武汉轨道交通2号线车辆电空制动控制技术及应用

朱圣瑞

(武汉地铁集团有限公司， 湖北武汉 430060)



武汉轨道交通2号线车辆电空制动控制技术及应用

朱圣瑞

(武汉地铁集团有限公司， 湖北武汉 430060)

介绍了武汉轨道交通2号线车辆制动过程的电空制动控制技术，该技术充分发挥牵引系统电制动力，减少不必要的空气制动补充，同时利用EB0(即：电制动制动至零)模式控制电空转换过程。实际应用表明：该电空制动控制技术即能满足ATO自动驾驶准确停车的控制要求，同时大大降低了制动闸瓦及车轮踏面的磨耗，为轨道交通车辆电空制动控制技术提供了典型范例。

地铁车辆； 电空制动； ATO定位停车； 踏面磨耗

武汉轨道交通2号线列车由4动2拖(拖车位于列车两端)6辆车组成，制动系统采用微机控制的电空直通式车控制动系统，基础制动为踏面制动，列车最高速度为80 km/h。

武汉轨道交通2号线在2012年9月完成了牵引系统与制动系统的动态联调及制动型式试验，于2012年12月28日正式投入载客运营，至今每列车已累计运行20多万公里，列车牵引运行制动停车功能正常，ATO自动驾驶定位停车和制动闸瓦及车轮踏面磨耗方面表现优异，解决了ATO自动驾驶定位停车问题[1]及异常磨耗问题[2-4]。统计结果表明：正线运营ATO自动停车精度小于±300 mm；车轮踏面磨耗量为2～3 mm/10万km，满足车辆正常运营，提高了轮对使用效率，这些结果与列车制动过程的电空制动控制技术是分不开的。

1 电空制动控制技术

武汉轨道交通2号线列车网络系统采用的是基于MVB通信的网络结构，牵引系统与制动系统的信息交互完全通过MVB网络数据通信实现。由列车控制管理系统(TCMS)实现全列车制动力管理，列车制动采用电制动与空气制动实时协调配合、电制动优先、空气制动延时投入的混合制动方式，由制动系统对电制动力能否满足全列车制动力需求进行判断，当电制动力无法满足全列车制动力需求时，优先在拖车上补充空气制动。

1.1 电空制动控制原理

全列制动力计算由TCMS根据列车司控器或ATO给出的制动控制减速度以及列车载重计算出列车所需的总制动力，并根据各动车牵引系统的状态(如电制动是否可用、电制动是否被切除等)分配各动车牵引系统需要发出的电制动力，并将列车总制动力、各动车的实际电制动力、制动指令、牵引指令等信息发送到制动控制单元(BCU)。

各车BCU通过MVB总线获取TCMS的制动控制数据，再根据列车所需总制动力及电制动力的实际情况对空气制动力进行分配。具体过程如下：

(1) 计算动车实际电制动力之和，若实际电制动力之和能够满足全列车总制动力需求时，BCU不产生施加空气制动的指令，此时列车所需制动力全部由电制动力承担。

(2) 当实际电制动力之和无法满足全列车制动力需求但可以满足动车所需制动力时，由空气制动力补充所需要的制动力，但仅在拖车(包括无法发挥电制动力的动车)平均分配需要补充的空气制动力。

(3) 当实际电制动力之和无法满足动车所需制动力时，由空气制动力补充所需要的制动力，此时，拖车仅补充自身所需的制动力，剩余所需补充的空气制动力由各动车平均补充，但原则是同一动车上的空气制动力与电制动力之和不超过本车所需的制动力。

1.2 制动初期电空制动控制

列车制动时，TCMS根据司控器手柄或ATO的制动指令计算全列车所需制动力，并向牵引系统发出电制动力需求，牵引系统按需发挥电制动力并将实际电制动力发送回TCMS，然后再由TCMS发送到BCU，可以看出：到达BCU的实际电制动力因网络传输会存在滞后现象。

在列车产生制动需求初期，BCU接收TCMS的制动控制命令时，由于牵引系统尚未进入发挥电制动状态，即此时的电制动力实际值为0，BCU会由于电制动力无法满足列车所需制动力而施加空气制动，这样不利于列车冲动限制(此时空气制动力与电制动力并存)，同时会增加制动摩擦副的磨耗。

为此，TCMS在发送给BCU的网络数据中增加了各牵引系统的电制动力可能值，用于表示牵引系统是否能产生电制动力以及在当前工况(考虑速度、网压、载重等条件)下所能发挥的电制动力的能力。在制动初期1.5 s内，BCU将各动车的电制动力可能值作为实际电制动力进行制动力计算。

一般情况下，电制动力可能值之和满足全列制动力需求，因此BCU不需要补充空气制动，从而避免了制动初期过早施加空气制动力的现象。当牵引系统无法发挥电制动力时，电制动力可能值将被置为0，BCU可以根据电制动力可能值是否为0决定是否立刻施加空气制动力。

1.3 制动过程中电空制动控制

在列车运行过程中会存在较多的制动调速控制，此时列车制动力需求会发生变化，由于牵引系统电制动力的发挥需要一定的响应时间，BCU在根据列车所需制动力及电制动力实际值进行制动计算时往往会因为实际制动力之和无法满足全列车所需制动力而施加空气制动力，为解决这一问题，BCU在制动力计算过程中同样考虑电制动力可能值的大小，即当电制动力可能值之和满足列车所需制动力时，将不补充空气制动力，一定延时时间后实际电制动力若仍然无法满足全列车所需制动力，即使电制动力可能值满足全列所需制动力，也要补充空气制动力。图1给出了联调试验时通过快速拉动司控器手柄对列车进行制动控制的测试数据(图1中深绿色曲线为制动控制需求，亮绿色曲线为实际电制动力，红色曲线为制动缸压力。电制动力坐标为右侧坐标/4 kN)。可以看到：整个制动过程中BCU没有施加空气制动力，这样可以大大降低闸瓦及踏面的磨耗。

图1 制动过程中列车所需制动力快速变化时牵引系统与BCU的制动配合

1.4 制动后期电空制动控制

武汉轨道交通2号线牵引系统在制动后期电制动向空气制动转换时采用了两种控制模式，即EB0控制模式(牵引系统提出的电制动力可持续到列车速度为0的控制模式)与非EB0控制模式(电制动力在列车速度降到3 km/h左右降为0的控制模式)。图2给出了EB0控制模式下的电制动向空气制动转换过程(图2中横轴为时间；纵轴为列车速度、电制动力及制动缸压力)。在EB0控制模式下，当列车速度达到较低速度时，随着列车速度进一步降低，电制动力也同时减小，在列车降到大约0.5 km/h时电制动力衰退到0，然后TCMS发出施加保持制动力的命令，即在列车速度极低快要停车时由BCU施加空气制动确保列车停车安全。图3为EB0控制模式下，ATO自动驾驶减速进站停车过程的记录数据，几乎是在列车停车时才发出保持制动施加指令，BCU执行该指令施加了空气制动，这种控制模式充分发挥了电制动力，几乎不需要BCU施加空气制动就可以实现停车控制。

图4给出了非EB0控制模式的电制动向空气制动转换过程。在非EB0控制模式下，通常在列车速度降为5 km/h左右时，由TCMS发出电空转换指令，延时一定时间后电制动力开始按固定速度衰退到0，而BCU在收到电空转换指令后按固定速率增加空气制动力。这种电空制动转换模式是目前大部分城轨列车制动过程的电制动向空气制动转换时的配合模式。图5为非EB0控制模式下，ATO自动驾驶减速进站停车过程的记录数据，可以看到在列车速度在5 km/h时给出了电空制动切换指令，停车过程中电制动力与空气制动力并存，ATO自动定位停车误差增大。试验结果表明：与EB0模式相比，非EB0模式下列车停车误差会增大10～20 cm。

图2 EB0电空转换模式示意图

图3 EB0模式ATO自动驾驶进站停车过程中的电空制动转换

图4 非EB0电空转换模式示意图

2 实际应用

图6给出了实际运营过程中ATO自动驾驶在两站间运行数据记录，可以看到：列车运行过程中主要进行了2次持续调速控制，全部由电制动力承担。在后期50 km/h的速度进站调速开始，一直到列车速度降低到2 km/h左右时一直使用电制动力，只有在速度很低时(2 km/h以下)由于电制动力已无法增大来满足列车制动力需求，所以在拖车上补充了空气制动，而在列车即将停车(速度低于0.5 km/h)时，TCMS给出了施加保持制动力指令，所以在动拖车的制动缸压力不断增加到保持制动所需要压力。

图5 非EB0模式ATO自动驾驶时进站停车过程中的电空制动转换

图6 武汉轨道交通2号线ATO自动驾驶进站停车控制过程(全程由电制动力承担)

图7为运行20万km后的车轮踏面与闸瓦照片，可以看到：车轮踏面及闸瓦磨损状态良好。轮径测量结果表明：车轮踏面磨耗量仅为2.4 mm左右。

图7 运行20万km后的闸瓦及踏面

3 结束语

(1)由TCMS实现对牵引系统电制动力进行管理，

可以提高牵引系统发挥电制动力的响应速度，同时采用EB0模式对电空转换进行控制更能充分利用电制动力，不但有利提高ATO自动驾驶停车精度，减少ATO自动驾驶高精度停车的调试强度，而且有助于减轻闸瓦及车轮踏面的磨耗。

(2)制动系统充分使用TCMS制动控制数据中的电制动力可能值，可以有效去除列车制动力需求变化时BCU补充的空气制动，对于降低磨耗非常有效。

(3)借鉴本文介绍的EB0电空转换控制模式，尽量降低电制动力衰退到0的速度点，同样可以达到提高ATO定位停车控制精度及降低制动摩擦副磨耗的目的。

[1] 王鹏飞，樊贵新，王新海，等. 城轨车辆在ATO模式下停车精度问题的分析与探讨[J] 铁道机车车辆，2011， 31(6)：77-79.

[2] 方 宇，张同宏，穆华东，等. 制动模式对城市轨道车辆车轮异常磨耗的影响分析[J]. 铁道机车车辆，2010， 30(4)：67-70.

[3] 乔青峰. 地铁车辆车轮踏面异常磨耗原因分析[J]. 铁道机车车辆，2011， 3(2)：26-30.

[4] 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， 33(1)：84-86.

Electro-Pneumatic Braking Strategy and Its Application in Vehicle Brake System of Wuhan Metro Line 2

ZHUShengrui

(Wuhan Metro Group Co., Ltd., Wuhan 430060 Hubei, China)

This paper introduces the electro-pneumatic braking strategy of vehicle brake system for Wuhan Metro Line 2. It gives the full play to the electric braking force, reduces the unnecessary pneumatic braking force, and uses EB0 mode to control the switching process of electric braking and pneumatic braking. As a typical technique of brake control, the electro-pneumatic braking strategy is proved to be effective for accurate stopping under ATO control, and can reduce the wear loss between the braking pad and the wheel tread.

metro vehicle; electro-pneumatic braking; accurate stopping under ATO control; wheel tread wear

1008-7842 (2015) 03-0110-05

��)男，高级工程师(

2014-12-26)

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.27