中低速磁浮列車采用液壓制動(dòng)系統(tǒng)的探討

曾憲華++費(fèi)巍巍++蔣峰

【摘 要】中低速磁浮列車具有噪音低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，成為頗受青睞的一種交通選擇。目前國(guó)內(nèi)中低速磁浮列車制動(dòng)系統(tǒng)普遍采用氣轉(zhuǎn)液的模式，鑒于近年來(lái)國(guó)內(nèi)有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)趨向成熟，對(duì)國(guó)內(nèi)中低速磁浮列車制動(dòng)系統(tǒng)采用液壓方式進(jìn)行探討，提出基于現(xiàn)代有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)的中低速磁浮列車液壓制動(dòng)系統(tǒng)初步方案。

【關(guān)鍵詞】中低速磁浮列車 液壓制動(dòng)系統(tǒng) 有軌電車

【Abstract】 Medium and Low speed maglev train has the advantages of low noise， small turning radius， strong climbing ability and so on.It has become a popular choice for traffic. At present， the medium and low speed maglev train braking system is widely used in pneumatic and hydraulic transfer mode. In recent years， domestic tram hydraulic braking system technology is to be matured. Efforts are made to carry on the discussion to the domestic medium and low speed maglev train braking system， put forward medium and low speed maglev train hydraulic brake system preliminary plan based on the hydraulic braking system of modern tram.

【Keywords】 medium and low speed maglev train；hydraulic brake system； tram

中低速磁浮列車具有噪音低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，尤其適用于城市內(nèi)部、近郊和旅游景區(qū)的交通運(yùn)輸，與地鐵、輕軌配合，構(gòu)成合理的城市軌道交通體系。

目前，國(guó)內(nèi)中低速磁浮車輛制動(dòng)系統(tǒng)普遍采用微機(jī)控制直通電控氣轉(zhuǎn)液制動(dòng)系統(tǒng)，即制動(dòng)控制部分采用空氣制動(dòng)機(jī)，制動(dòng)執(zhí)行部分采用液壓元件，中間采用氣液轉(zhuǎn)換裝置；之所以這樣設(shè)計(jì)，主要是受制于之前國(guó)內(nèi)軌道交通液壓制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)還不成熟。隨著近來(lái)國(guó)內(nèi)低地板現(xiàn)代有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)的成功自主化，對(duì)于對(duì)重量要求苛刻、車下空間緊張的中低速磁浮車輛，提出采用全液壓制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)想。

1 氣動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)介紹

目前國(guó)內(nèi)中低速磁浮車輛制動(dòng)系統(tǒng)按照《CJ/T 375-2011 中低速磁浮交通車輛通用技術(shù)條件》要求設(shè)計(jì)，其主要參數(shù)如下[1]：

制動(dòng)系統(tǒng)與列車上供風(fēng)及其他用風(fēng)設(shè)備是緊密相連的，因此，將供風(fēng)單元、空簧設(shè)備、緊急救援支撐設(shè)備等一并介紹。制動(dòng)系統(tǒng)主要設(shè)備及接口關(guān)系見(jiàn)圖1（以E車為例），下面就供風(fēng)、制動(dòng)、空簧充排風(fēng)、救援支撐等功能進(jìn)行介紹，闡述對(duì)應(yīng)設(shè)備的組成和原理。

1.1 供風(fēng)

列車上所有用風(fēng)設(shè)備的壓縮空氣供給來(lái)自供風(fēng)單元，正常工作時(shí)，TCMS通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)獲取EBCU上報(bào)的總風(fēng)壓力信號(hào)；當(dāng)網(wǎng)絡(luò)故障時(shí)，由APCU中的總風(fēng)壓力開(kāi)關(guān)對(duì)空壓機(jī)啟停進(jìn)行控制。供風(fēng)單元中的故障信號(hào)通過(guò)硬線發(fā)送給EBCU，EBCU再通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)上傳給TCMS。

供風(fēng)單元輸出壓縮空氣給主風(fēng)管，APCU把主風(fēng)管的壓縮空氣分配給主風(fēng)缸、制動(dòng)風(fēng)缸、空簧風(fēng)缸、支撐風(fēng)缸，并有截?cái)嗷蛘吣嬷构δ?，同時(shí)，可對(duì)這些風(fēng)缸的空氣壓力進(jìn)行監(jiān)控。

三輛編組的列車在兩頭車上配置供風(fēng)單元，單個(gè)供風(fēng)單元能夠滿足列車正常用風(fēng)需求，單雙日輪換工作。每輛車配置1個(gè)110L主風(fēng)缸。

1.2 制動(dòng)

制動(dòng)功能由微機(jī)控制直通電空氣轉(zhuǎn)液制動(dòng)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

常用制動(dòng)時(shí)，EBCU根據(jù)列車的硬線、網(wǎng)絡(luò)指令以及載荷信號(hào)，控制PBCU輸出相應(yīng)的制動(dòng)空氣壓力，該壓力經(jīng)過(guò)制動(dòng)隔離閥到達(dá)增壓缸，實(shí)現(xiàn)氣液轉(zhuǎn)換及增壓作用，增壓缸輸出的液壓壓力驅(qū)動(dòng)制動(dòng)夾鉗閘片壓緊F型軌道，形成外力（摩擦力）對(duì)車輛實(shí)施制動(dòng)。

緊急制動(dòng)時(shí)，由PBCU直接響應(yīng)TCMS緊急制動(dòng)列車線指令，輸出緊急制動(dòng)壓力。

常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)具有載荷補(bǔ)償功能。

制動(dòng)隔離時(shí)，通過(guò)人工操作帶電觸點(diǎn)的制動(dòng)隔離閥，將因?yàn)楣收匣蛘呔S護(hù)的制動(dòng)夾鉗進(jìn)行相應(yīng)隔離。

每輛車配置一個(gè)90L制動(dòng)風(fēng)缸，滿足3次緊急制動(dòng)的用風(fēng)量。每輛車5個(gè)懸浮架，中間3個(gè)懸浮架左右模塊各配置一套制動(dòng)夾鉗，每套制動(dòng)夾鉗由1個(gè)增壓缸驅(qū)動(dòng)。每個(gè)懸浮架配置一個(gè)帶電觸點(diǎn)制動(dòng)隔離閥，隔離本懸浮架的兩個(gè)制動(dòng)夾鉗。

1.3 空簧充排風(fēng)

空簧沖排風(fēng)主要由高度閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。

空簧風(fēng)缸的壓縮空氣經(jīng)過(guò)APCU的限壓作用，供給各高度閥，經(jīng)過(guò)高度閥的調(diào)節(jié)再到空氣彈簧。當(dāng)載荷增加，車輛地板面下沉?xí)r，高度閥給空氣彈簧充風(fēng)；當(dāng)載荷減少，車輛地板面上浮時(shí)，高度閥給空氣彈簧排風(fēng)。通過(guò)高度閥的調(diào)節(jié)，始終保持車輛地板面在相應(yīng)的高度。

排風(fēng)電磁閥，布置于高度閥之后，每個(gè)懸浮模塊兩個(gè)空氣彈簧的供風(fēng)管路中。當(dāng)懸浮失效時(shí)，如果對(duì)應(yīng)的空氣彈簧壓力還同之前，則該懸浮架支撐滑橇承擔(dān)了列車起浮前的載荷，該載荷造成支撐滑橇和軌道間較大的摩擦力，如果列車?yán)^續(xù)高速運(yùn)行，將加劇支撐滑橇和軌道的磨損。如果對(duì)應(yīng)的空氣彈簧壓力排掉，則該懸浮架支撐滑橇承擔(dān)的僅是該懸浮模塊的自重，支撐滑橇和軌道間摩擦力很小，即使列車高速運(yùn)行，對(duì)支撐滑橇和軌道的磨損也極為有限。

每車設(shè)置1個(gè)90L的空氣彈簧風(fēng)缸，4個(gè)高度閥，用于給20個(gè)空氣彈簧調(diào)節(jié)供風(fēng)。左右兩個(gè)對(duì)應(yīng)高度閥下游空氣彈簧管路由差壓閥相連，將左右空氣彈簧的壓差值控制在一定范圍內(nèi)，防止由于左右空氣彈簧壓差過(guò)大造成列車傾覆。

1.4 救援支撐

當(dāng)懸浮系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，救援支撐輪將車輛撐起，其高度與懸浮高度一致，列車可以以5km/h的速度自行牽引退出運(yùn)行。

救援支撐功能采用氣轉(zhuǎn)液形式實(shí)現(xiàn)。救援支撐風(fēng)缸中的壓縮空氣，經(jīng)過(guò)APCU降壓處理后到達(dá)脈沖電磁閥，脈沖電磁閥根據(jù)司機(jī)指令輸出壓縮空氣到增壓缸，實(shí)現(xiàn)氣液轉(zhuǎn)換及增壓作用，增壓缸輸出的液壓壓力驅(qū)動(dòng)支撐油缸將救援輪頂出，實(shí)現(xiàn)救援行車。當(dāng)救援結(jié)束后，脈沖電磁閥排掉增壓缸中的壓縮空氣，油缸及增壓缸在自身彈簧的作用下實(shí)現(xiàn)復(fù)位，支撐輪收起。該脈沖電磁閥還具有手動(dòng)操作功能，在列車調(diào)試過(guò)程中方便操作。

每車配置一個(gè)110L的救援支撐風(fēng)缸，10個(gè)懸浮模塊給配置1個(gè)增壓缸，驅(qū)動(dòng)本模塊上4個(gè)救援支撐油缸。

2 液壓制動(dòng)系統(tǒng)方案

該方案主要是將“氣轉(zhuǎn)液”的制動(dòng)和救援支撐功能完全由液壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，供風(fēng)以及空簧充排風(fēng)裝置與之前變動(dòng)不大。液壓制動(dòng)系統(tǒng)方案主要設(shè)備及接口關(guān)系見(jiàn)圖2，同樣就供風(fēng)、制動(dòng)、空簧充排風(fēng)、救援支撐等功能進(jìn)行介紹，闡述對(duì)應(yīng)設(shè)備的組成和原理。

2.1 供風(fēng)

制動(dòng)和救援支撐功能完全由液壓設(shè)備實(shí)現(xiàn)，則減少了列車的用風(fēng)量，也簡(jiǎn)化了供風(fēng)設(shè)備。主要用風(fēng)設(shè)備就是空氣彈簧，取消了制動(dòng)風(fēng)缸、救援支撐風(fēng)缸，總風(fēng)缸和空簧風(fēng)缸合二為一，取消其中一個(gè)；同時(shí)APCU中對(duì)于各風(fēng)缸壓縮空氣分配及監(jiān)控元件也相應(yīng)簡(jiǎn)化。而且，供風(fēng)系統(tǒng)的功能不關(guān)乎制動(dòng)，這樣，總風(fēng)低壓也不用觸發(fā)緊急制動(dòng)，增強(qiáng)了列車可用性。供風(fēng)單元的排風(fēng)量減小許多，設(shè)備相應(yīng)小型化，重量減輕，占用空間減小。

但為了實(shí)現(xiàn)冗余，每列車還是配置2套供風(fēng)單元，位于兩端頭車。

2.2 制動(dòng)

制動(dòng)功能完全由液壓制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，則取消了PBCU、增壓缸。借鑒在國(guó)內(nèi)首套自主知識(shí)產(chǎn)品低地板有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)，電子制動(dòng)控制單元的功能不變，對(duì)外接口僅把控制PBCU調(diào)整為控制HBCU，HBCU的設(shè)計(jì)原理如圖3。

當(dāng)系統(tǒng)上電后，EBCU采集HBCU中蓄能器壓力傳感器信號(hào)，如果蓄能器壓力低，EBCU則輸出信號(hào)給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器一方面可以接通列車電源給HBCU中的電機(jī)，同時(shí)限制電機(jī)的啟動(dòng)電流，以免對(duì)列車電壓造成沖擊。電機(jī)帶動(dòng)齒輪泵給蓄能器充液壓油。液壓油在通往蓄能器的過(guò)程中，首先經(jīng)過(guò)過(guò)濾器進(jìn)行清潔，之后經(jīng)過(guò)單向閥，在電機(jī)停止工作后，蓄能器的壓力不能逆流。同時(shí)，HBCU中設(shè)置了手動(dòng)卸荷閥，當(dāng)在檢查、維護(hù)時(shí)設(shè)備時(shí)，通過(guò)其可把蓄能器的壓力完全卸掉。當(dāng)蓄能器中蓄積的壓力達(dá)到要求后，EBCU控制電機(jī)接觸器斷開(kāi)給HBCU中電機(jī)供電，齒輪泵停止工作。如果電機(jī)沒(méi)能正常停止，溢流閥會(huì)把多余的壓力卸載回油箱，確保制動(dòng)液壓回路安全。也可以通過(guò)EBCU將超時(shí)工作的電機(jī)強(qiáng)行切斷啟動(dòng)工作信號(hào)。

常用制動(dòng)時(shí)，EBCU根據(jù)列車的硬線、網(wǎng)絡(luò)指令以及載荷信號(hào)，控制HBCU中的比例閥輸出相應(yīng)的液壓壓力，經(jīng)過(guò)緊急電磁閥和輔助緩解電磁閥到達(dá)制動(dòng)夾鉗。通過(guò)制動(dòng)缸壓力傳感器，EBCU控制比例閥形成制動(dòng)缸壓力的閉環(huán)控制。

緊急制動(dòng)時(shí)，緊急電磁閥失電，經(jīng)過(guò)減壓閥減壓的蓄能器壓力通過(guò)緊急電磁閥和輔助緩解電磁閥到達(dá)制動(dòng)夾鉗。緊急制動(dòng)壓力根據(jù)車輛AW3載荷進(jìn)行設(shè)定，因?yàn)榇鸥≤囕v屬于非粘著制動(dòng)，不必?fù)?dān)心空車發(fā)生滑行，在空車時(shí)，制動(dòng)率稍高，但由于緊急制動(dòng)是偶然事件，確保沖動(dòng)限制即可。

制動(dòng)隔離時(shí)，通過(guò)列車給輔助緩解電磁閥供電，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)缸壓力釋放；如果列車不能上電，則通過(guò)手動(dòng)卸荷閥，把蓄能器壓力釋放掉之后，制動(dòng)缸壓力通過(guò)輔助緩解電磁閥、減壓閥、手動(dòng)卸荷閥逆流到油箱，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)夾鉗緩解。當(dāng)然，也可以在管路中設(shè)置單獨(dú)的回油閥，將液壓油回到郵箱，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)夾鉗的更快速緩解。

2.3 空簧充排風(fēng)

空簧充排風(fēng)的方案與之前相同。

2.4 救援支撐

救援支撐功能完全由液壓設(shè)備實(shí)現(xiàn)，則取消了增壓缸。借鑒有軌電車輔助緩解裝置的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)滿足要求的HSCU，其原理如圖4。

列車正常運(yùn)行時(shí)，HSCU不工作。

當(dāng)需要救援支撐時(shí)，司機(jī)臺(tái)發(fā)出硬線指令，HSCU收到該指令后，一方面給回油閥得電，同時(shí)發(fā)出壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)給電機(jī)控制器，電機(jī)控制器根據(jù)收到的壓力開(kāi)關(guān)的低壓信號(hào)，控制給HSCU的電機(jī)供電，電機(jī)帶動(dòng)齒輪泵工作，液壓油輸出，先經(jīng)過(guò)過(guò)濾器進(jìn)行清潔，之后經(jīng)過(guò)單向閥，最終到達(dá)支撐油缸和蓄能器，在電機(jī)停止工作后，蓄能器的壓力不能逆流。當(dāng)支撐油缸壓力足夠時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)信號(hào)跳變，電機(jī)控制器停止給HSCU中電機(jī)供電，齒輪泵停止工作。如果電機(jī)沒(méi)能正常停止，溢流閥會(huì)把多余的壓力卸載回油箱，確保制動(dòng)液壓回路安全。蓄能器用于穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，避免電機(jī)頻繁啟動(dòng)。

救援支撐結(jié)束，司機(jī)臺(tái)支撐指令置低電平，HSCU失電，壓力開(kāi)關(guān)不輸出信號(hào)給電機(jī)控制器，同時(shí)回油閥失電，將支撐油缸壓力卸載到油箱，支撐輪在自復(fù)位彈簧作用下收起。

如果在庫(kù)內(nèi)調(diào)試，沒(méi)有上電條件，可以采用手動(dòng)泵輸出壓力，但此時(shí)要先關(guān)閉截?cái)嗳T，操作人員通過(guò)壓力表來(lái)監(jiān)測(cè)壓力是否到位。需要支撐輪收起時(shí)，手動(dòng)開(kāi)啟截?cái)嗳T即可。

3 比較

新方案與既有系統(tǒng)從功能、性能、重量、空間等方面進(jìn)行比較，詳見(jiàn)表1。

通過(guò)比較可以看出，新方案在功能和性能上沒(méi)有弱化，有些甚至增強(qiáng)；在重量上可以減輕很多，保守估計(jì)減重將近360kg（單節(jié)車），為懸浮系統(tǒng)減輕負(fù)擔(dān)；可以減小車下占用空間，便于車輛設(shè)備布置，增強(qiáng)各設(shè)備可維護(hù)性；總體成本略有下降。

4 結(jié)語(yǔ)

微機(jī)控制直通電空氣轉(zhuǎn)液制動(dòng)系統(tǒng)與氣轉(zhuǎn)液救援支撐裝備自從2006年已經(jīng)在上海中低速磁浮樣車上開(kāi)始應(yīng)用，經(jīng)過(guò)近10年的考驗(yàn)與優(yōu)化，已經(jīng)能夠滿足車輛使用要求；但車輛的自重始終是個(gè)負(fù)擔(dān)，且車輛設(shè)備布置困難，一定程度上，由于空間限制，設(shè)備的可維護(hù)性不盡人意。

適逢國(guó)內(nèi)首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的低地板有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)問(wèn)世[2]并且經(jīng)過(guò)批量項(xiàng)目的應(yīng)用，軌道交通液壓制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)成熟。可以向中低速磁浮車輛制動(dòng)系統(tǒng)延伸，以減輕重量、騰出空間、提高性能，使得中低速磁浮車輛技術(shù)水平進(jìn)一步提高。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾憲華.上海中低速磁浮列車制動(dòng)系統(tǒng)與供風(fēng)系統(tǒng)[J].裝備機(jī)械，2010，No.2；33-37.

[2]徐雷.國(guó)內(nèi)首套具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)低地板輕軌車輛制動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)營(yíng)考核評(píng)審會(huì)在長(zhǎng)春召開(kāi)[J].城市軌道交通研究，2013（8）：28.