王群偉， 范榮巍， 金 哲， 曹 斌

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

北京地鐵昌平線車輛為6輛編組，制動(dòng)系統(tǒng)采用EP08車控系統(tǒng)[1]，每個(gè)車輛配置一套制動(dòng)控制裝置；基礎(chǔ)制動(dòng)采用制動(dòng)夾鉗和輪盤制動(dòng)方式，充分滿足車輛運(yùn)用時(shí)的熱負(fù)荷的要求。在列車的2車和5車配置了風(fēng)源系統(tǒng)，滿足車輛制動(dòng)及空氣彈簧(簡稱：空簧)等耗風(fēng)的需求。

北京昌平線004車正線運(yùn)營至西二旗乘降作業(yè)時(shí)，車輛總風(fēng)壓力快速下降至620 kPa以下，總風(fēng)壓力開關(guān)動(dòng)作，車輛觸發(fā)緊急制動(dòng)。按司機(jī)室強(qiáng)泵按鈕，2車空壓機(jī)工作正常，5車空壓機(jī)間斷啟停、不能正常供風(fēng)?？傦L(fēng)壓力維持在600 kPa左右，低于車輛正常運(yùn)營要求。

總風(fēng)欠壓是指地鐵車輛在載荷急劇增加時(shí)，空簧耗風(fēng)劇烈，導(dǎo)致總風(fēng)管路的壓力降低，超出總風(fēng)壓力正常范圍，總風(fēng)壓力開關(guān)觸發(fā)，車輛為導(dǎo)向安全自動(dòng)施加緊急制動(dòng)。緊急制動(dòng)施加后，總風(fēng)壓力需要達(dá)到規(guī)定的設(shè)定值才能緩解緊急制動(dòng)。此外，總風(fēng)管路的意外破損漏風(fēng)也會(huì)導(dǎo)致總風(fēng)欠壓。因此在實(shí)際車輛運(yùn)營中，如發(fā)生總風(fēng)欠壓故障，會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營秩序受到影響。

針對(duì)昌平線折返時(shí)出現(xiàn)的總風(fēng)欠壓故障導(dǎo)致緊急制動(dòng)進(jìn)行了深入分析和研究，對(duì)導(dǎo)致總風(fēng)欠壓的空壓機(jī)問題及客流急劇變化因素的解決措施進(jìn)行了探討和實(shí)施，解決了現(xiàn)場出現(xiàn)的問題；對(duì)后續(xù)車輛運(yùn)營及制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有現(xiàn)實(shí)的意義。

1 故障現(xiàn)象及邏輯分析

1.1 故障現(xiàn)象

總風(fēng)欠壓故障時(shí)，列車正處于乘降作業(yè)，同時(shí)疊加了空壓機(jī)間斷運(yùn)行的故障，導(dǎo)致總風(fēng)壓力維持在600 kPa

左右，低于車輛正常運(yùn)營要求，導(dǎo)致列車晚點(diǎn)。

分析車輛記錄的空簧及耗風(fēng)數(shù)據(jù)，復(fù)現(xiàn)故障時(shí)候的情況，空簧參數(shù)和實(shí)際車輛總風(fēng)狀態(tài)符合當(dāng)時(shí)的實(shí)際客流情況：車輛折返時(shí)處于晚高峰，乘客在18:50至18:52上車后，圖1空簧壓力數(shù)值表明車輛處于AW3狀態(tài)，空簧大量充風(fēng)，導(dǎo)致總風(fēng)壓力快速下降至600 kPa以下(18:52時(shí)，總風(fēng)壓力為589 kPa)，進(jìn)而觸發(fā)緊急制動(dòng)。

圖1 CP004-5車耗風(fēng)情況18:52—19:05

1.2 邏輯分析

風(fēng)源系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)單、雙日的設(shè)定進(jìn)行主輔空壓機(jī)選擇，車輛單日運(yùn)行時(shí)，2車空壓機(jī)為主空壓機(jī)，車輛雙日運(yùn)行時(shí)5車空壓機(jī)為主空壓機(jī)。當(dāng)總風(fēng)壓力低于680 kPa 時(shí)，兩臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)打風(fēng)，直至總風(fēng)達(dá)到900 kPa停機(jī)。若空壓機(jī)啟動(dòng)時(shí)總風(fēng)壓力大于680 kPa、小于750 kPa，則主空壓機(jī)啟動(dòng)開始打風(fēng)直至總風(fēng)壓力達(dá)到900 kPa停機(jī)。若空壓機(jī)啟動(dòng)裝置初次通電時(shí)總風(fēng)壓力高于750 kPa，兩臺(tái)空壓機(jī)都不工作。空壓機(jī)啟動(dòng)裝置使用壓力開關(guān)監(jiān)測總風(fēng)壓力。

總風(fēng)欠壓壓力開關(guān)在頭車的制動(dòng)控制裝置內(nèi)，直接連接總風(fēng)，當(dāng)總風(fēng)壓力低于600 kPa時(shí)，壓力開關(guān)動(dòng)作觸發(fā)緊急制動(dòng)；當(dāng)總風(fēng)壓力高于700 kPa時(shí)，壓力開關(guān)動(dòng)作，閉合信號(hào)與車輛控制連鎖，車輛恢復(fù)正常。

通過對(duì)故障現(xiàn)象及車輛制動(dòng)系統(tǒng)邏輯的分析，導(dǎo)致總風(fēng)欠壓因素：

①當(dāng)總風(fēng)壓力低于680 kPa時(shí)，5車空壓機(jī)不能正常供風(fēng)，導(dǎo)致壓力上升慢；

②折返站，載客變化率由AW0變化至AW3，導(dǎo)致空簧急劇用風(fēng)，空簧急劇用風(fēng)后總風(fēng)壓力降到了總風(fēng)欠壓保護(hù)點(diǎn)。

2 空壓機(jī)故障的分析和改進(jìn)

5車空壓機(jī)起動(dòng)3 s后LVD三相電源控制器[2]過壓保護(hù)指示燈點(diǎn)亮變紅，空壓機(jī)停機(jī)，通過強(qiáng)泵功能復(fù)測，故障現(xiàn)象反復(fù)、持續(xù)。對(duì)調(diào)2車、5車風(fēng)源系統(tǒng)LVD，故障現(xiàn)象隨LVD轉(zhuǎn)移，即5車風(fēng)源系統(tǒng)啟動(dòng)正常，2車風(fēng)源系統(tǒng)頻繁啟停，故定位故障為LVD器件保護(hù)導(dǎo)致。

LVD三相電源控制繼電器作為保護(hù)性器件，造成保護(hù)的原因：

①供電異常(過壓、欠壓、缺相及相序錯(cuò)誤)；

②器件自身故障。

空壓機(jī)正常工作時(shí)，主回路AC 380 V電源一旦出現(xiàn)過壓(超過420 V)、欠壓(低于340 V)、缺相及相序錯(cuò)誤時(shí)，LVD保護(hù)，相應(yīng)的指示燈亮，同時(shí)其串聯(lián)在DC 110 V控制回路中的常開觸點(diǎn)斷開，串聯(lián)的TD1延時(shí)繼電器失電，其常開觸點(diǎn)同時(shí)斷開，CMK主接觸器失電，空壓機(jī)電機(jī)斷電，空壓機(jī)停止工作。如圖2所示。 由于現(xiàn)場調(diào)換LVD后，故障現(xiàn)象轉(zhuǎn)移，因此可以確定本次故障由于LVD自身故障導(dǎo)致。

對(duì)故障LVD進(jìn)行拆解測試，其內(nèi)部輸入端為典型的阻容(RC)降壓電路，降壓電容的電容標(biāo)稱為220 nF的X2安規(guī)電容，但是實(shí)際測試值為129 nF、56 nF和58 nF；當(dāng)降壓電容出現(xiàn)問題，容值變化勢必會(huì)影響降壓后供給后續(xù)電子器件的電流，從而對(duì)后續(xù)邏輯器件的判斷產(chǎn)生影響，導(dǎo)致非正常的動(dòng)作。

對(duì)故障件進(jìn)行更換，同時(shí)選擇質(zhì)量更加可靠的產(chǎn)品進(jìn)行試裝替換，確保運(yùn)營安全。

3 應(yīng)對(duì)大客流乘降急劇耗風(fēng)的參數(shù)調(diào)整研究

3.1 原理分析

列車在折返時(shí)存在載荷從AW0到AW3的極限工況，該工況下的需要給空氣簧充風(fēng)以保持車輛的平衡，空氣簧耗風(fēng)量極大[3]。圖2為空簧懸掛部分原理圖。制動(dòng)系統(tǒng)在空簧管路設(shè)置了溢流閥。溢流閥在前端壓力達(dá)到設(shè)定值時(shí)開啟；減壓閥確保壓力穩(wěn)定并保護(hù)空簧壓力上限。制動(dòng)系統(tǒng)溢流閥(L1)的開啟壓力為(650～670) kPa，關(guān)閉壓力≥580 kPa。在車輛載荷增加時(shí)，高度閥(L5)的閥口打開給空簧(L7)充風(fēng)；差壓閥(L6)保證一個(gè)轉(zhuǎn)向架兩個(gè)空簧的壓力差值在設(shè)定范圍內(nèi)。

圖2 風(fēng)源系統(tǒng)電氣原理

L1-溢流閥；L4-減壓閥；L5-高度閥；L6-差壓閥；L7-空簧。圖3 空簧懸掛原理

為避免大客流乘降急劇耗風(fēng)導(dǎo)致的低壓，可以從兩方面考慮：一是增加風(fēng)源的供給。在風(fēng)源系統(tǒng)不變的情況下，更改空壓機(jī)啟動(dòng)運(yùn)行的壓力，提前工作給系統(tǒng)充風(fēng)；二是在總風(fēng)壓力到達(dá)緊急制動(dòng)設(shè)定點(diǎn)前，不再給空簧供風(fēng)，待總風(fēng)壓力上升后再供風(fēng)。

3.2 模擬計(jì)算分析

利用制動(dòng)計(jì)算軟件，對(duì)調(diào)整空壓機(jī)啟動(dòng)壓力和調(diào)整溢流閥值兩種方案進(jìn)行了對(duì)比分析[4]。模擬計(jì)算在車輛AW0載荷30 s內(nèi)變化為AW3載荷時(shí)，空簧壓力、總風(fēng)壓力變化的情況。

計(jì)算工況如表1所示。

表1 計(jì)算工況 kPa

圖4 工況1數(shù)據(jù)

從圖4數(shù)據(jù)可以看出，19 s時(shí)，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至680 kPa，啟動(dòng)第2個(gè)空壓機(jī)。30 s時(shí)，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至580 kPa。溢流閥關(guān)閉，空簧壓力不再增加，總風(fēng)壓上升。在30 s內(nèi)空簧壓力由276 kPa上升至458 kPa，但是未達(dá)到對(duì)應(yīng)于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)。

圖5 工況2數(shù)據(jù)(曲線定義同圖4)

從圖5數(shù)據(jù)可以看出，13 s時(shí)，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至750 kPa，啟動(dòng)第2個(gè)空壓機(jī)。30 s時(shí)，空簧壓力由276 kPa上升至458 kPa，但是未達(dá)到對(duì)應(yīng)于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)。32 s時(shí)，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至580 kPa。

從工況1和工況2的數(shù)據(jù)可以看出，空壓力啟動(dòng)壓力提高后，并不能彌補(bǔ)乘降急劇耗風(fēng)的空簧用風(fēng)，總風(fēng)壓力還是會(huì)很快達(dá)到緊急制動(dòng)壓力。

圖6 工況3數(shù)據(jù)(曲線定義同圖4)

從圖6數(shù)據(jù)可以看出，19 s時(shí)，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至680 kPa，啟動(dòng)第2個(gè)空壓機(jī)。24 s時(shí)，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至630 kPa。溢流閥關(guān)閉后，總風(fēng)壓力不再下降。

在30 s內(nèi)空簧壓力由276 kPa上升至437 kPa，但是未達(dá)到對(duì)應(yīng)于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)。119 s 時(shí)，空簧壓力達(dá)到對(duì)應(yīng)于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)，而且高度閥杠桿恢復(fù)到水平位?？栈蛇_(dá)到規(guī)定值的時(shí)間與工況1的基本相同。

圖7 工況4數(shù)據(jù)(曲線定義同圖4)

從圖7數(shù)據(jù)可以看出13 s時(shí)，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至750 kPa，啟動(dòng)第2個(gè)空壓機(jī)。25 s時(shí)，總風(fēng)壓力由900 kPa下降至630 kPa。

在30 s內(nèi)，空簧壓力由276 kPa上升至443 kPa，但是未達(dá)到對(duì)應(yīng)于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)。112 s時(shí)，空簧壓力達(dá)到對(duì)應(yīng)于AW3載荷的空簧壓力(518 kPa)，而且高度閥杠桿恢復(fù)到水平位。

從工況3和工況4可以看出，調(diào)整空壓機(jī)啟動(dòng)壓力，對(duì)空簧壓力的提高速度基本沒有影響，但是調(diào)整溢流閥設(shè)定值，可以有效防止總風(fēng)欠壓的發(fā)生。由于客流急劇變化發(fā)生在車輛靜止?fàn)顟B(tài)，溢流閥截止后，可能會(huì)造成空簧實(shí)際壓力不能反應(yīng)實(shí)際的客流載荷。在總風(fēng)壓力沒有達(dá)到開啟溢流閥的時(shí)間內(nèi)，該載荷信號(hào)可能不真實(shí)。由于載荷信號(hào)在車門關(guān)閉后鎖定，因此行車過程中的載荷信號(hào)會(huì)小于實(shí)際載荷(差值不大)。運(yùn)行過程中的調(diào)速和牽引，可以進(jìn)行級(jí)別的追加，因此這個(gè)差異的影響比較有限。因此，建議采用調(diào)整溢流閥設(shè)定值的方法，不會(huì)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的功能和整體性能產(chǎn)生影響。

3.3 溢流閥設(shè)定值調(diào)整

選取一列車將目前溢流閥的開啟壓力由650 kPa提高到680 kPa，關(guān)閉壓力由≥580 kPa提高到≥630 kPa，使其關(guān)閉值高于緊急壓力設(shè)定值600 kPa。車輛在實(shí)際與運(yùn)用過程中沒有出現(xiàn)總風(fēng)欠壓的情況，并且在早晚客流高峰期間以及折返乘降時(shí)，列車風(fēng)源系統(tǒng)供風(fēng)和溢流閥工作均正常，沒有總風(fēng)壓力低的情況發(fā)生。

圖8～圖9為早高峰時(shí)段的數(shù)據(jù)，總風(fēng)壓力最低為666 kPa，列車風(fēng)源系統(tǒng)供風(fēng)和溢流閥工作均正常，沒有總風(fēng)壓力低于600 kPa情況發(fā)生

圖8 早高峰期間空簧壓力與 總風(fēng)壓力變化 6:34—7:10

圖9 早高峰期間空簧壓力與 總風(fēng)壓力變化7:54—8:36

4 結(jié)束語

對(duì)該起總風(fēng)欠壓故障進(jìn)行深入分析，原因?yàn)榀B加了空壓機(jī)LVD故障和乘降作業(yè)時(shí)急劇耗風(fēng)而導(dǎo)致的。通過對(duì)空壓機(jī)LVD的研究對(duì)風(fēng)源系統(tǒng)部件的選擇進(jìn)行了優(yōu)化，為后續(xù)產(chǎn)品選型提供了參考，避免類似故障和隱患再次發(fā)生。對(duì)乘降作業(yè)時(shí)急劇耗風(fēng)的解決方案進(jìn)行了分析和研究，并在實(shí)際車輛上進(jìn)行了實(shí)施，取得了良好的應(yīng)用效果，為制動(dòng)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計(jì)提供借鑒。在制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮載客流量變化對(duì)用風(fēng)的需求，同時(shí)設(shè)置合理的控制參數(shù)，增加車輛的可用性，避免發(fā)生影響運(yùn)營秩序的故障。