q17空开下口接线线路未发现有短路、接地等异常情况，检查接线时有虚接现象。分析可知：30Q17空开负责给本车停放制动双稳态电磁阀供电，用来实施停放制动的施加和缓解功能。当30Q17空开断开时，在本车停放制动施加继电器30K10和缓解继电器30K11动作后，双稳态电磁阀不能正常得电动作，从而使本车停放制动施加和缓解不能执行。此次故障判断为该空开长时间运行振动导致接线虚接而发生故障。故障处理：将该空开下口接线重新进行连接，后线路各继电器电路进行检查，供电后对停放制动进行多次试验，保证制动故障清除。后续对各动车组空开及继电器线路接线进行一次检查，防止其它车辆发生类似故障。2、全列制动不缓解故障故障现象：CRH5G动车组动行途中1车与站内垂下的故障接触网电联线相撞放电，车体遭受电击。后投入主控钥匙后，发现BPS屏BCU重大故障灯点亮，BPS屏报BCU重大故障,全列制动不缓解。故障分析：（1）下载TCMS数据显示，01车首次报出BCU重大故障。（2）占用08车主控，使用BCU软件监控发现无尾车（01车）环路信号。（3）检查01车尾继电器95K55板卡，发现95K55线圈上下口均有正电。（4）排查95K55板卡负线存在断路，继续排查发现95K53板卡烧损，后续继续排查，发现94A57板卡及插座融损、95K54板卡烧损。分析可知：地铁制动环路建立包含3个必要条件，一是制动环路头尾车信号建立，二是BCU控制系统无故障，三是列车无网路通讯故障。当制动环路无法建立时，列车将报出BCU重大故障，列车制动不缓解。通过库内排查发现01车95K55板卡供电负线存在断路，故障点位于8b、8d针间，位置对应为95K53板卡，检查95K53板卡烧损。因此判断95K53板卡烧损导致列车报BCU重大故障。故障处理：对故障01车95K53、95K54板卡及94A57板卡及插座进行更换，供电对进行制动试验和故障下载，动车组制动系统恢复正常，无后续故障报出。3、网络系统故障故障现象：CRH5A动车组，08车主控，开车时司机通知随车机械师TD屏报故障信息：“车辆号8，当牵引制动手柄在牵引位时，检测到个别轴制动不缓解”。故障分析：（1）确认TD屏故障信息并重新施加、缓解常用制动，当常用制动缓解时TD屏显示08车空气制动缓解有延迟现象，查看压力表和电子仪器界面显示08车制动缸压力均正常为零。应急指挥进行BCU复位后故障未消除，切除08车空气制动，限速185km/h运行。（2）查看动车组TD屏故障信息，显示在16点52分40秒报出故障信息“当牵引制动手柄在牵引位时,检测到个别轴制动不缓解”。（3）查看08车BCU数据，BCU无相关信息报出；下载08车TCMS数据，显示报出故障信息“当牵引制动手柄在牵引位时,检测到个别轴制动不缓解”,无其他故障信息报出。（4）监控08车司机室RIOM模块和客室RIOM模块，RIOM工作异常,判断为网络系统故障导致。分析可知：压力开关B20.08和B20.09分别负责检测本节车1、4轴和2、3轴空气制动的施加和缓解状态。在空气制动施加和缓解时，BCU将采集到的压力开关触点信号，反馈到本节车的RIOM-A模块和RIOM-B模块（冗余输入）,再经本地RIOM反馈到列车网络，TD屏采集列车网络数据用来显示某节车1、4轴和2、3轴的制动状态。当牵引制动手柄在牵引位时，若检测到个别轴空气制动不缓解时，TD屏会报出“当牵引制动手柄在牵引位时,检测到个别轴制动不缓解”故障信息，如下图所示：图4-2网络系统故障图故障处理：更换08车制动控制单元的B20.08、B20.09压力开关和08车两个RIOM模块，供电后进行制动试验测试，各制动试验施加缓解功能正常，故障消除。后续对动车组进行监控一断时间，保证动车组制动系统稳定运行。4、制动阀类故障故障现象：CRH5G动车组重联运行，08车主控，列车开车后，司机通知随车机械师TD屏报“车辆号16，当牵引制动手柄在牵引位时，检测到个别轴制动不缓解”并操纵列车停车。故障分析：（1）随车机械师确认TD屏故障信息，查看TD屏制动界面显示02、04、07车，制动不缓解，重新施加、缓解常用制动，故障未消除。（2）下载MPU数据,数据显示在故障发生时，报出“当牵引制动手柄在牵引位时,检测到个别轴制动不缓解”故障信息。（3）16车主控时，重联动车组各司机室风表均显示列车管压力在570kpa左右。（4）解析06车DDU数据，牵引手柄手柄移动到牵引位，此时07车备用制动未缓解，列车管压力为567kpa，临近备用制动施加压力值。（5）更换00车D04减压阀，库内试验列车管充风后压力值达到600kpa，列车管充风正常分析可知：在故障发生时，列车管压力维持在567kpa左右，临近备用制动施加压力值，导致个别车备用制动分配阀动作从而触发了小级别的备用制动。当制动缸内的压力大于0.3bar时，TD屏会显示空气制动为施加状态。地铁列车管充风过程如下：总风管压力在经过D04减压阀时，充风压