地铁车辆ESRA制动系统防滑功能解析

2023-02-13

目前中国地铁车辆的制动系统绝大多数采用克诺尔公司 (KNORR—BREMSE) 的制动系统, 该公司制动系统主要有ESRA制动系统和EP系列制动系统两种, 天津地铁1号线采用的是ESRA制动系统。ESRA制动系统一个最重要的功能就是车轮防滑保护功能 (WSP) , 该功能 (WSP) 通过架控式微机控制的防滑方式来实现, 下面将对ESRA制动系统车轮防滑功能进行详细说明。

1 车轮防滑保护工作原理

1.1 防滑系统组成

车轮的防滑保护功能作为制动系统的一个重要功能, 主要由以下部件完成此功能:防滑阀 (G01) 、速度传感器 (G03) 、磁极轮 (G05) 和由微处理器控制的车轮滑动控制电子装置, 该电子装置已被集成到制动电子控制单元 (EBCU) 中。

(1) 速度传感器和磁极轮 (如图1) 。车轮的实际速度由速度传感器 (G03) 和磁极轮 (G05) 获得:磁极轮有80个齿, 被安装在车轴的端部中心处, 随车轴一同转动。速度传感器通过感应磁极轮信号而产生一个正弦交流脉冲信号, 即速度信号。所获得的速度信号传输给电子制动控制单元EBCU中的中央处理器 (CPU) , CPU将车轮减速度与基准减速度以及速度规范进行计算、处理, 同时对防滑阀进行控制。

(2) 防滑阀 (如图2) 防滑阀 (G01) 。是防滑控制回路中的执行机构, 防滑阀由电子开关装置控制。防滑阀内有两个换向隔膜和两个电磁铁VM1、VM2, 通过电磁铁是否励磁来控制换向隔膜, 从而控制制动缸压力的上升、下降或保持。通常情况下防滑阀处于失电状态, 即D到C的通道开通, 允许制动风缸的风压作用于制动缸, 车辆可以无阻碍的进行制动。当探测到车轮出现滑动时, 电子制动单元EBCU便会发出防滑命令, 这时防滑阀便得电励磁, 使制动缸压力由防滑阀排气孔O排出, 从而释放制动缸压力 (见图1、2) 。

(3) 制动电子控制单元 (EBCU) 制动电子控制单元包括中央处理器、诊断和显示单元、供电单元、抗干扰和抗瞬时波动装置及监控装置。EBCU中的MB03B电路板主要负责接收速度信号和控制防滑阀的动作, 是实现WSP功能的核心部件, 它控制着每节车的速度传感器 (4个) 和防滑阀 (4个) 。

1.2 车轮滑行的检测

制动和防滑电子控制单元持续接收来自速度传感器的脉冲信号, 由CPU计算出参考速度和每个轴的减速度, 然后再将该车的减速度与减速度标准 (车轮减速度由EBCU根据车轮的速度计算得到, 车轮的减速度标准是确定的常数) 进行比较。

车轮的速度和减速度形成一个二元的判断矩阵 ([V]和[A]) , 防滑阀的执行命令通过[V]和[A]联合决定。当某1根车轮或几根轴的减速度超过一个极限参考减速度时, 即认为发生滑行。特别是在一节车的4根轴同时滑行时, 必须用减速度进行检测。如图3所示, 当某一个车轴发生抱死时, 此轴的速度就会下降, 同时加速度超过某一特定值, 制动缸压力, 就不在上升, 处于保持阶段。这时车轮加速度进一步降低, 超过, 这样制动缸压力就下降, 制动力减小。随着制动力的减小, 加速度不断上升, 当加速度达到时, 车轴不再处于滑行状态, 变为加速。由于没有接收到新的命令, 制动缸处于压力保持状态。当轮轨粘着力变为正常情况时, 防滑电子控制单元检测到车轮不再出现滑行, 这时制动缸压力便呈上升趋势 (脉冲控制) 。

1磁极轮;2速度传感器

C通向制动缸;D通向控制阀;O排气孔VM1、V M 2电磁铁;ⅠⅡⅢ通向电子开关装置

在这个瞬间被决定的滑行进入判断矩阵形成必要的控制指令以控制防滑阀 (排气、充气或压力保持) , 从而起到防滑保护作用 (见图3) 。

1.3 防滑动作执行

防滑阀可以使制动缸有三种压力状态:增加制动缸压力、降低制动缸压力、保持制动缸压力。为了避免出现大的制动缸压力的变化, 同时使制动缸的压力适应车轮抱死的程度 (当车轮出现轻微抱死时, 就要求制动缸压力缓慢下降) , 需要对防滑阀采用脉冲信号进行控制。最短的脉动周期为40ms, 这相当于一个接近连续的压力控制。

当列车速度低于3KMh时, 防滑阀便不再动作, 防滑功能消失, 此时如果施加紧急制动或较大的常用制动, 造成擦轮的几率便非常大。为了防止制动长时间缓解, 硬件监控电路将监控制动缸的状态, 在任何轴上不允许制动连续保持超过8s及排风超过4s, 在此期间之后, 制动将自动恢复。

2 ESRA制动系统的防滑性能测试

地铁车辆的最高运行速度设计为80Km/h, 在进行WSP性能测试时, 选择20Km/h, 40Km/h, 60Km/h及80Km/h四种速度值作为制动实验的初始速度, 并在常用全制动、快速制动、紧急制动的每一种制动形式下各实施3次制动。测试结果满足如下要求: (1) WSP工作时, 最大滑行速度 (图4) 不得超过参考速度的20%+5Km/h。 (2) WSP工作时, 在所有轴发生滑行时 (图5) , 参考速度低于实际速度75%的时间不应超过3s。 (3) 车辆速度大于15Km/h时, 车轮抱死时间不得超过200ms。 (4) 每次测试过程中不能出现车轮擦伤。 (5) 防滑阀的执行效率必须为100% (见图4、5) 。

摘要：介绍了地铁车辆ESRA制动系统防滑保护的工作原理、防滑保护的性能测试。

关键词：地铁车辆,ESRA制动系统,防滑保护,工作原理,速度传感器