自主化五模塊儲能低地板有軌電車制動系統(tǒng)設計

曾春軍 劉德學 李杰 張亮

摘要：介紹了我國首列采用混合儲能供電的浮車型100%低地板有軌電車的制動系統(tǒng)整車要求、系統(tǒng)設計、主要功能和參數(shù)以及試驗驗證，通過試驗數(shù)據(jù)表明該制動系統(tǒng)滿足整車使用設計要求。

關鍵詞：自主化;五模塊;低地板有軌電車;制動系統(tǒng)

0? ? 引言

中車株洲電力機車有限公司自主研發(fā)的五模塊低地板有軌電車，突破了獨立車輪軸橋裝置集成及驅動技術，客室內無臺階、無斜坡，實現(xiàn)了整車100%低地板;采用了無需接觸網(wǎng)的儲能電源+蓄電池的電電混合技術，大幅提升了列車續(xù)航能力，實現(xiàn)了綠色節(jié)能;采用了包含電制動、液壓制動和磁軌制動的多類型制動方式，保證了列車制動的高效和可靠。為保證整車行車安全，中車株洲電力機車有限公司還自主研發(fā)了制動系統(tǒng)地面1：1聯(lián)調試驗臺，本文主要對制動系統(tǒng)的整車要求、系統(tǒng)設計、主要功能和參數(shù)以及試驗驗證進行介紹說明。

1? ? 整車要求

列車為五模塊編組，包含2個動力模塊轉向架、1個非動力轉向架模塊，編組形式為=Mc1+F1+Tp+F2+Mc2=。其中：=為連掛車鉤;+為鉸接、貫通道及車間減振器;Mc1、Mc2為設司機室?guī)恿D向架支撐的動車模塊;F1、F2為無轉向架支撐，兩端均為鉸接支撐的懸浮模塊;Tp為由非動力轉向架支撐，車頂設受電器的拖車模塊。編組圖如圖1所示。

與制動相關的主要總體技術參數(shù)如表1所示。

2? ? 制動系統(tǒng)設計

制動系統(tǒng)設計基于整車平臺的要求，采用微機控制方式實現(xiàn)液壓力精確比例控制，同時具備與整車網(wǎng)絡通信、防滑控制、故障診斷及數(shù)據(jù)儲存等功能。

制動系統(tǒng)主要由電子制動控制單元（EBCU）、電液制動控制單元、液壓制動夾鉗裝置、磁軌制動器及速度傳感器等部件組成，其結構原理圖如圖2所示。

2.1? ? 電子制動控制單元（EBCU）

EBCU負責接收和處理整車的制動控制指令，具備液壓制動力控制、速度采集、防滑控制、故障診斷、系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡通信等功能。

EBCU主要由電源板、控制板、輸入/輸出板、模擬板及PWM板等部件組成。

2.2? ? 電液制動控制單元

電液制動控制單元一方面接收EBCU指令信號控制電機驅動油泵泵油給蓄能器，為液壓系統(tǒng)提供穩(wěn)定的液壓油;另一方面接收EBCU控制指令和整車硬線控制指令（安全制動信號和停放制動信號），實現(xiàn)液壓力精確控制。

電液制動控制單元主要由電機、油泵、液壓閥、傳感器及油箱等部件組成。根據(jù)控制功能不同，可分為用于Mc車的被動式電液制動控制單元和用于Tp車的主動式電液制動控制單元，原理圖如圖3和圖4所示。

2.3? ? 液壓制動夾鉗裝置

液壓制動夾鉗裝置主要負責接收電液制動控制單元輸出的液壓力實現(xiàn)制動和緩解功能，主要由液壓制動夾鉗、閘片及制動盤組成。分為被動式和主動式兩種，被動式裝用于動車轉向架，主動式裝用于拖車轉向架。

動車轉向架的每個輪上配一套被動式液壓制動夾鉗和制動盤，被動式液壓制動夾鉗采用浮動原理安裝在齒輪箱體上（圖5）。工作原理為彈簧蓄能，充油緩解，排油制動，將存儲的彈簧能量根據(jù)不同的工況要求施加到制動盤上，從而產生制動作用;具有閘片間隙自動調整功能和手動緩解功能。

拖車轉向架的每個輪上配一套主動式液壓制動夾鉗和制動盤（圖6），固定安裝在軸橋上，采用壓力作用式，增壓制動，減壓緩解。采用隱藏式油路設計以節(jié)約安裝空間。

2.4? ? 磁軌制動器

磁軌制動器啟動時由整車蓄電池提供電能，使其產生電磁力，制動靴吸附到軌道上摩擦產生制動力，在不受黏著條件限制下能有效縮短制動距離。

動車轉向架裝有一套帶橫桿結構的整體框架式磁軌制動裝置，拖車轉向架裝有兩套帶彈簧懸掛的單體式磁軌制動裝置。

3? ? 制動系統(tǒng)功能及參數(shù)

制動系統(tǒng)主要接收硬線信號和網(wǎng)絡信號指令，實現(xiàn)各制動功能的控制。整車制動力由列車控制單元（VCU）負責計算分配，采用電制動優(yōu)先，不足部分通過網(wǎng)絡信號發(fā)送給EBCU，由液壓制動補償?shù)脑瓌t;為實現(xiàn)黏著分配等效原則，制動力不足部分優(yōu)先由拖車轉向架液壓制動補償。

制動系統(tǒng)制動功能分為常用制動、緊急制動、保持制動、安全制動、停放制動，系統(tǒng)設有防滑保護、沖動極限限制、撒砂及輔助緩解等功能。

3.1? ? 常用制動

常用制動是通過操作司控器移至“制動”區(qū)實現(xiàn)，常用制動根據(jù)司控器的位置實現(xiàn)無級控制。常用制動施加過程中，可隨時對其進行緩解操作。

正常情況下，常用制動完全采用電制動，具有沖動極限控制和防滑保護。當某一動車轉向架上電制動失效時，將通過液壓制動補償，若制動力不滿足要求，將依次由拖車轉向架的液壓制動和電制動力失效的轉向架的液壓制動進行補償。

3.2? ? 緊急制動

根據(jù)觸發(fā)方式及產生制動減速度值不同，制動系統(tǒng)設計了兩種緊急制動模式，具體如表2所示。

3.2.1? ? 緊急制動1

緊急制動1制動減速度與最大常用制動減速度相同，觸發(fā)后直至列車停車后才能被消除。因此，在制動系統(tǒng)設計時，制動力的施加方式及參數(shù)按照最大常用制動設計。

3.2.2? ? 緊急制動2

緊急制動2由司機根據(jù)實際情況操作司控器移至“緊急”位實現(xiàn)。動車上的電制動、所有轉向架上的液壓制動及所有磁軌制動將同時施加，且撒砂功能也將自動投入。緊急制動2施加過程中，可隨時對其進行緩解操作，無需等到列車停止。

3.3? ? 保持制動

常用制動及緊急制動工況下，當列車速度低于0.5 km/h時，制動系統(tǒng)自動施加保持制動，保持制動力由液壓制動提供，以防止溜車。直至收到保持制動緩解信號，保持制動緩解。

3.4? ? 安全制動

安全制動由蘑菇按鈕啟動，安全制動環(huán)路斷開。安全制動一旦觸發(fā)，在列車完全停止前不能被緩解。該制動模式至少可以保障被動式液壓制動夾鉗彈簧制動力投入工作，同時磁軌制動也投入工作。

3.5? ? 停放制動

停放制動時被動式液壓制動夾鉗彈簧制動力完全施加，以滿足整車在6%的坡道安全停放的要求。停放制動力可通過液壓充壓和手動緩解裝置進行緩解。

綜上所述，各種制動工況觸發(fā)方式及產生的制動效果有所不同，參與制動的制動設備也有所不同;保持制動和停放制動只要求制動系統(tǒng)輸出相應的制動力，對響應時間無相關要求。制動模式匯總如表3所示。

4? ? 制動系統(tǒng)試驗驗證

為滿足整車設計要求，對制動系統(tǒng)進行了部件試驗驗證、地面1：1聯(lián)調試驗驗證和線路動態(tài)試驗驗證，主要驗證了制動系統(tǒng)控制功能實現(xiàn)以及制動力、響應時間、控制精度、耐久性等性能。

4.1? ? 主要部件試驗驗證

為確保制動系統(tǒng)準確輸出摩擦制動力，一方面對液壓力控制精度及系統(tǒng)流量特性等技術指標進行試驗驗證;另一方面對液壓制動夾鉗裝置摩擦副、壓力—力輸出特性進行試驗驗證。

4.1.1? ? EBCU和電液制動控制單元驗證

對EBCU和電液制動控制單元組成的壓力控制系統(tǒng)液壓力采集精度、比例閥液壓力閉環(huán)控制精度、油泵流量及液壓閥流量特性進行了驗證，同時對其電磁兼容、高低溫及振動沖擊性能進行了試驗驗證。

4.1.2? ? 液壓制動夾鉗裝置驗證

（1）通過1：1制動動力試驗臺架對摩擦副各速度等級的制動工況的摩擦系數(shù)、磨耗量及熱容量性能進行了驗證。

（2）通過液壓制動夾鉗試驗臺對液壓制動夾鉗壓力—力輸出特性進行驗證，主要驗證確定液壓制動夾鉗的輸出力、傳動效率、遲滯特性和疲勞耐久等各項技術指標滿足設計要求。

4.2? ? 地面1：1聯(lián)調試驗驗證

建立地面1：1聯(lián)調試驗試驗臺，根據(jù)整車要求模擬輸出司控器級位、電制動能力、速度等信號給制動系統(tǒng);進行制動功能靜態(tài)測試，對系統(tǒng)響應時間、模擬故障導向、防滑功能及檢測系統(tǒng)性能等進行試驗驗證。

4.3? ? 制動系統(tǒng)線路動態(tài)試驗驗證

通過各工況速度等級的線路動態(tài)試驗驗證，制動系統(tǒng)制動功能、制動減速度及制動距離均滿足設計要求?，F(xiàn)以AW3載荷工況、70 km/h速度等級緊急制動2試驗數(shù)據(jù)進行說明，詳細制動過程參數(shù)如表4所示，緊急制動過程如圖7所示。

5? ? 結語

制動系統(tǒng)是確保低地板有軌電車行車安全最關鍵的系統(tǒng)，其設計過程需經(jīng)過充分的驗證確認。因無載荷測量裝置，相同制動級位下制動力不會隨載荷的變化而變化，導致低載荷的制動減速度大于高載荷的，后續(xù)應設計載荷測量裝置，以實現(xiàn)不同載荷工況的制動同減速度控制。地面試驗驗證及整車線路試驗驗證表明，自主化五模塊儲能低地板有軌電車制動系統(tǒng)設計滿足整車要求，其設計思路和驗證方法可為后續(xù)制動系統(tǒng)設計提供一定的參考。

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收稿日期：2020-03-09

作者簡介：曾春軍（1987—），男，湖南永州人，工程師，從事軌道交通制動系統(tǒng)研發(fā)工作。