微机控制直通电空制动系统
日期：2009-6-19 0:29:31 来源：中国工控网
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微机控制直通电空制动系统已成为高速和城市轨道交通车辆制动系统的首选。我国也先后开发了具有自主知识产权的微机控制直通电空制动系统，并分别用于“先锋”号和“中华之星”高速电动车组。目前，国内新型城市轨道交通车辆的制动系统均采用国外的微机控制直通电空制动系统。
国内自主研发的微机控制直通电空制动系统的可靠性一直是一个备受争议的问题，且这些争议均停留在主观推测阶段。可靠性工程是20世纪50年代发展起来的一个学科，运用可靠性工程的理论对微机控制直通电空制动系统进行可靠性分析，不但可以得到可靠性的定量指标，以便与国外同类产品进行比较，而且还可以具体分析对系统可靠性造成影响的薄弱环节，提出合理的改进方案。进行可靠性研究的首要问题就是要建立所研究系统的可靠性模型。本文将以我国自主研发的“先锋”号高速动车组微机控制直通电空制动系统为原型，对该制动系统的可靠性模型进行初步探索。
1 功能分析
“先锋”号高速动车组微机控制直通电空制动系统是一个机电结合的控制系统，其功能由电路和气路2个部分协调完成。当司机控制台上的空电转换开关处于带电位时，微机制动控制单元(MBCU)和气制动控制单元(PBCU)相互配合，通过基础制动装置实现电空制动，基本原理见图1。微机控制直通电空制动系统的气路部分和电路部分均自成系统，且气路部分与电路部分之间的耦合度比较大，综合考虑时逻辑关系错综复杂。为便于分析，以下按气路、电路2个部分分别叙述。
1．1 气路部分
微机控制直通电空制动系统气路部分的工作原理(图2)为：压缩空气从制动风缸进入气制动控制单元(PBCU)后分为3个支路，第1支路为经制动电磁阀和缓解电磁阀的常用／紧急制动支路；第2支路为经调压阀1或调压阀2(由速度切换电磁阀选择)、非常制动电磁阀和强迫缓解电磁阀的非常制动支路；第3支路为经调压阀2、停放制动电磁阀到停放缸的停放制动支路。其中第1、第2支路经双向阀选择其中的一个支路，再通过空电切换电磁阀进入中继阀，中继阀流量放大后使制动缸制动。
1．2 电路部分
微机控制直通电空制动系统的电路部分主要由司机控制器、司机控制开关、调制与逻辑控制器、制动控制单元等组成，其原理见图3。司机控制器或列车自动防护(ATP)的常用或紧急制动指令经调制与逻辑控制器调制成2路PWM信号，该信号经贯穿全列车的信号线传至各车的制动控制单元。制动控制单元由微机制动控制单元(MBCU)和气制动控制单元(PB—CU)组成。MBCU选择2路调制信号中最可能正确的一路进行解调，并把它作为制动指令，然后根据制动指令和载重信息计算需要的制动力值，并向牵引控制单元(TCU)申请电制动力，TCU返回实际可提供的电制动力值，不足的制动力通过PBCU控制制动电磁阀、缓解电磁阀用空气制动补充，通过容积室压力传感器或制动缸压力传感器对空气制动力的大小进行闭环控制，这样就保证了常用制动或紧急制动的电空协调配合。当司机按下非常制动按钮开关或司乘人员拉下车长阀时，发出非常制动指令，非常制动电磁阀动作，全列车实施非常制动。若司机通过停放制动开关发出停放制动指令，停放制动电磁阀随之动作，安装停放制动缸的各车实施停放制动。
2 可靠性模型
当司机控制器或控制台发出制动指令后，凡影响制动事件完成的事件都定义为故障事件。以此为故障判据，来建立微机控制直通电空制动系统的可靠性模型。根据可靠性理论，一个系统的可靠性可以分为基本可靠性和任务可靠性，与之对应的可靠度指标分别称为基本可靠度和任务可靠度。对于微机控制直通电空制动系统，制动是其首要和最基本的任务，因此，其气路部分和电路部分完成特定任务的概率，即系统的任务可靠度最受关注。下面将分别建立气路部分和电路部分的可靠性框图，并计算出各自的制动任务可靠度。
2．1 气路部分可靠性模型
气路部分的任务由常用／紧急制动、非常制动和停放制动3个任务剖面组成。经过分析，得到直通电空制动系统气路部分可靠性框图。该框图由常用／紧急制动、非常制动和停放制动3条支路组成，如图4所示，据此来计算气路部分的制动任务可靠度。 图4中的可靠性逻辑关系比较复杂，因此按可靠性理论划分出Rq1(t)′、Rq2(t)′、Rq3(t)′和Rq4(t)′4个虚单元后求解。先求出各虚单元的可靠度，再逐步求解整个气路的制动任务可靠度。 调压阀1、调压阀2和速度切换电磁阀构成的虚单元Rq1(t)′为旁联模型，根据旁联模型可靠度公式得虚单元可靠度Rq1(t)′为：
图4中的停放制动支路与非常制动支路在调压阀2处耦合，直接用可靠性框图法很难求解。因为调压阀2对停放制动支路的可靠性影响很小，可以忽略不计，故在计算气路部分制动任务可靠度时可以假设停放制动支路不经调压阀2，而如图4中点划线所示。在这个假设条件下，按可靠性理论可得气路部分制动任务可靠度近似为： 根据气路部分的可靠性框图，结合气路的制动任务可靠度
的计算公式可以直观地看出，处于干路的
、
对系统的制动任务可靠度影响最大，故提高气路部分制动的任务可靠度首先应考虑提高这2个部件的可靠度。
2．2 电路部分可靠性模型
电路部分的制动任务同样由常用／紧急制动、非常制动和停放制动3个任务剖面组成。经过分析，得到图5所示的直通电空制动系统电路部分可靠性框图。该框图同样由上述3个制动支路组成，据此来计算电路部分的制动任务可靠度。
图5中的可靠性逻辑关系比较复杂，因此将系统划分为3个虚单元
，通过逐步求出各虚单元的可靠度，进而可方便地求解整个电路部分的制动任务可靠度。
构成的虚单元 为混联模型，根据可靠性理论得其可靠度为：
根据电路部分的可靠性框图，结合电路部分制动任务可靠度
的计算公式，可以直观地看出，处于干路
的对系统可靠度的影响最大，故提高电路部分制动的任务可靠度首先应考虑提高该部件的可靠度。
3 建立直通电空制动系统可靠性模型的思考
(1)直通电空制动系统是一个结构完整、功能多样、逻辑关系错综复杂的系统，在建立可靠性模型时必须进行适当的分解，以降低子系统的耦合度，便于理清思路，简化计算，否则建立可靠性模型不仅工作量大，而且容易出错。本文在建立系统可靠性模型时就将微机控制直通电空制动系统分为气路部分和电路部分分别求解，有效地降低了工作量和出错概率。
(2)直通电空制动系统的可靠性框图和制动任务可靠度的计算公式直观地给出了提高系统可靠度需要优先考虑的部件。在可靠性框图中处于“干线”的零部件对系统可靠度影响最大，需要优先考虑，如图4中的
和图5中的
都是需要优先考虑的。
(3)用可靠性框图法建立直通电空制动系统可靠性模型是一种简单、有效的分析方法。利用可靠性框图法建立可靠性模型，可以求得系统可靠性的定量指标——可靠度R，根据需要还可以利用不可靠度F、故障率λ、平均故障间隔时间MTBF与可靠度之间的换算关系求得其他需要的可靠性定量指标。
(4)可靠性框图法在解决复杂系统，特别是包含有耦合度大的分系统的系统时有一定的局限性，只能做近似计算。为了更加深入、全面、系统地对系统进行可靠性分析，需要综合利用框图法、故障树法和FME—CA法等可靠性分析方法。
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微机控制直通电空制动系统已成为高速和城市轨道交通车辆制动系统的首选。我国也先后开发了具有自主知识产权的微机控制直通电空制动系统，并分别用于“先锋”号和“中华之星”高速电动车组。目前，国内新型城市轨道交通车辆的制动系统均采用国外的微机控制直通电空制动系统。
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国内自主研发的微机控制直通电空制动系统的可靠性一直是一个备受争议的问题，且这些争议均停留在主观推测阶段。可靠性工程是20世纪50年代发展起来的一个学科，运用可靠性工程的理论对微机控制直通电空制动系统进行可靠性分析，不但可以得到可靠性的定量指标，以便与国外同类产品进行比较，而且还可以具体分析对系统可靠性造成影响的薄弱环节，提出合理的改进方案。进行可靠性研究的首要问题就是要建立所研究系统的可靠性模型。本文将以我国自主研发的“先锋”号高速动车组微机控制直通电空制动系统为原型，对该制动系统的可靠性模型进行初步探索。
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1 功能分析
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“先锋”号高速动车组微机控制直通电空制动系统是一个机电结合的控制系统，其功能由电路和气路2个部分协调完成。当司机控制台上的空电转换开关处于带电位时，微机制动控制单元(MBCU)和气制动控制单元(PBCU)相互配合，通过基础制动装置实现电空制动，基本原理见图1。微机控制直通电空制动系统的气路部分和电路部分均自成系统，且气路部分与电路部分之间的耦合度比较大，综合考虑时逻辑关系错综复杂。为便于分析，以下按气路、电路2个部分分别叙述。
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1．1 气路部分
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微机控制直通电空制动系统气路部分的工作原理(图2)为：压缩空气从制动风缸进入气制动控制单元(PBCU)后分为3个支路，第1支路为经制动电磁阀和缓解电磁阀的常用／紧急制动支路；第2支路为经调压阀1或调压阀2(由速度切换电磁阀选择)、非常制动电磁阀和强迫缓解电磁阀的非常制动支路；第3支路为经调压阀2、停放制动电磁阀到停放缸的停放制动支路。其中第1、第2支路经双向阀选择其中的一个支路，再通过空电切换电磁阀进入中继阀，中继阀流量放大后使制动缸制动。
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1．2 电路部分
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微机控制直通电空制动系统的电路部分主要由司机控制器、司机控制开关、调制与逻辑控制器、制动控制单元等组成，其原理见图3。司机控制器或列车自动防护(ATP)的常用或紧急制动指令经调制与逻辑控制器调制成2路PWM信号，该信号经贯穿全列车的信号线传至各车的制动控制单元。制动控制单元由微机制动控制单元(MBCU)和气制动控制单元(PB—CU)组成。MBCU选择2路调制信号中最可能正确的一路进行解调，并把它作为制动指令，然后根据制动指令和载重信息计算需要的制动力值，并向牵引控制单元(TCU)申请电制动力，TCU返回实际可提供的电制动力值，不足的制动力通过PBCU控制制动电磁阀、缓解电磁阀用空气制动补充，通过容积室压力传感器或制动缸压力传感器对空气制动力的大小进行闭环控制，这样就保证了常用制动或紧急制动的电空协调配合。当司机按下非常制动按钮开关或司乘人员拉下车长阀时，发出非常制动指令，非常制动电磁阀动作，全列车实施非常制动。若司机通过停放制动开关发出停放制动指令，停放制动电磁阀随之动作，安装停放制动缸的各车实施停放制动。
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当司机控制器或控制台发出制动指令后，凡影响制动事件完成的事件都定义为故障事件。以此为故障判据，来建立微机控制直通电空制动系统的可靠性模型。根据可靠性理论，一个系统的可靠性可以分为基本可靠性和任务可靠性，与之对应的可靠度指标分别称为基本可靠度和任务可靠度。对于微机控制直通电空制动系统，制动是其首要和最基本的任务，因此，其气路部分和电路部分完成特定任务的概率，即系统的任务可靠度最受关注。下面将分别建立气路部分和电路部分的可靠性框图，并计算出各自的制动任务可靠度。
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的计算公式可以直观地看出，处于干路的
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电路部分的制动任务同样由常用／紧急制动、非常制动和停放制动3个任务剖面组成。经过分析，得到图5所示的直通电空制动系统电路部分可靠性框图。该框图同样由上述3个制动支路组成，据此来计算电路部分的制动任务可靠度。
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