跨坐式單軌車輛國產(chǎn)制動系統(tǒng)研制與應(yīng)用

吳新安，吳 晶，張 麗，韓曉輝，孫廣合

（1 重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司，重慶400042；2 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

跨坐式單軌交通系統(tǒng)起源于20世紀(jì)60年代，在日本的東京、大阪、多摩、小倉、沖繩等地相繼建成了數(shù)條跨坐式單軌交通運營線路?？缱絾诬壗煌ㄜ囕v與普通地鐵車輛相比，有著爬坡能力強(qiáng)、轉(zhuǎn)彎半徑小、運行噪聲低、景觀性好等顯著特點，特別適合在線路所經(jīng)過區(qū)域山高坡陡、道路曲折、地形復(fù)雜等具體情況。重慶是我國著名的山城，地勢起伏多陡坡，人口密度大，適合引進(jìn)跨坐式單軌交通。鑒于跨坐式單軌車輛與地鐵車輛相比結(jié)構(gòu)復(fù)雜、轉(zhuǎn)向架和控制設(shè)備技術(shù)要求較高，目前重慶開通運營的單軌交通線路共有2條，重慶軌道交通2號線采用4輛編組車輛運營，線路縱貫兩山與兩江之間的淺丘地帶，是國內(nèi)第一條跨坐式單軌交通運營線路。3號線采用6輛編組車運營，貫穿重慶5區(qū)，自2011-9開通以來是重慶客流最多的一條線路。

1 單軌車國產(chǎn)制動系統(tǒng)研制背景

因跨坐式單軌車輛應(yīng)用在國內(nèi)沒有先例，部分關(guān)鍵、重要設(shè)備系由國外廠家生產(chǎn)，普遍存在售后服務(wù)滯后、備件采購價格高昂、采購周期漫長、專用工具匱乏等問題，造成了單軌列車檢修維護(hù)“受制于人”，成本居高不下的情況。鑒于此，加快重慶單軌車部件國產(chǎn)化工作勢在必行。近幾年來，重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司聯(lián)合國內(nèi)多家制造廠家，通過多種合作方式進(jìn)行設(shè)備國產(chǎn)化研究工作。迄今為止，多項國產(chǎn)化設(shè)備已順利通過專家鑒定，并已經(jīng)批量采購，取代了價格高、采購難的進(jìn)口產(chǎn)品。目前已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化并成功投入使用的有以下項目：單軌車轉(zhuǎn)向架構(gòu)架、齒輪箱、受電弓及滑塊、走行輪胎、走行輪輞、水平輪總成、制動盤內(nèi)壓檢測裝置、車鉤、空氣彈簧和油壓減振器等重要部件。而單軌車輛的關(guān)鍵控制系統(tǒng)如牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)的國產(chǎn)化工作一直未能實現(xiàn)。鑒于此，重慶市軌道交通（集團(tuán)）有限公司聯(lián)合中國鐵道科學(xué)研究院以及重慶凱瑞車輛傳動制造有限公司共同研制開發(fā)了單軌車輛的制動系統(tǒng)部件，包括制動控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動裝置等部件，實現(xiàn)了制動系統(tǒng)全部國產(chǎn)化的目標(biāo)。

重慶軌道交通2號線車輛制動系統(tǒng)主要包括風(fēng)源系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、空氣懸掛設(shè)備和基礎(chǔ)制動幾個部分。其中風(fēng)源系統(tǒng)、空氣懸掛設(shè)備在國內(nèi)均有成熟的應(yīng)用業(yè)績。本文重點介紹制動控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)制動裝置。

2 單軌車制動系統(tǒng)介紹

重慶2號線單軌車輛（4輛編組）為單元式配置，由兩個動力單元組成，每個動力單元由一輛帶司機(jī)室的動車（Mc車，只有一個轉(zhuǎn)向架配有牽引電機(jī)）與一輛無司機(jī)室的動車（M車，兩個轉(zhuǎn)向架均有牽引電機(jī)）構(gòu)成。列車編組型式為：×Mc1+M2+M3+Mc2×。列車動力配置及制動系統(tǒng)（BCU）配置如圖1、圖2所示。

圖1 列車動力配置

圖2 制動系統(tǒng)（BCU）配置

車輛的最高運行速度為75km／h，最高均衡速度（結(jié)構(gòu)設(shè)計要求）為80km／h。車輛的制動特性如下：

（1）常用制動：由再生制動系統(tǒng)和空氣制動系統(tǒng)構(gòu)成。兩者能密切協(xié)調(diào)配合動作，減速度不小于1.1m／s2。沖擊率≤0.75m／s3。常用制動減速度定義對所有負(fù)載狀況（AW0～AW3）均有效。

（2）緊急制動：采用空氣制動，對AW0～AW3載荷條件，緊急制動減速度不小于1.25m／s2。

（3）停放制動：由彈簧儲能機(jī)構(gòu)及其附件構(gòu)成。停放制動裝置能保證超員載荷（AW3）的列車在60‰的坡度上停放不溜逸。停放制動設(shè)有手動緩解機(jī)構(gòu)，以便在車輛檢修、牽引車不供應(yīng)壓縮空氣時移動車輛。

3 國產(chǎn)制動系統(tǒng)的研制及裝車試驗

根據(jù)重慶2號線車輛和運營的技術(shù)要求，設(shè)計人員制定了制動控制系統(tǒng)方案，并經(jīng)過了相關(guān)專家的確認(rèn)。該方案如圖3。

圖3 制動控制系統(tǒng)氣動原理圖

3.1 制動控制方案

制動控制系統(tǒng)主要由制動電磁閥（AV）、緩解電磁閥（RV）、緊急電磁閥（EBV）、空重閥（LA）、中繼閥（RL）、壓力傳感器、壓力開關(guān)及相應(yīng)的壓力測點構(gòu)成，這些部件集成為一個模塊。制動控制系統(tǒng)將制動電氣指令轉(zhuǎn)化為氣動信號，進(jìn)而實施列車的制動和緩解。

總風(fēng)輸入端為制動裝置的壓力來源。該壓力空氣分成3路：一路進(jìn)入制動電磁閥的輸入端，為制動控制提供壓力源；另一路進(jìn)入空重閥，為緊急狀態(tài)下載重信號的輸入提供壓力源；第三路則進(jìn)入中繼閥，為向制動缸輸出壓力空氣做準(zhǔn)備。

空氣彈簧輸入端為載重信號輸入。為了更準(zhǔn)確的采集車輛的載重，這里采用兩路空氣彈簧壓力輸入信號。

總風(fēng)壓力開關(guān)輸入端為了監(jiān)控總風(fēng)壓力，防止總風(fēng)壓力意外欠壓，在某些制動控制裝置中設(shè)置了總風(fēng)壓力開關(guān)。該壓力開關(guān)與緊急回路相連，如總風(fēng)壓力低于設(shè)定值，將引起列車緊急制動作用。

制動缸輸出端為向制動缸輸出壓力空氣的端口。該壓力受EBCU指令的控制。

空氣過濾器（FL）設(shè)置在總風(fēng)輸入端，以保證壓力空氣的質(zhì)量。

制動電磁閥（AV）、緩解電磁閥（RV）將常用制動和快速制動的制動、緩解信號轉(zhuǎn)化為制動缸壓力控制信號。

緊急電磁閥（EBV）為兩位三通電磁閥，控制緊急制動的壓力信號輸出。

空重閥（LA）接受空氣彈簧的載重信號，轉(zhuǎn)化為緊急制動的壓力信號。

中繼閥（RL）為流量放大器。該閥受常用或緊急制動的壓力信號控制，并向制動缸輸出相應(yīng)的制動缸壓力。該閥采用雙膜板結(jié)構(gòu)，上膜板為緊急制動膜板，下膜板為常用制動膜板。當(dāng)兩膜板均有壓力信號時，將采用取大的方式向制動缸輸出壓力空氣。

常用制動、緩解控制原理：

制動控制系統(tǒng)接收司機(jī)控制器或ATO、ATP的常用制動指令后實施常用制動控制。制動電磁閥（AVB）和緩解電磁閥（RV）接受常用制動指令后，將該指令轉(zhuǎn)化為氣動壓力信號。該壓力信號輸入到中繼閥（RL）的下膜板。中繼閥將根據(jù)壓力信號輸出相應(yīng)的制動缸壓力，實現(xiàn)常用制動功能。緩解時，緩解電磁閥將中繼閥下膜板的壓力空氣排入大氣，制動缸的壓力空氣經(jīng)中繼閥排到大氣中，實現(xiàn)緩解操作。

緊急制動／緩解控制原理：

緊急制動系統(tǒng)為獨立的系統(tǒng)，采用失電緊急方式。緊急制動時，緊急電磁閥（EBV）失電，空重閥（LA）來的壓力空氣進(jìn)入中繼閥（RL）的上膜板，經(jīng)中繼閥放大后向制動缸輸出緊急制動壓力。在緩解緊急制動時，緊急電磁閥得電，中繼閥上膜板的壓力空氣經(jīng)緊急電磁閥排入大氣。制動缸的壓力空氣經(jīng)中繼閥排到大氣中，實現(xiàn)了緩解操作。在實施緊急制動時，電制動被自動切除，全部制動力由空氣制動獨立承擔(dān)。

3.2 電空配合控制方案

列車制動采用電制動與空氣制動實時協(xié)調(diào)配合、電制動優(yōu)先、空氣制動延時投入的混合制動方式。當(dāng)電制動不足時，優(yōu)先在Mc車上補(bǔ)充空氣制動。

電空混合制動在一個Mc—M單元內(nèi)進(jìn)行混合控制，制動控制系統(tǒng)（簡稱BCU）通過模擬信號向牽引控制單元發(fā)送電制動力請求信號，實際電制動力信號也通過模擬信號傳送給BCU，BCU根據(jù)實際電制動力的大小來確定需要補(bǔ)充多少空氣制動。

電制動力請求信號由 M車（即 M2、M3車）上的BCU發(fā)出，M車的BCU按單元應(yīng)施加的總制動力向牽引控制單元請求電制動力，當(dāng)實際電制動力可以滿足本單元的制動力需求時，則全部制動力都由電制動承擔(dān)，不需要施加空氣制動。當(dāng)實際電制動力不能滿足本單元的制動力需求時，則首先在Mc車上以空氣制動補(bǔ)充本單元不足的制動力。如實際制動力仍不能滿足本單元所需求的制動力時，則M車的空氣制動補(bǔ)充。

當(dāng)列車制動在電制動快要衰減時由VVVF發(fā)出一個電制動退出（衰減）預(yù)告信號，BCU收到電制動衰減預(yù)告信號后，按預(yù)定速率預(yù)補(bǔ)空氣制動。

3.3 制動控制系統(tǒng)功能

該制動控制系統(tǒng)具有以下功能：

（1）常用制動時，制動力根據(jù)制動輸入指令級別控制，并可隨載重變化自動調(diào)整。

（2）常用制動優(yōu)先利用電制動，不足部分由空氣制動力補(bǔ)足；常用制動受最大允許縱向沖擊率限制。

（3）緊急制動時，采用純空氣制動的方式，其制動力可以隨載重的變化自動調(diào)整。

（4）設(shè)有獨立的緊急制動控制回路，在系統(tǒng)發(fā)出緊急制動指令、列車分離、總風(fēng)欠壓、DC110V控制電源失電等情況下，均能產(chǎn)生最高安全等級的緊急制動。

（5）可接受ATP的防護(hù)控制，優(yōu)先響應(yīng)最大常用制動或緊急制動。

（6）具有故障代碼和狀態(tài)信息的顯示及與監(jiān)控系統(tǒng)的通訊接口。（7）具有制動力不足檢測功能。（8）具有制動不緩解檢測功能。

3.4 裝車試驗情況

制動控制系統(tǒng)于2011-03裝車，裝車后進(jìn)行了一系列靜態(tài)和動態(tài)試驗。

3.4.1 常用制動性能

列車在AW0工況和AW3工況下實施最大常用制動，在純空氣制動模式下電空混合制動模式時，其減速度均滿足1.1m／s2的要求（圖4～圖7）。

圖4 AW0工況下最大常用空氣制動試驗曲線

圖5 AW3工況下最大常用空氣制動試驗曲線

圖6 AW0工況下最大常用電空混合制動試驗曲線

圖7 AW3工況下最大常用電空混合制動試驗曲線

3.4.2 緊急制動性能

列車在AW0工況和AW3工況下的緊急制動滿足1.25m／s2的減速度要求（圖8、圖9）。

圖8 AW0工況下緊急制動試驗曲線

圖9 AW3工況下緊急制動試驗曲線

3.4.3 電空制動配合功能

根據(jù)試驗條件，分級制動試驗采用2N-4N-6N（即2級-4級-6級常用制動）的制動方式，試驗曲線見圖10。

電空混合工況下切除與恢復(fù)電制動試驗曲線見圖11。

純空氣工況下投入與切除電制動試驗曲線見圖12。

圖10 實施2級－4級－6級常用制動試驗曲線

圖11 電空混合工況下切除與恢復(fù)電制動試驗曲線

圖12 純空氣工況下投入與切除電制動試驗曲線

由電空混合制動匹配功能試驗曲線可見：

（1）列車在不同制動級位切換時功能正常，空氣制動與電制動配合良好；

（2）在電空混合或者純空氣制動工況下，均可以正常投入與切除電制動，當(dāng)切除電制動時，相應(yīng)的空氣制動力及時補(bǔ)充以保證整車制動力，功能正常。

3.5 運行考核

自2011-05-15起，裝有國產(chǎn)制動控制系統(tǒng)的跨坐式單軌交通車輛開始在重慶軌道交通2號線正線投入載客運營。目前運營里程已經(jīng)超過10萬km，運營期間控制系統(tǒng)性能穩(wěn)定，空電配合良好，控制系統(tǒng)內(nèi)部各部件狀態(tài)良好。制動控制系統(tǒng)與車輛信號系統(tǒng)、牽引系統(tǒng)等系統(tǒng)協(xié)調(diào)及通訊正常。

4 基礎(chǔ)制動裝置的研發(fā)應(yīng)用

自2000年開始基礎(chǔ)制動裝置的研制開發(fā)，到2010年考核結(jié)束，歷時11年。該基礎(chǔ)制動裝置具有跨坐式單軌交通車輛獨有的氣液轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)?；A(chǔ)制動裝置經(jīng)過制動效能試驗、扭轉(zhuǎn)疲勞強(qiáng)度、振動耐久性、耐壓破壞強(qiáng)度、工作耐久性、高低溫密封性、滑動阻力檢測、靜特性試驗、制動盤耐熱試驗等22項臺架試驗項目和裝車熱容量考核試驗，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足技術(shù)要求。目前已經(jīng)通過載客運營考核試驗和專家評審，實現(xiàn)了批量化的生產(chǎn)?；A(chǔ)制動裝置示意圖見圖13。

圖13 基礎(chǔ)制動裝置示意圖

5 結(jié)束語

國產(chǎn)制動系統(tǒng)的研制、裝車、試驗及運用考核表明，國產(chǎn)制動系統(tǒng)性能穩(wěn)定，各項技術(shù)指標(biāo)均滿足跨坐式單軌交通車輛的技術(shù)要求和運用要求，達(dá)到了國外產(chǎn)品同等水平，填補(bǔ)了國內(nèi)跨坐式單軌交通車輛制動系統(tǒng)的空白。

［1］韓曉輝，林祜亭，樊貴新，王群偉，范榮巍.域軌車輛車控制動控制方式與架控制動控制方式［J］.鐵道機(jī)車車輛，2010，（5）：53-56.