AB型電力蓄電池工程車緊急制動功能分析和計算

曾偉鵬，鐘佳麗，詹城偉

（廣州地鐵集團有限公司，廣州 510310）

0 引言

制動系統(tǒng)是地鐵車輛的重要組成部分，其性能的好壞影響到車輛的運行安全，而緊急制動功能作為車輛的一種故障導(dǎo)向安全功能[1]，在地鐵車輛上配置是十分必要的。經(jīng)查閱，國內(nèi)外針對地鐵車輛緊急制動功能的研究偏向于電客車的研究，而電客車大都采用以克諾爾為主流的制動系統(tǒng)，與電力機車有一定的差別[2]。因此，本文以AB型電力蓄電池工程車為例，對AB型電力蓄電池工程車DK－2制動系統(tǒng)的緊急制動功能進行研究。

1 制動系統(tǒng)功能

目前，廣州地鐵新線工程車采用AB型電力蓄電池工程車，該車主要采用DK－2制動系統(tǒng)，該制動機具備空電混合制動、自動制動、單獨制動、停放制動和緊急制動等基本功能，并具有制動壓力閉環(huán)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、故障診斷和記錄等功能[3]。

1.1 空電混合制動

空電混合制動是指通過操控司控器至制動區(qū)實現(xiàn)空電混合制動功能?？针娀旌现苿涌刂圃瓌t是電制動優(yōu)先，電制動不足時，補充空氣制動。司控器手柄在制動區(qū)某一位置時，BCU根據(jù)位置計算總的制動力，并根據(jù)機車速度計算可用電制動力并向DCU反饋，并依此計算出空氣制動力。司控器手柄在制動區(qū)任何位置，無論是否需要補充空氣制動，制動缸應(yīng)具有至少40 kPa的壓力。工程車靜止?fàn)顟B(tài)，司控器手柄在最大制動區(qū)位置時，制動缸壓力為360～380 kPa[4]。

1.2 自動制動

自動制動是通過操作自動制動控制器（大閘）來控制均衡風(fēng)缸壓力變化，并通過中繼閥來控制列車管的壓力變化，從而操縱全列車的制動和緩解，其控制方式為自動制動控制器—制動控制單元—電空閥—均衡風(fēng)缸—中繼閥—列車管壓力變化—空氣管路柜三通閥—作用閥—制動缸[5]。

1.3 單獨制動

單獨制動控制是通過司控器（小閘）來操縱工程車本身的制動和緩解，其控制方式為司控器—制動控制單元—單制、單緩電磁閥—作用閥—制動缸。

1.4 停放制動

停放制動是通過彈簧蓄能式的停放制動裝置，防止機車臨時停放時出現(xiàn)前進或倒退。通過司機室停放制動控制按鈕，控制停放制動電磁閥得失電控制機車的緩解、制動，防止機車長時間斷電停放時，由于空氣泄漏造成的制動缸壓力下降，從而影響制動能力。

1.5 緊急制動

緊急制動是在機車出現(xiàn)超速、脫鉤、觸發(fā)警惕裝置、總風(fēng)欠壓等緊急情況時，人為或機車自動通過緊急環(huán)路施加的安全制動措施，具備故障導(dǎo)向安全功能。緊急制動環(huán)路受緊急制動電磁閥控制，通常采用失電緊制。

由于緊急制動是在緊急情況下為了使機車制動距離盡可能短而盡量加大制動力的一種安全性制動，因此最能體現(xiàn)制動系統(tǒng)的制動性能和技術(shù)指標(biāo)。因此，下文以AB型電力蓄電池工程車為例，對電力機車的緊急制動功能進行分析和計算。

2 緊急制動控制原理

2.1 氣路控制

DK－2制動機采用微機EP閉環(huán)控制，均衡風(fēng)缸控制模塊及制動缸控制模塊均采用高速電空閥、壓力傳感器、PWM脈寬調(diào)制方式實現(xiàn)均衡風(fēng)缸及制動缸壓力的精確控制[4]。

當(dāng)機車緊急制動時，195YV、265YV電空閥失電，265YV電空閥控制放風(fēng)閥94開啟，列車管壓力經(jīng)116塞門、94放風(fēng)閥、95緊急放風(fēng)閥和中繼閥排風(fēng)口迅速排向大氣，3 s內(nèi)列車管壓力降為0，列車管壓力控制原理如圖1所示；同時總風(fēng)缸壓力經(jīng)160塞門、195YV電空閥控制作用閥開啟，總風(fēng)經(jīng)123塞門、191作用閥迅速向制動缸充風(fēng)，制動缸壓力上升至440 kPa，實現(xiàn)機車緊急制動，制動缸壓力控制原理如圖2所示。

圖1 緊急制動時列車管壓力控制原理

圖2 緊急制動時制動缸壓力控制原理

2.2 電路控制

緊急制動環(huán)路串聯(lián)了緊急按鈕、操作臺占用信號、總風(fēng)低壓保護以及緊急閥觸點等信號，通過緊急環(huán)線得失電控制緊急中繼動作，從而實現(xiàn)機車緊急制動[6]。緊急制動環(huán)路控制如圖3所示。

圖3 緊急制動環(huán)路控制

觸發(fā)緊急制動的條件有：

（1）按下司機室控制臺上的緊急制動按鈕（擊打式按鈕）；

（2）工程車脫鉤（列車管快速排風(fēng)）或總風(fēng)低于550 kPa；

（3）緊急制動環(huán)路中斷或失電；

（4）自動制動控制器在緊急制動；

（5）司控器在快速制動位；

（6）DC110 V控制電源失電；

（7）車長閥被觸發(fā)；

（8）觸發(fā)懲罰緊急制動。

當(dāng)以上任意一個條件滿足時，都會導(dǎo)致52KA緊急中繼失電，52KA中繼觸點閉合，緊急電空閥失電動作，列車管緊急排風(fēng)，總風(fēng)給制動缸緊急充風(fēng)，從而產(chǎn)生緊急制動。

3 緊急制動減速度和制動距離

車輛的制動減速度和制動距離是反映制動裝置性能和實際制動效果的主要技術(shù)指標(biāo)。

根據(jù)電力蓄電池車項目合同要求，制動初速度為80 km/h時，不包括空走時間內(nèi)的平均緊急制動減速度不小于1.20 m/s2。

3.1 制動減速度

根據(jù)牛頓第二定律，制動減速度的理論計算一般采用以下公式：

式中：a為瞬時減速度；B為車輛制動力；Wj為機車的受到阻力；m為機車總質(zhì)量；λ為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

實際上為了簡化運算，采用下式進行運算：

式中：a為機車由速度v0到停車的平均減速度，m/s2；v0為制動初速度，km/h；t為以初速v0到停車所需時間。

根據(jù)廠家提供的技術(shù)文件，機車單機運行時，機車產(chǎn)生的總制動力Fb＝71 316 N，機車總質(zhì)量W=59 360 kg。

緊急制動時，有效制動距離內(nèi)的平均減速度為：

3.2 制動距離

嚴(yán)格來說，制動距離指的是機車停車制動或減速制動時，制動手柄置于制動位的瞬間算起，到停車瞬間或某個速度對應(yīng)的時刻機車所走的總距離。因此機車的制動時間包括空走時間段和減速時間段。空走時間包含機車制動指令傳輸時間、制動閥響應(yīng)時間、制動缸變化時間、閘瓦與輪對間隙運動時間等等?？兆邥r間只和制動系統(tǒng)有關(guān)，不隨初速度變化而變化[7－8]。

經(jīng)查閱項目設(shè)計資料，電力蓄電池工程車設(shè)計的緊急空走時間tk＝2.5 s。勻減速時間指機車減速至停車或某個末速度所用的時間te

圖4 機車制動過程分析

機車總制動距離S等于空走距離Sk和有效制動距離Se兩部分之和，總制動距離為：

空走距離按照勻速運動計算，即:

有效制動距離為：

結(jié)合式（2）得：

取制動減速度為1.20 m/s2，分別計算不同速度等級80 km/h、50 km/h、25 km/h下的緊急制動總距離分別為261 m、115 m和38 m。

以上得出的緊急制動減速度和制動距離均為理論計算得出的理論值，實際運行時，需滿足制動減速度大于1.20 m/s2，制動距離需小于上述理論值，才能滿足設(shè)計要求。

機車出廠之前，在平直干燥路面試驗，分別針對不同速度等級（80 km/h、50 km/h、25 km/h）進行緊急制動減速度和制動距離測試，每個速度測3次數(shù)據(jù)取平均值，試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同速度等級下緊急制動減速度及制動距離測試結(jié)果

表中的結(jié)果顯示，各速度等級下測試的最小減速度為1.21 m/s2，滿足合同要求。此外，初速度為80 km/h、50 km/h、25 km/h下的制動距離分別為252 m、95 m、26 m，均小于理論計算距離。

4 結(jié)束語

本文介紹了DK－2型制動機的制動功能，介紹了AB型電力機車緊急制動的基本工作原理，最后以不同速度等級為初速度，采用項目合同要求的最小平均減速度來計算出機車的最大緊急制動距離，并用試驗的數(shù)據(jù)進行驗證，得出以下結(jié)論：

（1）各速度等級下測試的最小減速度為1.21 m/s2，滿足項目合同要求的大于1.20 m/s2；

（2）試驗測得初速度分別為80 km/h、50 km/h、25 km/h時的平均制動距離分別是252 m、95 m、26 m，均小于理論安全距離261 m、115 m、38 m，滿足技術(shù)要求。