广州地铁5号线列车空气制动异常施加故障原因分析及改进

陈通武

（广州地铁运营事业总部 车辆中心，广东广州510000）

城轨车辆通常运行在人口密集地区，承载有大量旅客，对于列车行车安全就显得尤为重要，因此就要求城轨车辆的空气制动系统必须安全可靠，在任何时候、任何状况下都能够有效减速和停车。但是，空气制动异常施加对列车同样也是有害的，将导致列车设备损伤，造成经济损失。

广州地铁5号线发生的一起空气制动系统异常施加故障。在该故障中，一个单元车中的7个轴夹钳异常施加（第8个轴安装了信号测速装置，为测速准确，该轴在ATO运行时空气制动被切除，得以免除），造成制动盘过热烧伤，如图1所示，制动盘因摩擦产生高温而发蓝，需全部更换。由于该单元车的制动缸压力只有170kPa（保压制动模式），制动缸压力相对较小，制动夹钳并没有完全抱死制动盘，轮对、轨道并没有擦伤。否则，需要对轮对进行旋修，还要打磨钢轨，经济损失更大，有可能还会影响后续正线运营。

图1 制动盘因摩擦产生高温而发蓝

1 原因分析

1.1 空气制动系统及相关接口

广州地铁5号线列车是直线电机车辆，六辆全动车编组。空气制动系统采用架控式盘式制动。每辆车由一个G阀（网关阀，Gateway Valve）和一个S阀（智能阀，Smart Valve）组成一个分散式制动控制网络，通过制动控制总线相连，如图2所示。G、S阀是机电一体化部件，均包含有气动阀单元和安装在气动伺服阀上的电子控制部分。每个阀靠近转向架安装，对转向架上的制动夹钳实施控制。G阀提供有与列车管理与控制系统的接口，接收来自列车的指令，并进行相应的反馈。每两辆车构成一个单元，通过CAN网络通信。在系统运行时，其中一个G阀作为主G阀，与列车上各系统进行本单元车相关数据的交换，本单元车制动力的计算和分配，以及本单元车空气制动系统的管理。另一个G阀作为备用，并监视主阀的状态。一旦主G阀出现故障，将自动取代主G阀的功能，避免了因为一个阀的故障而导致整单元车制动力失效，提高了列车运行的可靠性。

列车与空气制动系统的接口主要包括3部分，如图2所示。

（1）列车控制部分

空气制动系统接收并执行列车当前的驾驶命令，采用的是110V的硬指令线进行传输，包括牵引指令、制动指令、保压制动、紧急制动、快速制动、ATO模式。所要求的制动力大小——制动指令值，则是通过脉宽调制信号进行传输。

（2）列车管理部分

通过列车的管理网络，空气制动系统将制动系统当前的状态，制动系统所发生的故障和故障信息上传到列车管理系统，并保持相关的通信。

（3）牵引系统

图2 空气制动系统及与列车接口

空气制动系统给牵引系统提供载荷信号，并接收所需的电制动退出信号、电制动力实际值、电制动有效信号，如图3所示。在制动过程中，空气制动系统结合牵引系统提供的信号，进行本单元车空气制动力的计算、分配、管理。空气制动系统还会监控电制动力的施加情况，一旦出现异常，空气制动力就会马上补足。

图3 空气制动系统与牵引系统之间的接口

1.2 故障分析

经查看故障数据，故障列车在运行过程中，一个单元车的空气制动系统始终保持施加状态，而另两个单元车则正常。并且发现该单元车的牵引逆变器也发生了故障。经过调查，该单元车的保压制动未缓解。

保压制动属于空气制动的一种模式，施加的制动缸压力值固定，约为最大的70%。其主要功能是防止列车溜车，在列车将近停车时施加，列车起动并建立了一定的牵引力矩后缓解。该指令在人工控制时，由牵引系统给出，在ATO驾驶时，由信号系统给出。空气制动系统在接收到指令后，按照预定的程序执行。保压制动缓解的条件为：牵引指令有效、制动指令无效、保压制动缓解指令有效、电制动退出指令无效。

经过检查，如图2所示贯穿整列车的牵引指令、制动指令、保压制动缓解指令都是正常的，未出现断路等问题。因此，初步判断为由于该车的牵引逆变器故障，造成牵引系统的电制动退出指令输出异常，因而引起空气制动系统一直施加保压制动。

1.3 空气制动施加封锁牵引回路未有效保护

为了保护列车，在列车上的控制逻辑中设置了空气制动施加后封锁牵引的回路。其详细逻辑如图4所示。在牵引指令回路中串入了继电器PbPR的触点，只有在继电器PbPR吸合后，才能将牵引指令送到牵引系统、制动系统中，执行牵引命令。正常空气制动情况下，各辆车空气制动施加是或非的关系，除整列车缓解空气制动外，任何一辆车的空气制动施加都会使或非门输出低电平，继电器PbPR将不会吸合，即封锁牵引。保压制动和正常空气制动在逻辑上是或的关系。在实际应用中，列车起动且电机建立一定的力矩后，保压制动就将退出，这样列车不会因为起动力矩不足而在斜坡上发生后溜，也不会因保压制动施加时间过长导致制动盘磨耗过大。简而言之，司机推牵引手柄，CCU（中央控制单元）控制PbPR继电器得电，列车起动，当保压制动缓解4.5s后，如果制动缸的压力降到0kPa，则PbPR继电器保持得电，列车可以继续牵引；如果当保压制动缓解4.5s后制动缸压力大于0kPa，则PbPR继电器保持失电，列车牵引封锁。

2 故障模拟确认

经过上述的理论分析，需要进行实际的验证。因此，进行了故障模拟试验。模拟是在试车线上以ATO模拟试验，通过断开一个单元牵引逆变器的高压回路，来模拟牵引系统故障，运行列车并采集电制动退出指令、制动缸压力、列车速度等信号。

如图5所示，模拟过程中使用制动软件采集到的数据。可以发现，列车速度从0加速到约23km／h的过程中，期间大约有15s的时间，该单元制动缸压力始终为170kPa左右（保压制动压力），TMS屏显示闸瓦施加制动，列车制动施加红灯亮，空气制动牵引封锁继电器PbPR一直得电。同时，无法正常工作的牵引逆变器传输给G阀电制动退出指令异常，一直处于高电平。

图4 空气制动施加牵引封锁逻辑

图5 故障模拟数据采集

因此，可以最终确定该车空气制动异常施加故障原因是由于牵引逆变器故障，造成牵引系统的电制动退出指令异常输出。而在空气制动系统的保压制动缓解逻辑中，如果空气制动系统一直接收到电制动退出指令有效，其保压制动是不能缓解的。由于保压制动一直没有缓解，所以CCU检测到保压制动缓解4.5s的条件未能执行，因而当一单元车的保压制动一直施加时，PbPR继电器仍保持得电，列车的牵引封锁功能就不能实现。

3 解决措施

针对故障的发生原因，以及空气制动牵引封锁回路失效的原因，制定了以下措施：

（1）针对牵引系统故障情况下的电制动退出指令输出异常，而导致制动异常施加问题，进行了逻辑的修改：仅仅在列车牵引系统工作正常，且电制动向空气制动转换前，输出电制动退出指令。

（2）为防止列车始终施加保压制动，设置新的逻辑：当列车牵引速度大于10km／h且持续时间超过1s，若保压制动未缓解时，保压制动须自动缓解。

（3）为防止列车在施加保压制动后，列车仍然执行牵引指令，设置新的逻辑：当列车运行速度超过15km／h且保压制动未缓解，列车须实现牵引封锁。

4 结束语

通过理论分析和试车线模拟故障试验验证，确定了该故障主要原因是由于牵引系统在故障状态下的电制动退出指令异常输出，造成单元车保压制动一直得不到缓解。因而引起一单元车的空气制动异常施加，同时空气制动施加牵引封锁逻辑的缺陷，又未能有效保护列车。针对故障原因制定了一系列措施，提高了列车的可靠性和安全性。

［1］ 叶云岳.直线电机技术手册［M］，北京：机械工业出版社，2003.