上海中低速磁浮列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)與供風(fēng)系統(tǒng)

文/曾憲華 上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 （200233）

曾憲華(1979年~ )，男，碩士。2005年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院，獲得車(chē)輛工程碩士學(xué)位?，F(xiàn)為上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司磁浮開(kāi)發(fā)部高級(jí)設(shè)計(jì)師，主要從事中低速磁浮車(chē)輛的開(kāi)發(fā)工作。

一、引言

上海中低速磁浮列車(chē)由上海電氣（集團(tuán)）總公司和上海磁浮工程技術(shù)中心聯(lián)合開(kāi)發(fā)，具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。低速磁浮列車(chē)具有噪聲低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于城市內(nèi)部、近郊和旅游景區(qū)的交通運(yùn)輸，與地鐵、輕軌配合，能構(gòu)成合理的城市軌道交通體系。

列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)和供風(fēng)系統(tǒng)根據(jù)中低速磁浮車(chē)輛制動(dòng)能力及救援支撐能力要求高、車(chē)下空間狹小的特點(diǎn)，并結(jié)合了壓縮空氣清潔無(wú)污染、液壓壓力高的優(yōu)點(diǎn)，采用控制及原動(dòng)力為氣壓、執(zhí)行部分為液壓的方式。三輛車(chē)空氣管路系統(tǒng)配置相同,車(chē)輛之間采用軟管將列車(chē)主風(fēng)連通。

根據(jù)《中低速磁浮交通車(chē)輛通用技術(shù)條件（送審稿）》的劃分，將與壓縮空氣相關(guān)的設(shè)備分成制動(dòng)系統(tǒng)和供風(fēng)系統(tǒng)，制動(dòng)系統(tǒng)僅包括發(fā)揮制動(dòng)功能的裝置，如制動(dòng)控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置；將除制動(dòng)系統(tǒng)以外的其他用風(fēng)設(shè)備統(tǒng)統(tǒng)歸于供風(fēng)系統(tǒng)，如風(fēng)源、空氣懸掛、救援支撐裝置及管路等。

表1 系統(tǒng)基本參數(shù)

二、制動(dòng)系統(tǒng)

制動(dòng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車(chē)調(diào)速與安全停車(chē)，制動(dòng)方式有常用制動(dòng)、快速制動(dòng)和緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)獨(dú)立于常用制動(dòng)和快速制動(dòng)，為純空氣制動(dòng)。系統(tǒng)由制動(dòng)控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置組成，制動(dòng)控制系統(tǒng)采用微機(jī)控制的模擬式直通電空制動(dòng)系統(tǒng)，由MBCU（微機(jī)制動(dòng)控制單元）和PBCU1（氣制動(dòng)控制單元）組成；基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用氣-液轉(zhuǎn)換增壓驅(qū)動(dòng)模式，由增壓缸和制動(dòng)夾鉗組成。

1.制動(dòng)控制系統(tǒng)

制動(dòng)控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)將列車(chē)的制動(dòng)指令，轉(zhuǎn)化成列車(chē)制動(dòng)需要輸出的氣壓信號(hào)。如圖1所示，接收信號(hào)有列車(chē)線信號(hào)，來(lái)自CCU（列車(chē)控制單元）的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和來(lái)自DCU（牽引控制單元）的信號(hào)；輸出氣壓信號(hào)到制動(dòng)隔離閥。

(1) MBCU

MBCU采用標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱，由電源、CPU、EP控制、I/O等模塊組成，安裝在車(chē)廂內(nèi)的電器柜中。MBCU將制動(dòng)指令轉(zhuǎn)換成列車(chē)制動(dòng)所需的電信號(hào)，此外負(fù)責(zé)制動(dòng)系統(tǒng)、供風(fēng)系統(tǒng)與列車(chē)通訊，具體功能如下：

①根據(jù)列車(chē)速度、車(chē)重和制動(dòng)指令計(jì)算所需的制動(dòng)力。

②按照優(yōu)先、充分發(fā)揮動(dòng)力制動(dòng)能力的原則，進(jìn)行動(dòng)力制動(dòng)與空氣制動(dòng)的配合控制。

③進(jìn)行防沖動(dòng)控制，通過(guò)控制動(dòng)力制動(dòng)與空氣制動(dòng)間的平滑過(guò)渡及減速度的變化率，提高乘坐舒適性。

④負(fù)責(zé)空壓機(jī)的部分功能控制與故障檢測(cè)。

⑤信息檢測(cè)與報(bào)告。檢測(cè)制動(dòng)系統(tǒng)和供風(fēng)系統(tǒng)狀態(tài)，自動(dòng)記錄故障并顯示有關(guān)信息，及時(shí)向CCU（列車(chē)控制單元）發(fā)送信息，并能夠接受CCU的信息與指令。

(2) PBCU1

PBCU1是一塊集成氣路屏，是將制動(dòng)力的電信號(hào)轉(zhuǎn)化成氣壓信號(hào)來(lái)控制氣壓原動(dòng)力的裝置。如圖2和圖3所示，PBCU1由制動(dòng)電磁閥、緩解電磁閥、緊急電磁閥、均壓閥、空重車(chē)閥、中繼閥、壓力開(kāi)關(guān)、壓力傳感器、測(cè)試接口等組成。

制動(dòng)時(shí)，PBCU1根據(jù)MBCU發(fā)來(lái)的電信號(hào)，驅(qū)動(dòng)制動(dòng)電磁閥和緩解電磁閥動(dòng)作，將來(lái)自制動(dòng)風(fēng)缸的空氣壓力轉(zhuǎn)換成與制動(dòng)指令相對(duì)應(yīng)的預(yù)控制壓力，預(yù)控制壓力通過(guò)緊急閥、空重車(chē)閥到達(dá)中繼閥，打開(kāi)中繼閥中制動(dòng)風(fēng)缸與制動(dòng)缸（增壓缸）的通路，最后使制動(dòng)缸（增壓缸）獲得要求的空氣壓力。

緊急制動(dòng)時(shí)，來(lái)自制動(dòng)風(fēng)缸的壓縮空氣經(jīng)過(guò)緊急電磁閥，到達(dá)空重車(chē)閥，經(jīng)過(guò)空重車(chē)閥的調(diào)整，根據(jù)車(chē)輛載荷形成預(yù)控制壓力，最后使制動(dòng)缸（增壓缸）獲得要求的空氣壓力。

緩解時(shí)，MBCU發(fā)出緩解指令，PBCU1中的緩解電磁閥打開(kāi)，將預(yù)控制壓力排向大氣，中繼閥中切斷制動(dòng)風(fēng)缸通向制動(dòng)缸（增壓缸）的通路，打開(kāi)制動(dòng)缸（增壓缸）通向大氣的通路，制動(dòng)缸（增壓缸）排氣。

圖2 PBCU1氣路原理

均壓閥將兩路來(lái)自空氣彈簧的壓力信號(hào)進(jìn)行平均后，一方面，由壓力傳感器將信號(hào)傳給MBCU，在常用制動(dòng)時(shí)用于車(chē)輛載荷計(jì)算；另一方面，在緊急制動(dòng)時(shí)用于控制經(jīng)過(guò)空重車(chē)閥形成的預(yù)控制壓力與車(chē)輛載荷相對(duì)應(yīng)。

圖3 PBCU1和PBCU2

2.基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置由增壓缸（氣液轉(zhuǎn)換器）和制動(dòng)夾鉗組成。一個(gè)增壓缸驅(qū)動(dòng)一副制動(dòng)夾鉗。每個(gè)懸浮模塊配置一套基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，增壓缸安裝于懸浮架縱梁側(cè)面的安裝板上，制動(dòng)夾鉗安裝于電磁鐵外側(cè)極板的中間。每輛車(chē)中間的三個(gè)懸浮架左右兩個(gè)懸浮模塊各安裝一套基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，共6套。頭尾懸浮架的懸浮模塊已設(shè)置了安裝接口，可根據(jù)制動(dòng)力需求調(diào)整配置數(shù)量。

如圖4和圖5所示，該制動(dòng)夾鉗屬于浮動(dòng)式夾鉗。制動(dòng)時(shí)，增壓缸壓力升高，驅(qū)動(dòng)夾鉗主動(dòng)側(cè)內(nèi)的油缸建立液壓，活塞推出，驅(qū)動(dòng)該側(cè)閘片壓向F軌外側(cè)；當(dāng)外側(cè)閘片接觸F軌后，隨著活塞繼續(xù)推出，夾鉗主動(dòng)側(cè)整體向外移動(dòng)，繼而克服夾鉗被動(dòng)側(cè)復(fù)位彈簧的壓力，將其拉向F軌，直至內(nèi)側(cè)閘片貼靠F軌，并最終形成壓力。這樣，在閘片和F軌之間產(chǎn)生摩擦力，該摩擦力由與閘片相連的制動(dòng)拉桿傳遞到懸浮架上，再通過(guò)牽引拉桿傳遞到車(chē)體，形成列車(chē)的制動(dòng)力。緩解時(shí)，增壓缸內(nèi)壓力排掉，夾鉗主動(dòng)側(cè)的活塞復(fù)位，該側(cè)閘片脫離F軌，與此同時(shí)，夾鉗被動(dòng)側(cè)的復(fù)位彈簧開(kāi)始伸長(zhǎng)，使夾鉗被動(dòng)側(cè)閘片首先離開(kāi)F軌，最后，兩側(cè)復(fù)位彈簧達(dá)到力的平衡，制動(dòng)夾鉗實(shí)現(xiàn)完全緩解。

由于低速磁浮車(chē)輛運(yùn)行中，電磁鐵與F軌之間的距離在一定范圍內(nèi)浮動(dòng)，而制動(dòng)夾鉗安裝在電磁鐵上。在制動(dòng)時(shí)，安裝在電磁鐵上的制動(dòng)夾鉗與F軌的相對(duì)高度也有不斷變化的趨勢(shì)，而制動(dòng)夾鉗的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不適合克服很大垂向摩擦力。因此，采用腰形彈簧來(lái)補(bǔ)償電磁鐵的垂向運(yùn)動(dòng)，而保持制動(dòng)夾鉗與F軌的垂向相對(duì)位置。而垂向止擋用來(lái)防止電磁鐵與F軌之間距離變化過(guò)大，從而保護(hù)腰形彈簧免受過(guò)渡拉伸。

圖5 制動(dòng)夾鉗

F軌的材質(zhì)選用優(yōu)質(zhì)橋梁鋼，熱軋成型，與閘片的摩擦面屬于非加工面。制動(dòng)閘片采用銅基粉末冶金材料。

三、供風(fēng)系統(tǒng)

供風(fēng)系統(tǒng)負(fù)責(zé)列車(chē)的供風(fēng)、救援支撐、空簧充排氣等功能，由供風(fēng)模塊、PBCU2（氣路控制單元）、救援支撐裝置、空簧排風(fēng)裝置等組成。

1.供風(fēng)模塊

為滿足中低速磁浮列車(chē)低噪聲要求，該系統(tǒng)采用了具有噪聲低特點(diǎn)的壓縮機(jī)。為工程化應(yīng)用積累經(jīng)驗(yàn)，選用了兩種空氣壓縮機(jī)，且參數(shù)略有不同。一種是渦旋式空氣壓縮機(jī)，另一種是滑片式空氣壓縮機(jī)，見(jiàn)圖6。兩種空壓機(jī)的參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 空氣壓縮機(jī)參數(shù)

由于車(chē)下空間狹小，采用一般的雙塔干燥器不能滿足安裝空間尺寸需求。故空氣處理采用兩個(gè)通用過(guò)濾器和排水電磁閥強(qiáng)排，去除壓縮空氣中的水分，再通過(guò)一個(gè)除油過(guò)濾器去除空氣中的油分。因?yàn)椴捎玫目諝鈮嚎s機(jī)的排氣質(zhì)量較好，經(jīng)后冷卻器的出口溫度不高，只比環(huán)境溫度高3～5℃，在出口處用過(guò)濾器通過(guò)電磁閥每隔一段時(shí)間強(qiáng)制排水，再用一個(gè)除油過(guò)濾器自動(dòng)排除殘油，能夠達(dá)到使用要求。

2.PBCU2

PBCU2負(fù)責(zé)列車(chē)除制動(dòng)系統(tǒng)外壓縮空氣的分配，將傳統(tǒng)的管式器件更換成板式器件，都集成在一塊氣路板上，此模塊化設(shè)計(jì)、方便維修。PBCU2由過(guò)濾器、單向閥、板閥、調(diào)壓閥、電磁閥、壓力開(kāi)關(guān)、壓力傳感器、測(cè)試接口等組成。在對(duì)來(lái)自主風(fēng)管或者地面風(fēng)源的壓縮空氣進(jìn)行分配之前，對(duì)壓縮空氣進(jìn)行二次過(guò)濾，以更好的保證各用風(fēng)系統(tǒng)的風(fēng)源質(zhì)量（圖7）。

圖6 滑片式和渦旋式空壓機(jī)

圖7 PBCU2氣路原理

PBCU2將自主風(fēng)管或者地面風(fēng)源的壓縮空氣分配到主風(fēng)缸、制動(dòng)風(fēng)缸、空簧風(fēng)缸和救援支撐風(fēng)缸，并且用風(fēng)過(guò)程中，主風(fēng)缸向其他3個(gè)風(fēng)缸及時(shí)補(bǔ)給；同時(shí)，PBCU2將懸掛風(fēng)缸的壓縮空氣分配到各高度閥；將救援支撐風(fēng)缸的壓縮空氣分配到電磁閥，電磁閥根據(jù)列車(chē)指令給救援支撐增壓缸充風(fēng)或排風(fēng)。

3.救援支撐裝置

該裝置由“增壓缸＋支撐油缸＋支撐輪”組成，增壓缸將來(lái)自PBCU2中電磁閥的氣壓轉(zhuǎn)換成液壓，并按一定比例提高，實(shí)現(xiàn)增壓，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)支撐油缸；支撐油缸在液壓驅(qū)動(dòng)下，將支撐輪頂出，使列車(chē)支撐滑橇離開(kāi)F軌，列車(chē)依靠救援支撐裝置支撐，在牽引力的驅(qū)動(dòng)下，低速運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)緊急情況下的救援。

一個(gè)懸浮模塊配置一套救援支撐裝置，包括：1個(gè)增壓缸、4個(gè)支撐油缸、4個(gè)支撐輪，一輛車(chē)配置10套救援支撐裝置。增壓缸安裝于懸浮架縱梁側(cè)面的安裝板上，支撐油缸和支撐輪安裝于抗側(cè)滾片梁安裝座內(nèi)。

考慮經(jīng)過(guò)軌縫時(shí)，有些支撐輪懸空，因此救援支撐的壓力已設(shè)置了安全余量來(lái)應(yīng)對(duì)此工況。

4.空簧排風(fēng)裝置

空簧排風(fēng)裝置位于高度閥與空氣彈簧之間，該裝置根據(jù)懸浮系統(tǒng)的指令將相應(yīng)空氣彈簧的壓縮空氣排光。這樣，在懸浮失效時(shí)，該點(diǎn)支撐滑橇與軌道接觸，只承擔(dān)該行走機(jī)構(gòu)自身部分重量，而不承擔(dān)車(chē)體載荷，以避免懸浮失效時(shí)該點(diǎn)支撐滑橇與F軌之間過(guò)大的壓力，減少列車(chē)運(yùn)行阻力和支撐滑橇的磨耗。

該排風(fēng)裝置由20個(gè)兩位三通電磁閥構(gòu)成，每個(gè)電磁閥對(duì)應(yīng)一個(gè)空氣彈簧，20個(gè)電磁閥分裝在4個(gè)盒子內(nèi)，每個(gè)盒子對(duì)應(yīng)一個(gè)高度閥，因此車(chē)輛采用4點(diǎn)支撐，并在左右兩側(cè)空簧之間設(shè)置壓差閥。

5.其他

列車(chē)的管路采用不銹鋼薄壁鋼管，接頭選用防松性能良好的卡套式接頭。

氣路中關(guān)鍵處采用了帶電觸點(diǎn)的塞門(mén)，以便于隨時(shí)監(jiān)測(cè)塞門(mén)所處的開(kāi)關(guān)位置，便于排除誤操作；增壓缸內(nèi)設(shè)置了行程開(kāi)關(guān)，隨時(shí)檢測(cè)油量，以便及時(shí)補(bǔ)油，方便設(shè)備維護(hù)。

四、國(guó)內(nèi)外技術(shù)水平和發(fā)展現(xiàn)狀

中低速磁浮發(fā)展較快的有日本、韓國(guó)，在國(guó)內(nèi)進(jìn)行中低速磁浮開(kāi)發(fā)的主要有兩個(gè)聯(lián)合體，一個(gè)由上海電氣（集團(tuán)）總公司—上海磁浮工程技術(shù)中心－西南交通大學(xué)組成，另外一個(gè)由北京控股集團(tuán)有限公司－唐山車(chē)輛廠－國(guó)防科技大學(xué)組成。日本的車(chē)輛最成熟，已于2005年愛(ài)知世博會(huì)時(shí)投入商業(yè)運(yùn)營(yíng)；韓國(guó)計(jì)劃2012年開(kāi)通商業(yè)運(yùn)行線——仁川機(jī)場(chǎng)線；國(guó)內(nèi)兩個(gè)聯(lián)合體的工程化樣車(chē)在2008年先后達(dá)到試驗(yàn)速度100km/h，證明已經(jīng)基本掌握了中低速磁浮交通系統(tǒng)技術(shù)，但距離商用還有一些距離。至于制動(dòng)系統(tǒng)和供風(fēng)系統(tǒng)，日本和韓國(guó)的車(chē)輛采用的是液壓制動(dòng)系統(tǒng)，供風(fēng)系統(tǒng)只給空氣彈簧供風(fēng)，列車(chē)上不設(shè)氣液轉(zhuǎn)換增壓裝置。國(guó)內(nèi)兩個(gè)聯(lián)合體采用相同的設(shè)計(jì)理念，都是微機(jī)控制模擬式直通電空制動(dòng)控制系統(tǒng)加氣液轉(zhuǎn)換增壓的模式，后一聯(lián)合體車(chē)輛的制動(dòng)系統(tǒng)和供風(fēng)系統(tǒng)由幾家廠商共同承擔(dān)，而本車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)和供風(fēng)系統(tǒng)由上海龐豐機(jī)電科技有限公司獨(dú)立研制，并特別使用了具有低噪聲特點(diǎn)的空氣壓縮機(jī)，突出了中低速磁浮車(chē)輛低噪聲的優(yōu)點(diǎn)；另外，本車(chē)制動(dòng)控制系統(tǒng)還于2009年裝車(chē)于上海地鐵1號(hào)線增擴(kuò)編列車(chē)，現(xiàn)已投入正式載客運(yùn)營(yíng)，性能達(dá)到了1號(hào)線進(jìn)口車(chē)輛的水平。

五、小結(jié)

上海中低速磁浮列車(chē)的制動(dòng)系統(tǒng)和供風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合中低速磁浮交通系統(tǒng)的特性，自2007年裝車(chē)運(yùn)用以來(lái)，試驗(yàn)結(jié)果符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，性能穩(wěn)定，基本滿足工程化要求。建議在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)一步完善，以全面滿足可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性（RAMS）的要求。