嘉興有軌電車制動系統(tǒng)的設(shè)計

□ 寇良朋

上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司 上海 200245

1 設(shè)計背景

近年來,隨著我國城市化進程的加快和國家經(jīng)濟的飛速發(fā)展,城市人口越來越多,越來越集中。為了解決城市居民的日常出行需求,大力發(fā)展公共交通勢在必行[1-3]。軌道交通車輛相比公交車等公共交通工具,具有運量大、準時、高效的特點,比較適合城市居民上下班通勤使用。有軌電車相比地鐵造價便宜,相比公交車運力大,近幾年在中型城市、大城市市郊發(fā)展較快[4-6]。

嘉興有軌電車液壓制動系統(tǒng)采用KBGM-H型制動系統(tǒng)[7],這一制動系統(tǒng)能在司機控制器的控制下對列車進行制動與緩解。KBGM-H型制動系統(tǒng)可以實現(xiàn)安全制動、緊急制動、常用制動、保持制動、停放制動、車輪防滑保護、載荷補償、制動力混合等功能,結(jié)構(gòu)緊湊,集成度高[8-10]。

2 嘉興有軌電車概述

嘉興有軌電車編組方式為=Mc車+F車+Tp車+F車+Mc車=,如圖1所示。其中,Mc車為安裝動車轉(zhuǎn)向架和司機室的動車模塊,Tp車為安裝受電弓和拖車轉(zhuǎn)向架的拖車模塊,F車為懸浮車體模塊,+為風擋密封鉸接結(jié)構(gòu);=為兩頭可折疊型半自動車鉤。

圖1 嘉興有軌電車編組方式

嘉興有軌電車最高運行速度為70 km/h,最高設(shè)計速度為80 km/h。在AW2載荷工況,車輪處于半磨耗狀態(tài)下,嘉興有軌電車在干燥、清潔平直軌道和額定電壓下的制動性能指標見表1。

表1 嘉興有軌電車制動性能指標

3 制動系統(tǒng)組成

制動設(shè)備安裝在Mc車和Tp車上,制動系統(tǒng)主要設(shè)備配置數(shù)量見表2。

表2 制動系統(tǒng)主要設(shè)備配置數(shù)量

3.1 制動控制設(shè)備

在制動系統(tǒng)中,主要有兩種制動設(shè)備用于制動控制,分別為ESRA制動控制單元和HCM2制動控制模塊。ESRA制動控制單元安裝于Tp車,HCM2制動控制模塊安裝于Mc車。制動控制設(shè)備通過電控液壓單元來控制制動缸的壓力。

ESRA制動控制單元是一套帶有標準化組件的模塊系統(tǒng)。針對不同的車型,通過改變應(yīng)用軟件即可適應(yīng),避免類型多樣化造成的復(fù)雜性。ESRA制動控制單元設(shè)置于一個機箱內(nèi),在前置面板上有相應(yīng)的電氣接口,采用直流24 V電壓工作,電壓相對允許誤差為±30%。ESRA制動控制單元集成了制動控制和輪對滑行保護功能,電氣部件負責處理大量輸入信號,并輸出至電控液壓單元進行液壓控制信號的設(shè)定。集成在ESRA制動控制單元內(nèi)部的輪對滑行保護控制器通過控制液壓來改變制動力,以適應(yīng)輪軌黏著的情況。通過對輪軌黏著的優(yōu)化利用,在一定程度上縮短停車距離,并降低由于輪對滑行鎖死而造成的車輪擦傷風險。ESRA制動控制單元如圖2所示。

圖2 ESRA制動控制單元

HCM2制動控制模塊位于中央控制器和電控液壓單元之間,可以通過硬線接口實現(xiàn)連接。HCM2制動控制模塊負責處理中央控制器的制動請求信號及液壓設(shè)備中壓力傳感器產(chǎn)生的信號。這些信號被轉(zhuǎn)換為控制信號,用于控制比例壓力調(diào)節(jié)閥和液壓泵電機。HCM2制動控制模塊同時向中央控制器輸出狀態(tài)信息。為了便于識別故障,前端面板上裝有三個發(fā)光二極管指示燈,分別顯示綠色、橙色、紅色。當設(shè)備通電并且應(yīng)用軟件已開始運行時,綠色指示燈亮。一旦出現(xiàn)小故障并且故障處于待處理狀態(tài),則橙色指示燈亮。如果出現(xiàn)故障,但故障已不處于待處理狀態(tài),那么橙色指示燈閃爍。若出現(xiàn)大故障且故障處于待處理狀態(tài),則紅色指示燈亮。如果出現(xiàn)大故障,但故障已不處于待處理狀態(tài),那么紅色指示燈閃爍。故障可由ESRA制動控制單元服務(wù)終端軟件通過以太網(wǎng)接口讀取及刪除。HCM2制動控制模塊如圖3所示。

圖3 HCM2制動控制模塊

3.2 電控液壓單元

電控液壓單元用于產(chǎn)生和改變液壓管道中的壓力。電控液壓單元將電動液壓泵、比例壓力調(diào)節(jié)閥、安全制動閥、壓力傳感器等集成在一個模塊內(nèi),便于安裝與檢修。蓄能器通過管道連接電控液壓單元。兩個比例壓力調(diào)節(jié)閥可以根據(jù)制動需求信號來調(diào)節(jié)制動壓力。安全制動閥設(shè)定安全制動壓力。手動卸壓閥可手動對蓄能器進行卸壓。電控液壓單元與制動控制設(shè)備進行電氣連接,油底殼配備了通氣閥、油位窗、注油口。電控液壓單元及其液壓原理分別如圖4、圖5所示,圖5中符號注解見表3。

圖4 電控液壓單元

圖5 電控液壓單元液壓原理

表3 圖5中符號注解

液壓泵由電機驅(qū)動,通過蓄能器接口為外部的蓄能器提供足夠的壓力。由于在每次緩解時,蓄能器的壓力會降低,因此由壓力傳感器監(jiān)測蓄能器的壓力,進而控制電機啟停。當蓄能器的壓力降至電機啟動值時,電機啟動。液壓泵將油底殼中的液壓油經(jīng)蓄能器接口泵送至蓄能器,直至蓄能器中的壓力達到電機關(guān)停值。如果供給過濾器過負荷使上下游產(chǎn)生壓差超過特定限制,內(nèi)置的止回閥將打開,以保護蓄能器。當電機關(guān)閉后,止回閥可以防止蓄能器的液壓油回流至油底殼。限壓閥防止系統(tǒng)過壓。通氣閥保證油底殼能夠獲得需要的壓力值。在正常運行操作時,位于油底殼結(jié)構(gòu)中的空氣壓力無論提高還是降低,通氣閥均能使內(nèi)部空氣與外界大氣導(dǎo)通。若要在設(shè)備維護時卸壓,需操作手動卸壓閥將蓄能器接口與油底殼連通。油底殼通過注油口注油。高低位油位儀用于指示液壓油油位。壓力傳感器將穩(wěn)定的制動缸壓力信號發(fā)送至外部制動控制設(shè)備。通過對比壓力傳感器信號與即時制動指令信號,根據(jù)制動缸設(shè)定的壓力值與當前壓力值的差,制動控制設(shè)備驅(qū)動升壓或降壓控制閥,相應(yīng)提高或降低制動缸管道的壓力。通過即時協(xié)同驅(qū)動升壓或降壓控制閥,使制動缸壓力實際值達到目標值。升壓控制閥用于提高制動缸壓力,打開外部蓄能器經(jīng)由蓄能器接口通往制動缸管道的通路。降壓控制閥用于釋放制動缸的油壓至油底殼。制動夾鉗要達到控制的油壓,需要通過管道與制動缸接口相連。節(jié)流口用于在特定情況下卸壓,確保在突然失電的情況下,制動夾鉗不會突然動作。當安全制動閥失電時,安全制動閥會使管道通過安全制動限壓閥與油底殼連通,管道的壓力將降低至安全制動限壓閥設(shè)定的壓力值。安全制動節(jié)流口既能保證迅速施加制動,又能防止過快的制動力提高導(dǎo)致的沖擊。如果車輛長期停放,升壓和降壓控制閥將會失電,制動缸壓力降至零,由于制動夾鉗為被動式制動,因此需要施加最大制動力來保證車輛長期停放的安全。

3.3 蓄能器

蓄能器采用帶支架的膜式蓄能器,安裝在車體上,如圖6所示。蓄能器由彈性膜片分為兩個腔室。一個腔室中是氮氣,根據(jù)制動系統(tǒng)的要求,預(yù)先充壓。氮氣腔室中的氮氣壓力因另一個腔室中的液壓油注入而提高,或因液壓油的流出而降低。氮氣腔室側(cè)有一個螺堵,設(shè)計為氣體閥,位于保護蓋后方,方便充氣。蓄能器是能量的存儲器,有助于減小間歇模式中液壓泵的工作量,并在液壓泵故障的情況下,存儲一定的壓力能量。

圖6 蓄能器

3.4 制動夾鉗

制動夾鉗采用浮動連桿式,可以進行鉸接式安裝。制動夾鉗安裝在構(gòu)架上,適用于制動盤安裝在一系懸掛上的情況。由于一系簧的位移作用,鉸接式安裝與浮動連桿結(jié)構(gòu)允許制動夾鉗在一定程度上與制動盤之間發(fā)生偏轉(zhuǎn)和平移。鉸接式安裝需要額外支撐桿來承受制動扭矩。制動夾鉗的可輸出力約為32 kN,并有閘片間隙自動調(diào)整功能,不需要相關(guān)的預(yù)防性維護。使用輔助緩解單元可以對制動夾鉗進行緩解。制動夾鉗如圖7所示。

圖7 制動夾鉗

制動夾鉗的特征如下:

(1) 使用堆疊的碟片彈簧;

(2) 采用閘片間隙自動調(diào)整裝置,具有恒定的閘片間隙;

(3) 具有完全獨立的彈簧制動缸液壓緩解接口,使用輔助緩解單元進行緩解;

(4) 具有低遲滯性;

(5) 具備機械手動緩解功能。

制動夾鉗上的制動閘片采用有機摩擦材料,摩擦面積為120 cm2。每個制動閘片均有磨耗顯示槽,以便目測磨耗情況。

3.5 輔助緩解單元

輔助緩解單元是使用輔助電源來緩解制動系統(tǒng)制動的液壓單元。當制動系統(tǒng)出現(xiàn)故障無法緩解制動時,輔助緩解單元可以緩解液壓制動,提高車輛的可用性。輔助緩解單元及其液壓原理分別如圖8、圖9所示,圖9中符號注解見表4。

圖8 輔助緩解單元

圖9 輔助緩解單元液壓原理

表4 圖9中符號注解

當兩位兩通電磁閥得電時,輔助緩解單元啟動,關(guān)閉管道與油底殼的通路。壓力開關(guān)發(fā)出信號,驅(qū)動開關(guān)以啟動電機,隨后液壓泵從油底殼通過供給濾油器和止回閥向輔助緩解管道接口泵送液壓油。輔助緩解管道的壓力持續(xù)建立,直至壓力達到壓力開關(guān)的上設(shè)定值。達到上設(shè)定值后,壓力開關(guān)動作,此時電機關(guān)閉且制動由輔助電源緩解的信號有效。如果輔助緩解管道中的壓力降低,低于壓力開關(guān)的下設(shè)定值,電機再次啟動,直至壓力再次恢復(fù)到上設(shè)定值。這一過程中,輔助緩解管道中的壓力維持在壓力開關(guān)的上設(shè)定值和下設(shè)定值之間。液壓泵關(guān)閉,止回閥阻止液壓油回流至油底殼,通過這一方式維持輔助緩解管道的壓力。如果液壓泵控制器失效,限壓閥將會保護輔助緩解單元,防止輔助緩解管道過壓。限壓閥有一個設(shè)定值。壓力超出設(shè)定值,則限壓閥打開,液壓油回流至油底殼。油底殼上的通氣閥用于平衡油底殼和外界的氣壓。失電的電磁閥會取消輔助緩解狀態(tài),此時輔助緩解管道與油底殼導(dǎo)通,液壓油從管道中回流至油底殼,節(jié)流口防止壓力突降。

3.6 磁軌制動器

每個轉(zhuǎn)向架安裝有兩個剛性低懸掛磁軌制動器,吸附力約為66 kN。磁軌制動器吸附軌道后,與軌道產(chǎn)生的摩擦力通過縱向止擋進行制動力傳遞,確保極靴工作的導(dǎo)向性良好。即便軌道不平順或者有障礙物,磁軌制動器也能有良好的性能。磁軌制動器如圖10所示。

圖10 磁軌制動器

磁軌制動器的基本特點包括提供獨立于輪軌關(guān)系之外的制動力,實現(xiàn)非黏著制動,可以清潔軌道,作用和響應(yīng)快速,易于調(diào)整懸掛高度。

4 制動系統(tǒng)功能

制動系統(tǒng)功能包括常用制動、緊急制動、安全制動、停車制動等。

常用制動由動力轉(zhuǎn)向架上的電制動來實現(xiàn)?？紤]動力轉(zhuǎn)向架上的輪軌黏著情況,還需施加非動力轉(zhuǎn)向架上的液壓制動來滿足制動需求。制動系統(tǒng)施加的制動力大小取決于制動力需求和車輛載荷。

緊急制動由動力轉(zhuǎn)向架上的電制動、所有轉(zhuǎn)向架上的液壓制動、磁軌制動來滿足制動需求。制動系統(tǒng)施加的制動力大小取決于車輛載荷,同時考慮黏著限制。在緊急制動時,由車輛激活撒砂功能來改善輪軌黏著。磁軌制動器在緊急制動時被激活。

安全制動依據(jù)故障導(dǎo)向安全原則設(shè)計。通過斷開的列車安全回路激活所有制動夾鉗。安全回路可由司機室操縱臺上的蘑菇按鈕觸發(fā)斷開。如果安全回路斷開,位于電控液壓單元中的安全制動閥將會失電,會在制動夾鉗中產(chǎn)生預(yù)設(shè)的壓力來對轉(zhuǎn)向架施加安全制動。安全制動時沒有輪對滑行保護和載荷補償功能。另一方面,所有磁軌制動器及撒砂設(shè)備由車輛激活,通過撒砂功能來改善輪軌黏著。

當車速接近6 km/h時,施加停車制動,此時電制動逐漸退出,液壓制動力逐漸提高,直至完全由液壓制動來實現(xiàn)。在更低的車速范圍內(nèi),當車輛檢測到即將停止時,激活常用制動功能中的保持制動,制動夾鉗對轉(zhuǎn)向架施加最大的制動力。

車輛設(shè)有24 V直流電源,停放制動在車輛靜止時可以被激活。停放制動允許加載的車輛在坡道上無限時靜止停放。停放制動時,制動夾鉗液壓缸被完全卸壓,制動夾鉗對轉(zhuǎn)向架施加最大的制動力。

5 結(jié)束語

筆者介紹了嘉興有軌電車制動系統(tǒng)的設(shè)計,包括基本組成、原理和功能,為后續(xù)有軌電車制動系統(tǒng)的設(shè)計提供了參考和借鑒。