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摘 要：防滑控制系统是城轨车辆的基本组成部分，其在城轨车辆的安全运用过程中至关重要，一旦列车运行过程中发生防滑系统故障，将对整列车乘客的人身安全造成威胁，文章介绍了城轨车辆防滑控制系统的构成及控制原理及控制过程，从严重度、频度和探测度三个方面对防滑控制系统组成部件的潜在失效模式进行分析，为解决防滑系统故障保证列车安全运行提供了一种新思路。
关键词：城轨车辆 防滑系统 防滑故障 失效模式分析
中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）01（b）-0063-03
Control Principle and Failure Mode Analysis of Anti-skid System of Urban Rail Vehicles
ZHANG Beibei
（Hunan Vocational College of Railway Technology， Zhuzhou， Hunan Province， 412006 China）
Abstract： The anti-skid control system is a basic part of urban rail vehicles. It is very important in the safe use of urban rail vehicles. Once the anti-skid system fails during train operation， it will threaten the personal safety of the entire train passengers. The article introduces the composition， control principle and control process of the anti-skid control system of urban rail vehicles. The potential failure modes of the components of the anti-skid control system are analyzed from the three aspects of severity， frequency and detection. It provides a new idea for solving the failure of the anti-skid system to ensure the safe operation of the train.
Key Words： Urban rail vehicle; Anti-skid system; Slip failure; Failure mode analysis
城軌车辆作为目前城市轨道交通中的重要构成，不仅承担着输运旅客和缓解城市交通压力的职能，而且需要将旅客安全、快速、舒适地送达目的地，防滑控制系统作为保证车辆运行的主要系统，在列车正常稳定运行过程中起着重要的作用。
防滑系统作为列车制动控制系统的基本组成部分，它的重要功能是预防由于制动缸压力大于轮轨黏着力而导致的车轮滑行或者抱死，进而避免车轮踏面损伤。在制动缸压力大于轮轨黏着力时，车轮在轨道上的运动由滚动变为滑动，防滑控制系统能够探测出此滑行状态，同时降低作用在车轴上的制动力，从而使有滑行情况的车轮的滑行程度降低，在预防车轮损伤的同时，最大化地利用黏着力，在短距离内实现列车制动。因此对城轨车辆防滑控制系统进行失效模式分析具有十分重要的意义，便于采取有效措施避免防滑控制系统失效[1]。
1 防滑系统控制原理
1.1 防滑系统的组成
当前各地铁公司在段运行列车的防滑系统虽然型号不尽相同，但是组成部件相似，通常由制动控制器、空气管路、防滑排风阀、制动器部件、速度传感器等部件构成，如图1所示。
其中速度传感器的作用是采集各节车车轴运行的速度信号，传送给制动控制装置;制动控制装置内的防滑控制模块能够根据速度差值以及减速度的差值等输入实现是否滑行的判断，可以及时的监测滑行状态并进行防滑的控制。防滑排风阀的功能是在列车出现滑行状态时对出现滑行的车轴的制动缸压力值进行调节;制动器部件的功能是施加制动力。
依据施加制动指令时车辆的运行状态，防滑阀有如下3种工作模式。
（1）非滑行状态：制动缸管路和整车制动系统管路正常连通，防滑排风阀不对制动缸内空气压力调节。
（2）缓解状态：防滑排风阀阻断制动缸内压缩空气的来源，并排出制动缸内的压缩空气，控制对应车轴上的制动力降低。
（3）保压状态：防滑排风阀阻断风源到制动缸的压缩空气，保证制动缸内压力不变。
1.2 防滑控制过程
城轨车辆防滑控制系统通过采集速度差值和减速度值来监测车轮是否存在滑行。当列车其中某个车轴的运行速度小于列车运行的参考速度时，或者某个车轴的减速度值接近设定值时，系统判断该车轴存在滑行。以减速度值为标准判断车轴滑行后，防滑系统控制该车轴的制动缸阶段排风;以速度差值为依据判断车轴滑行后，防滑控制系统控制该车轴的制动缸快速排风，使该车轴的制动缸压力值迅速降低。当存在滑行状态的车轴上的加速度值重新达到正常值范围内时，控制制动缸进行阶段充风，使该车轴上的制动力达到正常要求。当车轴的速度重新达到参考速度值，则系统判断该车轴不存在滑行，切除防滑控制。列车采用空气制动时出现的防滑控制，单个车轴持续排风的时间不大于5s，且可以调节。在空气滑行控制不正常工作时也不会引起紧急制动或者常用制动[2]。 2 防滑控制系统失效模式分析
针对城轨车辆防滑控制系统的构成部件、电路连接、气路连接等部件的故障机理，对城轨车辆防滑功能进行失效分析，如表1所示。
表1中S为严重度（Severity）其数值越高表明失效造成的后果越严重、O为频度（Occurrence）越大表明失效模式越容易发生，D为探测度（Detection）越大表明失效模式越难被探测到。风险系数RPN=（S）× （O）×（D），其值越高，表明该失效模式造成风险越严重，需要采取一定的措施来避免该失效模式的发生。
通过上述表格中的分析，防滑控制系统的程序故障的RPN值为最高，表明程序故障是造成系统失效的重要因素，因此设计或使用防滑控制系统是需要重点关注系统的程序，尽量避免程序问题引起的整个系统的失效。
3 防滑控制系统典型故障分析
3.1 非制动工况下误报防滑异常
该故障导致列车控制系统报空气制动系统存在故障，某一个车轴防滑异常，当列车停车后故障解除，系统恢复正常。经后续分析，该问题主要是由于防滑控制程序中判断防滑系统存在异常的逻辑没有包含在系统监测到车轴滑行后，同时在车轴的滑行状态未被处理前，车辆存在不能施加常用制动的情况，此时车辆为牵引或惰行工况，同时在5s内不能恢复。从而使车辆在运行情况下未进行制动时系统也报出防滑系统存在异常，同时也将相应车轴的防滑功能失效，在列车停稳后故障才消失，后续对程序进行更新后即解决该问题[3]。
3.2 地铁车辆多次停车误差较大
车辆运行过程中有速度传感器信号的跳变，从而引起电制动状态下的滑行，2s后由BCU控制使电制动失效，使空气制动的防滑控制功能来调节整车的滑行状态，实际上2s后经过电制动的防滑状态调节，车辆已经处于正常状态，此时施加空气制动滑行，导致停车误差较大。后续把BCU切断电制动作用的时间由2s调整为4s，以使电制动调节整车的滑行状态的时间充足，4s后调节不到正常状态时才启动空气制动防滑控制系统进行车辆的滑行状态调节[4]。
4 结语
通过对城轨车辆的防滑控制系统的组成部分以及控制原理进行分析介绍，并对引起防滑控制系统失效的因素进行分析，明确导致防滑系统失效的各种因素，为排除城轨车辆的防滑系统故障和解决由防滑系统故障引起的问题提供思路，以确保车辆能够运行正常，保障车辆的行车安全。
参考文献
[1] 余接任，钱华，夏帅，等.城轨车辆制动防滑检测与保护[J].机车电传动，2015（2）：94-98.
[2] 徐广增，王寿峰，梁慧.地铁车辆空气制动系统防滑原理及通用防滑试验方法[J].科技創新与应用，2016（28）：61-62.
[3] 黄晔.成都地铁3号线电客车制动系统防滑异常故障分析[J].铁道机车车辆，2019，39（2）：96-99+103.
[4] 崔虎山，陈磊，刘中华，等.地铁车辆制动防滑控制故障分析[J].城市轨道交通研究，2019，22（4）：15-17.
[5] 张龙平，石喆文，李国庆.城轨列车混合制动防滑控制技术研究[J].铁道车辆，2017，55（9）：18-19，4.
[6] Tianhe Ma，Ma Tianhe，Wu Mengling，Tian Chun. Modelling and Simulation of an Anti-skid Braking System for Rail Vehicles[J]. Journal of Physics： Conference Series，2020，1575（1）：18-19，4.
[7] 徐永波.列车运行防滑控制研究[D].北京：北京交通大学，2016.
[8] 郝立红.机车防滑控制研究[J].机械制造，2019， 57（6）：49-52.
关键词：城轨车辆 防滑系统 防滑故障 失效模式分析
中图分类号：U463.6 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2021）01（b）-0063-03
Control Principle and Failure Mode Analysis of Anti-skid System of Urban Rail Vehicles
ZHANG Beibei
（Hunan Vocational College of Railway Technology， Zhuzhou， Hunan Province， 412006 China）
Abstract： The anti-skid control system is a basic part of urban rail vehicles. It is very important in the safe use of urban rail vehicles. Once the anti-skid system fails during train operation， it will threaten the personal safety of the entire train passengers. The article introduces the composition， control principle and control process of the anti-skid control system of urban rail vehicles. The potential failure modes of the components of the anti-skid control system are analyzed from the three aspects of severity， frequency and detection. It provides a new idea for solving the failure of the anti-skid system to ensure the safe operation of the train.
Key Words： Urban rail vehicle; Anti-skid system; Slip failure; Failure mode analysis
城軌车辆作为目前城市轨道交通中的重要构成，不仅承担着输运旅客和缓解城市交通压力的职能，而且需要将旅客安全、快速、舒适地送达目的地，防滑控制系统作为保证车辆运行的主要系统，在列车正常稳定运行过程中起着重要的作用。
防滑系统作为列车制动控制系统的基本组成部分，它的重要功能是预防由于制动缸压力大于轮轨黏着力而导致的车轮滑行或者抱死，进而避免车轮踏面损伤。在制动缸压力大于轮轨黏着力时，车轮在轨道上的运动由滚动变为滑动，防滑控制系统能够探测出此滑行状态，同时降低作用在车轴上的制动力，从而使有滑行情况的车轮的滑行程度降低，在预防车轮损伤的同时，最大化地利用黏着力，在短距离内实现列车制动。因此对城轨车辆防滑控制系统进行失效模式分析具有十分重要的意义，便于采取有效措施避免防滑控制系统失效[1]。
1 防滑系统控制原理
1.1 防滑系统的组成
当前各地铁公司在段运行列车的防滑系统虽然型号不尽相同，但是组成部件相似，通常由制动控制器、空气管路、防滑排风阀、制动器部件、速度传感器等部件构成，如图1所示。
其中速度传感器的作用是采集各节车车轴运行的速度信号，传送给制动控制装置;制动控制装置内的防滑控制模块能够根据速度差值以及减速度的差值等输入实现是否滑行的判断，可以及时的监测滑行状态并进行防滑的控制。防滑排风阀的功能是在列车出现滑行状态时对出现滑行的车轴的制动缸压力值进行调节;制动器部件的功能是施加制动力。
依据施加制动指令时车辆的运行状态，防滑阀有如下3种工作模式。
（1）非滑行状态：制动缸管路和整车制动系统管路正常连通，防滑排风阀不对制动缸内空气压力调节。
（2）缓解状态：防滑排风阀阻断制动缸内压缩空气的来源，并排出制动缸内的压缩空气，控制对应车轴上的制动力降低。
（3）保压状态：防滑排风阀阻断风源到制动缸的压缩空气，保证制动缸内压力不变。
1.2 防滑控制过程
城轨车辆防滑控制系统通过采集速度差值和减速度值来监测车轮是否存在滑行。当列车其中某个车轴的运行速度小于列车运行的参考速度时，或者某个车轴的减速度值接近设定值时，系统判断该车轴存在滑行。以减速度值为标准判断车轴滑行后，防滑系统控制该车轴的制动缸阶段排风;以速度差值为依据判断车轴滑行后，防滑控制系统控制该车轴的制动缸快速排风，使该车轴的制动缸压力值迅速降低。当存在滑行状态的车轴上的加速度值重新达到正常值范围内时，控制制动缸进行阶段充风，使该车轴上的制动力达到正常要求。当车轴的速度重新达到参考速度值，则系统判断该车轴不存在滑行，切除防滑控制。列车采用空气制动时出现的防滑控制，单个车轴持续排风的时间不大于5s，且可以调节。在空气滑行控制不正常工作时也不会引起紧急制动或者常用制动[2]。 2 防滑控制系统失效模式分析
针对城轨车辆防滑控制系统的构成部件、电路连接、气路连接等部件的故障机理，对城轨车辆防滑功能进行失效分析，如表1所示。
表1中S为严重度（Severity）其数值越高表明失效造成的后果越严重、O为频度（Occurrence）越大表明失效模式越容易发生，D为探测度（Detection）越大表明失效模式越难被探测到。风险系数RPN=（S）× （O）×（D），其值越高，表明该失效模式造成风险越严重，需要采取一定的措施来避免该失效模式的发生。
通过上述表格中的分析，防滑控制系统的程序故障的RPN值为最高，表明程序故障是造成系统失效的重要因素，因此设计或使用防滑控制系统是需要重点关注系统的程序，尽量避免程序问题引起的整个系统的失效。
3 防滑控制系统典型故障分析
3.1 非制动工况下误报防滑异常
该故障导致列车控制系统报空气制动系统存在故障，某一个车轴防滑异常，当列车停车后故障解除，系统恢复正常。经后续分析，该问题主要是由于防滑控制程序中判断防滑系统存在异常的逻辑没有包含在系统监测到车轴滑行后，同时在车轴的滑行状态未被处理前，车辆存在不能施加常用制动的情况，此时车辆为牵引或惰行工况，同时在5s内不能恢复。从而使车辆在运行情况下未进行制动时系统也报出防滑系统存在异常，同时也将相应车轴的防滑功能失效，在列车停稳后故障才消失，后续对程序进行更新后即解决该问题[3]。
3.2 地铁车辆多次停车误差较大
车辆运行过程中有速度传感器信号的跳变，从而引起电制动状态下的滑行，2s后由BCU控制使电制动失效，使空气制动的防滑控制功能来调节整车的滑行状态，实际上2s后经过电制动的防滑状态调节，车辆已经处于正常状态，此时施加空气制动滑行，导致停车误差较大。后续把BCU切断电制动作用的时间由2s调整为4s，以使电制动调节整车的滑行状态的时间充足，4s后调节不到正常状态时才启动空气制动防滑控制系统进行车辆的滑行状态调节[4]。
4 结语
通过对城轨车辆的防滑控制系统的组成部分以及控制原理进行分析介绍，并对引起防滑控制系统失效的因素进行分析，明确导致防滑系统失效的各种因素，为排除城轨车辆的防滑系统故障和解决由防滑系统故障引起的问题提供思路，以确保车辆能够运行正常，保障车辆的行车安全。
参考文献
[1] 余接任，钱华，夏帅，等.城轨车辆制动防滑检测与保护[J].机车电传动，2015（2）：94-98.
[2] 徐广增，王寿峰，梁慧.地铁车辆空气制动系统防滑原理及通用防滑试验方法[J].科技創新与应用，2016（28）：61-62.
[3] 黄晔.成都地铁3号线电客车制动系统防滑异常故障分析[J].铁道机车车辆，2019，39（2）：96-99+103.
[4] 崔虎山，陈磊，刘中华，等.地铁车辆制动防滑控制故障分析[J].城市轨道交通研究，2019，22（4）：15-17.
[5] 张龙平，石喆文，李国庆.城轨列车混合制动防滑控制技术研究[J].铁道车辆，2017，55（9）：18-19，4.
[6] Tianhe Ma，Ma Tianhe，Wu Mengling，Tian Chun. Modelling and Simulation of an Anti-skid Braking System for Rail Vehicles[J]. Journal of Physics： Conference Series，2020，1575（1）：18-19，4.
[7] 徐永波.列车运行防滑控制研究[D].北京：北京交通大学，2016.
[8] 郝立红.机车防滑控制研究[J].机械制造，2019， 57（6）：49-52.