儲能式六軸鉸接式輕軌列車制動系統(tǒng)設計

熊 梅 柳曉峰 段繼超

(中車株洲電力機車有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程師)

鉸接式列車具有轉(zhuǎn)彎半徑小，爬坡能力強，運動靈活的特點，比較適合多曲線及小半徑曲線的線路條件。儲能式六軸鉸接式輕軌列車由Mc(帶司機室的動力車)1及Mc2鉸接而成，有2臺動力轉(zhuǎn)向架和1臺非動力轉(zhuǎn)向架，采用儲能式無接觸網(wǎng)供電，可運行在正線最小平曲線半徑為40 m、最小豎曲線半徑為2 000 m、最大坡度為60‰的具有共有路權(quán)的線路上。制動系統(tǒng)是保證列車在大坡道等特殊線路條件上安全運行的關鍵部件之一。

1 制動系統(tǒng)的組成

儲能式六軸鉸接式輕軌列車采用液壓摩擦制動系統(tǒng)，其主要由風源系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、基礎制動裝置及輔助系統(tǒng)等4部分組成。

1.1 風源系統(tǒng)

風源系統(tǒng)主要包括提供壓縮空氣的風源模塊和儲存壓縮空氣的風缸等，主要為空氣懸掛及撒砂等用風系統(tǒng)提供干燥、清潔的壓縮空氣。風源系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 風源系統(tǒng)原理圖

空壓機由3相AC 380 V、50 Hz電機驅(qū)動，其額定工作壓力為1.0 MPa，控制電壓為DC 110 V，額定容積流量為330 L/min。壓力開關1用于檢測空壓機是否故障，壓力開關2用于控制空壓機的啟停。風缸容積為150 L，用來保證風源模塊故障時列車的緊急用風。

1.2 制動控制系統(tǒng)

制動控制系統(tǒng)采用克諾爾公司的KBGM-H電子控制被動式液壓制動系統(tǒng)。主要包括：EBCU(電子制動控制單元)、EHU(電液控制單元)和速度傳感器。制動控制采用MVB(多功能車輛總線)網(wǎng)絡與硬線控制相結(jié)合的方式。列車制動系統(tǒng)配置框圖如圖2所示。

注:VCMe為列車控制單元;P為載荷信息;DCU為牽引控制單元;A1、A2、A3為車軸；TU為牽引單元；MB為動力轉(zhuǎn)向架；TB為非動力轉(zhuǎn)向架。

EBCU接收VCMe(列車控制單元)通過MVB網(wǎng)絡發(fā)送的制動級位，根據(jù)檢測到的載荷信息(P)計算整車所需要的總制動力，并發(fā)送電制動申請給DCU(牽引控制單元)。DCU根據(jù)電制動申請來施加電制動力，并將實際電制動力反饋給EBCU。EBCU根據(jù)總制動力和實際電制動力，計算需補充的液壓制動力，發(fā)送給各轉(zhuǎn)向架的EHU，以此控制各轉(zhuǎn)向架制動的施加和緩解。

EBCU同時接收各轉(zhuǎn)向架的速度信號，通過計算各軸速與列車參考速度的差值來判斷該軸是否滑行，并通過EHU控制制動缸的液壓壓力來控制制動力，達到滑行控制的目的。

液壓控制采用架控方式，即1個EHU控制1個轉(zhuǎn)向架上的2套制動夾鉗，其原理如圖3所示。EHU通過液壓軟管(B11)、快插接頭(B20)與轉(zhuǎn)向架上的管路相連，再通過軟管連接到制動夾鉗(C01)。蓄能器(B09)相當于油壓的儲蓄器，用于液壓制動系統(tǒng)的緩解功能。輔助緩解單元(EDHL)在電液控制單元不能正常時緩解液壓制動。

注：B11為液壓軟管；B20為快插接頭，B09為蓄能器；C04為制動盤；C01001為制動閘片；C01為制動夾鉗;H02為輔助緩解單元。

EHU是執(zhí)行液壓控制的主要部件，其內(nèi)部工作原理如圖4。油泵由AC 380 V、50 Hz電機驅(qū)動，為設備提供需求壓力的液壓油；其他部件控制電壓為DC 110 V；AT(制動施加閥)及AS(制動緩解閥)用于常用制動及緊急制動控制，D(安全制動電磁閥)及E(停放制動電磁閥)分別用于安全制動和停放制動。各制動模式下，油液回路原理如圖5所示。制動缸壓力值由BP(壓力傳感器)進行檢測，并由EBCU根據(jù)不同制動級位進行閉環(huán)控制。

圖4 EHU內(nèi)部工作原理圖

圖5 a)中，AT、D、E電磁閥得電時，制動缸油液從制動夾鉗單元(P口)回流至油箱(T)，被動式夾鉗單元施加常用制動；圖5 b)中，AS、D、E電磁閥得電時，制動缸油液從蓄能器(S口)充至制動夾鉗單元(P口)，常用制動緩解。

安全制動通過獨立的安全控制環(huán)路實施，采用失電制動方式。當安全控制環(huán)路失電時，EHU內(nèi)的安全制動電磁閥(D)失電，常用制動油路關閉斷，油壓從制動夾鉗單元(P口)經(jīng)安全電磁閥(D)、節(jié)流孔(C)、限壓閥(IT)回流至油箱(T)，安全制動施加。其油液回路如圖5 c)所示。制動缸壓力通過限壓閥(IT)來預設。

停放制動的控制與EBCU無關，通過列車斷電來施加停放制動。當列車斷電后，EHU內(nèi)的停放制動電磁閥(E)和安全制動電磁閥(D)均處于失電狀態(tài)，油壓從制動夾鉗單元(P口)經(jīng)節(jié)流孔(C)、停放電磁閥(E)全部回流至油箱(T)，被動式制動夾鉗施加停放制動力為最大的彈簧力。其油液回路如圖5 d)所示。

a)常用制動施加時的油液回路

1.3 制動執(zhí)行裝置

儲能式六軸鉸接式輕軌列車配置了2種制動執(zhí)行裝置：制動夾鉗和磁軌制動器。

1.3.1 軸盤式制動夾鉗

儲能式六軸鉸接式輕軌列車采用被動式軸盤制動的形式，在轉(zhuǎn)向架的每根軸上安裝1套制動夾鉗單元(含制動夾鉗、制動盤及制動閘片等部件)。制動夾鉗單元采用四點頂面吊掛的方式，其示意圖如圖6。

圖6 制動夾鉗示意圖

制動夾鉗的最大制動力為80 kN。每個制動缸的活塞力為40 kN，最大活塞伸出行程為80 mm。配套制動盤為鑄鋼制動盤，其直徑為560 mm，新盤厚度為90 mm。閘片為合成材料，摩擦面積為350 cm2，平均摩擦半徑為221 mm。靜態(tài)摩擦因數(shù)約為0.3，動態(tài)摩擦因數(shù)約為0.38。制動夾鉗還具有液壓輔助緩解功能和機械緊急緩解功能(手動緩解裝置)。在液壓輔助緩解裝置無法緩解制動的情況下，可采用機械緩解方式進行緩解。

1.3.2 磁軌制動器

磁軌制動器為儲能式六軸鉸接式輕軌列車的輔助制動裝置。每個轉(zhuǎn)向架的兩側(cè)各配備1套磁軌制動器。如圖7所示：磁體a通過彈性體彈簧懸架b和安裝塊懸掛于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上；通過傳動件和螺柱，可手動調(diào)節(jié)懸掛高度，以補償磁軌磨耗部件與軌道的磨耗，并將未激活磁軌制動器與軌道的間隙保持為8～12 mm。磁軌制動器的吸力達70 kN，可為列車提供不小于0.5 m/s2的減速度。

圖7 磁軌制動器

1.4 輔助系統(tǒng)

1.4.1 空氣懸掛系統(tǒng)

儲能式六軸鉸接式輕軌列車空氣懸掛系統(tǒng)的氣路原理如圖8所示。二系懸掛采用空氣彈簧(L09)。載荷傳感器(L20)可檢測空氣彈簧的壓力，并轉(zhuǎn)化為載荷信號，提供給牽引系統(tǒng)及制動系統(tǒng)。此外，每個空氣彈簧配置1個高度閥(L06)，用于實時調(diào)節(jié)地板面的高度。壓差閥(L08)是1個雙向止回閥。當壓力差大于設定值(本文研究列車為0.2 MPa)時，兩側(cè)空氣彈簧互相連通；當壓力差低于設定值時，兩側(cè)空氣彈簧互相獨立。這種設計可使兩側(cè)空氣彈簧既不因較小的壓力波動而頻繁溝通，又不至于因壓力差過大而影響行車安全。

圖8 空氣懸掛系統(tǒng)氣路原理圖

1.4.2 撒砂系統(tǒng)

為增大低黏著情況下輪軌間的黏著，儲能式六軸鉸接式輕軌列車配置了撒砂系統(tǒng)，既可縮短制動距離，又可改進列車在軌道上的運行性能。

列車動力轉(zhuǎn)向架的4根軸上均配備撒砂設備，每側(cè)各配置1套。對于列車任一運行方向，在同一時間只有2根軸對應的撒砂設備起作用。每個配備撒砂設備的轉(zhuǎn)向架均配備1個撒砂控制模塊、4個砂箱(帶撒砂器)、撒砂管及其他相應附屬部件。

撒砂系統(tǒng)的原理示意圖如圖9所示。圖9中，調(diào)壓閥用來調(diào)節(jié)撒砂系統(tǒng)的工作壓力(本文研究列車為0.5 MPa)。每軸配備1個電磁閥，分別用來控制對應軸撒砂動作的啟停。

圖9 撒砂系統(tǒng)原理圖

2 制動系統(tǒng)功能及技術(shù)性能

通過以上配置，儲能式六軸鉸接式輕軌列車制動系統(tǒng)有常用制動、緊急制動、安全制動及停放制動等操作模式，以及防滑控制、載荷檢測、撒砂控制等功能。具體參數(shù)如表1所示。

表1 制動系統(tǒng)功能及參數(shù)

表1中,緊急制動3模式是在緊急情況下司機將司控器(司機控制器)手柄拉到最后一位時觸發(fā)的。該模式下，列車減速度可達2.8 m/s2,當列車以70 km/h的初速度制動時的對應制動距離不超80 m，完全滿足列車在共有路權(quán)上運行的安全需求。

此外，列車非動力轉(zhuǎn)向架采用鉸接式轉(zhuǎn)向架，制動夾鉗采用緊湊式液壓制動夾鉗。制動夾鉗的最大彈簧力可達80 kN,可保證AW3(滿載)工況下列車能安全停放在坡度為60‰的線路上。

在車輪滑行保護開啟時，或在列車緊急制動3和安全制動觸發(fā)時，撒砂設備會自動啟動，可保證低黏著情況下或大級位制動時所需要的黏著力。經(jīng)理論計算和測試驗證，本文研究列車撒砂量為1 000～1 200 g/min。

3 性能試驗結(jié)果

根據(jù)EN 13452系列標準的要求，制動系統(tǒng)開展了初速度為50 km/h，AW0(空載)及AW3工況下的型式試驗。試驗結(jié)果如表2所示。

表2 型式試驗數(shù)據(jù)記錄結(jié)果

由表2可知，常用制動、緊急制動1、緊急制動3及安全制動等模式下的等效減速度和制動距離均滿足表1的性能要求。

經(jīng)機車牽引試驗驗證，列車可以在AW3載荷工況下安全停放在60‰的坡道上。

綜上所述，儲能式六軸鉸接式輕軌列車制動系統(tǒng)的功能和性能均滿足標準要求。

4 結(jié)語

儲能式六軸鉸接式輕軌列車具有常用制動、緊急制動1、緊急制動3、安全制動和停放制動等制動模式。經(jīng)試驗驗證，制動系統(tǒng)的功能和性能均滿足標準要求。其中，緊急制動3模式的減速度較大、制動距離較短，可滿足在大坡道及共有路權(quán)等線路條件下的安全運行要求。

該型列車已在某工業(yè)園區(qū)運行兩年有余。在實際運行期間，列車性能穩(wěn)定，乘客乘坐舒適，制動系統(tǒng)故障率低。這些驗證了該列車制動系統(tǒng)的實用性與適用性。