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基于转向架控制的地铁车辆制动控制系统开发

发表时间：2021/7/1 来源：《建筑科技》2021年7月上作者：吴凯

[导读] 随着我国地铁行业的蓬勃发展，为缓解交通压力，地铁成为最关键的交通工具。而地铁的运行安全与车辆性能密不可分，因此地铁车辆的可靠性越来越引起人们的重视。在地铁牵引系统控制方式的实际选择中，通常要考虑地铁列车编组、线路条件、技术性能和成本等因素。制动系统采用微机控制的直通式电空制动系统，可以使用司机控制器，对地铁列车进行制动与缓解。

山东省青岛市身份证号(37083119******5438) 吴凯 266000

摘要：随着我国地铁行业的蓬勃发展，为缓解交通压力，地铁成为最关键的交通工具。而地铁的运行安全与车辆性能密不可分，因此地铁车辆的可靠性越来越引起人们的重视。在地铁牵引系统控制方式的实际选择中，通常要考虑地铁列车编组、线路条件、技术性能和成本等因素。制动系统采用微机控制的直通式电空制动系统，可以使用司机控制器，对地铁列车进行制动与缓解。
关键词：轨道交通车辆；制动系统；制动管理
        引言
        为了提高地铁车辆制动系统的运维效率，避免制动系统过度维修造成资源浪费，设计了地铁车辆制动系统故障预测与健康管理系统，研究了电空制动系统典型部件的故障诊断与故障预测方法，对地铁车辆牵引制动出现的两种状况，进行了系统分析，找出了同时存在的问题点，进行全面分析并提出了解决方法。
        1制动管理概述
        制动管理一般基于整列车或者一定编组为单位，由特定的微机控制部件来负责计算总的制动力需求，并向各相关制动执行单元分配制动力。根据轨道交通车辆的实际运用来看，一般由TCMS（列车控制管理系统）的核心部件VCU（车辆控制单元）或者制动系统的EBCU（电子控制单元）来承担列车制动管理的职能。VCU负责列车制动管理时，牵引系统和制动系统不进行制动力计算，仅根据VCU分配的制动力请求，各自施加电制动力和摩擦制动力。当由制动系统的EBCU负责列车制动管理时，VCU不参与制动计算，只负责传输制动级位等相关信息，EBCU负责计算总制动力需求并根据牵引系统反馈的实际电制动力计算，补充施加摩擦制动力。
        2地铁车辆制动控制系统开发
        2.1牵引制动配合逻辑
        （1）列车制动时，EP2002制动系统中两个CAN总线单元内的主网关阀接收网络传输的制动状态指令和制动大小指令，根据其他EP2002阀传入的各个转向架载荷情况，计算整列车需求的制动力大小；通过网络给牵引系统发出电制动请求，主网关阀根据DCU返回的实际电制动力大小进行计算，从而决定是否需要补充空气制动及补充空气制动的大小。（2）牵引控制单元DCU接收到电制动指令后将开始进行电制动，按照0.75m/s3的速率进行上升，并将实际发挥电制动力反馈给EBCU；在制动起始时刻，DCU通过TCMS发送1.5s的电制动可用数值给制动系统，制动系统在1.5S按照实际的电制动力进行计算。
        2.2ＴＣＵ自律＋EBCU分布式管理
        １）VCU功能。汇总各车载荷后计算全列车质量，并下发各ＴＣＵ和EBCU；汇总各车电制动和摩擦制动的可用状态，并下发各ＴＣＵ和EBCU；接收制动级位指令并转发给ＴＣＵ和EBCU；汇总各车的电制动力和摩擦制动力反馈，并下发各ＴＣＵ和ＥＢ?ＣＵ。２）ＴＣＵ功能。根据VCU的载荷信息和制动级位信息计算所需施加的电制动力，并发挥电制动力；向VCU反馈实际电制动力；向VCU反馈电制动可用状态。３）EBCU功能。各车EBCU各自根据VCU的载荷信息、制动级位信息计算总制动力需求；各车EBCU根据各车实际电制动力计算总摩擦制动力需求；各车EBCU根据电制动可用状态、摩擦制动可用状态对各车摩擦制动力进行分配；各车EBCU根据分配计算的结果施加摩擦制动力；各车EBCU根据反馈的实际摩擦制动力进行二次分配计算（如需要）；向VCU反馈实际摩擦制动力；向VCU反馈摩擦制动可用状态。

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        2.3故障预测技术
        车载ＰＨＭ单元主要针对存在早期征兆的故障进行预警，将预警结果发送至地面平台进行进一步分析，在车载ＰＨＭ单元运算能力范围内实现在线故障预测功能，复杂预警模型放置地面ＰＨＭ系统实现其功能，故障预测的结果与车辆日常检修维护周期相结合，逐步实现定期修到状态修的过渡。城轨车辆正常运营过程中，由于空气制动系统的施加与缓解，中继阀内部的橡胶膜板以及弹簧部件会重复动作，由于磨损或制动力衰退，会导致中继阀的性能偏离其标称值。以中继阀寿命预测为例进行研究，研究由线性模型与卡尔曼滤波器构成的中继阀自适应模型。如图２所示，中继阀线性模型中增加了表示由于部件老化性能蜕变导致偏离其标称特性程度的健康参数；卡尔曼滤波器根据输出的偏离量估算中继阀状态变量与部件健康参数，并对线性模型中健康参数进行修正，保证线性模型对于中继阀对象的自适应跟踪能力。卡尔曼滤波器是部件自适应模型的关键构成部分，滤波器根据中继阀与线性模型输出的参数之间的残差向量估算状态变量与不可测量的部件健康参数，并将其用于修正线性模型中的对应参数，从而保证模型对中继阀输出的自适应跟踪。
        2.4设计方案验证结果
        设计方案实施后对其进行了跟踪调查，故障再次重现，发现故障出现时，模式为ATO，速度为70km/h，从ATO牵引指令信号转换至制动指令信号时，牵引指令信号仍然存在，且制动指令信号也存在，此时BBO采集到了反馈信号，发现ATO牵引指令信号一直处于激活状态，经信号方诊断确认，最后发现是OBCU内部控制牵引指令信号的WAGA继电器问题。
        2.5电机制动故障，最大自动减速度减速
        在电机制动完全故障时，列车所有的制动力全部来自于空气制动系统，等磨耗的仿真过程与上一节相似，但是要增加施加在车轮上的制动力。等黏着的仿真过程需要拖车和动车车轮依次参与，施加在拖车的制动力阈值肯定无法满足列车最大自动减速度的要求，所以在达到拖车的制动力阈值之后，还需要在动车车轮上施加制动力。两种辅助方式车轮的温度变化的规律趋近相同，但是温度变化的峰值依旧存在差异。这是由于在采用等磨耗辅助方式时，虽然动车和拖车车轮共同分担热负荷，但是列车全部的制动力都来自车轮，所以车轮温度的变化要比电机制动正常时剧烈，等黏着辅助方式的拖车车轮已经达到了制动力阈值，再增加可能会严重磨损车轮，拖车车轮的空气制动力略大于等磨耗方式，并且大部分热负荷依旧由拖车车轮承担，出现相似的温度变化规律，而车轮温度的峰值则有所差异。
        2.6架控式
        每辆车有2套制动控制单元，对于小编组列车，一套制动系统故障，列车仅失去单个转向架的制动力。其动拖比为1:1，若其中一套制动系统故障，则列车会损失整车16.6%的制动力，对制动距离的影响较小。如果列车牵引采用架控方式，相对车控每节动车增加了一台VVVF牵引逆变器，将会增加整车发生故障的几率。当一台VVVF牵引逆变器发生故障时，该节车只丧失了16.6%的动力。以120km/h的速度行驶，其最大牵引力为180kN，行驶过程中一台VVVF牵引逆变器故障，列车剩余150kN的动力。
        结语
        变轨距转向架的成功研制使我国货车向变轨距技术迈出了重要一步，为变轨距列车的开行做好了重要的技术储备。不同制动管理方式在数据传输、网络控制复杂度和控制统一性等方面存在一定的差异，针对不同类型的轨道交通车辆制式和运用场景，选用适合的制动管理方式，可以有利于更好地发挥制动效果，提升车辆性能。对高铁列车、动车组以及城市轨道交通车辆，给出了相应的制动管理方式的建议，对实际工程运用具有一定的参考意义。
参考文献:
［1］张乳燕．地铁车辆牵引系统故障诊断技术及系统的研究［D］．北京:北京交通大学，2019．
［2］周启虎．地铁车辆司控器故障整改探讨［J］．轻工科技，2016(5):61－62．
［3］王磊．地铁车辆司机控制器的研究［D］．冈崎:愛知学泉大学，2019．