蓉 2 號有軌電車制動系統設計簡析

姜德偉，常永波，楊 東

（中車長春軌道客車股份有限公司，吉林長春 130062）

0 引言

隨著社會的發展，對有軌電車的需求越來越多。有軌電車相比較傳統的公共汽車，具有節能環保、運輸客流量大、運行時間穩定等優點。相比較地鐵車，在經濟上具有建造和維護成本低的特點，在技術上有軌電車具有較強的制動能力，且結構緊湊，減速度大，有非粘著制動，精確停車要求低，對線路的要求低[1]，更適合在地面大坡道、小半徑、短距離的行駛。如果線路的限界能夠實現與道路交通良好隔離，且平均站間距保持在800??m?左右，則其運行速度可以達到?20～25??km/h[2]。由于空氣制動設備較大，而有軌電車車輛較短而且底架距離軌面很近，一般情況下地板面距軌面高度為250～350??mm[3]，同時考慮到車輛限界因素，空氣制動設備不宜在有軌電車底架上安裝。由于液體介質可以比較安全地達到較高壓力，也就是說可以在輸出同等制動力的前提下具有較小的體積[4]，因此液壓制動設備更適合在有軌電車上安裝。

1 制動系統介紹

蓉?2?號有軌電車制動系統按?CITADIS?平臺設計。采用?5?模塊編組方式，2?動?1?拖?2?懸吊，每臺轉向架配有1?套獨立的液壓制動控制裝置。制動系統的總體架構基于列車控制和管理系統（TCMS）。TCMS?根據駕駛模式和車輛載荷保證每個轉向架制動力的全局管理。它還管理降級模式下每個轉向架制動力的補償。當網絡故障時，可以通過硬線施加預設固定的制動力。制動設備根據制動指令完成制動力的施加和緩解，并保證連續自我診斷以及在重大故障時通知司機。該系統完全滿足?EN?13452-1《鐵路應用—制動—城軌運輸制動系統—第?1?部分：性能要求》中對有軌電車制動系統的性能要求，具有常用制動、緊急制動、安全制動、保持制動和停放制動?5?種制動模式[5]。

編組方式：=M1+C1+Np+C2+M2=，其中：M1、M2?為帶司機室的動車模塊，C1、C2?為無轉向架支撐的懸吊模塊，Np?為帶受電弓的拖車模塊（圖?1、圖?2）。

2 制動系統性能

車輛在?AW2（滿座及站立空間?6人/m2）載荷下，在平直干燥軌道上，車輪為半磨耗狀態，車輛速度從?70??km/h?到?0??km/h，各制動模式下的減速度滿足以下要求。

圖1 車輛編組圖

圖2 蓉 2 號有軌電車

常用制動性能：①最大常用制動平均減速度≥1.2??m/s2；②常用制動響應時間≤1.5??s；③常用制動沖動極限≤1.5??m/s3；④具有防滑保護和載荷調節功能。

緊急制動性能：①緊急制動等效減速度≥2.8??m/s2；②緊急制動響應時間≤0.85??s；③緊急制動沖動極限≤8??m/s3；④具有防滑保護和載荷調節功能。

安全制動性能：①安全制動平均減速度≥1.5??m/s2；②安全制動響應時間≤2??s；③安全制動沖動極限≤4??m/s3；④無防滑保護和載荷調節功能。

3 制動方式

電制動：包括再生制動和電阻制動。當司機施加制動時，牽引電機工作在發電機工況，這時可以把車輛的動能轉化為電能，優先給超級電容充電。當超級電容及其他負載充滿電后，如果網壓已達到上限，則再生制動會自動切換為電阻制動模式，通過制動電阻器將電能以熱能的形式散發到空氣中，從而達到減速的目的。

液壓制動：當電制動力不能滿足制動力需求時，通過在各車施加液壓制動來補充不足的制動力，以使得車輛按所需的減速度完成減速或停車。

磁軌制動：車輛處于緊急情況時，通過操縱司控器手柄置于緊急制動位或蘑菇按鈕來施加，還可以通過磁軌施加按鈕來單獨施加。該制動通常和其他制動方式共同作用，磁軌制動是非粘著制動，是其他粘著制動的有效補充，從而保證盡快停車。

4 液壓制動系統配置

整車采用架控式制動系統，每臺轉向架配有獨立的制動控制裝置?？刂?Np?車液壓制動的是制動控制單元（BCU），BCU?根據來自車輛的網絡及硬線等信號進行制動施加或緩解，并接收防滑速度傳感器傳來的速度信號，依照?BCU?的防滑控制邏輯對減速度和速度差進行監測，完成?Np?車的制動防滑控制。BCU?優先根據網絡發來的制動需求?AI?值（根據?BCU?軟件預設轉換為?15?步制動和?1?步緩解信號），對本車液壓單元（EHU）的?AS?閥和AT閥進行控制，見圖?3。當?BCU?讀取不到?AI?值或讀取的?AI?值超出設定的電流范圍時，BCU?會認為?AI?值無效。此時采用備用模式可實現列車的基本運行，BCU?讀取緊急列車線（硬線）信號來施加制動或緩解。在?AI?值無效時，車輛施加預設固定的常用制動力或緊急制動力。

BCU?通過以太網通信把故障或警告信息反饋給列車控制及管理系統（TCMS）。BCU?自身的以太網接口為應用軟件提供安裝接口，RS232?接口可以用于維護和診斷?？刂?M1、M2?車液壓制動的是制動控制模塊（HCM），HCM?根據制動需求的?BI?值（4?根?0/1?二進制輸入指令線組成，并根據?HCM?軟件預設轉換為?15?步制動和1步緩解信號），對本車?EHU?的?AS?閥和?AT?閥進行控制。同時監測來自?EHU?中用于控制的制動壓力信息。HCM?會根據?M1、M2?車液壓制動系統的工作狀態，將“制動緩解”、“制動施加”和“主要故障”信號發給TCMS。HCM?通過自身前端的?LED?燈顯示事件實時狀態，事件的詳細信息需要通過維護終端?ST03A?連接到HCM?的?RS232?接口后讀出。HCM?的?RS232?接口還為應用軟件提供安裝接口。

圖3 制動控制裝置電氣接口

M1、M2?車轉向架配備被動式彈簧制動夾鉗，制動夾鉗安裝在構架上。制動力由?2?個動力腔產生，并提供閘片磨耗間隙自動調整功能。每個制動盤上閘片的夾緊力達到約?80??kN，當動力腔中壓力為?0??bar?時，制動力達到最大。通過與制動控制裝置配合執行輸出制動所需夾緊力，在停放制動時施加?100%?彈簧力，確保車輛靜止停在坡道上。被動式彈簧制動夾鉗可以通過簡單的工具進行機械緩解，通常用于更換閘片，當?M1、M2?車電緩失效時也可以通過該工具進行緩解。Np?車轉向架配備主動式液壓制動夾鉗，制動夾鉗中包括?2?對活塞，分別安裝在制動盤兩側。4?個活塞產生的最大夾緊力大約為70??kN，此時制動力最大，當動力腔中壓力為?0??bar?時無制動力。通過與制動控制裝置配合執行輸出制動所需夾緊力。M1、M2?車轉向架的每個軸配備?1?個灰鑄鐵制動盤（直徑?400??mm、厚度?60??mm）。制動盤由摩擦環和盤轂組成，通過螺栓安裝在車軸端部。Np?車轉向架的每個軸配備?2?個相同尺寸（直徑?400??mm、厚度?60??mm）的整體式球墨鑄鐵制動盤，也通過螺栓安裝在車軸端部。制動盤的設計采用散熱筋布置方式，不僅有更高的散熱系數，也降低了泵風效應。制動盤外緣具有磨耗顯示槽，可以目測磨耗情況。

M1、M2、Np?車底架上各有?1?個?EHU，以實現制動系統壓力的供給和控制。為了降低?EHU?中油泵的頻繁啟動次數，從而延長其使用壽命，制動系統中配有蓄能器用于儲存壓力。多次的制動和緩解后，蓄能器中的油壓會降低，當蓄能器中的油壓低于?120??bar?時油泵啟動，當蓄能器的壓力達到?155??bar?時油泵停止工作。這樣就會使蓄能器的油壓總是處于保證制動緩解需要的壓力值。該車與以往有軌電車明顯的差別是在?M1、M2?車底架上各配置有?2?個蓄能器，1?個用于正常緩解使用，另?1?個用于正常緩解失效時，通過輔助緩解回路對被動式彈簧制動夾鉗進行緩解。

每個轉向架上裝有?2?套磁軌制動器，在緊急制動和安全制動工況下能有效縮短制動距離。磁軌制動器可自動觸發也可人工操作觸發。M1、M2?車底架各安裝?1?個載荷傳感器，TCMS?根據傳感器的電流信號值進行重量換算，從而對當前載重的車輛施加牽引或制動指令。

Np?車轉向架的每個輪上裝有?1?個用于滑行檢測的防滑速度傳感器，為防滑系統提供速度信號。根據防滑速度傳感器反饋的信息，由?BCU?自行控制所施加制動力的大小，以實現對?Np?車車輪進行防滑保護。

5 制動模式

5.1 常用制動

常用制動是行車中最常用的制動方式，通過拉動牽引/制動主控制器手柄到常用制動位置來觸發。該制動可以根據運行需要隨時挪動手柄位置來調節制動力大小，也可以在運行中把該制動模式轉為牽引或惰性模式。在司控臺上，牽引/制動主控制器包含?2?個范圍：手柄向前推時為牽引范圍，手柄向后拉時為制動范圍。這?2?個范圍被?1?個有凹槽的惰行位分開。牽引/制動主控制器是模擬控制，在制動模式下，制動力與控制器位置成正比。最大常用制動手柄位置在常用制動范圍的最低端。牽引/制動主控制器將對應其位置的電信號發送給中央控制單元（CCU）。主?CCU?保證牽引和制動控制，從?CCU?用作冗余備份。它通過多功能車輛總線（MVB）向牽引制動控制單元（TBCU）發送指令信號，同時也可以通過輸入輸出單元（RIOM）向?BCU?和?HCM?發送指令信號。根據混合制動原則，只有當電制動力不足以滿足制動需求時才由液壓制動進行補足（考慮粘著因素）。在低速階段電制動力嚴重下降時，需要液壓制動來接管整車制動，此時車輛速度約為?7??km/h。當防滑系統檢測到滑行時，電制動和液壓制動防滑保護功能有效，同時激活撒砂裝置以改善輪軌接觸面粘著。

5.2 緊急制動

緊急制動通常由司機觸發，是在最短距離使列車停止的最強制動。緊急制動一旦觸發，在列車完全停止之前不會中斷。牽引/制動主控制器含有?1?個緊急制動位，位于制動模式范圍的端部，在最大常用制動位之外，緊急制動位是凹槽位且比較穩定。緊急制動可由各種監控設備施加（如警惕裝置），與控制緊急制動的元件相連的所有觸點均在緊急回路上以串聯方式安裝，任何觸點打開即產生緊急制動。緊急制動時根據車輛載荷調整液壓制動的制動力，電制動和磁軌制動也起作用。緊急制動模式下車輪防滑保護功能有效，同時激活撒砂裝置。

5.3 安全制動

通過司機按下司機臺上的蘑菇形按鈕來施加安全制動。根據故障導向安全原則，斷開安全回路觸發安全制動，安全制動是保證列車減速的最后手段。安全制動時，M1、M2?車施加最大彈簧力，Np?車施加預設的液壓力，磁軌制動起作用而無電制動，所產生的減速度雖然沒有緊急制動大，但由于安全制動屬于純硬線制動模式，沒有軟件使用，因此更為可靠。安全制動一旦觸發，在列車完全停止之前不會中斷，必須減速到停止。與控制安全制動的元件相連的觸點均在安全回路上以串聯方式安裝，任何觸點打開即產生安全制動。安全回路獨立于緊急回路、MVB?總線和控制牽引及常用制動的列車線之外。安全制動模式下激活撒砂裝置。

5.4 保持制動

停車和保持制動受網絡控制，根據制動指令及采集的列車速度信息（停車制動發生在速度低于約?7??km/h，保持制動發生在速度低于約?1??km/h）自動施加。當網絡判斷牽引力足夠大時，會自動發出保持制動緩解指令。當一定時間內沒有收到網絡發來的保持制動緩解指令，制動系統會根據軟件中預設的牽引力特性曲線，來緩解保持制動。保持制動可使?AW3（滿座及站立空間9?人/m2）載荷條件下的車輛在最大坡度（60‰）上保持靜止。

5.5 停放制動

停放制動通過彈簧作用式夾鉗給?M1、M2?車轉向架施加最大制動力?？墒?AW3?載荷的列車在風速?60??km/h情況下在?60‰?的坡道上完全停住。

6 混合制動

圖4 電制動正常時混合制動

圖5 M2?車電制動故障時混合制動

在混合制動時，當電制動無法滿足整列車制動需求時會補充液壓制動。所需的液壓制動力在規定的粘著極限之內被均分在每個制動盤上。制動力分配如圖?4?所示。從圖?4?可以看出，隨著制動力需求的增加，M1、M2?車的電制動力逐漸增加。當電制動（紅色）發揮到最大但仍不能滿足制動力需求時，各車的液壓制動（綠色）開始投入。當?M1、M2?車輪軌之間所需的粘著達到極限后，不足的制動力將在沒達到粘著極限的?Np?車上補充液壓制動。

如果?1?個動車轉向架制動單元發生故障，給予拖車轉向架的指令將重新計算，以保證此時列車減速度與正常配置相似。M2?車電制動故障時制動力分配如圖?5?所示。從圖?5?可以看出，隨著制動力需求的增加，M1?車電制動力逐漸增加。當電制動發揮到最大但仍不能滿足制動力需求時，各車的液壓制動開始投入。當?M1?車輪軌之間所需的粘著達到極限后，不足的制動力將在沒達到粘著極限的?Np?和?M2?車上補充液壓制動。

7 結束語

制動系統與列車的行車安全有直接的關系，因此制動系統必須性能優良、穩定可靠，設計中應考慮各種情況下的極端工況，并做充分的設計計算，根據設計計算進行制動系統配置，同時在設計中應考慮制動系統控制的冗余，把制動風險降到最低。在此基礎上，應盡可能使系統操作簡單、檢修維護方便。