-4-一、緒論（一）選題背景城市軌道交通是目前主流的城市交通方式之一，它的優點在于它承載大，污染小，節能，環保，準時，性價比高，穩定等優點，并且能夠對城市地下空間進行有效的利用，能夠為當前地面空間已經很緊縮的城市進行節省地表資源。最主要的就是它承載量大的優點，據粗略統計數據，城市軌道交通每小時能夠向單方向運輸10萬人，因此它能夠對當前城市交通擁擠進行有效的疏解。截止到2017年12月，國內擁有軌道交通的城市總數一共有35個，總線路171條，總車站數量3269個，軌道總里程5083.456千米，有望成為全球第一大城市軌道交通市場。目前，我國的城市鐵路建設步伐不斷加快，路網規模不斷擴展。城軌車輛市場對城軌車輛的需求量越來越大，城軌車輛的結構和運行環境的多變使得城軌車輛經常出現各種問題。在2015~2017年度重慶市區軌道交通事故中，以城軌車輛失效為主要原因，并以最高速度上升，由43.47%上升到67.28%。因此，在保證地鐵行車的正常運行中，保證其正常行駛是保證其安全的重要條件。（二）研究目的與意義城市鐵路車輛剎車是保障鐵路運行的重要手段，其功能既是提高交通效率，也是保障乘客和乘客生命健康的重要保障。本文的研究內容是關于城軌列車剎車的，在我國，關于城軌列車剎車的研究很少，而在此基礎上，本文著重于對列車的剎車系統進行了詳細而全面的分析，從而找到了問題的根源，并進行了科學的分析，從而為開發人員的安全和正確的工作奠定了基礎。（三）國內外研究現狀目前來說國內外對于制動系統的故障分析主要還是從列車運營故障數據進行入手研究，城軌車輛制動系統對城軌交通車輛的安全及正點方面起決定性的作用，能夠對城軌車聯運營上出現的一些故障進行及時的分析研究，能夠針對故障制定出相應的應急措施就是目前的重中之重。國內外對于剎車系統經常發生的故障進行了分析討論，并根據這些問題，采取了不同的應對對策。李小亮和王鵬飛圍繞著城市鐵路的剎車裝置進行了詳細的分析，并從理論上對其進行了詳細的闡述，并根據試驗結果，給出了在不同情況下如何采取緊急應對的對策；胡婉瑩介紹了DK-2型制動機的主要功能和構造，并討論了制動器在這一領域存在的問題，并給出了相應的解決方案，確保了城市軌道交通的安全；劉騰飛詳細地介紹了鄭州軌道交通1號線剎車裝置的構成，深入地介紹了剎車裝置各個重要部件的作用和構造，并將一些常見的故障加以分析，為以后的列車剎車裝置的設計和維修提供了依據。同時，目前國內外關于城市軌道交通剎車不能得到有效解決的問題也有深入的探討。范榮巍等將列車剎車系統的主要問題歸結為剎車失靈和剎車失靈，并對其成因進行了歸類分析。李巍等對CRH3動車組常見制動、緊急制動、停車制動無法減輕的問題進行了詳細的剖析，并從制動機理出發，制訂了一系列的緊急處理措施，將事故的影響降到最低，確保了列車的安全。姚輝沛對CRH380D動車組在非主控制端部出現了緊急剎車而不能減輕其問題的原因進行了詳細的研究，并針對CRH380D列車的運行機理，給出了相應的解決方案。李健針針對CRH3型和諧號列車的空調系統常見的問題進行了深入的探討，并提出了解決方案；張巍還針對地鐵車輛剎車系統中的常見問題進行了剖析，并給出了相應的解決方案，提高了列車的運行品質；黃曄對2017-5月成都軌道交通車輛剎車裝置的防滑失效情況進行了分析，結果顯示，該裝置的主要失效形式為87.5%，對其運行造成了很大的負面影響。王宗明認為，開發城軌車輛制動系統和防滑結構，分析防滑閥的失效特征，需要提供一系列相關的算法流程，還應該開發制動仿真模型，仿真有可能發生的故障。此外，肖光明還從車輛和駕駛員破壞的角度分析了AC6列車緊急制動的原因，從而提高了列車緊急制動的周期。在此基礎上，結合改造前后的各種資料進行了比較和比較。武海清把地鐵列車剎車系統的主要失效機制和運行安全問題結合起來，將其劃分為三大類型：“有清空乘客需要，需要應急救助）。中度的（火車開往維修點）和次的失效（火車在終點日的運營，返回倉庫），以及MVB的失效；指令邏輯故障、空氣制動不能減輕是主要故障，將自行車制動系統故障和制動力不足列為中等故障，壓力傳感器故障、防滑控制系統故障和速度傳感器故障屬于次級故障。

二、制動系統概述（一）城軌車輛制動系統概述1、制動系統特點城軌車輛制動系統指的是制動系統在地鐵自動運行裝置（ATO裝置）、地鐵自動防護裝置（ATP裝置）的控制中，制動信號出現并發出，電制動和氣制動制動力分配協調。（1）現在城市軌道交通為了滿足絕大部分人出行的目的地要求，它們的間距都很短，大約都是1~2km內，例如上海地鐵1號線從虹梅南路到上海火車站共13個車站，共計16.67km，平均下來站間距僅有1.39km。不僅如此，城市軌道交通運營車站座數也較多，尤其是地鐵，例如重慶軌道交通3號線共計39座車站。由于城軌車輛運行速度快、車站座數多且站距較短，使得地鐵多次啟動和制動，要做到地鐵安全運行，應保證制動系統的性能，如運行迅速靈敏、運行準確高效、啟停平穩以及制動性能強。（2）城市的客運差別很大，地鐵在空載的時候，總重量只是它本身的重量，但是地鐵滿載的時候，總重量能夠達到70.9噸。因此，載重量嚴重影響著地鐵總重，當地鐵制動時，需要將減速度控制在合理范圍中，防止減速度過大導致車輪被抱死滑行。（3）城市軌道交通一般都建于中大城市中，這些城市因為身處一線地位，客流大，運輸需求高，而城市軌道交通就是其中的骨干，城市軌道交通承載乘客運量大，在便捷的同時也對其安全要求更加嚴格，為了保證城市軌道交通的安全，必須保證城市軌道交通的剎車系統具有應急剎車的作用。如果有什么突發狀況，可以用減速的方式，讓自己的速度更快。緊急剎車可以通過駕駛員操作緊急剎車鍵或者地鐵電腦來發動，也可以通過乘務員或者旅客拉動應急剎車把來發動。（4）此外，當剎車裝置出現故障或性能惡化時，城市鐵路車輛剎車系統也必須確保剎車動作，也就是說，剎車系統具有很高的可靠性。2、制動系統功能分析城軌車輛制動系統具備的功能除了制動功能外還有其他常用的功能如快速制動、緊急制動、駐車制動、聯合制動和維護制動，以及一些防滑、檢測和診斷功能，具體分析如下：（1）常用制動功能城市軌道交通的常用制動功能是為了能夠保證運營過程中對地鐵的速度進行調節，包括了進站停車施行的制動，這種常用的變速調節制動減速緩和，不會對行駛中的顧客舒適性產生多大的影響。根據實際運行狀況，制動能力也能進行相應的調整，且一般情況下僅僅能用到大約制動能力的一半。對于常用制動而言，它僅僅滿足地鐵正常運行中的減速和停車作用，采用了電空混合制動，使用時會優先使用電制動，然后由空氣制動進行補充。（2）快速制動功能快速制動是為了地鐵能夠盡快減速而實施的制動功能，其目的是在地鐵正常運行過程中快速地調節和控制車速。與常用制動的不同之處在于，其作用較迅猛，制動時為全空氣制動，無電氣制動，在發動快速制動指令時即可進行撤銷。（3）緊急制動功能所謂緊急制動，主要是指在緊急情況下，地鐵需要進行制動，其特點是效果相對較快，必須充分利用地鐵的制動性能。與正常的制動力相比，它的制動力通常高大約10%。在緊急制動期間，它保持全空氣制動，沒有電制動，并且不由電子制動控制單元（EBCU）控制，而是由空氣制動控制單元的緊急電磁閥（PBCU）控制。緊急制動操作是不可逆的，即緊急制動命令是不可逆的，地鐵必須減速直到完全停止，也就是零速制動。（4）停放制動功能城軌車輛在停車時，由于空壓機裝置不能正常起動，管路系統不能向制動缸提供空氣，制動器缸內壓力趨于于零，導致制動器失去制動力。停車剎車是指城軌車輛在停車時對城軌車輛進行剎車，如“鐵鞋”。與城軌車輛行駛時的剎車效果不同，該系統利用彈性作用力來實現剎車。在風源系統工作正常的情況下，管道系統向帶有停車作用的剎車油缸輸送空氣，這時油缸內的氣壓回復到正常，停車制動就會自行解除；在風源系統停機后，沒有任何空氣進入制動缸，這時油缸壓力接近于零，剎車油缸會排出廢氣，剎車制動器會自動聯接，也可以手動釋放。（5）保持制動功能空氣制動與行車制動相同，用于防止地鐵在停車時打滑。（6）防滑控制功能能對地鐵的各軸進行防滑檢測，并對空氣制動實施防滑保護，空氣滑行也能對電制動滑行系統進行協調運作，能夠出現滑行事故的車輪盡快調整恢復黏著，并根據速度差和減速等數據的變化來區分防滑控制的需要，具有自檢和故障記錄等功能，以檢測SLD的狀態，并識別控制單元本身。（7）檢測及故障診斷功能制動系統通過對系統中重要零部件功能和運行狀態的檢測，能夠進行自我檢測能夠排查故障診斷功能，除此以外，對于制動力不足與制動緩解不良均存在檢測功能，當診斷系統出現故障時，故障信息可通過MVB在地鐵控制系統中使用，并顯示在駕駛員屏幕上。（二）動車制動系統組成1、司機室制動裝置包括駕駛員制動手柄、駕駛員緊急制動按鈕、緊急制動桿、駐車制動器、釋放按鈕和駕駛員制動顯示器。2、制動控制系統（空氣制動、電制動）國內地鐵通常采用8節車廂的布置系統，制動系統轉向結構分為兩個單元，整體制動系統分布相對合理。如圖2-1所示。圖2-1制動控制系統結構示意圖制動控制單位主要的功能是，負責傳輸，處理地鐵本車制動系統之間的信號指令，并能夠依據控制系統來控制各車的部件，可以釋放和使用空氣制動器，負責驅動車輛控制單元，并在制動手柄和地鐵自動保護系統以及地鐵中央控制單元之間建立聯系，以處理和接收不同的指令，然后將指令分發到相應的制動控制單元，以控制制動器。控制是通過連接并釋放到牽引系統和制動控制單元的電子制動器的固定信號來實現的。3、防滑控制裝置動車組的每個軸承都安裝有防止防滑的保護裝置，此裝置符合UIC規定的標準，能有效預防車輪被擦傷，提高車輪的黏著力，來實現對地鐵的防滑保護。4、風源系統主輔供風系統是動車組風源系統的主要系統，主供風系統由四套主供風單元組成，滿足用風需求，保證動車組運行時總風壓保持在850-1000kPa之間；當動車組總壓不足，車輛未通電，主供風單元無法啟動時，應通過110伏蓄電池和輔助供風系統啟動輔助壓縮機，并向高壓空氣系統供風，維持高壓系統電源正常運行。5、基礎制動裝置動車組有一個基礎制動器，工作靈活可靠。動力驅動轉向架有許多移動軸，每個軸都有兩個反向臺制動裝置，每個非機動轉向架有三個軸平制動器。制動盤、制動鞍座和制動零件都是基本的制動裝置。（三）動車對制動系統的特殊要求現在地鐵的運行速度越來越高，因此機動車輛對于制動系統的要求隨之增高，而在能量角度上考慮，地鐵動能和運行速度的平方成為正比，,因此地鐵應該具備的制動功率也應該至少得與最高速度的平方成正比，并且我們考慮到黏住與防滑，如果想讓地鐵在一個規定距離段中停下，是需要一個較大的減速，并且對于粘著要求也是相應挺高的，高性能的防滑設備還能提高粘著度，對地鐵運行人員的安全進行保障，還能提高乘坐的舒適度，并且對于制動力的控制精度也有更高的要求，通過這多方面的因素來考慮，高速的地鐵制動系統必須具備如下的條件：（1）盡可能縮短制動距離以保障行車安全根據幾種制動控制方法的列車空轉時間的比較，電氣指令式制動型列車空轉時間最短。（2）司機操縱地鐵制動系統靈活可靠要想讓地鐵實現自動控制，高速行駛的地鐵對制動系統還有另一個要求，制動系統要能適應地鐵自動控制系統，必須操縱起來很方便、使用起來很可靠。司機在高速行駛時無法了解地面信息，因此必須使用地鐵自動控制系統，能夠對地鐵制動力增減自如，能夠制動平滑。歐美、日本等國的高速地鐵都安裝了電氣指令樣式的電空制動機,電空制動機是由電腦來控制的，它集中了地鐵監督、制動率、滑行控制、速度控制等功能。（3）盡量減輕制動裝置重量盡量降低轉向架的簧下質量，并通過快速運行來確保穩定性和舒適性。制動盤重量主要約為總非彈性質量的10%，從制動的角度來看，我們可以開發新的更輕、更高效的剎車片，例如鋁合金和碳纖維制成的復合剎車片，可以有效減輕簧下的重量。

三、城軌車輛制動系統故障分析城市軌道交通制動器的結構比較復雜；電氣控制裝置及附屬零件等。與此同時，城市軌道交通的工作環境也是多種多樣的，不僅受氣溫的影響；壓力，振動，沖擊，濕度，風沙，灰塵，雨水和輻射都會對其產生影響。這些原因使得列車的剎車系統容易出現故障，并且存在著多種類型的故障，嚴重影響了地鐵整體運行的安全。根據制動器的結構構成，分析了制動器的常見故障。（一）空氣來源和管道風源和管道系統的故障主要有：空壓機的漏氣、機頭螺栓松動造成的漏油、電源不正常或不正常的吹風；濾清器阻塞或漏氣；空氣干燥器故障，壓力開關損壞，氣缸活塞損壞，密封圈松動，軟管損壞，連接部件松動，安全閥損壞，漏氣。在城市軌道交通列車制動系統中，列車下轉向架的排氣噪聲較大，同時也表明了列車的送風不正常。其主要原因是由于閥體內的橡膠破損，造成閥座與密封件間有氣體泄漏。地鐵運營中經常會出現管道系統的嚴重漏風現象，由于列車的氣壓太低，不能有效地減緩列車的緊急剎車和停車剎車，即使壓縮機不停工作，管道內的氣壓也不會上升，這說明管道可能出現了故障，造成了大量的壓縮空氣泄漏，泄漏的數量遠遠大于空氣供給，如果氣壓太低，就會產生緊急剎車或停車制動。（二）氣壓懸吊裝置氣浮裝置的失效原因有：安全閥失效；閥蓋密封件破損或松散，并有氣體泄漏；高度閥松動，空氣彈簧上蓋和閥座密封件之間的橡膠變形，造成裝配錯誤，漏氣，差壓閥失效等。在城市軌道交通列車的剎車裝置中，如果空氣彈簧發生故障，很有可能導致列車的行駛安全，甚至是車身的傾側，更有可能導致列車的出軌。如果空氣彈簧布有損傷，空氣彈簧裂縫超過30毫米，深及高超過1毫米，空氣彈簧氣泡的氣泡直徑大于50毫米時，必須及時替換，以免發生進一步的問題。（三）停放制動系統停放制動系統故障原因主要包括安全閥損壞漏氣、雙脈沖電磁閥內部“O”形線圈損壞、雙向止回閥故障、帶電塞門密封圈損壞或松動漏氣、軟管破損或接頭裝配松動漏氣等。對于城軌車輛制動系統而言，駐車制動不應主要從單車駐車制動中釋放，列車駐車制動也不應釋放。如果單車駐車制動未釋放，可能是駐車制動部件故障，無法正常釋放；全列車駐車制動未釋放時，多數是因為駕駛室的駐車制動按鈕無法釋放制動。（四）制動控制裝置剎車控制器失效的原因有：過濾器過濾器損壞或阻塞；電動空氣變換閥（EP閥）故障，緊急電磁閥故障，空重閥調節螺釘松動，繼電器閥內排氣閥的彈簧破損，泄漏空氣。在城市軌道列車剎車裝置的工作中，由于地鐵啟動和停車頻繁，車輪長期處于磨耗的狀況下，EBCU印制線路板的單片機晶片容易發生老化，導致剎車電子控制器失效。此外，在一些區段的城軌車輛中，常常會發生空氣剎車干擾，造成此故障的主要原因是EP閥門剎車不均衡。當螺線管閥門的內部破損增多時，螺線管將失去高的制動功率。由于螺線管閥門閥蓋上的密封圈破裂，閥蓋內有金屬油脂物，橡膠模板破損或陳舊，造成了單節城軌車輛的氣閘故障。（五）基本剎車設備基本剎車系統的失效原因有：塞門密封件破損、泄漏氣體、轉速傳感失效；經常的滑動排氣閥閥桿運動導致的橡膠襯板松動，導致定位面突出，制動軟管損壞，連接件松動漏氣，制動缸漏氣等。在城市軌道交通列車的剎車系統中，由于車速和防滑門的存在，一旦這些部件出現了問題，將會對城市軌道交通的安全造成不利的后果。如果傳感與轉速轉換器之間的距離超過規定值，則測量范圍和轉速區域會出現大量鐵粉、油脂等雜質。常見的維修保養不達標、電纜老化迅速等問題，均可造成防滑動裝置失效。

四、制動系統故障處理（一）制動系統故障介紹動車組在主干線上正常運行中，制動系統做為動車組安全運行的主要保障條件，在各種使用因素和操作的影響下，各制動單元和部件常會出現各類故障，極大的影響到了動車組的安全準時運行，對旅客出行帶來了不便。制動系統出現的故障一般都定意為影響行車的大故障，不經解決，不允許動車組上線運行。動車組在庫內檢修發現故障時，還可以扣車進行處理，但在運行中，只能在一定時間內解決，如無法解決，會直接降速或者救援處理。之后動車組入庫直到故障處理為止。制動系統如果有故障時，表現出的現象就是制動不緩解或都制動不施加。故障產生的原因主要有以下幾點：（1）WTB通訊故障（2）管路漏風（3）制動電磁閥故障（4）安全環路故障錯誤操作導致對于制動系統系統，每天都有檢修作業，每次檢查，都會對各制動功能進行測試，同時會下載故障信息進行隱形故障的檢查。如有各故障發生，則會在第一進間進行處理，保證動車組上線運行的安全可靠。（二）常見故障分析1、停放制動故障故障現象：CRH5A動車組，1車主控，升3車弓，開車前司機緩解停放制動時TD屏報“車輛號1，單列動車組施加停放制動的車輛為5輛或者更少”，TD屏顯示8車停放制動不緩解。故障分析：（1）查看8車遠程數據和下載BCU故障,故障發生時無制動板卡和停放制動等相關故障信息報出。如下圖所示：圖4-1故障信息（2）檢查95K06控制板卡及雙穩態電磁閥，檢查95K06控制板卡和雙穩態繼電器外觀未見異常，接線無松動虛接等異常情況，（3）檢查30Q17空開下口接線線路未發現有短路、接地等異常情況，檢查接線時有虛接現象。分析可知：30Q17空開負責給本車停放制動雙穩態電磁閥供電，用來實施停放制動的施加和緩解功能。當30Q17空開斷開時，在本車停放制動施加繼電器30K10和緩解繼電器30K11動作后，雙穩態電磁閥不能正常得電動作，從而使本車停放制動施加和緩解不能執行。此次故障判斷為該空開長時間運行振動導致接線虛接而發生故障。故障處理：將該空開下口接線重新進行連接，后線路各繼電器電路進行檢查，供電后對停放制動進行多次試驗，保證制動故障清除。后續對各動車組空開及繼電器線路接線進行一次檢查，防止其它車輛發生類似故障。2、全列制動不緩解故障故障現象：CRH5G動車組動行途中1車與站內垂下的故障接觸網電聯線相撞放電，車體遭受電擊。后投入主控鑰匙后，發現BPS屏BCU重大故障燈點亮，BPS屏報BCU重大故障,全列制動不緩解。故障分析：（1）下載TCMS數據顯示，01車首次報出BCU重大故障。（2）占用08車主控，使用BCU軟件監控發現無尾車（01車）環路信號。（3）檢查01車尾繼電器95K55板卡，發現95K55線圈上下口均有正電。（4）排查95K55板卡負線存在斷路，繼續排查發現95K53板卡燒損，后續繼續排查，發現94A57板卡及插座融損、95K54板卡燒損。分析可知：地鐵制動環路建立包含3個必要條件，一是制動環路頭尾車信號建立，二是BCU控制系統無故障，三是列車無網路通訊故障。當制動環路無法建立時，列車將報出BCU重大故障，列車制動不緩解。通過庫內排查發現01車95K55板卡供電負線存在斷路，故障點位于8b、8d針間，位置對應為95K53板卡，檢查95K53板卡燒損。因此判斷95K53板卡燒損導致列車報BCU重大故障。故障處理：對故障01車95K53、95K54板卡及94A57板卡及插座進行更換，供電對進行制動試驗和故障下載，動車組制動系統恢復正常，無后續故障報出。3、網絡系統故障故障現象：CRH5A動車組，08車主控，開車時司機通知隨車機械師TD屏報故障信息：“車輛號8，當牽引制動手柄在牽引位時，檢測到個別軸制動不緩解”。故障分析：（1）確認TD屏故障信息并重新施加、緩解常用制動，當常用制動緩解時TD屏顯示08車空氣制動緩解有延遲現象，查看壓力表和電子儀器界面顯示08車制動缸壓力均正常為零。應急指揮進行BCU復位后故障未消除，切除08車空氣制動，限速185km/h運行。（2）查看動車組TD屏故障信息，顯示在16點52分40秒報出故障信息“當牽引制動手柄在牽引位時,檢測到個別軸制動不緩解”。（3）查看08車BCU數據，BCU無相關信息報出；下載08車TCMS數據，顯示報出故障信息“當牽引制動手柄在牽引位時,檢測到個別軸制動不緩解”,無其他故障信息報出。（4）監控08車司機室RIOM模塊和客室RIOM模塊，RIOM工作異常,判斷為網絡系統故障導致。分析可知：壓力開關B20.08和B20.09分別負責檢測本節車1、4軸和2、3軸空氣制動的施加和緩解狀態。在空氣制動施加和緩解時，BCU將采集到的壓力開關觸點信號，反饋到本節車的RIOM-A模塊和RIOM-B模塊（冗余輸入）,再經本地RIOM反饋到列車網絡，TD屏采集列車網絡數據用來顯示某節車1、4軸和2、3軸的制動狀態。當牽引制動手柄在牽引位時，若檢測到個別軸空氣制動不緩解時，TD屏會報出“當牽引制動手柄在牽引位時,檢測到個別軸制動不緩解”故障信息，如下圖所示：圖4-2網絡系統故障圖故障處理：更換08車制動控制單元的B20.08、B20.09壓力開關和08車兩個RIOM模塊，供電后進行制動試驗測試，各制動試驗施加緩解功能正常，故障消除。后續對動車組進行監控一斷時間，保證動車組制動系統穩定運行。4、制動閥類故障故障現象：CRH5G動車組重聯運行，08車主控，列車開車后，司機通知隨車機械師TD屏報“車輛號16，當牽引制動手柄在牽引位時，檢測到個別軸制動不緩解”并操縱列車停車。故障分析：（1）隨車機械師確認TD屏故障信息，查看TD屏制動界面顯示02、04、07車，制動不緩解，重新施加、緩解常用制動，故障未消除。（2）下載MPU數據,數據顯示在故障發生時，報出“當牽引制動手柄在牽引位時,檢測到個別軸制動不緩解”故障信息。（3）16車主控時，重聯動車組各司機室風表均顯示列車管壓力在570kpa左右。（4）解析06車DDU數據，牽引手柄手柄移動到牽引位，此時07車備用制動未緩解，列車管壓力為567kpa，臨近備用制動施加壓力值。（5）更換00車D04減壓閥，庫內試驗列車管充風后壓力值達到600kpa，列車管充風正常分析可知：在故障發生時，列車管壓力維持在567kpa左右，臨近備用制動施加壓力值，導致個別車備用制動分配閥動作從而觸發了小級別的備用制動。當制動缸內的壓力大于0.3bar時，TD屏會顯示空氣制動為施加狀態。地鐵列車管充風過程如下：總風管壓力在經過D04減壓閥時，充風壓