馬強(qiáng)

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2015.36.151

摘 要：該文在進(jìn)行了一定量的數(shù)據(jù)分析的技術(shù)上，在烏魯木齊1號(hào)線南高北低的線路條件下，結(jié)合地面吸能裝置，研究了電動(dòng)客車(chē)的制動(dòng)模式選擇問(wèn)題。烏魯木齊的線路條件時(shí)全程27 km的單向大坡道，落差為287 m，在車(chē)輛選型為6A編組鋁合金車(chē)輛的基礎(chǔ)上，計(jì)算了運(yùn)行時(shí)所需要的制動(dòng)能量吸收問(wèn)題。在計(jì)算了踏面制動(dòng)和輪盤(pán)制動(dòng)的前提下，該文論證了兩種制式均滿足緊急制動(dòng)工況下的運(yùn)用需求，但在純空氣制動(dòng)運(yùn)行工況下兩種制動(dòng)制式均無(wú)法滿足全天運(yùn)營(yíng)的需求，故全制動(dòng)電阻是烏魯木齊1號(hào)線線路條件下的車(chē)輛功能的必備配置。同時(shí)考慮地面吸能裝置的可靠性和可用性對(duì)比車(chē)輛電制動(dòng)的可靠性，證明加設(shè)車(chē)載全功率制動(dòng)電阻也是保證列車(chē)安全運(yùn)行的必要設(shè)備。最后論證了在80 km/h的低速車(chē)輛，踏面制動(dòng)帶來(lái)的輪軌力關(guān)系、減重節(jié)能等優(yōu)勢(shì)，最后得出了在條件允許情況下，盡量使用電阻制動(dòng)與踏面制動(dòng)的組合方式的結(jié)論。

關(guān)鍵詞：烏魯木齊 大坡道 軌道交通 踏面制動(dòng) 制動(dòng)電阻

中圖分類號(hào)：U469 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）12（c）-0151-04

烏魯木齊軌道交通1號(hào)線于2014年4月正式開(kāi)工，作為新疆首條軌道交通線路具有較強(qiáng)的地域特色，其線路條件也在國(guó)內(nèi)軌道交通建設(shè)項(xiàng)目中十分獨(dú)特。烏魯木齊市坐落于天山山脈北麓，地形南高北低，1號(hào)線南北走向，全線27 km，單向大坡道，南北落差287 m。這種獨(dú)特的線路條件對(duì)1號(hào)線車(chē)輛的選型，尤其是牽引、制動(dòng)系統(tǒng)的選型產(chǎn)生了一定的影響，在國(guó)內(nèi)A型軌道交通地鐵車(chē)輛的成熟選型基礎(chǔ)上，不得不額外考慮線路的單向大坡道的條件。該文就烏魯木齊1號(hào)線用戶需求書(shū)形成階段車(chē)輛選型的一些考慮進(jìn)行闡述。

烏魯木齊1號(hào)線為A型鋁合金車(chē)體電動(dòng)客車(chē)，4動(dòng)2拖軸重16 t（見(jiàn)表1）。

1 線路條件等運(yùn)營(yíng)參數(shù)

烏魯木齊城市軌道交通1號(hào)線工程，由三屯碑站至國(guó)際機(jī)場(chǎng)站。線路全27.615 km，全線地形南高北低線路落差287 m，全部為地下線路； 設(shè)21座車(chē)站，換乘站7座；最大站間距2.872 km，為宜仁墩～大地窩堡區(qū)間，最小站間距0.808 km，為大西溝～中營(yíng)工區(qū)間，平均站間距1.34 km。區(qū)間正線最大坡度30‰、輔助線40‰，最小曲線半徑正線400 m，輔助線250 m，車(chē)輛基地150 m。

因獨(dú)特的地形條件，行車(chē)上行方向287 m的高差所帶來(lái)的重力勢(shì)能讓烏魯木齊1號(hào)線設(shè)置地面吸能裝置經(jīng)濟(jì)效益顯著，初步設(shè)計(jì)階段地面考慮設(shè)置中壓能饋型吸收裝置。

根據(jù)行車(chē)專業(yè)的運(yùn)行需求，烏魯木齊軌道交通1號(hào)線列車(chē)最高運(yùn)行速度80 km/h，旅行速度35 km/h。

在烏魯木齊1號(hào)線的線路條件下按照初步設(shè)計(jì)給出的停站時(shí)間，計(jì)算出的各種電制動(dòng)工況下的空氣制動(dòng)熱容量分析。

在AW3工況，80 km/h的速度，半磨耗車(chē)輪的條件下模擬踏面制動(dòng)是踏面溫度曲線：

（1）在平直道、按緊急制動(dòng)最大減速度，連續(xù)兩次緊急制動(dòng)是城市軌道交通車(chē)輛要求的基本能力，制動(dòng)減速度1.2 m/s2。（見(jiàn)圖1）

（2）列車(chē)以最高運(yùn)行速度80km/h純空氣制動(dòng)制動(dòng)運(yùn)行一個(gè)往返。（見(jiàn)圖2）

上面兩種情況分析，踏面制動(dòng)可以滿足連續(xù)兩次緊急制動(dòng)的車(chē)輪和閘瓦的熱容量要求，但在純空氣制動(dòng)最高運(yùn)行速度80 km/h的情況下車(chē)輪踏面溫度已經(jīng)達(dá)到許用溫度極限，故在電制動(dòng)失效的情況下，純空氣踏面制動(dòng)是無(wú)法滿足1號(hào)線列車(chē)按80 km/h的速度運(yùn)行的。

后續(xù)又進(jìn)行了輪盤(pán)制動(dòng)熱容量的模擬分析，如果電制動(dòng)完全失效后純空氣運(yùn)行一個(gè)往返的情況，則踏面限速約為50 km/h，輪盤(pán)限速約為60 km/h。如果考慮電制動(dòng)完全失效，純空氣制動(dòng)全天運(yùn)行則分別需要進(jìn)行限速，踏面制動(dòng)限速為45 km/h，輪盤(pán)限速為55 km/h。在這種情況下，為保證1號(hào)線列車(chē)的正常運(yùn)行，電制動(dòng)的可靠性對(duì)車(chē)輛的安全運(yùn)行將十分重要。

2 電制動(dòng)方案分析

電制動(dòng)的可靠性主要取決于牽引系統(tǒng)中的設(shè)備和線路側(cè)的網(wǎng)壓，目前城市軌道車(chē)輛對(duì)列車(chē)的MTBF要求一般為10萬(wàn)公里，烏魯木齊1號(hào)線車(chē)輛選型為4動(dòng)2拖，牽引設(shè)備故障冗余性也較高，面對(duì)國(guó)內(nèi)成熟的牽引廠家，在設(shè)計(jì)階段對(duì)牽引系統(tǒng)的設(shè)備可靠性考慮必要性不是很大，重點(diǎn)應(yīng)考慮控制線路側(cè)網(wǎng)壓的因素。

國(guó)內(nèi)城市軌道交通的再生吸收方案一般分為地面、車(chē)載兩部分。

地面設(shè)置的吸能方案一般有電阻吸能、逆變至動(dòng)力變壓器吸能、反饋到中壓環(huán)網(wǎng)三種主要的吸收方式。在烏魯木齊1號(hào)線初步設(shè)計(jì)階段考慮到1號(hào)線線路條件落差較大，設(shè)置地面吸能裝置效益較好，故推選了目前比較主流的中壓回饋式地面吸收裝置。

車(chē)載吸能裝置的選擇上一般有設(shè)置過(guò)壓保護(hù)電阻、半功率制動(dòng)電阻、全功率制動(dòng)電阻三種方案。配置過(guò)壓保護(hù)電阻質(zhì)量最小，可降低列車(chē)自重，起到節(jié)能的效果；配置全功率制動(dòng)電阻重量較重，但可以通過(guò)電阻發(fā)熱的方式吸收掉本車(chē)制動(dòng)過(guò)程中電制動(dòng)所產(chǎn)生的全部能量，保證列車(chē)正常行駛情況下空氣制動(dòng)熱容量需求最小，對(duì)地面吸能裝置無(wú)硬性需求；半功率制動(dòng)電阻介于過(guò)壓保護(hù)電阻和全功率制動(dòng)電阻之間，重量介于兩者之間，制動(dòng)時(shí)能吸收一部分列車(chē)制動(dòng)能量，但還需依賴地面吸能裝置和空氣制動(dòng)來(lái)補(bǔ)充吸收能力的不足。表2是不同的車(chē)載電阻自身的優(yōu)劣比較。

由于烏魯木齊軌道交通1號(hào)線獨(dú)特的線路條件，電制動(dòng)失效的情況下將對(duì)運(yùn)營(yíng)安全帶來(lái)極大的風(fēng)險(xiǎn)，而網(wǎng)壓對(duì)電制動(dòng)的可用性具有最直接的影響，結(jié)合目前國(guó)內(nèi)地面吸收裝置的可靠性，在車(chē)輛設(shè)計(jì)過(guò)程中，地面的吸能裝置一般只作為節(jié)能裝置考慮，列車(chē)運(yùn)行的安全性、可靠性還需由車(chē)輛自身保證。在踏面、輪盤(pán)制動(dòng)兩種空氣方式皆不能滿足列車(chē)運(yùn)行的前提下，列車(chē)的制動(dòng)電阻就成為必備的車(chē)載設(shè)備。針對(duì)烏魯木齊1號(hào)線線路條件有三種可行配置方案，半功率制動(dòng)電阻+輪盤(pán)制動(dòng)、全功率制動(dòng)電阻+踏面制動(dòng)、全功率制動(dòng)電阻+輪盤(pán)制動(dòng)。

目前按烏魯木齊1號(hào)線線路條件需配置的半功率制動(dòng)電阻重約200 kg、全功率制動(dòng)電阻重約380 kg。經(jīng)過(guò)模擬分析，按50%電制動(dòng)考慮模擬半功率制動(dòng)電阻工況，列車(chē)在限速70 km/h時(shí)輪盤(pán)溫度就已經(jīng)接近300 ℃，故半功率制動(dòng)電阻無(wú)法滿足1號(hào)線的線路80 km/h運(yùn)用要求，全功率電阻變?yōu)楸ＷC列車(chē)安全長(zhǎng)時(shí)間按80 km/h的必要配置。下面只需要對(duì)踏面制動(dòng)和輪盤(pán)制動(dòng)間進(jìn)行選擇。

3 踏面制動(dòng)和輪盤(pán)制動(dòng)比較

該次計(jì)算采用國(guó)內(nèi)某主流制動(dòng)系統(tǒng)為80 km/h的A型地鐵車(chē)輛的成熟輪盤(pán)制動(dòng)系統(tǒng)和踏面制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行比較。

高速列車(chē)空氣制動(dòng)所釋放的能量較大，盤(pán)式制動(dòng)相比踏面制動(dòng)具有較高的熱容量，在對(duì)列車(chē)控制制動(dòng)的可用性上有所提升。在一般的線路條件下，采用盤(pán)式制動(dòng)時(shí)，車(chē)輛可以在純空氣制動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)最高運(yùn)行速度80 km/h的一個(gè)往返；而采用踏面制動(dòng)時(shí)，車(chē)輛可以在純空氣制動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)最高運(yùn)行速度60 km/h的一個(gè)往返。針對(duì)線路條件比較惡劣的烏魯木齊地鐵一號(hào)線，估算下坡時(shí)制動(dòng)熱負(fù)荷較一般線路需增加約1/3。若采用盤(pán)式制動(dòng)，車(chē)輛在純空氣制動(dòng)的情況下也無(wú)法實(shí)現(xiàn)最高運(yùn)行速度80 km/h的一個(gè)往返；若采用踏面制動(dòng)，車(chē)輛可以在純空氣制動(dòng)的情況下實(shí)現(xiàn)最高運(yùn)行速度將更低。

在烏魯木齊1號(hào)線的線路條件下，以制動(dòng)減速度1.32 m/s2，軸重16T來(lái)模擬運(yùn)行一個(gè)往返的輪盤(pán)制動(dòng)和踏面制動(dòng)的溫升（見(jiàn)表3）。

在烏魯木齊的線路條件下，在全天純空氣制動(dòng)的情況下，踏面制動(dòng)需要限速45 km/h，輪盤(pán)制動(dòng)需要限速55 km/h。在這樣的線路條件下，即使選用輪盤(pán)制動(dòng)，在電制動(dòng)失效的情況下依舊無(wú)法保證正常的運(yùn)營(yíng)需求，只要電制動(dòng)發(fā)生故障或者不可用，無(wú)論采用踏面制動(dòng)還是輪盤(pán)制動(dòng)，都無(wú)法滿足列車(chē)的正常運(yùn)營(yíng)需求，需要及時(shí)退出運(yùn)營(yíng)。

去除了質(zhì)量相同的氣路及控制部分，制動(dòng)器踏面制動(dòng)一輛車(chē)比輪盤(pán)制動(dòng)輕250 kg，輪盤(pán)制動(dòng)還需在車(chē)輪上安裝單獨(dú)的制動(dòng)盤(pán)，每套97.5 kg，每車(chē)重780 kg。一輛車(chē)綜合質(zhì)量比較踏面制動(dòng)比輪盤(pán)制動(dòng)輕1030 kg，一列車(chē)6輛編組踏面制動(dòng)總質(zhì)量輕6180 kg，

踏面制動(dòng)雖然重量較輕，對(duì)一系簧下質(zhì)量影響較小，但熱容量也較小，針對(duì)烏魯木齊獨(dú)特的線路條件，車(chē)輛為保證運(yùn)行安全在空氣制動(dòng)采用踏面制動(dòng)時(shí)配備全功率制動(dòng)電阻。

4 動(dòng)力學(xué)計(jì)算、列車(chē)重量計(jì)算。

輪盤(pán)制動(dòng)制動(dòng)盤(pán)安裝在車(chē)輪上，故制動(dòng)盤(pán)得質(zhì)量應(yīng)為一系簧下質(zhì)量。一系簧下質(zhì)量的增加對(duì)動(dòng)力學(xué)性能的劣化，一系簧下沒(méi)有彈性減震，所有的微小沖擊都將產(chǎn)生強(qiáng)大的加速度，經(jīng)實(shí)測(cè)，一系輪軌加速度極限值可達(dá)10～15個(gè)重力加速度，每增加一個(gè)單位的一系簧下質(zhì)量，對(duì)輪軌缺陷的沖擊力都將放大10～15倍。輪軌間接觸缺陷不可避免，故一系簧下質(zhì)量的小比率增加都將使得輪軌間的磨耗、動(dòng)力學(xué)性能等以更大比率劣化，在技術(shù)上可行的范圍內(nèi)減一系小簧下質(zhì)量將對(duì)控制輪軌磨耗及列車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能有較大改善。

由于輪盤(pán)為一系簧下質(zhì)量，一輛車(chē)的一系簧下質(zhì)量輪盤(pán)制動(dòng)要比踏面制動(dòng)重780 kg，一列車(chē)6輛編組一系簧下質(zhì)量重4 680 kg（輪盤(pán)制動(dòng)制動(dòng)盤(pán)安裝在車(chē)輪上，在計(jì)算列車(chē)重量時(shí)要額外考慮制動(dòng)盤(pán)得轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的額外增加）。

按照目前烏魯木齊1號(hào)線A型車(chē)轉(zhuǎn)向架一系簧下質(zhì)量，動(dòng)車(chē)1700 kg，拖車(chē)1300 kg，外徑640的制動(dòng)盤(pán)單軸約97.5 kg，選擇盤(pán)式制動(dòng)將增加將額外增加6%～8%的一系簧下質(zhì)量，輪軌極限沖擊力也將相應(yīng)增加10～15 kN。這將對(duì)未來(lái)列車(chē)長(zhǎng)期運(yùn)行的輪軌磨耗帶來(lái)不利影響。

5 經(jīng)濟(jì)性核算及結(jié)論

盤(pán)式制動(dòng)裝置相對(duì)于踏面制動(dòng)裝置增加了制動(dòng)盤(pán)，制動(dòng)夾鉗也相對(duì)踏面制動(dòng)單元重，導(dǎo)致車(chē)輛每列總重增加6180 kg，每節(jié)車(chē)的重量增加1030 kg（保守估計(jì)，未考慮轉(zhuǎn)動(dòng)慣量增加）。香港地鐵長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)研究經(jīng)驗(yàn)表明，車(chē)輛空載重量每輕1噸，每年可節(jié)電8000度，使用輪盤(pán)制動(dòng)每年每列車(chē)將多耗能近50萬(wàn)度。

采用盤(pán)式制動(dòng)的全壽命周期成本大約是踏面制動(dòng)的2倍。

因此在滿足制動(dòng)要求的前提下，經(jīng)濟(jì)長(zhǎng)應(yīng)優(yōu)選采用踏面制動(dòng)裝置。

除此之外，考慮烏魯木齊1號(hào)線的單線大坡道，電機(jī)的選型也應(yīng)盡量選擇功率較大的型號(hào)，基礎(chǔ)制動(dòng)選用踏面制動(dòng)方式有利于在動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)向架給電機(jī)預(yù)留更大的安裝空間。國(guó)家發(fā)改委發(fā)布的A型車(chē)的范本也推薦80 km/h的車(chē)輛采用踏面制動(dòng)制式，采用踏面制動(dòng)可以不修改招標(biāo)文件模板。

綜合考慮，在地面設(shè)置中壓能饋型吸收裝置，保證車(chē)輛運(yùn)行安全的前提下盡量吸收制動(dòng)再生能量。烏魯木齊1號(hào)線電動(dòng)客車(chē)用戶需求書(shū)編制階段決定采用全功率電阻加踏面制動(dòng)方案進(jìn)行招標(biāo)。

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