天水一期100%低地板有軌電車制動系統(tǒng)設計

張彥燁，謝耀征，劉助威，張世友，許新祥

（通號軌道車輛有限公司，長沙 410217）

隨著城市化進程的發(fā)展，在城市交通領域人們對環(huán)境、舒適、快捷等要求越來越高，從而提出了智慧交通的概念。100%低地板有軌電車具有工程造價低，綠色環(huán)保，方便乘客出行等優(yōu)點。由于車輛地板低同時照顧到老人、小孩兒、殘疾人等弱勢群體，在已開通線路的城市得到了廣大市民的認可。100%低地板有軌電車將迎來陸續(xù)開通運營的密集期，并逐步成為城市智慧交通的重要組成部分。

100%低地板有軌電車相較于地鐵、輕軌等車輛主要有2個特點，首先地板面低，車底空間有限，無法布置空壓機、風缸、制動控制模塊等空氣制動裝置［1］。其次運行線路為混行，要求突發(fā)狀況下能夠迅速停車，減速度要求高。所以在設計過程中制動系統(tǒng)包括電制動、液壓制動、磁軌制動。其中電制動優(yōu)先級最高；其次液壓制動，其具有模塊化組件，占用空間小，壓力大等優(yōu)點［2］；最后磁軌制動，其屬于非黏著制動，更進一步增大了制動減速度，保障了安全運行。

1 概述

整列車的車輛編組為-Mc1+F1+Tp+F2+Mc2-，如圖1所示。

圖1 車輛編組圖

其中：Mc為帶司機室的動車；F為無轉(zhuǎn)向架支撐的浮車；Tp為帶受電弓的拖車；-為折疊式車鉤；+為鉸接裝置、貫通道等車間部件。

參考CJ/T 417-2012《低地板有軌電車車輛通用技術(shù)條件》、BS EN 13452-1：2003《鐵路設施制動—公共運輸制動系統(tǒng)性能要求》2個標準，對車輛在AW2（滿座+6人/m2）載荷下，在平直干燥軌道上，車輪半磨耗，車輛速度從70~0 km/h制動性能提出如下要求：

常用制動平均減速度≥1.1 m/s2；

緊急制動平均減速度≥2.3 m/s2；

安全制動平均減速度≥1.2 m/s2。

根據(jù)減速度要求、各載荷狀態(tài)下的軸重分布、黏著需求、安全原則等確定制動模式配置方案，見表1。

表1 制動模式配置表

除了在緊急制動和安全制動模式下觸發(fā)撒沙，在車輛運行過程中如果發(fā)生空轉(zhuǎn)或者滑行時自動觸發(fā)撒沙，同時設計有手動撒沙按鈕。

2 液壓制動配置

整車制動采用架控模式，系統(tǒng)由2個動車，1個拖車共3套配置，其中動車配置相同，如圖2所示。

圖2 制動原理圖

動車由制動控制模塊（HCM）、動車液壓單元、被動式夾鉗、制動盤、載荷傳感器、磁軌制動器、輔助緩解單元組成，見表2。

表2 單個動車液壓制動配置表

拖車由制動控制單元（KBGM）、拖車液壓單元、主動式夾鉗、制動盤、載荷傳感器、磁軌制動器、蓄能器、速度傳感器組成，見表3。

表3 拖車液壓制動配置表

2.1 制動控制

2.1.1動車制動控制

動車制動控制由制動控制模塊（HCM）、動車液壓單元組成。動車制動控制原理圖中制動控制模塊（HCM）將從車輛控制單元（VCU）發(fā)來的制動指令轉(zhuǎn)換為精確的信號，用來控制動車液壓單元中的比例控制閥（10）、電機（1）、油泵（2），如圖3、圖4所示。同時檢測來自制動壓力傳感器（6）的信號，用于控制制動力大小。

圖3 動車制動控制原理圖

圖4 動車液壓單元原理圖

HCM制動力大小分Step1、Step2、Step3三級控制，HCM從VCU接收到輸入信息后進行不同模式的制動。同時根據(jù)液壓制動系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)，將“制動緩解”、“制動施加”和“制動故障”信號發(fā)給車輛控制系統(tǒng)。

動車液壓單元產(chǎn)生并控制用于操作被動式制動夾鉗（制動力的施加靠夾鉗內(nèi)的彈簧）的壓力。在制動管路無壓力的情況下或在比例控制閥（10）斷電狀態(tài)下，以最大制動力施加制動。如要緩解制動器，HCM的預設值設定制動壓力，如果制動管道中的壓力達到或超出被動式夾鉗特有的緩解壓力，則制動器完全緩解。動車液壓單元輸出口（P）通過管路接頭與夾鉗制動缸連通，系統(tǒng)中的壓力由比例控制閥（10）調(diào)節(jié)，按照電氣控制分級產(chǎn)生制動壓力。

2.1.2拖車制動控制

拖車制動控制由制動控制單元（KBGM）、拖車液壓單元組成。拖車制動控制原理圖和拖車液壓單元原理圖如圖5、圖6所示，拖車制動控制原理圖中制動控制單元（KBGM）集成了制動控制和輪對滑行保護功能。KBGM從車輛控制單元（VCU）發(fā)來的制動指令轉(zhuǎn)換為精確的信號，用來控制拖車液壓單元中的比例閥（7）和比例閥（8）動作，同時檢測來自制動壓力傳感器（9）的信號，從而產(chǎn)生制動力的施加和緩解。當蓄能器壓力傳感器（6）的值小于設定值時，電機（1）、油泵（2）啟動，比例閥（7）關閉對蓄能進行打壓，蓄能器壓力傳感器壓力值達到目標值時，KBGM控制電機停止。

圖5 拖車制動控制原理圖

圖6 拖車液壓單元原理圖

KBGM能夠和VCU通過CAN-Open網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，具有沖擊限制、載荷補償功能，同時對拖車液壓制動力進行無級控制。KBGM集成了輪對滑行保護控制器，通過適時檢測拖車轉(zhuǎn)向架2根車軸的轉(zhuǎn)速判斷是否存在滑行，一旦出現(xiàn)滑行就會控制拖車液壓單元減小制動力，以適應輪軌黏著的情況，同時會發(fā)出“撒沙”指令，增加防滑功能的可靠性。KBGM從VCU接收到輸入信息后進行不同模式的制動，同時根據(jù)液壓制動系統(tǒng)的實際工作狀態(tài)，將“制動緩解”、“制動施加”、“制動故障”和“撒沙”信號發(fā)給車輛控制系統(tǒng)。

拖車液壓單元產(chǎn)生并控制用于操作主動式制動夾鉗的壓力。制動壓力傳感器（9）的信號適時被KBGM讀取，KBGM將讀取信號與制動請求信號進行對比，觸發(fā)比例閥（7）和比例閥（8）動作，比例閥（7）用于提高壓力，比例閥（8）用于降低壓力，經(jīng)過調(diào)節(jié)后的壓力由P口達到夾鉗制動缸。

2.2 基礎制動裝置

基礎制動采用盤形制動，包括制動夾鉗、閘片和制動盤。動車采用的被動式夾鉗，拖車采用的主動式夾鉗。閘片采用有機摩擦材料，每個閘片均有磨耗顯示槽，以便目測磨耗情況。制動盤均安裝在軸端面，材質(zhì)為灰口鑄鐵，進行了專門的冷卻筋散熱設計。

2.3 輔助緩解裝置

如果車輛控制系統(tǒng)故障或失電，動車彈簧力會施加。如果現(xiàn)在必須移動或牽引車輛，則通過輔助緩解裝置生成用于緩解彈簧力所需的壓力。此裝置在系統(tǒng)設計中對應于被動式夾鉗，僅用于故障情況下的緩解。

2.4 磁軌制動裝置

磁軌制動提供了一種額外的獨立于黏著的車輛制動形式，由磁軌制動裝置中的線圈產(chǎn)生電磁力使其吸附在軌道上的一種摩擦力制動［3］。磁軌制動一旦失電，電磁力消失，裝置就會在回位彈簧作用下回到初始位置。磁軌制動具有清潔軌道，改善黏著；低懸掛設計，響應快速；隨著車輪磨耗易于調(diào)整等優(yōu)點。

3 制動模式

3.1 常用制動

常用制動通常指電制動開始淡出速度點（一般≤5 km/h）以前的制動，通過動力轉(zhuǎn)向架上的電機來實現(xiàn)。設計時電制動力要能夠滿足規(guī)定載荷狀態(tài)下的減速度要求，盡量不補充液壓制動力。電制動時產(chǎn)生的能量由儲能裝置吸收，儲能系統(tǒng)設計時通過線路仿真分析和能量管理策略來保證在任何時間進行電制動時，都能夠安全可靠地回收。

常用制動具有防滑功能、載荷補償功能和沖動限制。

3.2 緊急制動

緊急制動是減速度要求最高的制動模式，包括動車最大電制動力、磁軌制動力和拖車液壓制動力，動車不施加液壓制動力。設計時要最大限度地發(fā)揮電制動能力，充分利用好磁軌的非黏著制動力，在安裝空間滿足情況下盡可能選擇大吸附力的磁軌，拖車液壓制動力進行補充來達到規(guī)定載荷狀態(tài)下的減速度要求。

緊急制動動車電制動防滑，拖車液壓制動防滑，同時觸發(fā)撒沙改善軌道黏著。緊急制動具有載荷補償功能和沖動限制。

3.3 安全制動

安全制動包括液壓制動、磁軌制動［4］。當安全環(huán)路斷開時，動車液壓單元圖4中安全制動閥（11）失電，則制動管道通過限壓閥（13）連接油箱（16）。制動壓力將降至在限壓閥（13）上設置的數(shù)值，動車制動夾鉗制動力施加。節(jié)流閥（12）既能保證夾鉗能足夠快地制動，又能防止過快的制動力上升而導致的沖擊。

拖車液壓單元圖6中通過比例閥（7）和比例閥（8）預先設定好的比例值進行制動。

安全制動不具有載荷補償功能和防滑功能，同時觸發(fā)撒沙改善軌道黏著，具有沖動限制。

3.4 停車制動

當車速低于約5 km/h時，這時候電制動逐漸淡出，動車液壓制動施加Step1的值，拖車液壓制動根據(jù)沖擊率斜率施加制動力，當車速低于3 km/h時動車液壓制動施加Step2的值，當車速約為0.5 km/h時所有液壓制動力施加。

3.5 停放制動

車輛停止時，若收到相關指令或車輛斷開24 V DC電源后，動車夾鉗施加基于彈簧的最大制動力。能夠保證車輛在AW3載荷，60‰的坡道上不溜車。

4 電制動故障

設計需要考慮電制動故障情況下的制動力施加來保障車輛安全停車，整車電制動為1個輔助逆變器控制1個動力轉(zhuǎn)向架上的2臺電機，共有2個輔助逆變器，所以電制動故障分為50%電制動故障和100%電制動故障，具體措施見表4。

表4 電制動故障制動模式表

磁軌制動是通過硬線控制的，電路閉合施加磁軌制動力，電路斷開釋放磁軌制動力。

5 結(jié)束語

制動系統(tǒng)關系到行車安全，首先針對減速度要求，根據(jù)軸重分布進行制動計算，在計算過程中合理地分配制動力，并充分考慮系統(tǒng)的安全可靠。基于有軌電車的實際路況需要對制動模式進行合理配合，對制動模式的合理設計，充分考慮邏輯關系，故障處理等一系列問題，在設計源頭把控，降低制動風險。