出口澳大利亞雙層動車組制動系統(tǒng)的研制

王 磊，李國棟，李 松，王志龍，肖 宇，喬 峰

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，吉林 長春 130062)

出口澳大利亞雙層動車組項目是澳大利亞新南威爾士州政府為更新悉尼市現(xiàn)有車輛而啟動的包括車輛采購、運營及維護在內(nèi)的大型項目。2006年，中車長春軌道客車股份有限公司(以下簡稱“長客股份”)與澳大利亞Downer公司聯(lián)合制造了626輛雙層動車組。2016年，由長客股份主導(dǎo)設(shè)計改進43列雙層動車組項目啟動，并于2018年6月完成型式試驗后正式上線運營。

1 總體概述

該雙層動車組采用不銹鋼車體，軌距為1 435 mm，轉(zhuǎn)向架軸重17 t；每列車為8輛編組，編組為拖車+動車+動車+拖車+拖車+動車+動車+拖車；最高設(shè)計速度143 km/h，運行速度為130 km/h；最大常用制動減速度1.0 m/s2，緊急制動減速度1.28 m/s2。該動車組制動系統(tǒng)采用了微機控制的雙管摩擦制動系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電空復(fù)合制動及完全冗余的“影制動系統(tǒng)”(Full Shadowing Friction Brake System)。制動系統(tǒng)基于故障導(dǎo)向安全的設(shè)計原則，控制準確度高，響應(yīng)時間短，可靠性高，易于維護，并具有自我診斷和故障報告功能。

2 制動系統(tǒng)

制動系統(tǒng)由供風(fēng)系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架制動裝置、司機控制裝置、防滑裝置、緊急制動裝置及其他輔助設(shè)備組成。

2.1 制動控制系統(tǒng)

制動系統(tǒng)采用EP Compact制動控制系統(tǒng)，總風(fēng)管工作壓力950 kPa，制動管工作壓力500 kPa。根據(jù)車輛空間結(jié)構(gòu)，每車設(shè)置1臺電子制動控制單元(BCU)，拖車設(shè)置1個氣動控制模塊(PU)，動車設(shè)置2個PU。制動軟件符合SIL2安全等級認證，PU中的KKL中繼閥符合UIC 540標準(圖1)。

圖1 制動控制簡圖

電空制動(EP模式)系統(tǒng)采用微處理器控制，通過列車線傳輸控制指令，電空制動為直通制動，通過PU內(nèi)的電磁閥充/排風(fēng)進行制動控制。微處理器故障等導(dǎo)致電空制動失效時，自動切換為完全通過列車管壓力信號控制的空氣制動(Auto模式)，即“影制動”。

動力制動優(yōu)先采用再生制動，產(chǎn)生的能量反饋回弓網(wǎng)，無法反饋的能量通過制動電阻消耗，可降低能耗并減小閘片磨耗及運營維護成本。

制動系統(tǒng)可以實現(xiàn)常用制動、緊急制動、防滑控制、停放控制及壓縮機控制等控制模式。

2.1.1 常用制動(EP)

復(fù)合制動以相鄰的動車和拖車為基本單元。當(dāng)司控器(圖2)手柄處于常用制動區(qū)域時，司控器內(nèi)的PWM編碼器發(fā)出的電壓波形信號通過列車控制線傳遞給所有的牽引逆變器(TIM)和每個車的BCU。TIM接收到指令后，根據(jù)制動指令、負載信息和速度信號，發(fā)送動力制動可用信號和動力制動實際值給Mc車BCU，由BCU計算后分配給相鄰?fù)宪嚬餐┘又苿印?/p>

圖2 司控器

當(dāng)制動力充足時，優(yōu)先采用動力制動，動車的制動力達到黏著極限后由拖車補充剩余制動力。

當(dāng)動力制動不足時，優(yōu)先采用動力制動，其余由動車和拖車平均補充摩擦制動，動車的制動力達到黏著極限后由拖車補充剩余制動力。

圖3為正常工況下復(fù)合制動單元常用制動力分配圖。

圖3 正常工況下復(fù)合制動單元制動力分配圖

緩解狀態(tài)時，壓縮空氣由總風(fēng)管經(jīng)截斷塞門、濾塵器到達司控器DMV端口和電磁閥(D05)A2端口。電磁閥得電，其A2端口與中繼閥A端口導(dǎo)通，壓力穩(wěn)定在500 kPa。圖4為司機室設(shè)備氣路圖。

D01.司控器;D02.減壓閥；D03.中繼閥；D04、D09.風(fēng)缸；D05、D06電磁閥；D07.濾塵器；D08.截斷塞門；D10.緊急制動閥；DMV.預(yù)控壓力端口；HB.充風(fēng)端口；SB.緊急制動排風(fēng)口；AB.隔離端口；A.控制壓力端口；A1～A3.電磁閥氣路端口；HL.壓力輸出端口；Z.封堵；O.排風(fēng)口。

常用制動時，司控器持續(xù)發(fā)送電氣指令及氣動指令，制動系統(tǒng)根據(jù)司控器PWM指令線及列車線施加直通電空復(fù)合制動(圖5)。司控器A端口輸出壓力值根據(jù)司控器手柄位置變化，但與中繼閥A端口不導(dǎo)通，列車管壓力維持不變，司控器氣動指令處于熱備狀態(tài)。

2.1.2 影制動(常用制動Auto模式)

“影制動”是完全冗余的備用制動，制動系統(tǒng)故障時自動切換并提示，司機不需要更改操作方式，繼續(xù)保證車輛安全運行。

當(dāng)車輛檢測到一個BCU發(fā)生故障，列車線Revert To Auto1信號斷電，所有車輛的BCU接收到信號后共同增加制動力彌補故障車丟失的制動力。

當(dāng)?shù)?個BCU故障時，列車線Revert To Auto2信號斷電，電磁閥D05失電，激活影制動。

發(fā)生意外或測試時，也可以手動操作司機臺上的旋鈕切換為“Auto”模式。

切換到Auto模式后，電磁閥D05失電，A1、A3口接通。施加制動時，司機操作司控器A端口根據(jù)司控器手柄位置輸出預(yù)控壓力信號，通過中繼閥HL口放大減壓量，調(diào)整列車管壓力(圖4)。

制動管壓力信號通過KKL分配閥再次分配，轉(zhuǎn)化為Cv壓力，通過中繼閥施加間接制動(圖5)。

.01.分配閥；.02.減壓閥；.04.充風(fēng)電磁閥；.05.排風(fēng)電磁閥；.07、.09、.10.壓力傳感器；.12 ～.16.測試接口；.18.單向閥；.50.分配閥；.71.平均閥；.72、.73.壓力傳感器。

制動管減壓50 kPa時施加最小常用制動，減壓120 kPa時施加最大常用制動。

2.1.3 緊急制動

當(dāng)司控器手柄處于緊急位時，緊急制動閥開啟，列車管壓力迅速排空觸發(fā)緊急制動。同時司控器PWM信號發(fā)送緊急制動指令，如BCU可用，則接收指令后控制PU中的電磁閥加速建立制動缸壓力。同時，車輛其他緊急制動指令可以通過電磁閥D06失電排風(fēng)觸發(fā)緊急制動。

緊急制動時，BCU發(fā)送禁止動力制動指令，同時列車管的壓力開關(guān)通過硬線發(fā)送給TIM抑制牽引，直到緊急制動緩解后才能再次施加牽引。

緊急制動可通過以下方式觸發(fā)：司控器手柄處于緊急位；警惕裝置動作；司機室應(yīng)急手柄動作；行車制動閥被軌道應(yīng)急裝置觸發(fā)；總風(fēng)壓力過低；制動管壓力過低。

列車管減壓150 kPa施加緊急制動。當(dāng)緊急制動無法緩解時，可以拉動車輛側(cè)面的緩解拉手將PU中的KKL中繼閥進行緩解。

2.1.4 車輪滑動保護 (WSP)

防滑系統(tǒng)內(nèi)置在BCU中，前進方向頭車1軸作為速度參考軸與其他各軸進行對比，通過速度傳感器和防滑閥控制每臺轉(zhuǎn)向架的速度和減速度。同時，雙通道傳感器發(fā)送速度信號給TIM用于動力制動防滑控制。

防滑系統(tǒng)具有冗余功能，有2個微控制器。一個微控制器作為主計算機(CPU)，另一個作為監(jiān)控和備用計算機(MPU)。CPU和MPU相互監(jiān)控。主處理器和監(jiān)控處理器持續(xù)交換數(shù)據(jù)流，發(fā)生故障時能夠在低壓狀態(tài)下切換。如果CPU失效，看門狗將重置CPU。BCU的防滑控制僅在空氣制動施加的情況下作用。當(dāng)出現(xiàn)滑行時，動力制動首先進行滑行控制，當(dāng)動力制動滑行控制不能有效降低滑行時，空氣制動將完全替代電制動。

除車輛運行過程中施加停放制動外，滑動保護系統(tǒng)對所有形式的制動均起保護作用。

2.1.5 回滾檢測功能

制動系統(tǒng)帶有回滾檢測功能，該功能依賴于BCU，每個頭車4軸設(shè)置1個回滾檢測速度傳感器，兩頭車的傳感器同時檢測，無論哪個傳感器檢測到車輛與選擇方向的反向運動超過1/2車輪時，該車BCU都會通過列車線發(fā)送回滾制動施加指令給所有BCU施加制動力停車。該制動力能夠滿足車輛停放在40‰的坡道上，如果車輛仍未能停止，將觸發(fā)電磁閥排空制動管施加緊急制動。

2.2 轉(zhuǎn)向架制動裝置

該雙層動車組每臺轉(zhuǎn)向架設(shè)置4套輪裝盤形制動裝置，采用緊湊型制動夾鉗，每軸設(shè)置1套常用制動夾鉗單元、1套停放制動夾鉗單元。所有制動夾鉗單元具有閘片間隙自動調(diào)整功能。安裝有停放制動夾鉗的轉(zhuǎn)向架兩側(cè)設(shè)有停放制動緩解拉手，在停放制動出現(xiàn)故障時進行手動緩解。停放制動能夠滿足40‰坡道停放的需求。

制動盤能夠滿足AW3載荷、130 km/h工況下連續(xù)施加3次緊急制動的需求。

2.3 供風(fēng)系統(tǒng)

為了保證能夠與故障車連掛正常運行，每列車設(shè)置3臺供風(fēng)單元，供風(fēng)單元采用集成設(shè)計，具有低噪聲、低振動的特點。供風(fēng)單元包括VV180-T無油膜式空壓機及雙塔干燥器，其中無油膜式空壓機供風(fēng)量為1 450 L/min，能夠大量節(jié)約維護成本。空壓機出風(fēng)口及供風(fēng)單元出風(fēng)口設(shè)置安全閥防止過壓。

每輛頭車設(shè)有1臺輔助空壓機，由蓄電池直接供電。初充風(fēng)時，輔助空壓機啟動給受電弓供風(fēng)。升弓啟動后所有供風(fēng)單元同時啟動，直到總風(fēng)管壓力達到950 kPa停止?？傦L(fēng)管壓力低于750 kPa時，ETIS系統(tǒng)根據(jù)如下信息對供風(fēng)單元進行控制：BCU通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的總風(fēng)管壓力信息；供風(fēng)單元開關(guān)狀態(tài)；供風(fēng)單元截斷塞門狀態(tài)；供風(fēng)單元上的壓力開關(guān)狀態(tài)。ETIS優(yōu)先啟動運行時間最少的供風(fēng)單元，忽略故障或不可用(例如隔離的)供風(fēng)單元。如果ETIS失效，供風(fēng)單元根據(jù)本車總風(fēng)管壓力開關(guān)信號控制啟停(700 kPa時啟動/900 kPa時停止)。

3 試驗

2018年2月，首列雙層動車組在長客股份完成了氣密性試驗、制動靜態(tài)試驗；2018年7月，在澳大利亞悉尼多條正線上完成了制動距離、防滑功能等型式試驗，制動系統(tǒng)符合澳標TN 035：2015《信號視覺設(shè)備》標準要求。圖6為TN 035：2015標準數(shù)據(jù)以及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。目前車輛已順利上線運行。

圖6 標準及相關(guān)試驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

出口澳大利亞雙層動車組項目制動系統(tǒng)采用了成熟可靠的設(shè)計方案，能夠有效解決雙層動車組空間不足的問題，“影制動系統(tǒng)”能夠滿足用戶完全冗余的制動系統(tǒng)的需求，該制動形式為研制雙層動車組制動系統(tǒng)及后續(xù)開拓海外市場提供了寶貴經(jīng)驗。