广州地铁四号线直线电机车辆制动系统优化及改进

唐鹏飞 劳建江 施奇坚

（广州地铁集团有限公司运营事业总部，广州 510000）



广州地铁四号线直线电机车辆制动系统优化及改进

唐鹏飞 劳建江 施奇坚

（广州地铁集团有限公司运营事业总部，广州 510000）

摘 要：根据广州地铁四号线直线电机车辆制动特点，分析直线电机车辆运营期间出现的各种问题的原因，并对四号线列车气制动系统进行了相应优化和改进，有效保障了运营安全，提高了乘客的乘坐舒适度，降低了运营成本。

关键词：制动系统 停车冲击 紧急制动 磨耗率

1 四号线直线电机车辆制动系统概述

空气制动主要是通过摩擦将列车的动能转变为热能，从而产生制动作用。城轨车辆常用的摩擦制动主要有踏面制动、盘式制动和磁轨制动等。结合转向架的结构特点，四号线车辆采用了盘式制动。

广州地铁四号线直线电机车辆制动采用架控式系统，即由一个电子控制单元独立控制一个转向架，制动控制系统由智能阀和网关阀组成。与传统的制动控制系统相比，架控式制动系统具有集成化程度高、空走时间短、故障冗余能力强等优点，控制网络如图1所示。

图1 架控式制动控制系统

列车制动是以（A+B）两辆车为单元组成的控制网络。两个网关阀互为备份，一个网关阀为主阀，另外一个网关阀作备用。网关阀负责系统与列车总线的信号通讯和硬线通讯。网关阀与智能阀之间通过内部CAN总线通讯，每一个控制单元负责各自转向架的制动及防滑控制。列车制动时，网关阀接收列车总线或硬线上的制动信号，通过内部计算后由CAN总线送给本身的电控单元以及本车的智能阀，最后由阀内部的气阀单元动作，控制制动风缸和基础制动单元制动缸之间的压力空气流通，从而使得制动施加和缓解。图2为制动控制通讯示意图。

图2 制动控制通讯示意图

2 列车制动系统运用情况

广州地铁四号线是国内首次使用中大运量直线电机列车。前期设计生产时，未充分考虑直线电机车辆电制动不受粘着系数影响等特点，列车的气制动按照传统模式设计，在实际运营中出现了较多问题，主要表现为进站停车冲击较大、阴雨天气紧急制动距离延长、制动盘及闸片磨耗率偏高等问题。

2.1 四号线列车停车冲击较大

列车平稳性是地铁运营必须考虑的重要内容，直接影响乘客的乘坐舒适度。根据列车纵向动力学的理论分析，列车的纵向冲击主要由列车牵引和制动引起。它直接影响列车运行的稳定性和乘客乘坐的舒适度。

为了掌握广州地铁四号线列车运营的稳定性，通过实验采集四号线列车正线运行时车体纵向加速度值，对四号线列车正线ATO（列车自动驾驶）运营期间进、出站加速度进行记录，进而分析实际冲击情况。

选取四号线运营牵引和制动冲击最大区间进行分析，如图3所示。

图3 黄阁站进站冲击测试

图3上部分数据曲线为四号线车在黄阁汽车城至东涌上行的加速度变化，下部分数据曲线则为对应的纵向冲击变化曲线。由试验结果可知，列车在该区间内牵引、制动过程中，列车的最大牵引冲击为0.46m/s³，最大制动冲击为1.23m/s³。

广州地铁对四号线其他车站的冲击数据进行了测试和统计，具体测试数据如表1所示。

四号线列车平均牵引冲击为0.54m/s³，进站时的平均制动冲击为0.95m/s³。可见，列车整体冲击较大，其中进站停车时制动冲击比牵引冲击更大。

2.2 阴雨天气情况下紧急制动距离延长

表1 进站停车冲击数据统计

广州地铁四号线运营初期，列车的紧急制动设计为“失电制动，得电缓解”原理，由贯穿整个列车的DC110V连续电源线进行控制。当要求实施紧急制动时，无论是否已经实施常用制动，必须实施紧急制动。

四号线列车紧急制动具有如下特点：

（1）电制动不起作用，仅空气制动；

（2）高速断路器断开；

（3）不受冲击率极限的限制；

（4）紧急制动实施后是不能撤除的，列车必须减速，直到完全停下来；

（5）具有防滑保护和载荷修正功能。

纯空气制动性能取决于轮轨间的粘着作用。在轨面粘着系数较低且列车下坡情况下，列车可能触发防滑保护，导致安全制动距离延长。广州地铁四号线高架线路较长且大坡道线路较多，在阴雨天气时，列车在高架线路轮轨粘着系数会下降，容易造成纯空气的紧急制动距离延长，影响列车运营安全。

2.3 制动部件磨耗率较高

四号线列车制动盘和制动闸片是车辆制动系统的一部分。该部件用来减慢车轮的运动，通过摩擦将动能转化为热量。制动盘与制动闸片摩擦后，温度升高，旋转车轮通风作用所产生的气流对其进行冷却。制动盘和车轮腹板之间的气流穿过放射状排列的散热片，带走制动过程中产生的热量。

广州地铁四号线制动盘和闸片的外形及尺寸需根据制动夹钳来设计。运营初期，制动盘和制动闸片的磨耗较高，制动盘的磨耗率为0.108mm/万公里，制动闸片的磨耗率为0.667mm/万公里。按照此磨耗率，制动盘的使用里程为64.81万公里，制动闸片的使用里程为44.98万公里。四号线列车每年运营里程为19万公里，制动盘的使用寿命为3.41年，制动闸片使用寿命为2.36年。相对于其他地铁车辆，制动盘和制动闸片的使用寿命为6-10年。可见，广州地铁四号线列车制动盘和制动闸片的使用年限较短，异常磨耗严重，运营成本明显增加。

3 列车制动系统优化及改进建议

为了更好地适应既有线路运营条件，提高乘客的乘坐舒适度，降低运营成本，广州地铁针对四号线列车制动系统运营期间出现进站停车冲击较大、阴雨天气情况下紧急制动距离延长、制动盘及闸片磨耗率偏高等问题，进行了相应的优化和改进。

3.1 进站停车冲击优化及改进

为解决列车进站停车冲击较大的问题，提高乘客舒适性，广州地铁经过充分论证，鉴于牵引冲击相对平稳，主要针对列车进站制动冲击进行优化调整。通过对气制动控制进行优化，以达到改善列车平稳性目的。

四号线列车的现有保压制动是为防止车辆在停车前的冲击，使车辆平稳停车。其中，保压制动分两个阶段实施，如图4所示。

图4 保压制动过程示意图

第一阶段：当列车制动到速度＜6km/h，牵引控制单元触发电制动退出信号输出给网关阀，由VVVF控制的电制动逐步退出，由制动控制单元计算所需的制动力大小，并施加气制动。在此阶段，混合制动阶段总制动力保持不变，直至电制动完全退出，气制动完全接替电制动。

第二阶段：接近停车时，制动网关阀保压制动请求命令后，发出一个小于制动指令（最大制动指令的70%）的保压制动，即瞬时地将制动缸压力降低，列车进入停车保压状态。

当列车发出牵引命令使牵引力上升的瞬间，气制动力还是保持原来停车时的压力；当牵引力慢慢上升，制动系统收到保压制动请求信号为0时，气制动逐渐退出并降为零，保压制动被缓解，列车被牵引。

结合列车保压制动原理，对列车低速时制动控制逻辑优化，减小列车在低速阶段的制动级位，相应输出较小的制动缸压力，从而缓解停车时瞬间冲击：

（1）当列车速度≤3km/h且非零速情况时，若BCU（制动控制单元）接收到的制动指令大于30%全常用制动，施加30%全常用制动时的制动缸压力；

（2）当列车速度≤3km/h且非零速情况时，若制动指令≤30%全常用制动，制动缸压力则按照实际的制动指令执行。

制动软件控制逻辑优化后，经过试车线与正线的调试，以及后期正线载客运营，列车牵引、制动等各项功能正常。图5为选取的相同列车和正线区间进行的对比测试情况。

图5 新版制动软件冲击测试

图5上部分数据曲线为四号线车在黄阁汽车城至东涌上行的加速度变化，下部分数据曲线则为对应的纵向冲击变化曲线。由试验结果可知，列车在该区间内牵引、制动过程中，列车的最大牵引冲击为0.49m/s³，最大制动冲击为0.53m/s³，列车制动冲击明显改善。

广州地铁四号线对其余车站的冲击数据进行抽样测试，数据如表2所示。

表2 进站停车冲击统计

通过对比发现，列车在停车阶段减速度冲击变化较为平缓，最大制动冲击明显减小。可见，四号线列车平稳性改善效果显著，有效提高了乘客舒适性。

3.2 列车紧急制动优化及改进

为有效解决阴雨天气下紧急距离延长问题，广州地铁充分利用直线电机车辆电制动不受粘着限制的特点，结合四号线高架线路特点，提出列车紧急制动优先采用电制动的优化方案。列车紧急制动电气原理图，如图6所示。

广州地铁结合四号线列车电路图开展改造：

（1）在FBR继电器（快速制动继电器）电路前端增加一个紧急制动回路触点，用于列车实施电空混合的紧急制动时，让快速制动继电器FBR线圈得电；

（2）在四号线列车每个单元的B车增加一个紧急制动箱，安装两个继电器，分别为EDR1（紧急制动继电器1）和EDR2（紧急制动继电器2）；

（3）每一组VVVF（牵引逆变器）与网关阀之间的“电制动有效”指令上驱动继电器EDR1（紧急制动继电器1）和EDR2（紧急制动继电器2），当某一组VVVF电制动有效时，EDR1和EDR2线圈得电，反之线圈失电。

图6 列车紧急制动电气原理图

改造后，四号线列车两种不同紧急制动模式实现方式如下。

第一，列车常规安全保护情况下产生紧急制动，紧急制动环路失电，导致紧急制动继电器EBR1和EBR2失电，触发快速制动继电器FBR得电，列车快速制动指令线410得电，快速制动有效，从而实现紧急制动时加入电制动。当速度低于6km/h时，气制动开始施加。

第二，在任何情况下，司机拍击蘑菇头按扭（EBPB1或EBPB2）时，都将同时切断紧急环路416线和快速制动指令410线，使紧急制动指令线和快速指令线断电，列车产生纯空气的紧急制动，从而为车辆提供最后的安全保障。由于电制动受到多种因素的限制，如网压、VVVF是否正常工作等，为了保证列车行车安全，列车能实现在电制动失效情况下自动转换为纯空气的紧急制动［1］。

经过优化后的列车制动系统，充分利用了直线电机电制动不受轮轨粘着影响的特点，实现了紧急制动时优先使用电制动的功能，同时还实现了全列车电制动失效时自动切换为纯空气的紧急制动的功能。此外，当某个车辆的电制动失效时，该车辆所在单元将自动转为纯空气制动，而另一个单元仍然保持采用电制动优先的控制方式，最大限度地发挥了电制动功能，有效解决了广州地铁四号线原设计车辆轮轨粘着系数降低时紧急制动距离延长的问题。

3.3 制动部件磨耗率优化及改进

制动盘和制动闸片通过摩擦将动能转化为热量，因此制动盘和制动闸片均属于易损易耗件，其使用寿命与厚度、材质、面积、表面压力、工作温度有关。应用过程中，具体起决定因素的则是摩擦制动时间频率、摩擦制动力大小、电制动力的能力、制动力的分配原则、电制动和空气制动的转换速度等［2］。

鉴于此，为了降低制动盘和闸片的磨耗率，节约运营成本，结合实际运营情况，广州地铁针对影响磨耗率各种因素，开展以下优化。

3.3.1 优化气制动施加逻辑，充分发挥架控式制动优势，合理分配列车制动力

直线电机车辆开始按照通常的制动力分配方案运行。当列车小指令制动时，虽然需要的气制动力较小，但整列车同时施加气制动对整车的摩擦副磨耗较大。而制动系统经常施加小制动力，制动闸片与制动盘不能充分接触，磨耗率更高。为此，中大运量直线电机车辆更改小指令时的气制动力分配方案：当整车所需的制动力较小时，仅由个别转向架施加制动。施加制动的转向架由智能阀根据日期进行调整，可以保证整车磨耗均匀。

3.3.2 优化制动盘及闸片的材质

通过优化制动盘及闸片的材质对二者进行合理搭配，以降低磨耗率。中大运量直线电机车辆采用蠕墨铸铁材质的制动盘替换最初灰铸铁材质的制动盘，大幅降低了制动盘的磨耗率。通过调整树脂含量等方法对闸片材质进行调整，并与蠕墨铸铁材质的制动盘进行匹配，最终降低了闸片的磨耗率。

3.3.3 优化电制动与空气制动的配合

在确保安全的前提下，根据直线电机特性，在常用制动最初阶段对空气制动设定延时，避免气制动频繁使用。

经过各项优化措施后，直线电机车辆制动盘和制动闸片的磨耗率明显改善。优化后的制动盘磨耗率为0.047mm/万公里，制动闸片磨耗率为0.25mm/万公里。按照此磨耗率，全新制动盘的使用里程为148.93万公里，全新制动闸片的使用里程为120万公里。四号线列车每年运营里程为19万公里，制动盘的使用寿命为7.83年，制动闸片使用寿命为6.31年。可见，制动盘和制动闸片的使用寿命大幅度提高，有效节约了运营成本。

4 结束语

广州地铁结合实际工作经验，对四号线车辆制动系统进行了相应的优化和改进，并且运用效果良好，有效保障了安全运营，降低了运营成本。

通过优化列车在低速阶段制动级位输出，减少列车停车冲击的方案，为后续列车提高列车平稳性开拓新的思路。但是，减小制动极位输出后可能导致列车正线运营对标问题不准确，需重新进行列车联合调试，以确认列车正线停车精度。

同时，紧急制动加入电制动，为后续直线电机车辆设计提供参考。在牵引和制动时应充分发挥直线电机车辆电制动优势，更多地利用直线电机与感应板之间的电磁力，进一步减少制动部件磨耗。

参考文献

［1］郑沃奇.紧急制动优先采用电制动在直线电机车辆上的应用［J］.机车电传动，2012，（3）：65-67.

［2］巫红波.广州地铁4号线车辆制动盘异常磨耗调查分析及解决对策［J］.铁道机车车辆，2013，（2）：84-86.

Optimization and Improvement of the Braking System of the Linear Motor Vehicle in Guangzhou Metro Line Four

TANG Pengfei，LAO Jianjiang，SHI Qijian
（Guangzhou Metro Group Co.， Ltd.， Guangzhou，51000）

Abstract:according to the Guangzhou Metro No.4 Line linear motor vehicle braking characteristics， an analysis of the problems during the operation of linear m otor vehicle and on the 4th line train air brake system were corresponding optimization and improvement， can effectively protect the safe operation， improve the passenger ride comfort， reduce operating costs.

Key words:braking system， parking impact， emergency brake， wear rate