電機械制動
——“雙碳”下的列車制動技術(shù)創(chuàng)新

陳 騫，張 翔，薛 江，張慶爽，趙春光，王 瑞

（北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094）

1 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，人民出行的需求也在日益增長。在龐大的人口基數(shù)下，國家對于城市軌道交通的需求亦在不斷提高。隨著碳中和、節(jié)能減排等一系列環(huán)保要求的日趨提高，在綠色節(jié)能的目標下，實現(xiàn)快速化的城市軌道交通車輛已然成為行業(yè)內(nèi)追逐的方向。與此同時，隨著列車速度、使用頻次的提升，制動系統(tǒng)在保證列車安全的前提下向輕量化、節(jié)能化的目標進行改進。與傳統(tǒng)城市軌道交通列車所使用的空氣制動或液壓制動系統(tǒng)不同，一種全新高效的電機械制動技術(shù)正在迅速發(fā)展。

2 “雙碳”目標下的制動技術(shù)發(fā)展

中共中央、國務(wù)院關(guān)于“雙碳”的工作意見[1]中，明確提出積極引導(dǎo)低碳出行、加快城市軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。在相關(guān)政策的支持下，城市軌道交通未來市場形勢向好的同時，對列車的要求也越來越高。

相較于其他軌道交通，城市軌道交通具有以下特點：車站相對密集，列車在站間運行，頻繁處于啟動、制動交替狀態(tài)，高頻使用制動裝置；列車的制動性能一定程度地受到城市通勤人員“潮汐”現(xiàn)象致使車重明顯變化的影響；列車運行的平穩(wěn)性受到高峰時段“人擠人”狀態(tài)的考驗。此外，城市軌道交通制動系統(tǒng)還需在極端工況下，以絕對的安全性保障乘客的生命財產(chǎn)安全。因此，作為確保列車安全運行的核心技術(shù)，制動系統(tǒng)的重要性不言而喻。

為實現(xiàn)列車安全、節(jié)能、高效運行，城市軌道交通制動系統(tǒng)的智慧化升級迫在眉睫。目前，傳統(tǒng)城市軌道交通車輛制動仍存在許多問題，如空氣制動系統(tǒng)的管路復(fù)雜，在檢修時，對于管路維護較為繁瑣，制動管路也會因為線路的問題產(chǎn)生共振而存在斷裂的風險[2]；空氣制動系統(tǒng)由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，自身體積相對較大，不利于車輛輕量化的設(shè)計；適用于低地板車、空掛懸軌車、單軌車輛的液壓制動系統(tǒng)，雖然在一定程度上可以解決制動系統(tǒng)體積的問題，但該系統(tǒng)所使用的液壓油，無論是在運用過程中，還是檢修時，都會存在一定的泄露問題，更換下來的廢油也會造成環(huán)境污染，不符合綠色環(huán)保的要求和趨勢。因此，考慮提升列車的可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）以及降低全生命周期成本（LCC），一種符合“雙碳”目標的下一代制動技術(shù)創(chuàng)新勢在必行。

3 現(xiàn)代城市軌道交通列車制動系統(tǒng)

如圖1所示，現(xiàn)代城市軌道交通制動系統(tǒng)從原理上可分為壓力制動與線控制動。壓力制動是目前應(yīng)用最為廣泛的制動系統(tǒng)，包括常見于城市軌道交通、市域車輛的空氣制動系統(tǒng)，以及用于低地板車、懸掛空軌車的液壓制動系統(tǒng)，其二者都是基于流體壓力傳遞的制動技術(shù)。隨著時間的推移和技術(shù)的突破，在滿足可靠性的前提下，現(xiàn)代列車已經(jīng)不僅僅局限于對速度等級和運載能力的追求，轉(zhuǎn)而追求更高的效能比以及高度集成化。因此，制動系統(tǒng)的發(fā)展要求主要有高可靠性、輕量化、集成化以及智能化。全新的線控制動技術(shù)也應(yīng)運而生，根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)的不同可分為由電子液壓助力的電液壓制動系統(tǒng)及由伺服電機驅(qū)動的電機械制動系統(tǒng)。其中，電機械制動系統(tǒng)成為包括城市軌道交通在內(nèi)的列車制動技術(shù)發(fā)展的新趨勢[3]。

圖1 現(xiàn)代城市軌道交通列車制動系統(tǒng)的分類

3.1 壓力制動技術(shù)

壓力制動技術(shù)分為空氣制動和液壓制動?？諝庵苿酉到y(tǒng)主要由美國工程師喬治·威斯汀于1869年發(fā)明的空氣制動機衍生而來。伴隨著技術(shù)的提升與發(fā)展，空氣制動系統(tǒng)150年來一直作為列車制動系統(tǒng)的主要技術(shù)基礎(chǔ)。其核心在于集中式的壓縮空氣存儲，配套獨立的氣動控制模塊，通過氣動閥類對空氣通路的控制，完成壓縮空氣能量的輸送及傳遞。該系統(tǒng)在帶來可靠性與穩(wěn)定性的同時，也存在一定的劣勢：由于風源及壓縮空氣儲存裝置帶來的較為龐大體積；氣動控制模塊以及列車之間相對繁冗的管路系統(tǒng)。后期液壓制動系統(tǒng)的引入雖在一定程度上解決了空間的問題，但存在城市軌道交通列車在救援時的導(dǎo)通性問題。所以，除少數(shù)對空間有較高要求的低地板車外，液壓制動系統(tǒng)并沒有在列車中大量普及使用。

3.2 線控制動技術(shù)

相較于壓力集中儲存再分配的模式，線控制動技術(shù)的核心在于將信號與能量分開，做到以集成化控制模塊為核心，收到指令后向下游各個制動器傳輸信號，由制動器直接完成能量的分布式執(zhí)行。線控制動技術(shù)從執(zhí)行方式可分為電液壓制動系統(tǒng)和電機械制動系統(tǒng)（EMB）。

電子液壓制動技術(shù)已經(jīng)在汽車上擁有批量應(yīng)用的業(yè)績，其中主要包括博世公司的iBooster系列、大陸集團的 MKC1等。其主要特點是使用電控助力機構(gòu)讓汽車擺脫傳統(tǒng)真空泵因外界氣壓的變化對制動系統(tǒng)性能的影響[4-5]，以保證高效制動性能的同時增加電動汽車的再生制動。此外，集成度更高的電子液壓制動裝置帶來的尺寸優(yōu)勢也更為明顯，不再受限于汽車車型的限制。軌道交通市場中，如圖2所示，西門子交通也于2022年正式發(fā)布MoComp制動系統(tǒng)旗下的無氣化制動系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)從原理上講，也屬于一種適用于列車的電液壓制動技術(shù)。

圖2 西門子無氣化制動夾鉗單元

電機械制動技術(shù)的本質(zhì)在于“純電”，即電驅(qū)動與電控融合。這與線控制動中的線纜（Wire）更加匹配，也是線控制動技術(shù)的最終目標。電機械制動是一種使用電能驅(qū)動電機，通過傳動裝置推動相應(yīng)執(zhí)行機構(gòu)，對摩擦副機構(gòu)提供壓力而完成的一種摩擦制動技術(shù)。相較于傳統(tǒng)制動技術(shù)，電機械制動技術(shù)無需空氣、液壓油等介質(zhì)，而是以電能為能源供應(yīng)，以電信號為控制信號。這種原理下的制動系統(tǒng)不僅能提升傳遞效率，還可以縮短傳遞時間，提高摩擦力的使用效率，做到輸入能量與制動所需能量的最大轉(zhuǎn)化。目前，汽車領(lǐng)域中，布雷博Brembo的Sensify制動系統(tǒng)、大陸集團Continental的MKC2制動系統(tǒng)以及瀚德萬安集團的電制動產(chǎn)品已逐漸面向市場推廣。在軌道交通行業(yè)中，如圖3所示的歐盟Shift2rail項目[7]提供的解決方案目錄以及如圖4所示的捷克DAKO-CZ公司[8]也相繼推出適用于城市軌道交通行業(yè)的電機械制動裝置。

圖3 Shift2rail手冊中展示的電機械制動裝置

圖4 DAKO-CZ電機械制動裝置產(chǎn)品

4 電機械制動裝置

制動系統(tǒng)作為城市軌道交通列車在運營階段使用最為頻繁的設(shè)備之一，在保障安全可靠的前提下，提高車輛運營時的制動效率、降低維護成本，以及延長設(shè)備的使用壽命，是制動系統(tǒng)實現(xiàn)“雙碳”目標的主要途徑[9]。電機械制動裝置主要由電子制動控制單元、驅(qū)動控制裝置及基礎(chǔ)制動裝置組成。相較于傳統(tǒng)氣動制動裝置，減少氣動閥類及管路的鋪設(shè)需求，從而減輕車輛總體重量，再加之能源的有效利用，電機械制動的制動效率將提高。

運用維護方面，現(xiàn)有制動裝置相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計壽命為30年。根據(jù)相關(guān)要求，現(xiàn)有城市軌道交通運營的車輛需要在行駛60萬km或服役5年進行架修，行駛120 萬km或服役10年需要進行大修[10]。在服役期內(nèi)，現(xiàn)有的空氣制動裝置主要通過設(shè)定在氣動閥類中的傳感器進行數(shù)據(jù)采集，而基礎(chǔ)制動裝置中的閘片和制動盤的磨耗通常只能通過人工定期在車下測量完成，無法做到真正的“智能運維”。而電機械制動裝置由于電子化部件的加入，對基礎(chǔ)制動端進行了智能化的升級，可增加部件級的狀態(tài)監(jiān)測以及運用時盤片間隙的自動檢測功能。設(shè)備自動化的提升可降低日常維護的成本，更加完善的監(jiān)測及檢測功能便于接入車輛級的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)，延長制動裝置的壽命。

北京縱橫機電科技有限公司于2018年針對適用于軌道交通領(lǐng)域的電機械制動技術(shù)開始立項研究，如圖5所示，提出一種以輕量化、高效化以及智能化為目標的電機械制動解決方案。相較于傳統(tǒng)空氣制動產(chǎn)品，該電機械制動裝置，可提升車輛制動性能，完善車輛自動化駕駛功能，使列車更加智能化。該款電機械制動夾鉗裝置采用模塊化設(shè)計，具備即插即用功能（Plug and Play），并在安裝接口方面與現(xiàn)有氣動夾鉗裝置保持一致。配合更加先進的制動控制裝置，便于人工智能、機器學(xué)習等算法的介入并提升智慧化的控制功能。圖6為電機械制動裝置樣機試驗平臺，經(jīng)過試驗平臺的實際測試，該款電機械制動夾鉗裝置與現(xiàn)有空氣制動夾鉗單元輸出力相當，但響應(yīng)時間大幅縮短，理論上可在優(yōu)化工作載客制動性能的同時，針對復(fù)雜、惡劣的工況，進一步縮短制動距離，保障列車的安全性。

圖5 電機械制動夾鉗裝置樣機

圖6 電機械制動裝置樣機試驗平臺

為保證新一代電機械制動系統(tǒng)的安全性，電機械制動系統(tǒng)需要像傳統(tǒng)空氣制動系統(tǒng)一樣具備能量存儲的措施。如圖7所示，傳統(tǒng)空氣制動系統(tǒng)通過空壓機將空氣壓縮后儲存至各車的制動風缸中，以實現(xiàn)能量的儲存。相似地，電機械制動系統(tǒng)采用列車電源作為主能量來源，并設(shè)置獨立的備用電源作為儲能裝置，以保證異常工況時電機械制動系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。這種系統(tǒng)架構(gòu)使得電機械制動系統(tǒng)具備系統(tǒng)安全冗余的特性。

圖7 空氣制動系統(tǒng)與電機械制動系統(tǒng)功能模塊對比

由于電機械制動系統(tǒng)無需像傳統(tǒng)壓力制動系統(tǒng)一樣使用空氣或液壓油作為介質(zhì)進行壓力轉(zhuǎn)換，如圖8所示，電機械制動系統(tǒng)的制動響應(yīng)時間明顯短于傳統(tǒng)壓力制動系統(tǒng)。利用該特性，電機械制動可實現(xiàn)更短距離的制動效果。在實際車輛的運用過程中，可以縮短摩擦副部件的工作時間，有效提高摩擦片與制動盤的壽命，從而延長列車的檢修周期，降低使用成本。

圖8 空氣制動系統(tǒng)與電機械制動系統(tǒng)制動性能對比

5 電機械制動的應(yīng)用展望

隨著2030年碳達峰以及2060年碳中和戰(zhàn)略決策的部署，配合相應(yīng)政策的制定及推行，城市軌道交通綠色出行的比例會進一步增加，列車的高效化也將進一步升級。未來城市軌道交通制動系統(tǒng)市場的發(fā)展，在完成電機械制動技術(shù)科技創(chuàng)新任務(wù)的同時，也為成果轉(zhuǎn)化提供平臺與基礎(chǔ)。隨著制動系統(tǒng)電子化，未來城市軌道交通的制動系統(tǒng)也將更加安全可靠，乘客在城市中穿梭的舒適度也將得到提升。目前，電機械制動的相關(guān)產(chǎn)品正陸續(xù)從實驗室走向市場，將會為下一代智慧交通提供一種全新的解決方案。