電子機械制動夾鉗的設(shè)計及其試驗研究*

楊 磊,苗 峰,王 帥,周宇航,駱 凱,張敬斌

(中車青島四方車輛研究所有限公司 技術(shù)中心,山東 青島 266031)

0 引 言

近年來,國內(nèi)城市軌道交通快速發(fā)展,截至2020年底,我國開通運行城市軌道交通的城市達(dá)43個,總里程約7 655 km,其中地鐵和有軌電車占到了90.8%[1]。

目前,城市現(xiàn)代軌道車輛正向著智能化、全電化、綠色化方向發(fā)展,傳統(tǒng)的空氣制動和液壓制動已無法滿足車輛新的發(fā)展趨勢。

電子機械制動(EMB)具有控制性能好、系統(tǒng)簡單、重量輕、維護(hù)成本低以及能源利用效率高等優(yōu)點,具備代替城軌車輛原空氣制動和液壓制動系統(tǒng)的潛力[2]。EMB技術(shù)最早于20世紀(jì)70年代在國外的航空領(lǐng)域出現(xiàn),由于其響應(yīng)快、重量輕、體積小、不需要液壓介質(zhì),使其逐漸在商用客機領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

美國Goodrich公司和UTC Aerospace Systems公司分別把研制的EMB應(yīng)用在A-10攻擊機和RQ-4B型全球鷹無人機上。英國MEGGITT公司開展了空客A220客機全電剎車系統(tǒng)試驗研究,法國Safran集團(tuán)[3]為波音787客機研制了EMB系統(tǒng),實現(xiàn)了其商業(yè)化應(yīng)用。

在國內(nèi)航空領(lǐng)域,中南大學(xué)是較早開展全電剎車技術(shù)的高校。張濤等人[4]進(jìn)行了無刷直流電機控制系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計,梁柏強等人[5]利用模糊自適應(yīng)PID控制方法,進(jìn)行了其伺服控制的研究。西北工業(yè)大學(xué)的陳曉雷等人[6-10]在全電剎車技術(shù)的防滑、滑移率控制的穩(wěn)定性、滑模極值搜索控制策略、傳感器的故障診斷與補償、非線性PI控制等方面進(jìn)行了大量研究工作,使得全電剎車技術(shù)在無人機領(lǐng)域得到了成功應(yīng)用。

以上這些研究主要集中在飛機制動領(lǐng)域,且著重于制動系統(tǒng)的控制算法研究,但并未對EMB夾鉗進(jìn)行詳細(xì)研究。

在汽車領(lǐng)域,20世紀(jì)90年代,德國Continental Teves公司[11-13]申請了EMB專利,該EMB采用中空式電機,制動器的齒輪系傳動部件與電機同軸,且位于中空電機的內(nèi)部。德國的Bosch、Siemens公司[14,15]提出了一種利用連桿機構(gòu)和楔形結(jié)構(gòu)進(jìn)行傳動的結(jié)構(gòu)方案,該方案可借助制動盤的運動方向?qū)崿F(xiàn)自增力效果,從而減小了其制動電機的尺寸。Continental Teves、Bosch、Siemens等公司也在其開發(fā)的產(chǎn)品驗證了EMB技術(shù)在汽車領(lǐng)域的可行性。瑞典的Haldex、意大利的Brembo等廠商,推出了商用化的EMB產(chǎn)品。目前,奧迪R8-etron等車型應(yīng)用了EMB技術(shù)。

但是,由于汽車領(lǐng)域用的EMB夾鉗的緩解間隙較小,無法解決大緩解間隙、大總調(diào)整量的問題。

軌道交通領(lǐng)域開展EMB技術(shù)研究較晚。德國Knorr-Bremse公司[16]自20世紀(jì)80年代至今持續(xù)進(jìn)行軌道車輛EMB的研究,2019年公布了最新的地鐵車輛EMB樣機。2002年,日本交通局[17]開發(fā)了彈簧被動式EMB,在鹿島1000型低地板有軌電車上進(jìn)行了試驗研究。2008年,日本鐵道綜合技術(shù)研究所[18]設(shè)計了一種內(nèi)接搖動式行星減速機的EMB夾鉗。

在國內(nèi),同濟大學(xué)[19]自2014年開始開展了軌道車輛EMB的研究,目前已經(jīng)開發(fā)了地鐵車輛和中低速磁浮車用EMB,但同濟大學(xué)的相關(guān)研究未涉及有軌電車車型。

筆者針對有軌電車制動系統(tǒng)的需求特性,對電子機械制動夾鉗進(jìn)行研究,確定電子機械制動(EMB)夾鉗工作原理和主要結(jié)構(gòu),通過計算確定其電機、傳動機構(gòu)的設(shè)計參數(shù),并對其進(jìn)行仿真驗證,通過性能和環(huán)境試驗對其樣機進(jìn)行測試。

1 EMB夾鉗功能及技術(shù)參數(shù)

1.1 功能分析

筆者以國內(nèi)某有軌電車為目標(biāo)車型,研發(fā)電子機械制動(EMB)夾鉗,該有軌電車采用兩動車一拖車編組形式,原車采用液壓制動系統(tǒng)。

動車安裝一臺制動控制單元和兩臺液壓制動夾鉗,拖車安裝一臺制動控制單元和四臺液壓制動夾鉗;制動控制采用車控方式,即一臺制動控制單元控制本車所有制動夾鉗。

有軌電車液壓制動系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 有軌電車液壓制動系統(tǒng)架構(gòu)圖

液壓制動夾鉗安裝于車軸軸端,采用浮動式結(jié)構(gòu),主要由鉗體、閘片、連接桿、液壓彈簧缸、液壓缸等組成。動車夾鉗具有停放制動(駐車制動)功能,拖車夾鉗不具有停放制動功能。

液壓制動夾鉗結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 液壓制動夾鉗

為了便于EMB夾鉗的試驗和推廣,筆者設(shè)計的EMB夾鉗需保證和原液壓制動夾鉗接口相同。

EMB夾鉗需具備以下功能:

(1)制動施加和緩解。滿足在全輸出力范圍的輸出力精確控制,實時輸出實際制動力電信號;

(2)停放制動及斷電輸出力保持。在施加狀態(tài)斷電時,輸出力能夠保持,24 h內(nèi)制動力衰減<5%;

(3)磨耗間隙自動補償。保證緩解間隙的穩(wěn)定,不隨閘片和制動盤的磨耗而改變;

(4)輔助緩解?？梢允褂猛ㄓ霉ぞ咄ㄟ^機械方式實現(xiàn)輸出力緩解,且機械緩解后制動力不再自動施加;機械緩解后,系統(tǒng)再次上電不影響正常制動功能;

(5)維護(hù)便利。采用模塊化的設(shè)計理念,便于維護(hù)和檢修,更換閘片時夾鉗能自動回退到初始狀態(tài)。

1.2 設(shè)計參數(shù)

針對以上功能和性能需求,筆者確定的EMB夾鉗技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 技術(shù)參數(shù)表

2 EMB夾鉗結(jié)構(gòu)及其原理

2.1 結(jié)構(gòu)方案

EMB夾鉗主要由電機作動器、鉗體、閘片及連接桿組成,安裝接口與原液壓制動夾鉗的相同。

EMB夾鉗結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 EMB夾鉗結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)鉗體結(jié)構(gòu)特點,電機作動器采用電機輸出軸與絲杠輸出軸平行布局方式,電機輸出軸作為減速增矩機構(gòu)的輸入軸,減速后的旋轉(zhuǎn)運動通過絲杠副轉(zhuǎn)換為直線運動,通過杠桿最終實現(xiàn)閘片和制動盤的夾緊;

筆者在絲杠后端放置載荷傳感器,用于制動力的實時測量。在電機尾端布置電磁制動器,用于失電力保持。電機輸出軸伸出電磁制動器用于緊急情況下的人工緩解。

EMB夾鉗的結(jié)構(gòu)原理如圖4所示。

圖4 EMB夾鉗結(jié)構(gòu)原理圖

電機作動器是EMB夾鉗的動力輸出單元,是EMB夾鉗的核心部件,其工作原理如圖5所示。

圖5 EMB電機作動器原理圖

EMB夾鉗控制器得到制動指令后,使電磁制動器得電,釋放電機轉(zhuǎn)子軸,通過控制電機的勵磁電壓控制電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動;

電機轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)運動通過傳動裝置轉(zhuǎn)換為壓緊制動盤的直線運動;

載荷傳感器將輸出力實時反饋給電機控制器,電機中的位置傳感器反饋電機轉(zhuǎn)子的位置;

控制器根據(jù)載荷值和位置信號,實現(xiàn)電機作動器輸出力和緩解間隙的精確閉環(huán)控制;

需要停放制動時,電磁制動器失電,鎖定電機軸,實現(xiàn)制動力長期保持穩(wěn)定。

2.2 電機作動器計算模型

2.2.1 電機計算模型

電機作動器系統(tǒng)為多軸傳動系統(tǒng),可以通過將多軸系統(tǒng)簡化為單軸系統(tǒng)進(jìn)行計算。

EMB多軸傳動系統(tǒng)簡化示意圖如圖6所示。

圖6 EMB多軸傳動系統(tǒng)簡化示意圖

制動工作過程分為空載加速、輸出力上升和輸出力穩(wěn)定3個階段。

空載加速階段受力平衡方程為:

(1)

根據(jù)傳動過程能量守恒定律,有:

(2)

式中:JM—電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量;ω1,ω2,ωn—第1,2,n軸旋轉(zhuǎn)角速度;J1,J2,Jn—第1,2,n軸轉(zhuǎn)動慣量。

由式(2)可以得出:

(3)

將式(3)代入式(1),可以得出電機電磁轉(zhuǎn)矩與傳動機構(gòu)輸出扭矩關(guān)系:

(4)

輸出力上升階段的運動方程為:

(5)

式中:θM—電機軸轉(zhuǎn)角;L—電機作動器輸出軸位移;P—絲杠副導(dǎo)程;k—減速機構(gòu)傳動比;Fz—電機作動器輸出力。

輸出力穩(wěn)定階段的受力方程為:

(6)

式中:Fmax—電機作動器最大輸出力。

根據(jù)目標(biāo)力的特性曲線和響應(yīng)時間的要求,通過上述公式計算得出所需電機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速參數(shù)。

2.2.2 絲杠選型計算

接下來筆者進(jìn)行絲杠的選型計算。

絲杠選型計算公式如下:

(7)

(8)

(9)

通過對式(7～9)進(jìn)行計算,確定滾珠絲杠技術(shù)參數(shù)。

3 電機作動器仿真

筆者應(yīng)用多體動力學(xué)仿真軟件Simpack建立了傳動機構(gòu)及承載結(jié)構(gòu)件系統(tǒng)全尺寸三維動力學(xué)模型(模型參數(shù)包括機構(gòu)柔性參數(shù)、摩擦參數(shù)、結(jié)構(gòu)公差參數(shù)以及阻尼參數(shù)),應(yīng)用多域仿真軟件Simulink建立了控制系統(tǒng)和電機模型,并由控制系統(tǒng)、電機模型和動力學(xué)模型組成聯(lián)合仿真模型。

仿真參數(shù)如表2所示。

表2 仿真參數(shù)表

筆者對EMB夾鉗28 kN夾緊力施加過程進(jìn)行仿真計算,其結(jié)果如圖7所示。

圖7 仿真曲線

仿真計算結(jié)果表明:筆者設(shè)計的EMB夾鉗能夠施加28 kN的輸出力,響應(yīng)時間(從制動指令發(fā)出到達(dá)到90%目標(biāo)力)為230 ms;其中,空行程部分響應(yīng)時間為180 ms,輸出力從零上升到最大值時間為55 ms;輸出力的最大超調(diào)量為1.5 kN,穩(wěn)態(tài)誤差為±0.3 kN。

絲杠的實際位移為2.6 mm,傳動機構(gòu)及承載結(jié)構(gòu)件的變形量為0.6 mm。230 ms時,母線電流瞬時值出現(xiàn)較大波動,約為-20 A～135 A。原因是電機由空行程階段轉(zhuǎn)為瞬間堵轉(zhuǎn)階段,反電動勢驟減,加上力閉環(huán)控制,電機會出現(xiàn)正反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。此時,脈沖電流的持續(xù)時間約為0.1 ms,波動區(qū)間的電流有效值約為35 A,驅(qū)動器功率器件選型要有足夠余量。輸出力達(dá)到28 kN后,母線電流較小,有效值約為9.36 A。

4 EMB夾鉗樣機及其測試

根據(jù)上述計算分析結(jié)果,筆者設(shè)計制造了EMB夾鉗,其接口形式適用于國內(nèi)某型現(xiàn)代有軌電車。

夾鉗樣機如圖8所示。

圖8 EMB夾鉗樣機

為了驗證研發(fā)的EMB夾鉗性能是否滿足設(shè)計要求,筆者對樣機進(jìn)行了性能測試、環(huán)境適應(yīng)性測試。

4.1 性能測試

EMB夾鉗是制動系統(tǒng)的執(zhí)行裝置,電子制動控制器將目標(biāo)力指令發(fā)送給電機驅(qū)動器,由驅(qū)動控制器驅(qū)動EMB夾鉗實現(xiàn)輸出力施加和緩解動作。

筆者搭建的性能試驗平臺如圖9所示。

圖9 EMB夾鉗性能試驗平臺

筆者分別給定8 kN、16 kN、28 kN階躍和1 Hz正弦目標(biāo)加緊力進(jìn)行夾鉗動作測試,其夾緊力跟隨曲線如圖10所示。

圖10 目標(biāo)力響應(yīng)測試曲線

測試數(shù)據(jù)表明:EMB夾鉗能夠施加28 kN的輸出力;實際力剛達(dá)到目標(biāo)力值時,會有一定的超調(diào)量,這是由于夾鉗快速響應(yīng),閘片接觸到制動盤時會產(chǎn)生一定的碰撞,超調(diào)量小于1.4 kN;響應(yīng)時間(從制動指令發(fā)出到達(dá)到90%目標(biāo)力)小于300 ms,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差為±0.5 kN;

對于不同的目標(biāo)輸出力,夾鉗能夠很好地跟隨;1 Hz正弦波跟隨擬合度較好,力衰減1.5%,滯后15 ms。

其他測試的性能參數(shù)如表3所示。

表3 性能參數(shù)測試值

4.2 環(huán)境適應(yīng)性測試

利用試驗室環(huán)境,筆者模擬了EMB夾鉗安裝在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上的環(huán)境狀態(tài),環(huán)境適應(yīng)性測試包括沖擊振動試驗、高低溫試驗以及IP防護(hù)等級試驗。

EMB夾鉗環(huán)境適應(yīng)性試驗如圖11所示。

圖11 EMB夾鉗環(huán)境適應(yīng)性試驗

試驗方法按照IEC 61373-2010《鐵路設(shè)施.機車車輛設(shè)備.沖擊和振動試驗》、TB/T 3431-2015《機車車輛制動夾鉗單元》、GB/T 4208-2017《外殼防護(hù)等級(IP代碼)》進(jìn)行。

筆者分別在模擬環(huán)境中和模擬環(huán)境后進(jìn)行性能測試,試驗數(shù)據(jù)不再贅述。

試驗結(jié)果表明,筆者所設(shè)計的EMB夾鉗滿足使用環(huán)境要求。

5 結(jié)束語

針對有軌電車的制動需求,筆者提出了一種EMB夾鉗設(shè)計方案和關(guān)鍵設(shè)計參數(shù),運用聯(lián)合仿真的方法驗證了EMB夾鉗的設(shè)計性能,最后通過性能測試及環(huán)境適應(yīng)性測試對EMB夾鉗樣機進(jìn)行了試驗。

研究結(jié)果表明:

(1)EMB夾鉗具有輸出力施加和緩解、停放制動、磨耗間隙自補償及人工輔助緩解功能,滿足有軌電車制動系統(tǒng)的功能需求;

(2)EMB夾鉗結(jié)構(gòu)緊湊,不需要流體能量傳輸介質(zhì),能有效降低維護(hù)工作量;

(3)EMB夾鉗各項性能參數(shù)滿足有軌電車制動系統(tǒng)的性能要求,能夠很好地跟隨控制指令,響應(yīng)快、精度高,并能夠適應(yīng)車輛振動、高低溫及防護(hù)性能等環(huán)境適應(yīng)性要求,具備工程應(yīng)用條件。

在后續(xù)的研究工作中,筆者還將對EMB夾鉗全壽命周期內(nèi)各個關(guān)鍵零部件的可靠性和維護(hù)周期做進(jìn)一步的研究。