城際動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

王學(xué)文 馬永靖 孟繁輝

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 吉林 長(zhǎng)春 130062)

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城際動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

王學(xué)文 馬永靖 孟繁輝

(中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司 吉林 長(zhǎng)春 130062)

介紹了模塊化設(shè)計(jì)概念和對(duì)城際動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行的模塊化分類(lèi)和模塊化設(shè)計(jì)，同時(shí)闡述了城際動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)流程。關(guān)鍵詞：城際動(dòng)車(chē)組；制動(dòng)系統(tǒng)；模塊化設(shè)計(jì)

1 模塊化設(shè)計(jì)概念

中車(chē)長(zhǎng)春軌道客車(chē)股份有限公司在2012年與中國(guó)鐵路總公司(原鐵道部)科技司簽訂“城際動(dòng)車(chē)組技術(shù)研究與應(yīng)用”課題(編號(hào)2012J 003-B)，以動(dòng)車(chē)組通用技術(shù)條件和簡(jiǎn)統(tǒng)化要求為指導(dǎo)，搭建具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的時(shí)速250 km城際動(dòng)車(chē)組技術(shù)平臺(tái)。該動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)。

模塊化設(shè)計(jì)是將產(chǎn)品統(tǒng)一的功能單元設(shè)計(jì)成為具有不同用途或不同性能可互換選用的模塊或組件，可以降低復(fù)雜系統(tǒng)的研發(fā)難度和產(chǎn)品成本,增加產(chǎn)品的多樣性[1]。

2 制動(dòng)系統(tǒng)方案和技術(shù)參數(shù)

制動(dòng)采用空電聯(lián)合復(fù)合制動(dòng)模式，電制動(dòng)優(yōu)先。每4輛車(chē)為1個(gè)混合單元，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力的混合和分配。制動(dòng)指令以硬線(xiàn)傳輸控制為主、網(wǎng)絡(luò)傳輸控制為輔。制動(dòng)系統(tǒng)由制動(dòng)控制系統(tǒng)、防滑控制系統(tǒng)、壓縮空氣供給系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動(dòng)等組成，可實(shí)現(xiàn)常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、停放制動(dòng)、保持制動(dòng)和旅客緊急制動(dòng)等功能；具有防滑功能和軸抱死檢測(cè)功能；設(shè)回送救援轉(zhuǎn)換裝置，滿(mǎn)足既有線(xiàn)機(jī)車(chē)的回送救援要求[2]，其技術(shù)參數(shù)如下：

最大常用制動(dòng)平均減速度(250 km/h～0)：≥0.8 m/s2；

沖擊限度：≤0.75 m/s3；

緊急制動(dòng)平均減速度(250 km/h～0)：≥1.0 m/s2；緊急制動(dòng)瞬時(shí)減速度：≤1.5 m/s2；

初速250 km/h時(shí)的緊急制動(dòng)距離：<2 500 m；

初速200 km/h時(shí)的緊急制動(dòng)距離：<1 600 m；

初速160 km/h時(shí)的緊急制動(dòng)距離：<1 100 m；

初速120 km/h時(shí)的緊急制動(dòng)距離：<600 m；

滿(mǎn)足最大載荷列車(chē)20‰坡道停放要求，具有1.2倍冗余；

總風(fēng)管風(fēng)壓850 kPa～1 000 kPa；制動(dòng)管風(fēng)壓600 kPa。

3 制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)

3.1 功能模塊劃分

在進(jìn)行城際動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)時(shí)，將制動(dòng)系統(tǒng)分為多個(gè)功能模塊作為設(shè)計(jì)單元(見(jiàn)圖1)。各個(gè)功能模塊均有相應(yīng)的設(shè)計(jì)圖紙、計(jì)算報(bào)告和試驗(yàn)數(shù)據(jù)作為技術(shù)依據(jù)，同時(shí)具有成熟的制造工藝、試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)方法和檢修技術(shù)要求作為技術(shù)支撐。

圖1 城際動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)功能模塊圖

3.2 功能模塊設(shè)計(jì)

3.2.1 供風(fēng)模塊

全列車(chē)共設(shè)有2套主供風(fēng)單元，采用SL22-74型螺桿式壓縮機(jī)，并配有雙塔干燥器和油水分離器。主供風(fēng)單元生成的壓縮空氣送至總風(fēng)管(MRP)，經(jīng)車(chē)端軟管為相鄰各車(chē)提供壓縮空氣，主要技術(shù)參數(shù)如下：

供電電源：AC440×(1±10%)V；

干燥過(guò)濾后的供風(fēng)量：≥1 000 L/min；

額定壓力：10 bar；

效率：≥80%；

功率：≤18 kW；

防護(hù)等級(jí)：IP55；

壓縮空氣質(zhì)量：符合ISO 8573—1—2.2.2。

3.2.2 制動(dòng)控制模塊

制動(dòng)控制模塊由制動(dòng)控制單元(BCU)和風(fēng)缸模塊組成，整體吊裝在每輛車(chē)車(chē)體底架下。制動(dòng)控制單元由氣動(dòng)控制單元(PBCU)和電子制動(dòng)控制單元(EBCU)組成(防滑控制單元集成在電子制動(dòng)控制單元內(nèi)部)，如圖2所示。BCU執(zhí)行制動(dòng)控制功能，根據(jù)制動(dòng)指令、載荷信號(hào)和在動(dòng)力單元內(nèi)可獲得的動(dòng)力制動(dòng)/空氣制動(dòng)計(jì)算所需要的空氣制動(dòng)力/動(dòng)力制動(dòng)力(僅動(dòng)車(chē)有)。具有監(jiān)控制動(dòng)控制系統(tǒng)、防滑系統(tǒng)、空氣彈簧、截?cái)嗳T(mén)和壓力開(kāi)關(guān)等設(shè)備的功能，可將設(shè)備狀態(tài)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)(MVB)發(fā)給中央控制單元(CCU)。同時(shí)，具有診斷本車(chē)故障的功能。

圖2 制動(dòng)控制單元

圖3 風(fēng)缸模塊

風(fēng)缸模塊將總風(fēng)缸、副風(fēng)缸和截?cái)嗳T(mén)等元件集成在一起(見(jiàn)圖3)。副風(fēng)缸中的風(fēng)滿(mǎn)足制動(dòng)用風(fēng)需求，總風(fēng)缸滿(mǎn)足空氣彈簧、升弓、撒砂等用風(fēng)需求。風(fēng)缸采用吊帶進(jìn)行安裝，并且所有閥均安裝在靠近車(chē)體外側(cè)，此結(jié)構(gòu)便于拆裝維修。此風(fēng)缸模塊獨(dú)立于制動(dòng)控制模塊，裝配時(shí)，可以預(yù)先裝配好風(fēng)缸模塊后再整體吊裝到制動(dòng)控制模塊下，需要整體拆卸時(shí)，可以將風(fēng)缸模塊從制動(dòng)控制模塊上拆下后再進(jìn)行檢修[3]。3.2.3 基礎(chǔ)制動(dòng)模塊

基礎(chǔ)制動(dòng)采用盤(pán)式制動(dòng)(見(jiàn)圖4)。每個(gè)拖車(chē)軸上配置了3個(gè)軸裝鑄鋼制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)夾鉗單元，每個(gè)動(dòng)車(chē)軸上配置了2個(gè)輪裝鑄鋼制動(dòng)盤(pán)和制動(dòng)夾鉗單元。所有制動(dòng)夾鉗單元都具有間隙調(diào)整器，閘片采用粉末冶金材料，性能和接口符合UIC 541—3《制動(dòng)機(jī)-盤(pán)形制動(dòng)及其閘片》標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 基礎(chǔ)制動(dòng)模塊

3.2.4 司機(jī)操作模塊

制動(dòng)操作主要通過(guò)制動(dòng)控制手柄執(zhí)行。制動(dòng)級(jí)別取決于手柄的位置，制動(dòng)控制手柄的位置通過(guò)硬線(xiàn)電氣信號(hào)同時(shí)傳輸給所有車(chē)的BCU,BCU根據(jù)不同級(jí)位計(jì)算并施加相應(yīng)的常用制動(dòng)力。緊急制動(dòng)按鈕傳入緊急安全環(huán)路，可以通過(guò)該按鈕觸發(fā)緊急制動(dòng)?？褪覂?nèi)設(shè)置旅客緊急制動(dòng)拉手，車(chē)輛運(yùn)行時(shí)被觸發(fā)后，司機(jī)可以根據(jù)停車(chē)情況決定是否需要忽略此次旅客緊急制動(dòng)。司機(jī)操縱臺(tái)上的雙針壓力表顯示制動(dòng)管(BP)和總風(fēng)管(MRP)的壓力，單針壓力表顯示制動(dòng)缸壓力，并配有制動(dòng)施加指示燈等。

3.2.5 防滑模塊

防滑系統(tǒng)采用微處理器控制，由防滑控制單元、防滑閥、速度傳感器和測(cè)速齒輪等組成。所有輪對(duì)上均安裝防滑保護(hù)裝置。防滑系統(tǒng)滿(mǎn)足UIC 541—05《車(chē)輪滑動(dòng)保護(hù)裝置(WSP)》標(biāo)準(zhǔn)。防滑系統(tǒng)可充分利用輪軌黏著，在惡劣軌道狀態(tài)條件下可以有效控制滑行，保證車(chē)輪不出現(xiàn)擦傷。BCU的防滑保護(hù)功能能為電空制動(dòng)(EP) 和動(dòng)力制動(dòng)(ED)提供防滑保護(hù)。防滑系統(tǒng)控制原理如圖5所示。

圖5 防滑系統(tǒng)控制原理

3.2.6 空氣懸掛模塊

來(lái)自總風(fēng)管的壓縮空氣通過(guò)溢流閥、減壓閥輸送到轉(zhuǎn)向架上的高度閥，為空氣彈簧系統(tǒng)供風(fēng)。供風(fēng)管路上的截?cái)嗳T(mén)用來(lái)在發(fā)生故障或維護(hù)時(shí)隔離每輛車(chē)的空氣懸掛系統(tǒng)。溢流閥的設(shè)定值為670 kPa，作用是優(yōu)先保證制動(dòng)系統(tǒng)供風(fēng)需求。通過(guò)平衡閥，載荷壓力輸出到制動(dòng)控制模塊，用于載荷校正和緊急制動(dòng)時(shí)限制制動(dòng)缸壓力。壓力開(kāi)關(guān)用來(lái)檢測(cè)空氣彈簧中的壓力。安全閥的設(shè)定值為800 kPa，當(dāng)壓力高于800 kPa時(shí)開(kāi)啟排風(fēng)以保護(hù)空氣懸掛設(shè)備。

3.2.7 回送救援模塊

動(dòng)車(chē)組無(wú)動(dòng)力回送救援時(shí)，列車(chē)管壓力為600 kPa，列車(chē)管可通過(guò)截?cái)嗳T(mén)和止回閥向總風(fēng)管充風(fēng)，實(shí)現(xiàn)常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)功能。

(1)常用制動(dòng)。動(dòng)車(chē)組回送或被救援時(shí)，首車(chē)MC01/MC08的制動(dòng)控制單元可檢測(cè)到列車(chē)管壓力，并將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，控制本列動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)施加和緩解。

(2)緊急制動(dòng)。緊急制動(dòng)模塊位于司機(jī)臺(tái)下方，與列車(chē)管直接相連。在緊急情況下，按下動(dòng)車(chē)組司機(jī)室緊急制動(dòng)按鈕，可觸發(fā)緊急模塊上的電磁閥排活塞閥的預(yù)控壓力，最終排列車(chē)管的壓力，觸發(fā)全列緊急制動(dòng)，確保安全。

3.2.8 升弓控制模塊

升弓控制設(shè)備包括輔助供風(fēng)單元和電磁閥等。正常情況下，總風(fēng)管的壓縮空氣經(jīng)單向閥、過(guò)濾器到達(dá)風(fēng)缸，用于升弓和降弓操作。當(dāng)總風(fēng)管不能提供壓縮空氣時(shí)，由輔助供風(fēng)單元(見(jiàn)圖6)向受電弓提供所需的空氣壓力。輔助供風(fēng)單元采用模塊化設(shè)計(jì)，整體吊裝在裝有受電弓的車(chē)體底架下，主要技術(shù)參數(shù)為：供電電源DC110 V，供風(fēng)量不小于70 L/min，額定壓力為8 bar，噪聲小于70 dB(A)，防護(hù)等級(jí)為IP54。

圖6 輔助供風(fēng)單元結(jié)構(gòu)圖

3.2.9 撒砂控制模塊

圖7 撒砂控制模塊和撒砂裝置

撒砂控制模塊采用電磁閥控制，其結(jié)構(gòu)如圖7所示。撒砂控制模塊安裝于司機(jī)臺(tái)下方,可通過(guò)截?cái)嗳T(mén)截?cái)嗳錾坝蔑L(fēng)。2個(gè)頭車(chē)(MC01/MC08)的第1根軸設(shè)置撒砂裝置，由撒砂控制模塊控制(見(jiàn)圖7)，用于濕滑軌道情況下以提高輪軌間的黏著系數(shù)。

3.2.10 管路模塊

每輛車(chē)設(shè)置1根總風(fēng)管，通過(guò)車(chē)輛之間的軟管(B27)連接貫通整車(chē)，可滿(mǎn)足制動(dòng)及其他設(shè)備的用風(fēng)需求。取消了貫穿全列的列車(chē)管，僅在頭車(chē)MC01和MC08設(shè)置列車(chē)管,用于回送救援。所有用風(fēng)設(shè)備通過(guò)管排與制動(dòng)控制單元、風(fēng)缸等連接，既節(jié)省了安裝空間，又方便維護(hù)和檢修。

3.3 模塊化設(shè)計(jì)特點(diǎn)

每個(gè)功能模塊都有計(jì)算文件和試驗(yàn)數(shù)據(jù)作技術(shù)支撐，滿(mǎn)足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)閉環(huán)流程。子模塊有成熟的質(zhì)檢體系，保證了產(chǎn)品質(zhì)量。模塊在成熟且已有運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上生產(chǎn)并形成了相應(yīng)的維護(hù)、檢修技術(shù)規(guī)范，保證了產(chǎn)品的可用性、可靠性、安全性。各模塊的功能獨(dú)立又相互集成，提高了產(chǎn)品維護(hù)可互換性。

4 城際動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)流程

圖8 城際動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)流程

執(zhí)行項(xiàng)目時(shí),可根據(jù)通用技術(shù)條件和用戶(hù)的個(gè)性化需求，分析制動(dòng)系統(tǒng)頂層技術(shù)指標(biāo)，檢索制動(dòng)系統(tǒng)子模塊庫(kù)，配置出符合用戶(hù)要求的最佳產(chǎn)品。如果根據(jù)某個(gè)部件技術(shù)要求在模塊庫(kù)中未找到相應(yīng)的子部件，建議技術(shù)條件向模型庫(kù)中已有模塊靠近。如果技術(shù)條件不能更改，可對(duì)該部件模型重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)計(jì)算、制造以及試驗(yàn)驗(yàn)證等后，將新模型補(bǔ)充到模塊庫(kù)中，為制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供模塊支持。圖8為城際動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)流程。

5 結(jié)論

模塊化設(shè)計(jì)的優(yōu)越性是將復(fù)雜系統(tǒng)分解成各功能模塊，分別進(jìn)行設(shè)計(jì)制造,最終以模塊的形式組合成復(fù)雜的產(chǎn)品,從而提高設(shè)計(jì)效率,降低制造成本。充分運(yùn)用模塊化設(shè)計(jì)方法的優(yōu)勢(shì),把結(jié)構(gòu)功能組合復(fù)雜的城際動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)歸類(lèi)簡(jiǎn)化,可為今后城際動(dòng)車(chē)組整體模塊設(shè)計(jì)提供新思路和啟發(fā)。

[1] 童時(shí)中.模塊化原理設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用[M].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1999.

[2] 李 強(qiáng)，金新?tīng)N.動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2008.

[3] 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.□

(編輯：李琳琳)

2095-5251(2016)06-0004-03

2016-02-22

王學(xué)文(1984-),男，碩士研究生學(xué)歷，工程師，從事動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和模塊化研究等工作。

項(xiàng)目來(lái)源：中國(guó)鐵路總公司《城際動(dòng)車(chē)組技術(shù)研究與應(yīng)用》(2012J003-B)

U270.35

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