智軌電車制動系統(tǒng)及其控制策略研究

錢 華，余接任，羅曉峰，付建朝，劉文鋒，謝永清

（株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

制動系統(tǒng)作為智軌電車的重要子系統(tǒng)，既要滿足道路安全要求，盡量避免與道路障礙物、車輛及行人碰撞，又需滿足電車自身行車安全要求，保障各種路面工況條件下電車在制動過程中的穩(wěn)定性；同時(shí)還要兼顧乘客舒適性要求，防止制動力過大、速度變化過快導(dǎo)致乘客不適或受傷害等問題。道路安全和乘客安全主要與行駛條件、車輛條件相關(guān)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不同類型的交通工具都被科學(xué)定義了各種參數(shù)范圍；另一方面，這些參數(shù)也對各種行駛條件下的車輛性能提出要求或依據(jù)車輛性能對行駛條件進(jìn)行限制。

制動行車安全主要與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的可靠性及控制性能相關(guān)。智軌電車是融合公交客車與有軌電車優(yōu)勢的一種跨界城市軌道交通制式,其制動系統(tǒng)需完全符合軌道列車的安全、可靠、性能標(biāo)準(zhǔn)等要求，具有雙端司機(jī)室、高可靠冗余安全等特征，這對制動系統(tǒng)的拓?fù)湫纬闪嘶镜南拗茥l件要求，同時(shí)還需考慮公路車輛的一些特殊性。一方面公路車輛的人工駕駛模型下，需要考慮司機(jī)在方向控制時(shí)用手更為準(zhǔn)確靈活，主要依靠踏板接收制動指令,同時(shí)還要考慮自動循跡模式下的手柄指令輸出模式；自動駕駛模式下的車腦集中智能控制、整車姿態(tài)控制等都對制動系統(tǒng)的接口和執(zhí)行機(jī)構(gòu)產(chǎn)生直接影響。因此，智軌電車制動系統(tǒng)的靈活制式及其拓?fù)涫茄芯康闹攸c(diǎn)之一。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)公路掛車車輛制動系統(tǒng)采用純氣控指令傳輸制動時(shí)，后車制動力施加慢，導(dǎo)致列車容易出現(xiàn)折疊失控、彎道傾覆等風(fēng)險(xiǎn)。已趨成熟的線控制動系統(tǒng)（electronic brake systems, EBS）[1]采用電信號同步傳輸制動指令，并能線性調(diào)節(jié)各軸制動力的大小和施加順序，從而大大優(yōu)化列車制動穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的道路運(yùn)行列車其長度通常不超過18 m，沒有大于4軸的成熟EBS系統(tǒng)，因此，對于多編組的智軌電車制動系統(tǒng)，不僅要求其拓?fù)湟铣鞘熊壍儡囕v制動系統(tǒng)及EBS系統(tǒng)的特征，同時(shí)其制動控制策略也是技術(shù)研究重點(diǎn)。

本文結(jié)合智軌電車的真實(shí)應(yīng)用場景提出了其制動系統(tǒng)性能設(shè)計(jì)指標(biāo)，闡述了主要功能及控制策略，并結(jié)合試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該制動系統(tǒng)的安全性。

1 智軌電車制動系統(tǒng)

智軌電車制動系統(tǒng)頂層技術(shù)設(shè)計(jì)是在結(jié)合傳統(tǒng)軌道車輛制動系統(tǒng)和公路交通傳統(tǒng)EBS系統(tǒng)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上形成的，設(shè)計(jì)了多種獨(dú)立冗余制動模式，并針對各模式的制動提出了相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。

1.1 智軌電車制動系統(tǒng)技術(shù)條件

表1示出CJ/T 417-2012《低地板有軌電車通用技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有軌電車制動性能要求[2]。其中，車輛減速度是指在平直線上、黏著條件良好、AW3載荷工況下，車速從70 km/h到0 km/h時(shí)的平均減速度；緊急制動1為制動模式指令采用安全回路方式，如司機(jī)安全警惕、門安全回路等；緊急制動2為制動模式指令采用司控器方式；安全制動為緊急制動1和緊急制動2模式下的最高等級模式，可獨(dú)立、不受單一故障影響地操作；最大響應(yīng)時(shí)間為從制動指令發(fā)生變化開始至達(dá)到設(shè)定減速度的90%為止的一段時(shí)間。

表1 有軌電車制動性能要求Tab.1 Technical speci fi cation of brake system for tram

智軌電車采用膠輪方式，相比鋼輪鋼軌列車，具備更高的可用黏著系數(shù)，因此其制動最大減速度可高于鋼輪鋼軌列車的。

智軌電車實(shí)際的應(yīng)用場景既可以采用混合路權(quán)模式，也可在特殊線路上采用專有路權(quán)[3-4]模式。在專有路權(quán)模式下，優(yōu)先考慮乘客舒適性的需求，類似地鐵，道路安全的考慮比重相對較少；而在混合路權(quán)模式下，綜合考慮列車最大減速度以及沖擊率，在保證道路安全的前提下，盡量防止乘客出現(xiàn)傾倒風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)上述2個(gè)原則，制定出智軌電車制動性能要求，具體如表2所示。

1.2 智軌電車制動系統(tǒng)拓?fù)渑c特征

智軌電車制動系統(tǒng)基于全面的道路安全、乘客安全、乘客舒適性導(dǎo)向設(shè)計(jì),具有安全可靠、穩(wěn)定可控和智能舒適的特征。圖1示出智軌電車的氣路拓?fù)洹Ａ熊嚲邆錃饴飞溪?dú)立的多種制動模式，包括停放制動、應(yīng)急制動及常用制動，并具有如下特點(diǎn)：

表2 智軌電車制動性能要求Tab.2 Technical speci fi cation of brake system for autonomous-rail rapid tram

（1）安全可靠。智軌電車的6軸制動被設(shè)置為獨(dú)立互備冗余；其常用、應(yīng)急、停放3路采用獨(dú)立氣路執(zhí)行機(jī)構(gòu)，具備司控器、腳踏板、應(yīng)急按鈕、安全環(huán)路和停放按鈕5種人工和自動控制觸發(fā)方式。

（2）穩(wěn)定可控。智軌電車設(shè)置有常用電控、常用氣控、安全、緊急、停放、應(yīng)急和保持7種制動模式，以適應(yīng)各種工況；采用EBS線控電空控制技術(shù)，以其協(xié)調(diào)靈活、響應(yīng)快速的制動性能為基礎(chǔ)來實(shí)現(xiàn)整車運(yùn)行的穩(wěn)定性。

（3）智能舒適。采用坡道、彎道、乘員負(fù)荷智能傳感檢測，提供差異化的舒適度控制；具備司機(jī)意圖的智能判斷、道路障礙智能檢測功能，可提供高敏捷度的智能制動輔助。

圖1 智軌電車制動系統(tǒng)2軸拓?fù)銯ig.1 Topology of the brake system with No.2 axle for autonomous-rail rapid tram

空氣制動的實(shí)施主要依賴壓縮空氣完成，所需壓縮空氣由風(fēng)源系統(tǒng)提供，因此為整車提供一個(gè)功能齊全、性能穩(wěn)定、安全可靠的風(fēng)源系統(tǒng)至關(guān)重要。智軌電車的風(fēng)源系統(tǒng)由動車機(jī)組模塊和拖車機(jī)組模塊組成。動車機(jī)組模塊布置于智軌電車的首車和尾車，拖車機(jī)組模塊布置于智軌電車的中間編組車輛。動車機(jī)組模塊各含一臺空氣壓縮機(jī)組，形成列車的供風(fēng)冗余；動車和拖車機(jī)組模塊均通過四回路保護(hù)閥貫通連接，以保障整列車供風(fēng)的可靠性。通過增減機(jī)組模塊數(shù)量，可實(shí)現(xiàn)靈活編組的智軌電車供風(fēng)需求。

1.3 智軌電車制動系統(tǒng)功能

智軌電車在制動系統(tǒng)的功能上設(shè)計(jì)了常用制動、安全制動、應(yīng)急制動、緊急制動、停放制動、保持制動和防滑保護(hù)7種制動工況[5]。

1.3.1 常用制動

常用制動模式包括電控式、腳踏式和氣控式。常用制動指令可以由司控器或列車自動駕駛（ATO）裝置給出，制動中央控制單元根據(jù)所接收的常用制動指令實(shí)施制動。常用制動采用空電混合方式，優(yōu)先采用電制動；電制動能力不足時(shí)，由空氣制動補(bǔ)充。兩端的制動中央控制單元互備冗余。該制動模式下，列車具有軸載荷補(bǔ)償、固定沖擊限制等功能。圖2示出常用制動之電控模式。

圖2 常用制動之電控模式Fig.2 Normal eletric service brake mode

制動控制器接收由制動踏板所產(chǎn)生的行程信號，并根據(jù)相應(yīng)行程設(shè)定的目標(biāo)減速度進(jìn)行整車制動力分配。踏板模式具備空電混合和載荷補(bǔ)償功能，但無沖擊限制，制動沖擊率取決于司機(jī)踏板操縱。

當(dāng)電控模式失效時(shí)，如踏板信號異常等，列車自動切換至后備的氣控模式。該模式下，制動踏板輸出口氣壓直接控制輸出各軸制動力的大小，實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的氣控方式。在該模式下，電控控制器僅進(jìn)行故障監(jiān)控，不參與任何控制，因此后備踏板制動模式不具備空電混合、載荷補(bǔ)償及沖擊限制等功能。圖3示出常用制動之氣控模式。

1.3.2 安全制動

安全制動是由車輛安全環(huán)路觸發(fā)的一種自動施加制動的模式。當(dāng)車輛檢測到某些影響行車安全的故障時(shí)，會自動斷開安全回路并觸發(fā)安全制動功能。安全制動功能一旦被觸發(fā)，直至車輛停止前都不可被撤銷。安全制動采用純空氣制動，具備減速度控制、沖擊率限制及軸荷補(bǔ)償?shù)裙δ?。圖4示出安全制動示意。

圖3 常用制動之氣控模式Fig.3 Normal pneumatic service brake mode

圖4 安全制動模式Fig.4 Safe brake mode

1.3.3 應(yīng)急制動

應(yīng)急制動具備獨(dú)立的應(yīng)急電路及應(yīng)急氣路，可通過激活端司機(jī)室的應(yīng)急制動蘑菇按鈕而直接驅(qū)動實(shí)現(xiàn)。圖5示出應(yīng)急制動示意。

圖5 應(yīng)急制動模式Fig.5 Emergency brake mode

1.3.4 緊急制動

緊急制動以列車在緊急情況下有短距離停車需求而設(shè)計(jì)，分為踏板和手柄兩種獨(dú)立的模式。在手柄和踏板的最大級位處設(shè)置緊急位，需人為觸發(fā)。緊急制動主要通過常用回路實(shí)施，在觸發(fā)的同時(shí)會關(guān)聯(lián)觸發(fā)應(yīng)急制動功能。

1.3.5 停放制動

停放制動采用彈簧施加、充風(fēng)緩解方式。司機(jī)臺上的控制按鈕可以控制停放制動的施加和緩解。在列車停車時(shí)，當(dāng)總風(fēng)壓力下降到停放制動開始施加的壓力后，停放制動能夠自動施加；當(dāng)總風(fēng)壓力恢復(fù)時(shí)，停放制動能自動緩解并恢復(fù)停放制動的正常功能。停放制動可通過車下按鈕手動機(jī)械緩解，一旦手動緩解了停放制動，停放制動即失效。在總風(fēng)壓力處于正常范圍時(shí)，進(jìn)行一次制動操作，停放制動功能自動恢復(fù)。停放制動具有能夠使AW0 載荷的列車在40‰坡道上靜止不動的能力。

1.3.6 保持制動

智軌電車在零速條件下具備自動制動施加的功能，可防止車輛后溜。

1.3.7 防滑保護(hù)

智軌電車配置了獨(dú)立的4S4M防滑控制系統(tǒng)，每個(gè)車輪配有單獨(dú)的速度傳感器和防滑調(diào)節(jié)閥，可保證每個(gè)車輪獨(dú)立防滑控制時(shí)在濕滑路面制動距離最短。

2 智軌制動系統(tǒng)控制策略

智軌電車是由多節(jié)車輛通過鉸接連接而成的編組列車，相比于其他路面車輛，其在行駛過程中，除了受到外界因素影響外，內(nèi)部各節(jié)車輛之間還存在相互作用力。傳統(tǒng)的全掛車在制動過程中容易出現(xiàn)跑偏、折疊、甩尾等不穩(wěn)定現(xiàn)象[6]，而合理的制動力分配可提高車輛的制動穩(wěn)定性[7]。為此，智軌電車在制動壓力分配方式上采用后軸大于前軸的方式，以保證列車處于后軸向前軸順序制動的狀態(tài)。其主要是通過在制動施加以及緩解過程中控制各軸制動缸壓力的上升及下降的時(shí)序，從而保證制動施加時(shí)后軸先于前軸，制動緩解時(shí)前軸先于后軸。

圖6示出智軌電車在一端司機(jī)室向前運(yùn)行或尾端司機(jī)室向后運(yùn)行時(shí)，軸3、軸2、軸1與軸6之間的制動力分配關(guān)系。圖中，“P軸6_前一刻”表示前一刻軸6的目標(biāo)壓力，“P軸6_當(dāng)前值”表示當(dāng)前時(shí)刻軸6的目標(biāo)壓力。軸1與軸6時(shí)間間隔為Δt，則以此類推，軸3與軸6的時(shí)間間隔為0.6Δt，軸4與軸6的時(shí)間間隔為0.4Δt，軸5與軸6時(shí)間間隔為0.2Δt。軸3的目標(biāo)壓力的增量速率應(yīng)為 5×（P軸6_當(dāng)前值–P軸3_前一刻）/(3×Δt) 。軸 4的目標(biāo)壓力的增量速率應(yīng)為5×（P軸6_當(dāng)前值–P軸4_前一刻）/（2×Δt）；軸5的目標(biāo)壓力的增量速率應(yīng)為5×（P軸6_當(dāng)前值–P軸5_前一刻）/Δt。

圖6 制動施加時(shí)制動力分配Fig.6 Brake force distribution when brake applied

圖7 示出列車在一端司機(jī)室向前運(yùn)行或尾端司機(jī)向后運(yùn)行、緩解制動時(shí)，軸1至軸6的制動力分配關(guān)系示意。

圖7 制動緩解時(shí)制動力分配Fig.7 Brake force distribution when brake released

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

智軌電車因其使用特殊性，需要滿足多種路權(quán)下的運(yùn)行條件。為驗(yàn)證其制動系統(tǒng)的安全性及其是否滿足制動系統(tǒng)頂層技術(shù)設(shè)計(jì)條件（表2），針對AW0和AW3載荷工況進(jìn)行相應(yīng)的動態(tài)試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 AW0和AW3載荷制動系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Brake test results in the conditions of AW0 and AW3

將表3的AW0與AW3載荷試驗(yàn)中每種制動工況進(jìn)行3次重復(fù)試驗(yàn)，取3次試驗(yàn)的平均值作為參考，并將其中關(guān)鍵的列車平均減速度作為匯總指標(biāo)得到表4所示結(jié)果。

表4 制動減速度測試結(jié)果匯總Tab.4 Test result analysis of braking deceleration

由表4可知，在不同載荷下，列車的減速度基本相同，偏差在10%之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了按載荷進(jìn)行制動力分配的功能，同時(shí)使得司機(jī)駕駛感受不會因不同的載荷產(chǎn)生太大的偏差。

應(yīng)急制動減速度偏差大約在20%左右，因其采用的是基于安全減壓閥輸出恒壓制動方式，不受載荷限制，導(dǎo)致AW3載荷下的減速度小于AW0載荷下的，其偏差值源于載荷差異。

從圖8所示制動系統(tǒng)試驗(yàn)曲線可以看出，列車在應(yīng)急制動、安全制動及踏板制動模式下，制動減速度較為平穩(wěn)，波動幅度不超過±10%。手柄常用制動模式下，在高速段區(qū)間減速度較為恒定；低速段末端，因空電配合影響，制動曲線存在一個(gè)小凹坑。

通過上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，智軌電車各種制動工況下空載和滿載的減速度、制動距離及沖擊率均符合文中表2技術(shù)要求，滿足車輛運(yùn)行要求。

4 結(jié)語

本文基于道路交通與軌道交通的特點(diǎn)給出了智軌電車制動系統(tǒng)的頂層設(shè)計(jì)方案，對關(guān)鍵氣路冗余設(shè)計(jì)，列車軸制動力分配原理進(jìn)行詳細(xì)分析。文中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，各種不同工況下的制動模式均符合總體設(shè)計(jì)要求。

靈動是智軌電車區(qū)別其他中小運(yùn)量公共交通的重要優(yōu)勢特征之一，也是其長足發(fā)展方向。與其相應(yīng)的，制動系統(tǒng)下一階段將針對電車全電化、輪轂電機(jī)動力分散等對智軌電車制動系統(tǒng)進(jìn)行研究，研制更敏捷、更精準(zhǔn)、更協(xié)同的制動制式。