地铁列车制动系统故障原因分析及改进

王仁庆

(南京地铁建设有限责任公司 江苏 南京 210017)

0 引言

制动系统是地铁列车的关键核心子系统之一，其可靠性和稳定性直接关系到列车行车安全[1]，任何制动系统的故障或质量问题都可能造成重大安全事故。因此车辆制动系统表现出的任何非正常问题均应该引起高度重视和充分关注，对发生故障的原因进行深入分析，根据故障原因采取相应整改措施和有效方案，以确保列车运行的绝对安全。

下面结合南京某线正在调试中的地铁列车制动系统发生的一例典型故障进行原因分析并提出改进措施。2018年5月在南京某地铁线路正式运营前的车辆正线调试过程中，某列车在进站制动时A1车报制动检测到滑行(一轴滑行，防滑控制失效长达7.195 s)、防滑失效、制动抱死、转向架EP不可用、制动重故障等故障信息。

1 列车概况及制动系统介绍

该线列车为最高运行速度100 km/h的四节编组(动拖比为3∶1)B型车，编组型式为“=A1+ B1+B2+A2=”，其中：A1、A2车为半动车，即一位端转向架无动力，二位端转向架为动力转向架；B1、B2车为2个转向架均是动力转向架的全动车。列车制动系统采用高度集成的机电一体化产品[2]，每辆车上设有2个制动微机控制单元，其集成了电子控制和气电转换的所有功能，用来控制列车空气制动的执行，进行状态监视及回馈，提供空气制动车轮防滑控制。制动控制采用“架控”模式，车轮防滑保护采用“轴控”模式。每列车的制动微机控制单元的配置如图1所示。

图1 空气制动微机控制单元配置图

2 防滑控制原理及故障原因分析

在该列车进站制动时，A1车报出制动检测到滑行、防滑失效、制动抱死、转向架EP不可用、制动重故障等故障信息后，检修人员在第一时间检查了列车制动系统，外观检查发现通往A1车一位端转向架1、2轴制动缸的制动管路接反。随后收集了相关的数据记录，并进行了分析。

2.1 列车制动系统防滑控制原理

空气制动防滑系统主要由速度传感器、防滑控制器及防滑排风阀组成。速度传感器在速度很低时仍可准确地检测速度，防滑排风阀用于在发生制动滑行时对单个轴的空气制动进行缓解，以消除制动滑行。

空气制动防滑控制采用两种滑行探测方法来判定是否存在滑行情况[3]：

(1)速度差判据：当某一轴速度低于参考速度(基准速度)，达到判定滑行数值；

(2)减速度判据：当某一轴的减速度达到判定滑行数值。

当出现以上任何一种情况时，就判定该轴发生了制动滑行，防滑控制系统首先会通过防滑排风阀切断中继阀到该轴制动缸的通路，使制动缸保压(压力不再增大)，如果滑行较大或保压后滑行持续增大，防滑阀还可以排出一部分制动缸的压力空气，减小该轴上的制动力，以减小该轴上的滑行程度，使该轴恢复到黏着状态。在黏着恢复再制动充风时，防滑控制系统首先会采用阶段充风方式，一方面可以限制黏着恢复时再制动的纵向冲击率，同时还可以减小黏着恢复过程中的再滑行几率。

空气制动在任何轴上不允许制动力连续降低长于5 s，在此期间之后，制动将自动恢复。当空气制动滑行保护系统失效或故障时，空气制动将维持施加而无滑行保护。

2.2 故障数据

从制动系统记录数据(见图2)来看，A1车一位端转向架在补充空气制动后1轴和2轴几乎同时发生了滑行，滑行后1轴和2 轴几乎同时对制动缸进行了排风控制。1轴排风后，轴速很快恢复。在1轴轴速恢复过程中1轴制动缸开始充风，充风后持续保压了约5 s排风缓解，期间轴速一直正常。2轴排风后轴速恢复较慢，但排风后轴速下降速度有所减小，在2轴制动缸完全缓解后，轴速不仅没有快速恢复，反而继续下降直到完全抱死。2轴抱死约5 s后1轴制动缸排风缓解，缓解后2轴轴速很快恢复正常。

图2 A1车一位端转向架轴速和制动过程数据

分析滑行前后的动力转向架(见图3、图4)数据发现，制动级位增大后动力转向架的电制动出现了滑行，电制动系统进行了防滑控制，在电制动防滑控制后由于电制动力下降，在无动力转向架上补充了空气制动。电制动防滑控制约2 s后由于制动级位减小，B1车的电制动恢复正常，A1车二位端转向架的电制动由于滑行超时而切除。由于整列车的电制动力满足需求，所以制动级位减小后至电制动退出前，除A1车一位端转向架外，其他转向架都没有补充空气制动。

图3 A1车二位端转向架轴速和制动过程数据

图4 B1车一位端转向架轴速和制动过程数据

2.3 防滑失效和制动抱死原因分析

从制动系统记录数据看(见图2)，A1车一位端转向架2轴在2轴制动缸完全缓解后，轴速不能恢复，但在1轴制动缸缓解后轴速很快恢复，数据记录的过程与实际上一位端转向架2个轴的制动缸管路接反是吻合的，因此防滑失效和制动抱死的原因是由于转向架1、2轴制动缸管路接反造成的。

2.4 制动重故障原因分析

根据对记录数据的分析，在出现滑行约2 s后减小了制动级位(见图2)，A1车一位端转向架不再需要补充空气制动，应该将制动缸压力缓解，但由于A1车一位端转向架2轴的轴速未恢复，滑行仍是激活状态，仍在进行防滑控制。目前的防滑控制软件在防滑激活时,为充分利用未滑行轴的黏着以补偿滑行轴上的制动力损失，采用的控制策略是对没有滑行的轮轴制动缸只做充风和保压控制，不进行排风控制。在2轴防滑控制失效后由于持续处于滑行激活状态，造成未滑行的1轴制动缸在应该缓解时也不能正常缓解，不缓解状态持续5 s后触发了制动不缓解故障和制动重故障。制动重故障发生后，由内部远程缓解阀缓解了空气制动。同时由于制动重故障不能自动清除造成了转向架常用制动损失。

由于发生制动不缓解故障后很快由远程缓解阀成功缓解，缓解后制动不缓解故障自动清除，所以制动不缓解故障持续时间很短，持续时间小于故障数据的记录间隔，因此在数据记录中未出现制动不缓解故障，在试验室模拟现场故障时，采用了实时连续记录方式可以捕捉到短暂的制动不缓解故障。

3 整改方案

3.1 防滑控制软件优化

目前的防滑控制软件在防滑激活后优先进行防滑控制，而且对没有滑行的轮轴制动缸只有充风和保压控制，没有进行缓解排风控制。这种控制模式虽然在某些情况下可以增加一些滑行后的黏着利用，但存在防滑控制失效后不能及时缓解制动压力的隐患，在某些情况下还会触发制动重故障。为消除防滑控制失效后不能及时缓解及触发制动重故障的隐患，对防滑控制软件进行以下优化整改：

(1)当空气制动完全缓解(制动缸压力目标值为零)时，不再进行空气制动防滑控制，而以正常缓解方式缓解制动缸压力，以防止防滑失效后持续防滑控制。

(2)当空气制动部分缓解(制动缸压力目标值降低)时，如果未滑行轴的制动缸压力高于制动缸压力目标值，对未滑行轴进行缓解排风控制，使未滑行轴的制动缸压力能快速部分缓解。

控制软件增加以上两个功能后，在空气制动目标压力部分缓解或完全缓解时，制动缸压力都可以及时降低或缓解，从而可以避免滑行激活后未滑行轴的持续保压和因此造成的制动不缓解故障及制动重故障。

3.2 生产、质量管理和控制

转向架制动缸管路接反的根本原因是工艺文件中对制动缸管路连接要求错误，在发现错误后对工艺文件现场更改以后未及时进行正式的更正，工艺部门到现场后未认真核对相关工艺文件，传递错误工艺要求等。制造部门应从设计、工艺、生产、试验、质检、验收等多个环节，认真分析故障原因，及时总结经验教训，制定完善的预防和整改方案，从源头上控制和保证产品质量。

转向架制动缸管路重新连接及防滑控制软件优化后，该线列车从2018年5月份正式运营至今，制动系统再未出现过类似故障。

4 结论

地铁列车主要采用轮轨黏着制动，而因为轮轨黏着的不确定性造成车轮滑行的现象比较常见，因此制动系统防滑控制故障不仅容易造成列车制动距离延长，停车误差较大，而且会导致车轮踏面或轨面擦伤、轮轨接触状态恶劣，影响列车运行平稳性，极端情况下甚至会造成列车冲标，严重影响运营安全。所以，对列车制动系统不仅应在出现防滑控制故障时高度重视、密切关注，彻底分析故障原因，采取有效措施改进，更应从设计、工艺、生产和验收等源头上严格把控产品质量，以确保列车运行安全。以上整改措施在实际使用过程中，反馈效果良好，未再出现过类似故障。