期刊论文｜新一代市域A型车制动系统设计与试验验证
基于新一代市域A型车项目对架控制动系统的需求，结合市域A型车的性能特点，开展制动系统常用制动、紧急制动等相关制动力设计计算工作。通过深入分析制动系统与市域车辆的适配性，完成针对市域车制动力管理配置策略及车辆防滑控制策略的适配性设计及说明。在制动系统创新技术研究方面，首次开展搭载传感器的减速度闭环功能设计与研究，成功实现制动系统减速度的精准输出控制，同时完成制动系统车载PHM系统的研究和开发，并成功应用于实车。最后通过在实际线路车辆的调试与型式试验，充分验证架控制动系统在新一代市域A型车上的可行性和适用性，为后期架控系统在高速市域车辆上的批量应用奠定坚实的技术基础。
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引 言
市域车辆是随着大型城市化不断发展而逐步兴起的一种车型，目前主流的市域车主要分为A、B、C、D4种车型，其中新一代市域A型车跨界融合了城轨车辆和动车组的优点，实现都市圈内城轨、市域（郊）相互联通，有利于满足城市和郊区居民“更快捷、高舒适”的城轨出行需求，具备运营里程跨区域长、列车运营速度高、快速换乘性好、舒适度优等特点。文章以4编组市域A型车为对象开展设计，先明确市域A型车架控制动系统的设计思路并对该制动系统进行优化改进，同时，针对新一代市域A型车“绿色智能”的发展需求，进一步开展制动系统减速度闭环控制设计，以及制动系统健康管理模型的设计与搭建，为实现制动系统的智能化、推动其检修维护工作的合理化奠定基础。
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车辆制动计算
依据新一代市域A型车制动系统的需求，对制动系统相关的技术参数进行梳理，并完成配套制动系统的设计计算和产品选型，同时进行制动所需的设计计算。
2.1 车辆模型
新一代市域A型车采用TMc-Mp+Mp-TMc的4编组形式，动拖比为三动一拖，其中，TMc车配置1个拖架和1个动力架，Mp车为全动架配置，依据车辆设计规范，制动系统设计遵循以下原则：在额定载荷条件下，平直干燥轨道环境中，考虑车辆的通用性需求，车轮处于半磨耗状态时，列车从最高运行速度制动至停车过程中需满足以下性能指标：
（1）最大常用制动减速度≥1.0m/s2；
（2）紧急制动减速度≥1.2m/s2；
（3）列车纵向冲击率≤0.75m/s3。
制动计算采用的黏着系数为0.14～0.16，实际计算取值为0.15。基于架控制动控制策略，紧急制动采用等黏着控制方式进行制动力管理与分配，以下结合市域A型车不同载重工况下的车辆信息完成对应制动力的计算分析。
2.2 制动计算
2.2.1 紧急制动计算
结合市域车的不同载重工况，车辆紧急制动力计算公式如下：
FEB_AW_j=(MAW_j+MAW_0×JZ)×aEB_AW_j （1）
式（1）中，FEB_AW_j为当前载重车辆所需的紧急制动力；MAW_j为不同载荷下的车重；MAW_0为AW0载荷下的车重；JZ为轮对等效转动惯量（计算时拖车取0.05，动车取0.1）；aEB_AW_j为预控瞬时减速度。
基于紧急制动力计算结果，结合架控制动系统实践评估，紧急制动响应时间取1.4s，最大常用制动响应时间取2.0s，进行制动夹钳、制动盘及摩擦系数设计计算。计算结果表明，为满足车辆紧急制动平均减速度不小于1.2m/s²的设计要求，新一代市域A型车紧急制动控制减速度设定为1.27m/s²。
2.2.2 最大常用制动计算
新一代市域A型车最大常用制动采用等磨耗的分配策略，最大冲动限制设定为0.75m/s³。依据车辆的载重信息及减速度要求，最大常用制动力计算公式如下：
FSB_AW_j=(MAW_j+MAW_0×JZ)×aSB_AW_j （2）
式（2）中，FSB_AW_j为车辆所需的最大常用制动力；MAW_j为不同载荷下的车重；MAW_0为AW0载荷的车重；JZ为轮对等效转动惯量；aSB_AW_j为最大常用预控瞬时减速度。
通过软件制动力计算可知，为满足车辆最大常用制动平均减速度不小于1.0m/s²的要求，同时考虑制动系统响应时间的影响，新一代市域A型车最大常用制动控制减速度设定为1.058m/s2。
2.3 停放制动计算
根据本项目设计要求，车辆在AW3载荷（超员载荷）下，需在正线最大30‰的坡道上实现稳定停车，且制动力需预留20%的余量，停放制动的核算公式如下：
式（3）中，F(i)t_R_AW_3为超员载荷、最大风速下整列车所需的制动力；M(i)AW_3为车辆超员时的载重；ip_R_AW_3为最大坡道（30‰）；CW为风阻系数；VW_max为项目提供的最大风速；NV为停放制动缸数量（16个）。
δR_AW_3=F(i)/F(i)t_R_AW_3 （4）
式（4）中，δR_AW_3为防滚安全余量；F(i)为整车停放制动力；F(i)t_R_AW_3为极限工况下的车辆所需制动力。
通过对车辆停放制动力在极限工况下的计算，得出车辆防滚安全余量为1.88，满足不小于1.2的设计要求。
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系统架构设计
基于上述制动参数计算结果，进行制动系统硬件架构与控制模块的匹配设计，新一代市域A型车制动系统采用架控式网络架构，具体如图1所示。在该架构中，制动控制装置（型号：EP09）的指令接收机制具备双重冗余特性：在网络正常情况下，同时接收来自以太网的制动指令与硬线列车线指令；在网络故障情况下，制动系统自动切换至硬线指令接收模式，以保障列车制动功能的连续性。其中，紧急制动与强迫缓解指令通过列车线直接传输至每个转向架的制动控制装置。
制动控制装置具备110V的开关量输入和输出功能可实现如牵引指令、制动指令以及跳跃模式等8路数字量输入（DIO）功能，同时集成逻辑诊断功能，能输出制动不缓解、超速等4路开关量信号。为精准获取车辆运行状态，架控制动控制装置需实时采集来自速度传感器的双轴速度信号，以判断车辆的速度信息。以太网车辆制动型式采用目前主流架控控制系统平台，该平台针对小编组列车特性进行优化，可实现制动过程的精准控制，并充分考虑小编组制动力损失的补偿策略。在制动控制系统的网络通信架构中，主阀（EP09G）主要负责与车辆以太网进行数据交互，接收来自以太网的控制指令，并进行本单元制动力的计算和分配，然后通过内控制局域网（CAN）转发本单元内部的指令信息给辅阀（EP09R）。而辅阀的功能则是在接收来自主阀（网 关阀）指令的同时进行动作执行，完成车辆所需的制动操作。
由主阀的输入输出电气接口定义可知，其硬线输入包括车辆电源线、紧急制动环路线及强迫缓解指令线。架控系统的核心部件为架控制动控制装置，通过气路的分区控制策略，制动控制装置的主要功能区域包括以下5个模块。
（1）空重车调整模块。该模块实现制动系统在不同载荷下的制动力自适应输出。系统通过采集车辆的空簧压力信号进行载重计算，依据压力值动态确定当前载荷对应的紧急制动缸目标压力。同时实时监测实际制动缸压力，通过压力闭环控制算法确保实际压力与目标压力一致，满足车辆在不同载重下的安全运行要求。
（2）远程缓解模块。针对常用制动无法缓解的故障场景，模块提供分级远程缓解方案：对于全自动驾驶车辆，运营控制中心（OCC）通过网络向车辆发送远程缓解指令，制动控制装置接收指令后执行制动缓解操作；对于普通列车自动运行系统（ATO）驾驶车辆，操作人员可通过人机界面显示（HMI）屏发起远程缓解操作，控制制动缸排出压缩空气，实现故障的快速处理，避免影响后续运营调度。
（3）常用制动控制模块。该功能区由2组可实现制动系统施加和缓解控制阀组组成，主气路的通断由气控阀实现，而气控阀开关则由先导式电磁阀的得电和失电进行控制，这两组阀的功能完全相同，属于冗余设计，可极大延长电磁阀及气控阀的使用寿命。在常用制动过程中，制动控制装置根据接收的制动级位信号，结合当前车辆载重参数，通过精准控制阀组开度调节制动缸压力，实现常用制动的施加、缓解和保压的功能。
（4）连通模块。连通模块专为架控制动系统的冗余切换与防滑控制设计，正常工作状态下，模块保持导通状态，可实现常用制动两组阀依次切换而不影响制动功能。但在车辆发生滑行且被制动系统监测到时，模块立即进入激活状态，气控阀关闭，使两路基础制动控制气路形成隔离，系统控制模式由架控自动切换为轴控，从而实现防滑的精准控制。
（5）传感器和压力测点模块。为实现制动压力的精准闭环控制，系统在关键位置设置压力监测点与传感器，主要监测参数包括制动控制装置输入压力、两路基础制动风缸压力、两路转向架空簧压力、紧急制动预控压力及停放制动缸压力。为提升传感器故障的可检测性，在各传感器下游均布置对应的压力测点，以便在必要时进行人工压力检测与校准。
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制动系统功能
4.1 制动形式
根据新一代市域A型车技术要求，制动系统涵盖常用制动、紧急制动、快速制动以及保持制动等多种制动工况，具体设计如下。
（1）在常用制动工况中，制动系统可根据空气弹簧压力对不同车辆载荷下的制动力进行动态调整，确保车辆无论处于何种载重状态，都能稳定输出符合要求的制动减速度。该工况下，制动系统通过列车网络实现空气制动力与电制动力混合控制。主网 关阀经以太网接收整车制动力需求，同时获取列车控制单元（TCU）发送的电制动力实际值，随后依据等磨耗原则计算出各转向架所需补充的的空气制动力，若电制动力已满足需求，则空气制动不参与补充，反之，空气制动通过CAN将制动力需求值发送至各转向架的制动控制装置。
（2）快速制动在控制策略上与常用制动一致，同样优先采用电空混合制动模式，实现在特殊情况下的快速停车。在制动系统的控制方法上，快速制动和紧急制动采用相同的减速度控制策略，且二者在制动缸压力设计上基本一致，但由于快速制动具有冲动控制功能，受冲动率的限制，其响应时间慢于紧急制动。
（3）紧急制动取自列车110V安全环路，采用失电制动和纯空气制动模式。鉴于该制动工况直接关系车辆安全，故严格遵循故障导向安全的原则：一旦安全环路失电引发紧急制动，在列车完全停止前不允许缓解制动，同时在车辆控制上采用与零速联锁机制，防止车辆在减速过程中重新起动，以此保障车辆乘客的绝对安全。
新一代市域A型车的保持制动在设计时充分考虑了市域车辆的特点，采用列车控制和管理系统（TCMS）控制与制动控制自主施加的双重控制方案，实现制动系统的安全停车。保持制动的设计需要考虑车辆在行驶过程中发生故障的恶劣工况，如列车载荷为AW3工况下且坡道为线路大坡道时发生故障，施加保持制动能够使列车安全停止。经车辆救援及坡道停车计算验证，市域车保持制动采用50%最大常用制动强度。
4.2 制动力分配策略
为实现上述制动工况的精准控制，需制定适配市域车特点的制动力分配策略。新一代市域A型车的制动力计算分配策略采用动车组制动管理模式，以空气制动系统为核心，牵引系统实时反馈电制动能力及实际值，制动系统负责整车制动力的计算和分配工作，同时空气制动采用“等磨耗”制动力分配原则，具体分配逻辑如下。
（1）当电制动大于或等于制动系统计算得出的整车所需制动力需求时，整车制动力由电制动全部承担，空气制动不参与补充。而当电制动力小于整车制动力需求时，空气制动将采用动拖车平均补给的方式进行制动力分配。
（2）当电制动小于制动系统计算得出的整车所需制动力需求时，剩余需要补充的制动力经制动系统核算后，平均分配给所有动架和拖架的制动控制装置。此时，若出现车辆所有动架达到车辆的黏着极限，车辆所需的剩余的制动力将全部通过平均分配的方式，由各拖车的空气制动承担。
（3）在制动过程中若出现动架电制动丢失的情况，制动系统会将该丢失电制动的动架按拖架标准进行制动力分配和管理，若此时发生动架的制动力已达到黏着极限，那么需要补充的空气制动将平均分配到各拖架以及丢失电制动的动力转向架上，以保障制动力的稳定输出。
4.3 防滑控制策略
新一代市域A型车的防滑控制采取制动系统统一管理模式，该设计与其他城轨车辆的防滑控制策略存在明显差异。其具体控制策略为：在电制动过程中，若制动系统检测到滑行现象时，空气制动系统会向电制动发出减少或保持电制动的控制信号，同时进一步检测防滑效果，若防滑功能得到改善，则继续按照原有的减速度执行制动，或由制动系统发出电制动增加的信号，直至制动过程结束。若防滑效果未改善，空气制动系统将持续向电制动发出减少指令，以此实现制动管理模式下的电制动防滑控制。
当滑行条件进一步恶劣，触发制动系统判定的严重滑行状态时，空气制动系统将接管防滑控制，发出“切除电制动”的控制指令，通过控制制动缸压力的增减恢复黏着功能。制动系统防滑微机控制板集成于制动控制装置中，空气防滑控制通过调整制动缸压力实现。控制装置根据CAN网段内各轴的速度信号计算列车参考速度，并按照减速率和速度差准则，按轴或转向架级别进行防滑控制，具体的判断策略为：当出现轴减速度小于临界滑行值、车辆任意轴的相应减速率信号超出预定基准值，或某轴的速度与基准速度间的速度差超过预定的基准值这3种情况中的任意一种时，防滑系统立即激活空气制动防滑控制功能，启动滑行控制操作。
4.4 减速度闭环控制
新一代市域A型车首次在制动控制装置中搭载减速度传感器以实现车辆的减速度闭环控制，如图2所示。
减速度闭环控制策略是通过减速度传感器捕获车辆制动过程中的减速度，并与预设的目标减速度进行比较，通过运算获得需要调整的参数后，由气动部分进行调整，以保证实际制动减速度和目标减速度一致。相对于常规控制模式，减速度闭环控制模式的显著特点是可直接将列车的实际减速度作为控制的目标值，对列车的制动过程实行减速度层面的闭环控制。在该控制模式下，列车依据传感器采集的实际减速度，可以将制动过程中如摩擦系数变动、坡道变化等不利工况纳入考量范围，进而精确控制列车的停车精度。
4.5 制动系统智能运维
新一代市域A型车制动运维系统由车载和地面2部分构成。其中，车载设备为智能运维终端，具备对制动系统关键部件过程数据实时处理能力，可实现数据清洗、特征变量计算、规则预警、寿命特征提取等功能，能够与地面组件协同配合提供运维支持。地面系统所需分析和处理的数据，由车辆维护网通过车地传输通道传送至车辆数据中心或数据云平台。
智能运维系统的功能部署主要分为部件性能评估、故障告警、寿命管理及专家系统3类。在性能预警方面，系统根据维护终端提取和计算的特征值开展分析评估，既可以在终端进行固定规则的判断，也能通过地面组件进行统计信息评估。故障告警功能由运维终端在车载端直接实现。寿命管理则主要依据车载运维终端统计的寿命变量进行分析，由地面组件在用户现场进行寿命变量的积累和重置，并借助用户交互界面对部件寿命进行管理和统计。
从实现方式上，系统模型主要分为制动特征模型类、数据统计类和综合评估类。其中，制动特征模型类基于系统原理、控制架构以及相关的系统故障库构建，涵盖全部的故障告警和实时性能预警类模型。数据统计类主要基于线路大数据和制动业务模型输出的系统特征值，对线路的相关故障和系统特征参数进行统计与预测，该部分需由地面组件结合数据库进行统计规则开发。综合评估类主要基于全部的故障和预测数据进行综合评估，并结合检修等其他数据库进行数据交互以得出评估结果，主要包括健康度评分等内容。
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试验验证
为进一步验证新一代市域A型车制动系统的可靠性和适用性，依据GB/T 14894-2005《城市轨道交通车辆组装后的检查和试验规则》以及本项目制动系统编制的型式试验大纲，进行最高速度下的紧急制动、最大常用制动、防滑性能以及热容量等多个试验项目，充分验证车辆制动性能的匹配性。
5.1 紧急制动验证
在紧急制动性能验证试验中，针对架控制动系统在160km/h最高速度等级下的制动表现进行测试。经试验，测试系统平均减速度为1.27m/s2，满足车辆设计平均减速度不小于1.2m/s2的要求，从图3所示的制动过程减速度曲线可见，整个制动过程曲线无异常波动，表明制动系统控制效果平稳可靠。
5.2 纯空气最大常用制动
在纯空气最大常用制动工况试验中，新一代市域A型车架控制动系统在160km/h最高速度等级下的制动性能得到验证。经试验测试制动平均减速度为1.07m/s2，满足平均减速度不小于1.0m/s2的设计指标，结合图4的试验曲线分析可知，制动过程中车辆速度下降平稳，无滑行；制动缸压力控制稳定，无剧烈波动，减速度控制平稳，各项指标均满足制动系统设计要求。
5.3 电空最大常用制动
在电空配合最大常用制动试验中，新一代市域A型车架控制动系统在160km/h最高速度等级下，无论是电空配合制动模式还是纯空气制动模式，最大常用制动工况下的的平均减速度均为1.09m/s2，满足平均减速度不小于1.0m/s2的技术要求，且由图5可见，制动过程中减速度保持平稳。同时在电空制动配合过程中，由于系统需经历电制动恒功率区阶段，所以在制动初始阶段需要进行空气制动的补充，待电制动效能达到额定输出能力并可承担全部制动需求后，空气制动系统自动退出工作，由电制动单独完成车辆减速控制，直至车辆完全停止。
5.4 防滑试验验证
为进一步验证制动系统的防滑功能可靠性，专门设计防滑性能试验，试验通过在车辆前进方向第一轴的车轮与钢轨触面预先喷洒减摩液，构建轮轨间的低黏着工况环境。在制动初速度为不小于160km/h时，分别进行电空混合最大常用制动、纯空气最大常用制动及紧急制动3种工况的防滑功能试验，试验测试曲线如图6、图7所示。
经试验验证，新一代市域A型车架控制动系统防滑性能表现正常，在车辆发生滑行时，制动系统可通过制动缸压力的实时调节，实现轮轨黏着状态的的快速恢复，测试数据显示，各种试验工况下防滑效率均大于85%，满足车辆防滑控制的设计要求。
5.5 热负荷试验验证
为评估制动系统在持续制动工况下的热稳定性，依据轨道交通行业对于铸钢制动盘和粉末冶金闸片长期运营温度不高于500℃要求，开展热负荷试验验证。试验在动架和拖架上分别安装温度监测装置，通过温度传感器，红外传感器采集制动盘表面温度，采用铂电阻传感器测量闸片工作温度。
试验进行2次紧急制动和纯空气制动模拟运营工况，如图8所示摩擦副最高温度为365℃和450℃，摩擦副的试验温度均在设计允许范围内，满足制动系统热负荷设计要求。
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结 论
综上所述，新一代市域A型车制动系统的设计和试验是一个复杂而严谨的过程。在研发过程中，需要充分考虑列车的运行特点、安全要求和乘坐舒适性。通过科学的设计和严格的试验验证流程，可确保制动系统具有高效、稳定、安全的特点，为列车的安全运行提供有力保障。本项目取得成果如下：
（1）经试验验证，城轨架控制动系统成功实现在160km/h速度级市域平台车的装车应用，试验后各项制动性能指标均满足市域A型车辆的设计要求；
（2）架控制动系统搭载的减速度传感器实现车辆制动减速度的闭环控制策略，试验结果表明该闭环控制效果明显，具有较强的推广应用价值；
（3）制动系统搭载车载故障预测与健康管理（PHM）智能运维终端，成功实现对制动系统子部件的健康状态管理及故障预警功能，该成果为后续深入开展制动系统部件的智能运维研究奠定坚实的基础，助力制动系统逐步实现从“计划修”向“状态修”转变。
/ 参考文献 /
来源：轨道车辆技术
