廣州地鐵3號線基礎(chǔ)制動裝置及制動距離研究

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,201804,上?！蔚谝蛔髡?博士研究生）

廣州地鐵3號線基礎(chǔ)制動裝置及制動距離研究

夏德茂奚鷹李濤宋穎輝

（同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院,201804,上?！蔚谝蛔髡?博士研究生）

基礎(chǔ)制動裝置是地鐵制動系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一,其制動能力的優(yōu)劣直接影響到地鐵的行駛安全與乘坐舒適度。在研究RZS盤式單元制動器的基礎(chǔ)上,給出了一些具體參數(shù)及常用制動和停放制動的制動力曲線。介紹了常用制動與緩解、停車制動和手動釋放的工作原理,為后續(xù)制動倍率的研究和閘調(diào)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)提供理論基礎(chǔ)。其次,對目前最為先進(jìn)的EP2002制動控制系統(tǒng)做了簡單的介紹。最后,對安裝有RZS單元制動器和EP2002制動控制系統(tǒng)的廣州地鐵3號線在制動初速120 km/h、平直軌道上的緊急制動距離進(jìn)行了計算,計算結(jié)果滿足相關(guān)技術(shù)要求。

城市軌道交通車輛;基礎(chǔ)制動單元;制動控制系統(tǒng);制動距離

First-author’saddress School of Mechanical Engineering, Tongji University,201804,Shanghai,China

地鐵列車的運(yùn)行包括牽引、惰行和制動3個過程［1］。列車制動主要可分為動力制動、電磁制動和摩擦制動3種方式［2］。基礎(chǔ)制動裝置包括閘瓦制動和盤形制動2種,其制動性能的優(yōu)劣直接影響列車行駛安全。列車的制動距離是綜合反映制動裝置的性能和實(shí)際制動效果的主要技術(shù)指標(biāo)［3］。因此,有必要通過計算驗(yàn)證列車在不同載荷條件和初速度下的制動距離。當(dāng)列車在緊急制動時,全部由空氣制動執(zhí)行［4］,即空氣 制動力 等 于總制動力［5］。 文 中在介紹德國克諾爾公司的RZS單元制動器和目前世界上最先進(jìn)的制動控制系統(tǒng)之一——EP2002的基礎(chǔ)上,對其應(yīng)用的廣州地鐵3號線的緊急制動距離進(jìn)行了計算和研究。

1 RZS單元制動器

RZS單元制動器是由德國 KNORR-BREMSE公司設(shè)計研發(fā)的新型盤型制動裝置。該設(shè)備已經(jīng)被用在城市軌道交通車輛和城際高速列車上,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。該制動裝置主要包括：閘片間隙自動調(diào)整裝置、彈簧儲能停放制動氣缸、隔膜式工作制動氣缸、緊急釋放手動裝置、偏心軸、閘瓦托、制動夾鉗和閘瓦（安裝在閘瓦托上,圖1中未示出）。由于該單元制動器是一個非常緊湊的部件,其省去了傳統(tǒng)基礎(chǔ)制動裝置中的一系列傳動部件,從而大大提高了傳動效率。RZS單元制動器的主要技術(shù)參數(shù)如下：最大常用工作制動力60 k N;常用制動允許最大工作壓力見圖2;最大停車制動力37.9 k N;停車制動允許最小釋放壓力3.1 bar;停車制動允許最大釋放壓力10 bar;制動倍率8.58;傳動效率0.97;閘瓦最大行程5.5 mm;閘瓦面積：400 cm2;最大閘調(diào)量83 mm。

RZS單元制動器有3種工作狀態(tài),包括常用工作制動與緩解、停放制動和手動釋放。

1.1 常用工作制動與緩解

圖1 RZS單元制動器結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)司機(jī)將主手把置于制動位并經(jīng)制動控制裝置判斷需要施行空氣制動時,壓縮空氣就由風(fēng)管被同時送入隔膜式工作制動氣缸和彈簧儲能停放制動氣缸。一方面壓迫儲能停放制動氣缸內(nèi)的活塞,將儲能彈簧向左壓縮至全縮位置。另一方面,隔膜式工作制動氣缸內(nèi)的隔膜在壓縮空氣的作用下向右移動,克服緩解彈簧力,推動推盤活塞右移。推盤活塞又與固接在偏心軸上的撥叉通過平頭銷連接,進(jìn)而又帶動偏心軸順時針轉(zhuǎn)動,參見圖1。安裝在偏心軸上下兩側(cè)的制動夾鉗被帶動至制動位置。閘片間隙自動調(diào)整裝置在制動夾鉗的作用下按圖1所示方向運(yùn)動,進(jìn)而帶動鉸接在其上的另外一側(cè)的制動夾鉗繞固定鉸點(diǎn)運(yùn)動至制動位置。此時,2塊制動閘片夾住制動盤,對輪對施行制動。制動緩解與此過程相反。不同的是在彈簧儲能停放制動氣缸內(nèi)的壓縮空氣不會被排出,而是仍然保持壓迫儲能風(fēng)缸內(nèi)的活塞,使儲能彈簧始終被壓縮在全縮位置。RZS單元制動器（不同推盤活塞面積）的常用工作制動力曲線如圖2所示。

圖2 常用工作制動力曲線

只要改變壓縮空氣作用面積,即推盤活塞的底面積,在定值工作壓力下,即可改變制動力的大小。從圖2中可以看出,隨著工作壓力的升高,不同型號的RZS單元制動器的最大制動力均可達(dá)到60 k N。

1.2 停放制動

停放制動是一套輔助制動裝置,其目的是當(dāng)車輛失去動力或停車時,防止車輛溜行。當(dāng)控制系統(tǒng)判斷需要停放制動時,彈簧儲能停放制動氣缸內(nèi)的壓縮空氣被排出,儲能彈簧的彈性勢能被釋放,活塞帶動推桿,推桿頂住推盤活塞向右運(yùn)動,此后過程與常用工作制動一樣,進(jìn)而帶動傳動機(jī)構(gòu),驅(qū)使制動夾鉗閉合,使閘瓦夾住制動盤,對車輪施行停放制動。推盤活塞面積為142.7 cm2的 RZS單元制動器的停放制動力曲線如圖3所示。當(dāng)停放制動氣缸內(nèi)的壓力為0時,制動力最大為37.9 k N。

圖3 停放制動力曲線

1.3 手動釋放

手動釋放原理如圖4所示。由于在停放制動狀態(tài)下,整個傳動機(jī)構(gòu)被鎖止,如圖4（a）所示,緩解鉤在壓簧的作用下,緊緊扣住棘輪。因此,向彈簧儲能停放制動缸內(nèi)充入壓縮空氣,整個機(jī)構(gòu)是不能被釋放的。需要手動拉動安裝在釋放緩解裝置上的拉桿（圖中未示出）,在拉桿的作用下,緩解鉤按圖4（b）所示方向運(yùn)動,并與棘輪脫開,緩解復(fù)位桿上方突出的部分卡住緩解鉤,使其不能往回運(yùn)動。此時,棘輪處于自由狀態(tài),推盤活塞在緩解彈簧力的作用下復(fù)位,進(jìn)而帶動推桿往回運(yùn)動,停車制動得到緩解。在下一次常用工作制動時,壓縮空氣會再次驅(qū)動儲能彈簧,使其壓縮至全縮狀態(tài)。

圖4 手動釋放裝置

2 EP2002制動系統(tǒng)

EP2002制動系統(tǒng)也是德國KNORR-BREMSE公司研發(fā)的電氣模擬指令式制動控制系統(tǒng),全球首個用戶是廣州地鐵3號線。其最高設(shè)計時速可達(dá)120 km/h,是目前我國設(shè)計時速最快的城市軌道交通列車。廣州地鐵3號線地鐵車輛采用先進(jìn)的電空聯(lián)合制動方式,包括電制動和空氣（摩擦）制動,空氣制動的基礎(chǔ)制動裝置即為上述的RZS盤式單元制動器。3號線地鐵制動系統(tǒng)如圖5所示（單節(jié)車）。

圖5 廣州地鐵3號線制動系統(tǒng)原理圖

整個EP2002系統(tǒng)是由3個安置于所需網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中的核心產(chǎn)品構(gòu)成,其分別是：EP2002 Gatewayvalve（網(wǎng)關(guān)閥）、EP2002 RI/O（輸入/輸 出 閥）和EP2002 Smart-valve（智能閥）。網(wǎng)關(guān)閥由制動能力分配部件、制動與車輪防滑裝置控制部件和氣動控制閥組成,智能閥由制動與車輪防滑裝置控制部件和氣動控制閥組成。網(wǎng)關(guān)閥與智能閥之間通過CAN網(wǎng)絡(luò)線連接。通過網(wǎng)關(guān)閥和智能閥2個核心產(chǎn)品形成一個分布式的制動控制網(wǎng)絡(luò)。每節(jié)車廂配有1個網(wǎng)關(guān)閥和1個智能閥,均安裝在其所控制的轉(zhuǎn)向架上。當(dāng)一個EP2002閥出現(xiàn)故障時,只有一個轉(zhuǎn)向架上的空氣制動失效,減少了對車輛產(chǎn)生的影響［6］。智能閥提供本地維護(hù)、緊急壓力控制以及車輪防滑保護(hù),網(wǎng)關(guān)閥提供智能閥的所有功能,外加制動管理功能以及與列車控制系統(tǒng)的接口。

3號線的常用制動優(yōu)先選擇電制動,空氣（摩擦）制動是用來補(bǔ)充所要求的制動指令與已達(dá)到的電制動力之間的差額以及沒有電制動時滿足列車的制動要求。緊急制動時,總制動力全部由摩擦制動（RZS單元制動器）產(chǎn)生。因此,為了研究裝有 RZS單元制動器的3號線的制動性能的優(yōu)劣,需對其緊急制動距離進(jìn)行計算研究。

3 緊急制動距離計算

城市軌道交通與鐵路在諸多方面有很大不同,主要表現(xiàn)在：在運(yùn)行過程中存在頻繁的起動和制動過程,線路條件苛刻,操縱要求非常嚴(yán)格;區(qū)間長度比較短,類似公共汽車的站間距;緊急制動距離很短;車輛起動加速度和制動減速度大;起動和制動過程要求快速、平穩(wěn),停站要求非常準(zhǔn)確等［7-8］。

地鐵的制動包括常用制動和緊急制動兩種。常用制動通常使列車停車或者控制其速度。緊急制動是在危險情況下將列車減速至特定值,甚至停車［1］。國際鐵路聯(lián)盟規(guī)定：在動力制動失效的情況下,機(jī)械摩擦制動必須保證列車能在規(guī)定的距離內(nèi)停車,以確保行車安全。文中研究由 MC-T-MC3節(jié)編組組成的3號線在平直軌道上,初速為120 km/h施行緊急制動的制動距離。為了進(jìn)行計算,必須首先了解列車制動時的受力情況。

3.1 受力分析

列車在運(yùn)行中受到力有牽引力F,運(yùn)行阻力 W和制動力B 3種。在緊急制動過程中,只有后2種,即運(yùn)行阻力W 和制動力B。

3.1.1 基本阻力 w0

基本阻力是指列車在任何運(yùn)行情況下都受到的力。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)綜合得出的,以單位基本阻力為函數(shù),列車運(yùn)行速度為自變量的方程式［2-3］：

式中：

A1,A2,A3——隨機(jī)車、車輛類型而異的常數(shù);

v——列車運(yùn)行速度。

由于國內(nèi)還沒有地鐵車輛的運(yùn)行阻力實(shí)驗(yàn)推導(dǎo)公式。因此,根據(jù)文獻(xiàn)［3］,選用21型客車和SS8型電力機(jī)車的單位基本阻力公式,由動車MC與拖車T的質(zhì)量,加權(quán)計算后得到其單位基本阻力公式。

3.1.2 附加阻力

（1）坡道附加阻力 wi。坡道附加阻力是指列車在上、下坡道上行駛,由于自身重力作用產(chǎn)生的力。單位坡道附加阻力［2-3］為：

式中：

θ——坡度角度;

i——坡度千分?jǐn)?shù)。

（2）曲線附加阻力 wr。列車在曲線上運(yùn)行比在直線上運(yùn)行的阻力大,增大的部分稱為曲線附加阻力 wr,計算公式［2-3］為：

式中：

R——平面曲線半徑,m;

A——綜合反映其他因素的常數(shù)。

（3）隧道附加阻力 ws。影響隧道附加阻力的因素有很多,通常也是通過實(shí)驗(yàn)獲得經(jīng)驗(yàn)公式［2-3］

式中：

Ls——隧道長度,m。

由于本文計算地鐵列車在平直軌道上的緊急制動距離。因此,坡道阻力、曲線附加阻力和隧道附加阻力不予考慮。

3.1.3 制動力

由于RZS為盤式制動裝置,因此制動力計算公式［2-3］為：

式中：

K——閘片壓力;

φ——閘片摩擦系數(shù);

r——閘瓦作用半徑;

R——車輪（滾動圓）半徑。

列車的單位制動力計算公式［2-3］為：

式中：

m——列車質(zhì)量,t;

g——重力加速度,取9.81 m/s2。

3.2 制動距離計算

制動距離分空走距離Sk和有效制動距離。若已知列車的制動初度 v0和制動終了速度vT（vT=0）,則制動距離計算公式［2-3］為：

式中：

Δs——每個速度間隔內(nèi)的運(yùn)行距離,m;

tk——列車空走時間,s;

v1、v2——分別為速度間隔區(qū)間內(nèi)的末速度與初速度;

ξ——加速度系數(shù);

cP——速度間隔內(nèi)平均速度vP（vP=（v1+ v2）/2）下的單位合力（cP=w0+b）;

tk——列車空走時間。

查閱相關(guān)技術(shù)資料,3號線的計算參數(shù)值如表1所示。

表1 相關(guān)計算技術(shù)參數(shù)值

經(jīng)計算得到 AW0、AW2、AW3 3種不同載荷工況下列車制動力 B和單位制動力b,結(jié)果如表2所示。

表2 不同載荷條件下的制動力B和單位制動力b

由動車和拖車的重量進(jìn)行加權(quán)計算后得到如下的單位阻力公式。

空載 AW0：w0=1.440 4+0.006 1v+ 0.000 248v2

額載 AW2：w0=1.444 3+0.006 2v+ 0.000 246v2

超載 AW3：w0=1.445 2+0.006 1v+ 0.000 246v2

根據(jù)單位阻力計算公式,即可求得在不同速度區(qū)間內(nèi)的列車單位阻力,如表3所示。

不同載荷工況下,列車的單位合力cP,結(jié)果見表4。

表3 不同速度區(qū)間內(nèi)的列車單位阻力w0N/kN

表4 不同速度區(qū)間內(nèi)的列車單位合力cp N/kN

表5 不同速度區(qū)間內(nèi)的有效制動距離Sem

列車總的緊急制動距離見表6所示。

表6 列車制動距離Sb m

根據(jù)計算結(jié)果可以得到,在不同載荷的平直軌道上,按初速120 km/h實(shí)施緊急制動,對應(yīng)制動距離分別為386.266 m,388.727 m 和390.487 m,列車的緊急制動距離滿足相關(guān)技術(shù)要求,可為其它地鐵項(xiàng)目的設(shè)計提供一定的參考。

4 結(jié)語

在研究RZS盤式單元制動器的基礎(chǔ)上,給出了一些具體參數(shù)和常用工作制動和停放制動的制動力曲線。介紹了常用工作制動與緩解、停車制動和手動釋放的工作原理,為后續(xù)制動倍率的研究和閘調(diào)機(jī)構(gòu)數(shù)學(xué)模型的推導(dǎo)提供一定的理論基礎(chǔ)。其次,對目前最為先進(jìn)的 EP2002制動控制系統(tǒng)做了簡單的介紹。最后,對安裝有 RZS單元制動器和EP2002制動控制系統(tǒng)的廣州3號線在制動初速120km/h,平直軌道上的緊急制動距離進(jìn)行了研究和計算,計算結(jié)果滿足相關(guān)技術(shù)要求,為其它城市發(fā)展快速城市軌道交通的設(shè)計和計算提供一定的借鑒。

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On the Fundamental Braking Device and Braking Distance of Guangzhou Metro Line 3

Xia Demao,Xi Ying,Li Tao,Song Yinghui

The fundamental braking device is one of the most important parts in metro train braking system.Safety and comfort level during the running process greatly depend on the braking performance of the train.In this paper,the working principle of RZS disc brake unit and EP2002, which are mounted on Guangzhou metro Line 3 is introduced,the emergency braking distance of metro Line 3 train when running on straight track is calculated and studied.The results could meet the relevant technical requirements,also could be used as a reference to the cities where urban rail transit is to be developed.

vehicle of urban rail transit;fundamental braking device;braking control system;braking distance

U 270.351

2012-07-10）