城轨车辆车控制动系统与架控制动系统对比分析

王寿峰;徐广增

【摘 要】城市轨道车辆空气制动系统按控制方式分为车控系统和架控系统,介绍了两种空气制动系统的工作原理和各种特点,并从控制对象、可靠性、故障时制动力损失、与牵引系统的匹配性、可维护性等多个方面对两种系统进行对比分析,为优化与整车的系统集成提供参考. 【期刊名称】《铁道机车车辆》 【年(卷),期】2019(039)001 【总页数】5页(P114-117,122) 【关键词】城轨车辆;制动系统;车控;架控 【作 者】王寿峰;徐广增

【作者单位】中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,山东青岛266111 【正文语种】中 文 【中图分类】U239.5

制动系统作为列车最重要的系统之一，主要功能：保证列车减速、停车，并能够稳定地停止在坡道上。地铁列车的运行特点是站距短、起制动频繁、制动减速度大[1]，而且载荷波动较大，对起动和制动时有很高的舒适度要求，停车精度要求高。国内城轨列车制动系统基本采用的是微机控制、直通式电空制动系统，根据控制方

式不同，分为车控方式和架控方式。两者在控制原理、可靠性等方面均有差别，最主要的差别是：车控系统每车设置一套制动控制装置对单车进行制动控制；架控系统每车设置两套制动控制装置分别对各转向架进行制动控制。 1 车控制动系统

车控制动系统采用分布式控制方式，每辆车配备1个制动控制装置(BCU)，可以独立进行制动力的计算和分配并对所在车制动进行控制。每个制动控制装置直接连挂到列车总线和列车网络上，各车的BCU直接接收列车的制动指令。如图1所示。各车制动系统之间的依赖性较小，系统通信故障时对列车制动力的影响相对较小。 图1 车控制动系统方案

车控制动系统主要由微机控制单元(EBCU)、常用电磁阀、紧急电磁阀、空重车阀和中继阀等组成，气动阀集成在一块铝基气路板上。EBCU可以与气动阀件集成一体安装在车下，也可单独放置在车上电器柜内。 1.1 车控制动系统方案1

车控制动系统的一种典型原理如图2所示。 图2 车控制动系统典型原理图1

图2中，常用制动时，EBCU根制动指令、车重信息和电制动力反馈值等计算出需要补偿的空气制动力，控制常用电磁阀动作，生成预压力直接通过紧急电磁阀和空重车阀，输入到中继阀，控制中继阀输出规定压力值和流量的压缩空气到制动缸中，产生常用制动力。

紧急制动时，制动风缸中的压缩空气经紧急电磁阀直接输入到空重车阀生成预压力，经中继阀控制制动缸产生紧急制动力。 1.2 车控制动系统方案2

车控制动系统的另一种典型原理如图3所示。 图3 车控制动系统典型原理图2

图3中，常用制动气路与紧急制动气路完全分离。常用制动时，EBCU根制动指令、车重信息和电制动力反馈值等计算出需要补偿的空气制动力，控制常用电磁阀动作，生成预压力直接输入到中继阀，控制中继阀输出规定压力值和流量的压缩空气输入到制动缸中，产生常用制动力。此时紧急电磁阀得电，截断到紧急制动气路。 紧急制动时，若EBCU能够正常工作，则通过常用制动电磁阀会生产紧急制动预压力1，紧急制动气路通过空重车阀的调整也输出紧急制动预压力2通过紧急制动电磁阀输入到中继阀，中继阀根据紧急制动预压力1和2两者中的较大者生成紧急制动缸压力；若EBCU不能工作，中继阀根据紧急制动预压力2生成紧急制动缸压力。

图3方案相较于图2方案，在EBCU能够正常工作的前提下，将常用制动气路作为了紧急制动气路的备份，保证了紧急制动压力值。 1.3 车控系统的防滑控制

防滑控制一般采用轴控。当EBCU中防滑控制模块根据监测到某轴速度差或减速度超过范围时，控制防滑阀动作进行排风、保压、充风控制的，实现滑行轴的恢复。 目前，国内城轨车辆使用较多的车控系统主要有：北京纵横机电的EP08制动系统、克诺尔的KBGM-P制动系统、纳博泰斯克的HRA制动系统等。其中，KBGM-P制动系统气路原理同图2，并在车内电器柜单独设置EBCU—ESRA制动控制单元；EP08制动系统和HRA制动系统的气路原理同图3，EBCU与气动阀集成一体。 2 架控制动系统

采用架控方式时，每辆车配备两个制动控制装置，以转向架为单位进行制动力的计算和分配。其中制动网关阀(G阀)除具有制动控制功能外，还具有网关功能，负责接收制动指令以及向车辆控制系统反馈制动系统的状态，制动智能阀(S阀)仅具有制动控制功能，无网关功能，通过内部CAN总线从G阀处获取制动指令。 全列车制动控制装置(G阀/S阀)会组成多个CAN网单元(一般2个)。在每一个

CAN网单元中，配置主辅2个G阀，其他为S阀，如图4所示。 图4 架控制动系统方案

由于单个CAN网单元中G阀进行冗余配置，对G阀可靠性的依赖程度有所降低，对于同样部件可靠度情况下能提高系统指令传输的可靠度。

架控制动系统的EBCU和气动阀件高度集成，靠近转向架布置。架控制动系统气路原理如图5所示。根据功能模块，架控制动系统主要由主调节器、次级调节器、负荷单元、BCP调节单元、连接阀、远程缓解单元、电子单元控制的EP阀及压力传感器等组成。

图5 架控制动系统原理图

主调节器：根据载荷对紧急制动压力进行调节。

次级调节器：位于主调节器上游，输出超员载荷下对应的紧急制动压力。 负荷单元：根据载荷对紧急和常用制动压力进行调节，向主调节器提供预压力。 BCP调节单元：将主调节器输出的压力进一步调节，输出符合规定压力值的制动缸压力。同时根据EBCU输出的指令，进行防滑控制。

连接阀：将BCP调节单元输出到同一架两轴的制动缸压力串通。但出现滑行时，将BCP调节单元输出的两路压力分开，以达到轴控防滑控制的目的。 远程缓解单元：用于缓解。[2]

电子单元控制的EP阀：将EBCU输出的电气指令转为气动指令控制相应的单元工作。

压力传感器：用于对各路压力进行监控，实现对制动缸压力的闭环控制。 目前，国内城轨车辆使用的架控系统主要有：克诺尔的EP2002制动系统和北京纵横机电的EP09制动系统等，其气路原理基本一致。 3 车控系统与架控系统对比分析(见表1) 4 结束语

从列车对制动功能和性能需求方面，车控制动系统和架控制动系统均能实现与车辆子系统及整车的完美匹配，两种系统都有着各自的优势。车控制动系统在管、线布置、内网通信可靠的依赖性、模块化与互换性、车辆扩编设计、可维护性和国产化等方面存在一定优势；架控制动系统在控制对象、安装、响应时间、故障时制动力损失和与牵引系统匹配性等方面有优势。

对于编组较短的车辆，为尽量降低制动系统故障时制动力的损失，可优选架控系统；当车辆编组达到6辆及以上时，各车间的制动力冗余度升高，架控优势将不再明显，可综合牵引控制系统的匹配性、制动系统通信接口可靠性等多方面考虑。从车辆的故障运维成本角度看，能够实现子部件更换的车控方案将在成本方面具有很大优势。对于未来有灵活编组或扩编需求的车辆，车控系统的适应性更大。 表1 车控系统与架控系统对比分析No.项点车控制动系统架控制动系统1系统组成每辆车1个制动控制装置每辆车2个制动控制装置(G阀/S阀)2控制对象以单辆车的基础制动单元为控制对象进行压力控制以单个转向架的基础制动单元为控制对象进行压力控制3安装制动控制装置相对于架控体积较大,质量较重,安装位置尽量靠近车辆中心但相对较灵活制动控制装置气路和电气部件集成化程度高,体积较小,质量较轻,须靠近基础制动单元布置4管、线布置每辆车需为单个制动控制装置布置一套管路和电气线路气路接口和电气线路接口空间布置较宽松每辆车需为2个制动控制装置各布置一套管路和电气线路气路和电气接口布置紧密,相应接口处布置较复杂5制动响应时间完全目前使用要求由于与基础制动单元间管路距离较短,制动响应时间略短6系统制动控制策略每辆车的制动控制装置直接连接至列车总线上,直接接收列车的制动指令并输出制动信息,以车辆为单位进行制动力的计算和分配,实现单车制动控制和通信的功能制动控制装置(G阀/S阀)组成两个CAN网单元。单个CAN网单元内配置主辅2个G阀,具备转向架制动控制功能和网关功能;该CAN网单元其他制动控制装置为S阀,仅具备转向架制动控制功能,通过CAN网

单元内的G阀获取制动指令7控制功能能够实现常用制动(包括快速制动)、紧急制动、保持制动、停放制动、电空配合、空重车调整、滑行控制和故障诊断记录等功能能够实现常用制动(包括快速制动)、紧急制动、保持制动、停放制动、电空配合、空重车调整、滑行控制和故障诊断记录等功能8制动系统通信接口可靠性车控制动系统采用分布式控制方式,每个制动控制装置可以独立进行制动力的计算和分配,各车制动系统之间的依赖性较小,网络故障时对列车制动力的影响相对较小制动控制依赖制动控制装置组成的CAN网但单个CAN网单元内G阀冗余配置,对G阀可靠性的依赖程度有所降低9故障时,制动力损失单个制动控制装置故障时,损失一辆车制动力单个制动控制装置故障时,仅损失一个架的制动力编组越长,制动控制装置故障对全列制动力影响越小10载荷信号来自同一转向架的空气弹簧压力先经机械式平均处理后输入到制动控制装置内部,用于空重车调整采集整车4个空气弹簧的压力信号,用于空重车调整空气弹簧压力信号的冗余性较好11闸瓦(片)磨耗两种系统的电空配合和制动力控制策略可以相同,闸瓦(片)磨耗主要取决于电制动发挥水平、线路条件以及摩擦副的配合条件等因素12防滑控制防滑保护基于轴控,制动控制装置和防滑阀互为独立部件,制动控制装置控制防滑阀动作防滑保护基于轴控,G阀/S阀具有防滑保护功能13与牵引控制系统的匹配性考虑牵引控制系统失效的情况。车控制动系统可与车控牵引控制系统及轴控牵引控制系统实现较好的配合。与架控牵引控制系统配合时,牵引控制系统失效,为防止过补偿通常要求切除单车内另一牵引控制系统,造成电制动力的浪费考虑牵引控制系统失效的情况。架控制动系统可与车控牵引控制系统、架控牵引控制系统及轴控牵引控制系统实现较好的配合14模块化与互换性车控方案,制动系统各模块对不同车型的依赖性较低,更易实现互换性由于在一个CAN单元内区分了G阀和S阀,G阀间可实现互换,S阀间可现实互换15车辆扩编设计各车制动系统原理基本一致,车辆扩编时,增加制动控制装置即可由于列车内部制动系统通常分成了几个CAN单元,扩编时需考虑CAN单元的

划分16可维护性制动控制装置内各部件实现了模块化设计,单个部件故障时可单独更换相应部件G阀/S阀体积小,气动部件和电气部件混装,制动控制装置内部单个部件故障时须整体拆换,并返厂维护检修17国产化已实现国产化,且国产化方案应用较广泛已实现国产化

从运营维护角度看，架控系统(特别是国产化方案)在可靠性、故障率和子部件维护等方面将是其优化设计的重点。架控系统若相较于车控系统有了较大的提高，将是更优的选择。 参考文献

【相关文献】

[1] 李 毅，杨 弘.在长大坡道上运行的地铁客车制动系统方案制定与分析[J].中国铁道科学，2002，23(2)：95-101.

[2] S.W.Hall.EP2002型分布式制动控制阀产品说明书[M]. United Kingdom：Knorr-Bremse Rail Systems (UK) Ltd.，2012.