停放制动原理分析及故障诊断

杜群威， 张远东， 谢川川

(1 中车唐山机车车辆有限公司， 河北唐山 063035；2 中国铁路北京局集团有限公司， 北京 100860；3 中国铁路沈阳局集团有限公司， 沈阳 110001)

停放制动是可以在规定的坡道上，以规定的载荷永久保持住列车的制动模式。目前停放制动通常采用蓄能弹簧的方式进行施加，停放制动施加时，通过蓄能弹簧压紧制动盘，产生停放制动力，当需要缓解时，停放制动缸充气，弹簧被压缩，停放制动缓解[1]。在停放制动控制方式上，都采用停放电磁阀进行控制，同时进行制动缸压力的防叠加设计，但在具体的控制方式上却不尽相同，导致外围气路和控制环路也发生变化[2]。在停放制动设计时，要根据实际的车辆配置和使用需求确定停放制动的选型，之后再设计外围气路和控制环路。

随着对运营安全性与可靠性认识的不断加深，停放制动的监控和故障诊断也有了新的要求，通过分析常见的停放制动组成及控制方式，梳理停放制动的控制与监控原理，完善停放制动的故障诊断逻辑，为后续停放制动的设计提供借鉴。

1 停放制动执行方式

停放制动的执行部件为停放制动缸，内部安装有预压紧的弹簧。在停放制动缸排气状态时，在弹簧力的作用下，停放制动活塞杆伸出。当停放制动缸充气时，弹簧被压缩，停放制动缓解。停放制动作为一种被动式制动，通常与常用制动缸集成为复合式制动缸使用，如图1所示，停放制动缸部分进行停放制动的施加和缓解，常用制动缸接口连接BCU，进行紧急制动、常用制动和保持制动的控制。动车组与城铁车辆的基础制动一般采用常用制动缸+复合式制动缸，根据停放坡度和列车总质量确定总停放制动力，之后进行停放制动力的选型，并确定复合式制动缸在基础制动装置中的布置。由于停放制动弹簧力较大，一根车轴上最多布置一个复合制动缸。在一些低地板轻轨车辆液压制动系统中，动车的基础制动为单停放制动缸的配置形式，与常规BCU控制不同的是：液压油增压时缓解制动，液压油减压时施加制动，当需要施加停放制动时，液压油压力为零。

图1 复合式制动缸结构简图

2 停放制动气路分析

停放制动由电磁阀进行控制，包括双稳态脉冲电磁阀和两位三通电磁阀，停放制动的气路供应分为总风管直接供风和制动风缸供风。在防叠加功能上制动缸管路通过双向逆止阀或电磁阀排气口两种方式。常见的停放制动控制气路如图2所示，A1为供气口，通过外部气源给电磁阀供风；A2为常用制动缸管路接口，通过此接口接入制动缸压力进行停放制动的防叠加；A3为停放制动缸管路接口，通过此接口输出停放制动控制压力，进行停放制动控制。B1为双稳态脉冲电磁阀，阀芯不带复位弹簧，通过布置在阀芯两侧的脉冲电磁阀控制阀芯动作，每次电磁阀动作完成后阀芯停留在此位置，直至下一次工作。B2为两位三通电磁阀，当电磁阀得电时，气路导通，A1供气口的压缩空气进入A3停放制动缸管路；当电磁阀失电时，电磁阀截止。B3为双向逆止阀，也成为逻辑“或”阀，输出口与两个输入口中压力较大的通路导通，两个输入口处于关闭状态。

A1-供气口； A2-常用制动缸管路；A3-停放制动缸管路；B1-双稳态脉冲电磁阀；B2-两位三通电磁阀；B3-双向逆止阀。图2 停放制动模块气路原理图

图2为4种常见的停放制动气路布置，其编号①②③④分别对应双稳态脉冲电磁阀+双向逆止阀、两位三通电磁阀+双向逆止阀、双稳态脉冲电磁阀、两位三通电磁阀的停放制动气路布置方案。双稳态脉冲电磁阀仅通过两侧的脉冲电磁阀控制阀芯的运动状态，其控制信号为脉冲信号，持续100 ms即可完成电磁阀的切换，停放制动的电气控制通过两根列车线进行控制，分别为停放制动施加指令列车线和停放制动缓解指令列车线，电磁阀的状态为两根控制列车线中最后得电的那根列车线的控制状态。双稳态电磁阀两侧带有外部操作机构，可以手动控制阀芯状态，通过按下操作机构，带动阀芯运动另一侧，方便进行手动操作。部分双稳态脉冲电磁阀的阀芯和操作结构直接连接，通过查看操作结构的位置就可以确定阀芯的状态。

两位三通电磁阀为带弹簧复位的单阀头电磁阀，其电磁阀线圈工作率为100%，可以保证长时间得电工作。其控制信号为持续的控制信号，停放制动的电气控制通过一根列车线进行控制：为停放制动施加指令列车线，此列车线得电时停放制动缓解，当此列车线失电时停放制动施加，此种特性可以保证列车关闭或意外断电时停放制动可以自动施加，当列车再次上电，可以通过司机操作控制停放制动列车线得电后缓解停放制动。两位三通电磁阀较双稳态脉冲电磁阀，外形尺寸小，安装紧凑，方便集成。

停放制动的防叠加功能是防止同时产生常用制动缸和停放制动缸压力，避免两者同时产生制动力而造成制动力过大，引发车轮抱死和闸片过热现象。停放制动的防叠加功能使用场景有：(1)停放制动施加+空气制动缓解，此时常用制动缸和停放制动缸都没有压缩空气。施加空气制动之后，BCU给常用制动缸充气，常用制动缸压力进入停放制动缸中，去缓解部分停放制动力，起到防叠加作用，但此场景下的充风容积增加了停放制动管路和停放制动缸，制动响应时间要大于正常值。(2)停放制动缓解+常用制动施加，此时常用制动缸和停放制动缸都有压缩空气，之后施加停放制动，此时电磁阀从A1口的供气通道关闭，常用制动缸管路开始给停放制动缸充风，去缓解部分停放制动力，起到防叠加作用，但此场景下停放制动缸和停放制动管路内的压缩空气流进常用制动管路中，造成常用制动缸压力上升，需要BCU快速排气，来调节下游制动缸压力。

双向逆止阀通过安装在电磁阀下游，两个进气口分别连接电磁阀出口与常用制动缸管路，取两者中压力较大的输出到停放制动管路中。两个进气口中只要一个有压力，即可输出停放制动缸压力，保证停放制动的防叠加。在上面的场景1中，双向逆止阀右侧管路没有压缩空气，左侧管路开始充入常用制动压缩空气，双向逆止阀下游充入常用制动压缩空气。在上文的场景2中，双向逆止阀两侧管路均有压缩空气，且右侧压力大于左侧压力，双向逆止阀阀芯截断左侧管路，之后右侧管路压力排空，双向逆止阀阀芯截断右侧管路，下游高压力压缩空气流向左侧，利用BCU的压力调节功能将其调节常用制动压力起到防叠加作用。

采用排气口出口连接常用制动缸压力作为防叠加功能，此时电磁阀的供气要保证可靠，不能出现压力不稳的情况，即便是在回送等情况下，此时建议使用制动风缸供风，因为制动风缸与总风管之间设置单向阀，可以保证制动风缸的压力稳定性，不受总风管压力下降的影响。在上面的场景1中，电磁阀A3与A2接通，常用制动时通过此通道将常用制动压缩空气充入停放制动管路。在上文的场景2中，通过电磁阀，A1与A3接通，A2内有常用制动压缩空气，且A3的空气压力大于A2的空气压力，当电磁阀失电后，A3与A2接通，停放制动缸内的压缩气体流入到常用制动管路中通过BCU进行压力调节。

表1 停放制动气路对比

3 停放制动电气控制

停放制动的电气控制包括停放制动指令列车线和停放制动状态环路，停放制动指令列车线数量参照停放电磁阀选型。在停放制动管路上设置压力开关，用来检测每个停放控制模块施加状态，将所有的压力开关状态串入停放制动状态环路，通过环路可以判断停放制动的状态。常见的双稳态脉冲电磁阀的停放制动电气结构为：两根停放制动指令列车线+两个停放制动状态环路，如图3所示。

图3 双稳态脉冲电磁阀的停放制动电气结构

如图3中停放制动状态环路，压力开关连接继电器，通过检测停放制动压力，控制继电器线圈动作，继而控制状态环路。当列车上所有压力开关产生一致的动作后，状态回路建立，可以通过司机台LED给司机显示停放制动的施加缓解状态。在车辆的具体配置上，可以对状态环路进行简化，保留缓解状态回路，当缓解回路建立后认为停放制动缓解，其他情况均认为停放制动施加，此简化方案与两位三通电磁的停放制动电气结构为：停放制动缓解指令列车线+停放制动缓解状态环路，如图4所示。

图4 两位三通电磁的停放制动电气结构

4 停放制动故障诊断

停放制动主要运用在车辆静止后需要长时间在坡道上停放，在一般项目中，停放制动的整列配置比为2:1或4:1，停放制动力大于常用制动力，在车辆运动过程中意外施加停放制动会产生过大的制动力而擦伤车轮，所以车辆增加运动过程中的停放制动意外施加的故障保护，列车继电器回路的故障保护原理见图5所示，在车辆运行过程中，停放制动未被旁路的情况下，停放制动缓解回路失效后列车立刻施加紧急制动，并封锁牵引力。

图5 继电器回路的故障保护原理

在停放制动管路上会设置压力传感器与电触点截断塞门，通过BCU(或TCMS)采集停放制动压力与塞门状态，在HMI上显示停放制动施加、缓解或切除状态。此时压力传感器的判断阈值与压力开关一致才能保证显示结果的同步性。在一些项目中取消压力开关，仅通过压力传感器进行停放制动的故障诊断，此时BCU(或TCMS)采集的信息除了在HMI上显示外还进行停放制动的诊断，以一列车有A车和B车安装有停放制动为例，BCU(或TCMS)通过故障诊断后判断列车停放制动是否已缓解，可以通过控制一个继电器去触发紧急制动，如图6所示。

图6 BCU(或TCMS)停放制动缓解状态诊断逻辑

5 结 论

通过介绍停放制动缸的工作原理，对停放制动的施加方式和电磁阀组成进行汇总，对4种常见的停放控制气路进行细致分析，从控制方式、使用场景逐个进行讨论。通过分析停放制动的电路控制，完成了两种电磁阀的停放控制整车控制原理。最后对停放制动的故障保护和诊断进行讨论，按照实际实现途径阐述了压力开关与压力传感器的两种诊断方式。最后梳理并汇总了停放制动的气路与电气控制方案，对后续产品设计和性能研究提供支持。