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《交通運輸工程學報》2015年第五期

緊急制動是地鐵列車安全運行的根本保障，緊急制動觸發源于列車緊急制動環路，通過制動控制單元中的緊急制動氣路實現，壓縮空氣通過緊急電磁閥、空重車閥等部件驅動基礎制動裝置動作，因此，監測緊急制動氣路關鍵部件即緊急電磁閥故障非常重要。目前，關于緊急電磁閥的在線故障監測手段較為單一，往往在觸發緊急制動后再進行故障排查，造成列車運行效率低下等問題，有必要研究快速定位與分析緊急制動故障的有效途徑，關鍵是制動系統建模。Pugi等將制動系統分成3個元件庫，采用MATLAB／Simulink建模，3個元件庫包括基本元件庫（管路、腔體與節流孔等）、復雜元件庫（制動缸、制動閥與分配閥等）與車輛元件庫（頭車、拖車與信號車等），其中復雜元件庫中的制動閥模型和分配閥模型用基本元件庫里的基本元件通過MATLAB／Simulink中的狀態流圖和有限狀態機來建立，建模過程復雜，工作量大，也不考慮氣體與固體傳熱的影響；Cantone等基于試驗數據進行建模，沒有考慮司控室制動閥與分配閥的實際機械結構，而是將其視為“黑箱”，利用試驗數據擬合函數進行建模，通用性不強；Acarman等建立了重載汽車的空氣制動系統模型，用一階濾波器來模擬由管長和管內摩擦引起的壓力損失變化，側重分析管路對制動性能的影響；Taghzadeh等建立了On／Off閥的詳細模型；Messina等建立了由2個二位三通On／Off閥和1個氣缸組成的氣動系統模型，模型包含電磁子模型、機械子模型與流體子模型，解決了控制信號與氣動信號的聯合建模；魏偉等主要針對貨車制動系統建立了列車管的一維非等熵氣體流動數學模型，采用了特征線法進行求解，屬于解析性建模方法，較復雜。以上建模旨在研究制動系統性能與制動單元的參數匹配問題，較少同時運用控制信號、氣動信號與機械參數針對故障特征分析進行建模。

故障再現仿真是研究結構化復雜機電系統動態情況下發生故障的一個重要手段，曹宏發等基于解析模型進行故障再現，即在給定的控制系統中給定輸入向量和輸出向量，及時發現系統故障以避免可能出現的風險；Niu等利用鍵合圖理論對制動系統列車管壓力控制模塊開展動態建模和故障仿真，通過增加測量參數不確定性因素并添加虛擬傳感器元件，進行了故障再現仿真；黃志武等根據鍵合圖模型的因果路徑關系推導系統的解析冗余關系，仿真獲得系統故障特征矩陣，再通過系統觀測特征與故障特征的比較實現系統的故障監測與再現。這些研究在有效分離故障方面均有一定優勢，但模型復雜，適應范圍受限。為了實現魯棒的故障監測與再現，本文基于AMESim軟件，綜合運用控制、氣動與機械參數針對故障特征分析進行建模，分析了緊急制動故障特征，提出了面向典型參數的故障再現分析方法。

1緊急制動故障

1．1緊急制動環路與工作原理圖1為6節編組地鐵列車的緊急制動環路，貫穿整個列車，觸發緊急制動條件包括：司機手柄手動操作、乘務員開關手動操作、列車管壓力過低自動動作與列車自動運行系統（ATO）檢測到超速、列車分離、制動力不足時均會自動動作。一旦緊急制動觸發，壓縮空氣將通過制動控制單元（BCU）控制制動缸壓力變化，實施緊急制動。圖2為BCU工作原理，主要包括電空轉換閥（EP閥）、緊急電磁閥、空重車閥、中繼閥與壓力傳感器等，這些零部件集成在一塊氣路板上，其中EP閥包括緩解閥與制動閥，EP閥產生的預控壓力與制動指令相適應。緊急電磁閥結構等效于二位三通電磁閥，正常情況下得電且允許EP閥經過空重車閥，與中繼閥連通。當緊急電磁閥失電時，來自制動風缸的壓縮空氣直接通過空重車閥與中繼閥產生緊急制動?？罩剀囬y根據空氣彈簧車輛載重信息限制其后端的最高空氣壓力，預調的壓縮空氣進入中繼閥的容積室后經流量放大作用至制動缸，最終實現基礎制動單元的制動力控制。

1．2緊急制動故障從緊急制動環路工作過程來看，緊急電磁閥常得電的狀態直接影響其使用壽命，也是緊急電磁閥故障的主要來源，其表現形式有：緊急制動指令發出后制動系統不能正常施加緊急制動與在沒有緊急制動指令時制動系統施加緊急制動。根據圖2BCU工作原理可知緊急電磁閥是否動作直接影響中繼閥容積室壓力變化，因此，中繼閥容積室壓力可以表征緊急電磁閥故障狀態，而制動指令和中繼閥容積室壓力可通過制動系統檢測得到。3類緊急電磁閥故障為：第1類，在緊急制動工況下，緊急電磁閥失電時，1s后監測中繼閥容積室壓力，如果小于150kPa，說明緊急電磁閥故障，正常緊急制動時中繼閥容積室壓力為300～500kPa；第2類，在非緊急制動況下，且無常用、快速制動時，1s后監測中繼閥容積室壓力，如果大于100kPa，說明緊急電磁閥發生故障，即在沒有任何制動指令情況下施加了緊急制動，正常情況下的中繼閥容積室壓力應小于100kPa；第3類，在非緊急制動工況下，且有常用、快速制動時，1s后監測中繼閥容積室壓力，如果高于目標值50kPa以上，說明緊急電磁閥故障，這主要是由于緊急電磁閥失電等原因，即正常制動時錯誤施加了緊急制動。

1．3故障診斷流程從故障分析可知：判斷緊急電磁閥是否故障的依據主要是制動指令和中繼閥容積室壓力。根據制動指令判定是否處于緊急制動工況，根據中繼閥容積室（CV）壓力判定緊急電磁閥實際動作，綜合以上2個信號作為緊急電磁閥故障診斷的依據，建立緊急電磁閥故障診斷流程見圖3。

2故障再現與驗證

2．1建立仿真模型AMESim軟件集成了多種氣動元件庫，構成地鐵列車制動系統的各類控制閥可通過標準氣動元件二次開發完成，建模原理基于軟件定義的3類基本氣動單元：容性單元、阻性單元和感性單元。容性單元內部有氣體容腔，模型中考慮傳熱，容腔內部氣體的壓強、溫度與密度等狀態變量由相應的微分方程描述，容性單元模型是瞬態模型。容腔內氣體的壓力變化取決于質量流量、熱傳導和容積變化。感性單元模型描述了氣體的宏觀運動規律，反映了氣體的慣性效應。氣體在管道內的運動特性可用伯努利方程式描述，由于氣體質量和黏性很小，建模中不考慮氣體慣性效應。地鐵列車氣制動系統是一個典型的復雜氣動系統，其中EP閥等可采用通用的電磁閥模擬，中繼閥與空重車閥等則需要通過二次開發建立模型。運用AMESim軟件建立的氣制動系統仿真模型見圖4，模型包含控制信號、空重車調整閥、中繼閥、緊急電磁閥、風缸、防滑閥與制動缸等，信息流包含相互獨立的氣動信息和控制信息，其中氣動信息通過氣動元件之間的管路相連，控制信息通過等效氣動元件的電磁閥控制端輸入，f（x）表示空重車閥輸出隨空氣彈簧壓力變化特性，x為對應空重車閥輸出的電磁閥控制信息，y為反饋壓力。圖5為圖4中緊急電磁閥的細化模型，由AMESim軟件標準模塊，基于軟件定義的3類氣動單元：容性單元、阻性單元和感性單元通過信息流傳遞組合而成。圖6為6節車輛編組的列車級模型，每節車輛上包含一組空氣制動系統仿真模型，車輛間以車鉤相連，用彈簧與阻尼器等效簡化。當某節車輛緊急制動發生故障時，對其他車輛或整列車的影響體現在加速度與車鉤力上。模型中TC1為頭車，M1～M4為中間車輛，TC2為尾車。

2．2仿真結果分析

2．2．1第1類故障圖7為1節車輛緊急電磁閥失電時，故障狀態與正常狀態下中繼閥容積室壓力變化仿真曲線，當發生第1類緊急電磁閥故障時，中繼閥容積室壓力有明顯變化，從正常的500kPa降至150kPa以下，說明可以根據中繼閥容積室壓力變化判斷緊急電磁閥故障，與前述故障特征相符。圖8為一列車中，當M2車輛發生緊急制動第1類故障時，車輛之間的車鉤力變化仿真曲線。可以看出，當M2車輛發生第1類緊急電磁閥故障時，M3－M4車輛間的車鉤力由正常的80kN增大到約100kN，M2－M3車輛間的車鉤力則降低至40kN，車輛間縱向力變化劇烈。

2．2．2第2類故障第2類故障實質是在沒有緊急制動指令的情況下觸發了緊急制動，仿真中通過模擬常用制動工況下施加緊急制動進行分析。常用制動時緊急電磁閥處于得電狀態，通過分析中繼閥容積室壓力變化曲線間接確定緊急電磁閥故障狀態。圖9為第2類故障仿真結果，當列車沒有施加任何制動指令，包括緊急、常用與快速制動時，中繼閥容積室壓力超過100kPa，說明緊急電磁閥發生故障，導致CV壓力出現異常升高。在正常情況下，由于未施加制動，CV壓力為0。

2．2．3第3類故障圖10為第3類故障仿真結果，在沒有施加緊急制動的情況下，常用制動時中繼閥容積室壓力應為200～300kPa，而發生故障時中繼閥容積室壓力約為500kPa，超過標準值50kPa以上，說明系統錯誤地施加了緊急制動。

2．3試驗驗證為驗證仿真結果，在制動系統氣路控制試驗臺上進行了緊急制動故障再現模擬。圖11為試驗臺，由試驗臺控制中心、基礎制動單元、風源模塊、氣路被測部件BECU、BCU與緊急電磁閥等組成，可以對氣路被測部件BCU中各個部件的性能進行測試，也可實現緊急電磁閥的故障模擬。圖12為試驗控制界面。針對緊急電磁閥第1類故障進行模擬試驗，即在緊急制動工況下，當緊急電磁閥失電時，1s后測得中繼閥容積室壓力應小于150kPa，試驗方法如下。（1）觸發緊急制動信號，測試中繼閥容積室壓力變化情況。（2）斷開氣路被測部件BCU的緊急電磁閥信號線，觸發緊急制動信號，測試中繼閥容積室壓力變化情況。緊急閥狀態判定標準如下。（1）緊急電磁閥正常：中繼閥容積室實際壓力與目標壓力一致。（2）緊急電磁閥故障：中繼閥容積室壓力小于150kPa。圖13為試驗結果，緊急電磁閥故障狀態與緊急制動信號均為0、1邏輯信號，為了便于區分不同信號的變化，將緊急電磁閥故障狀態與緊急制動信號分別放大150倍與170倍。從試驗結果可以得出如下結論。（1）在第100．5s時觸發緊急制動信號，根據設定參數計算得到CV目標壓力為300kPa，正常情況下CV實際壓力變化約1．1s后上升至300kPa。（2）當人為斷開緊急電磁閥信號線，在第100．5s時觸發緊急制動信號，緊急制動狀態控制BCU緊急電磁閥失電，模擬第1類故障，CV實際壓力為0，中繼閥容積室壓力達不到預定值，即車輛無法動作，反映緊急制動。一旦出現這類緊急電磁閥故障，就會引起車輛間車鉤力的異常變化等問題。根據圖3設定的故障判斷方法，在緊急制動信號失電后的3s內連續判斷以確認發生緊急電磁閥故障，即在第103s時緊急電磁閥故障狀態翻轉。（3）試驗結果表明切斷緊急電磁閥的信號以模擬第1類故障，2．6s后緊急電磁閥故障被識別，與仿真結果一致。同樣基于該試驗臺可以進行緊急電磁閥第2、3類故障模擬試驗。

3結語

根據地鐵列車緊急制動環路工作原理與緊急制動氣動系統特點，基于AMESim仿真方法，建立了制動系統與列車制動仿真模型，運用故障再現仿真方法對緊急電磁閥故障進行了模擬，并通過氣路控制試驗臺進行了緊急制動故障再現模擬與驗證。結果表明：基于AMESim建立的制動系統與列車制動模型可用于緊急制動故障的模擬，為研究緊急制動故障特征規律提供了參考；提出的基于制動指令與中繼閥容積室壓力為特征的緊急制動故障分類與分析方法的可行性；通過人為切斷緊急制動信號模擬第1類緊急電磁閥故障的試驗，對比驗證了正常情況與故障情況的緊急電磁閥故障特征識別，研究成果可用于制動系統在途故障監測與制動系統服役安全跟蹤。

作者：左建勇 韓飛 胡薇 單位：同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院 法國國立高等工程技術大學校機械工程學院