■ 王新海 韓曉輝 宮明興 焦標(biāo)強(qiáng)

城市軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

■ 王新海 韓曉輝 宮明興 焦標(biāo)強(qiáng)

介紹城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)近年來的研究熱點(diǎn)和技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)。這些熱點(diǎn)既是車輛運(yùn)用提出的新要求，也是技術(shù)進(jìn)步的必然結(jié)果。具體包括無油空氣壓縮技術(shù)、鋁合金材料盤形制動(dòng)技術(shù)和新型架控制動(dòng)控制技術(shù)。無油空氣壓縮技術(shù)可以省去空壓機(jī)內(nèi)的油路，減少潤(rùn)滑油對(duì)下游后處理設(shè)備、甚至是制動(dòng)管路的不利影響，降低運(yùn)用成本；鋁合金材料制動(dòng)盤有利于減少簧下質(zhì)量、提高有效載荷，減少對(duì)軌道的動(dòng)力作用；新型架控制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)一步突出了空氣制動(dòng)控制、防滑控制等車輛本地執(zhí)行功能和制動(dòng)力管理與分配、空壓機(jī)管理等列車層面的功能，系統(tǒng)層次更加清晰、合理。

無油空氣壓縮技術(shù)；鋁合金制動(dòng)盤；新型架控制動(dòng)系統(tǒng)；制動(dòng)系統(tǒng)；城市軌道交通

1 無油活塞空氣壓縮技術(shù)

1.1 背景

隨著鐵路行業(yè)對(duì)用氣質(zhì)量的提高，要求壓縮氣體的無油無水程度也在不斷提升，無油空壓機(jī)正在快速的發(fā)展過程中。鐵路行業(yè)國內(nèi)外空壓機(jī)生產(chǎn)廠家也在不斷開展對(duì)無油空壓機(jī)的深入研究與開發(fā)工作。截至目前，部分無油空壓機(jī)逐漸在全球投入運(yùn)行。雖然目前無油空壓機(jī)在鐵路行業(yè)的應(yīng)用還很有限，但是憑借無油的突出特點(diǎn)，有望在將來的鐵路市場(chǎng)占據(jù)一席之地。

無油空壓機(jī)按壓縮方式主要分為往復(fù)式和回轉(zhuǎn)式。往復(fù)式主要包含活塞空壓機(jī)，回轉(zhuǎn)式主要包含螺桿空壓機(jī)和渦旋空壓機(jī)。無油活塞空壓機(jī)又分為半無油活塞空壓機(jī)和全無油活塞空壓機(jī)。無油螺桿空壓機(jī)按潤(rùn)滑方式分為水潤(rùn)滑和干式兩種。

鐵路行業(yè)目前主要采用活塞空壓機(jī)和螺桿空壓機(jī)兩種形式。螺桿壓縮機(jī)適用于低壓、中小流量范圍?；钊麎嚎s機(jī)適用于高壓、中小流量場(chǎng)合及較小排氣量的各種壓力范圍。水潤(rùn)滑無油螺桿空壓機(jī)對(duì)環(huán)境要求苛刻且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適用于鐵路領(lǐng)域；干式無油螺桿空壓機(jī)排量在3 m3/min以上，小排量無法滿足出口壓力要求，也不適用于鐵路應(yīng)用。鐵路行業(yè)對(duì)于車輛空壓機(jī)主要有如下特殊要求：耐用、抗沖擊，耐污，耐溫，低噪聲，低振動(dòng)，易維護(hù)，低生命周期成本。針對(duì)鐵路應(yīng)用領(lǐng)域，全無油活塞空壓機(jī)是理想的解決方案。

1.2 活塞空壓機(jī)工作原理

當(dāng)活塞空壓機(jī)的曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過連桿的傳動(dòng)，活塞便做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由氣缸內(nèi)壁、氣缸蓋和活塞頂面所構(gòu)成的工作容積則會(huì)發(fā)生周期性變化?；钊諌簷C(jī)活塞從氣缸蓋處開始運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)的工作容積逐漸增大，這時(shí)，氣體即沿著進(jìn)氣管推開進(jìn)氣閥進(jìn)入氣缸，直到工作容積變到最大時(shí)為止，進(jìn)氣閥關(guān)閉；活塞空壓機(jī)活塞反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)工作容積縮小，氣體壓力升高，當(dāng)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到并略高于排氣壓力時(shí)，排氣閥打開，氣體排出氣缸，直到活塞運(yùn)動(dòng)到極限位置為止，排氣閥關(guān)閉。當(dāng)活塞空壓機(jī)活塞再次反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，上述過程重復(fù)出現(xiàn)。總之，活塞空壓機(jī)的曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復(fù)一次，氣缸內(nèi)相繼實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、壓縮、排氣的過程，即完成一個(gè)工作循環(huán)。

1.3 全無油活塞空壓機(jī)特殊結(jié)構(gòu)

全無油活塞空壓機(jī)與油潤(rùn)滑活塞空壓機(jī)原理基本相同，主要區(qū)別在于改用密封材料自潤(rùn)滑代替潤(rùn)滑油潤(rùn)滑。

（1）氣缸：氣缸由鋁合金制成，其內(nèi)表面經(jīng)過特殊處理，以保證更小的摩擦和更長(zhǎng)的使用壽命。

（2）活塞：由鋁合金制成，每個(gè)活塞上裝有密封環(huán)及導(dǎo)向環(huán)，密封環(huán)及導(dǎo)向環(huán)均采用先進(jìn)的自潤(rùn)滑材料制成，以保證更小的摩擦和更長(zhǎng)的使用壽命。

（3）連桿：活塞與連桿之間通過特殊的銷連接，其配備了全封閉免維護(hù)軸承，同時(shí)在設(shè)計(jì)中避免了軸承的超溫使用。每個(gè)連桿與曲軸之間也均使用了全封閉免維護(hù)軸承。

（4）氣閥：用長(zhǎng)壽命閥保證空壓機(jī)在鐵路行業(yè)的特殊使用要求。

1.4 全無油活塞空壓機(jī)優(yōu)缺點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：（1）更加潔凈的壓縮空氣輸出，空壓機(jī)所輸出的壓縮空氣中僅含有極少量的固體污染物及冷凝后的液態(tài)水，空壓機(jī)下游所設(shè)置的凈化處理單元可有效將其去除，完全沒有液態(tài)潤(rùn)滑油或油蒸汽，不會(huì)造成下游管路污染；（2）適用壓力范圍廣，不論流量大小，均能達(dá)到所需壓力；（3）熱效率高，單位耗電量少；（4）適應(yīng)性強(qiáng)，即排氣范圍較廣，且不受壓力高低影響，能適應(yīng)較廣闊的壓力范圍；（5）減少了維護(hù)成本，日常維護(hù)檢修工作更少，有效降低材料及人工成本；（6）低壽命周期成本，沒有潤(rùn)滑油的輸出，凈化處理單元中的過濾部件負(fù)擔(dān)將明顯減輕，過濾濾芯的維護(hù)更換周期可明顯延長(zhǎng)；（7）沒有潤(rùn)滑油，有效解決了低溫啟動(dòng)問題；（8）沒有潤(rùn)滑油，降低了對(duì)機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)率的要求。

缺點(diǎn)：（1）排氣不連續(xù)，有氣流脈動(dòng)；（2）運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)有較大振動(dòng)。

2 鋁合金制動(dòng)盤技術(shù)

顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤簡(jiǎn)稱鋁合金制動(dòng)盤，軌道交通車輛采用鋁合金制動(dòng)盤具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）鋁合金制動(dòng)盤質(zhì)量輕，密度小于鑄鐵和鑄鋼材料，采用鋁合金制動(dòng)盤可降低城軌車輛質(zhì)量，特別是簧下質(zhì)量，車輛簧下質(zhì)量減小還可達(dá)到減輕車輛振動(dòng)、降低噪聲、提高乘坐舒適度、降低軌道振動(dòng)及對(duì)線路周邊環(huán)境不良影響等效果。車輛質(zhì)量減輕后，其運(yùn)行過程的能量消耗必然降低，因此車輛的節(jié)能環(huán)保指標(biāo)會(huì)大大提高。

（2）鋁基復(fù)合材料具有導(dǎo)熱性好、耐磨性好、摩擦系數(shù)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，采用鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤替代傳統(tǒng)鋼鐵材料制動(dòng)盤，不僅可以顯著減少制動(dòng)盤質(zhì)量，還可以延長(zhǎng)使用壽命、減少運(yùn)用成本、提高安全可靠性。良好的導(dǎo)熱性使得鋁合金制動(dòng)盤更能適應(yīng)頻繁制動(dòng)所帶來的制動(dòng)熱負(fù)荷變化，其產(chǎn)生熱疲勞裂紋的概率大大降低。

美國Duralcan公司已生產(chǎn)出性能優(yōu)良的SiC/Al356復(fù)合材料，并已投放市場(chǎng)，但利用這種工藝方法制備鋁基復(fù)合材料需要價(jià)格較為昂貴的真空設(shè)備。美國Ford公司、日本Toyata公司均已將SiC顆粒增強(qiáng)Al基復(fù)合材料應(yīng)用到轎車制動(dòng)盤上，并進(jìn)行了大量檢測(cè)試驗(yàn)。Wabco BSI公司采用輕合金制作鐵路制動(dòng)裝置，每個(gè)制動(dòng)盤從球鐵的115 kg減輕到Al-MMC盤的65 kg，每軸可達(dá)到減輕質(zhì)量200 kg。德國ICE-1線路上的高速列車也采用了鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤進(jìn)行了模擬制動(dòng)試驗(yàn)，效果良好。

我國自20世紀(jì)90年代開始，部分高校及科研院所就已開展過鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤的研制工作（粉末冶金法、攪拌鑄造法、噴濺法等），但由于研制難度較大，制造工藝復(fù)雜，其研制成果大多集中在實(shí)驗(yàn)室樣件試制方面，尚不具備批量化生產(chǎn)成熟產(chǎn)品的能力。

北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司在充分調(diào)研國內(nèi)外鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤生產(chǎn)制造技術(shù)基礎(chǔ)上，綜合國內(nèi)鋁基復(fù)合材料行業(yè)的技術(shù)能力，提出了獨(dú)特的制造工藝，經(jīng)過多年經(jīng)驗(yàn)摸索和技術(shù)積累，目前已掌握了鋁基復(fù)合材料制動(dòng)盤的批量生產(chǎn)工藝；鋁合金制動(dòng)盤摩擦副順利完成了1∶1制動(dòng)動(dòng)力實(shí)驗(yàn)及相關(guān)疲勞實(shí)驗(yàn)，所生產(chǎn)的鋁合金制動(dòng)盤各項(xiàng)性能指標(biāo)均優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

3 模塊化的新型架控制動(dòng)系統(tǒng)

3.1 EP09架控制動(dòng)系統(tǒng)典型架構(gòu)

EP09架控制動(dòng)系統(tǒng)典型架構(gòu)見圖1。主要具有如下特點(diǎn)：（1）基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)，每個(gè)制動(dòng)控制單元（EP09/G、EP09/S）通過CAN總線組成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)控制單元；（2）EP09/S控制單元具有本地（本架）電空制動(dòng)和防滑控制功能，EP09/S控制單元只有緊急制動(dòng)等基本的I/O接口，需要從CAN總線接收常用制動(dòng)控制命令；（3）EP09/G控制單元除了具有本地（本架）電空制動(dòng)和防滑控制功能及基本I/O接口外，還具有I/O擴(kuò)展接口和列車總線接口，具有網(wǎng)關(guān)的作用，同時(shí)還起著列車或本網(wǎng)段的制動(dòng)力管理作用。

圖1 EP09架控制動(dòng)系統(tǒng)典型架構(gòu)

3.2 接口能力及高性能要求與小型化的矛盾

制動(dòng)控制單元具有的本地（本架）電空制動(dòng)和防滑控制功能任務(wù)比較固定，可以進(jìn)一步小型化和模塊化。

不同的應(yīng)用要求對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的接口能力提出了更高要求，包括網(wǎng)絡(luò)接口方式和多種模擬量的擴(kuò)展要求，同時(shí)對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷、事件存儲(chǔ)、系統(tǒng)測(cè)試的要求都在不斷提高，受制動(dòng)架控控制單元的機(jī)箱限制，現(xiàn)有結(jié)構(gòu)網(wǎng)關(guān)單元的擴(kuò)展能力有限。

3.3 架控制動(dòng)系統(tǒng)模塊化解決方案

基本思路：基本的架控制動(dòng)控制單元基于現(xiàn)有EP09/S架構(gòu)，具有本地（本架）電空制動(dòng)和防滑控制功能基本的I/O接口，可作為系統(tǒng)基本固定的標(biāo)準(zhǔn)模塊。將EP09/G的本架制動(dòng)防滑控制與I/O擴(kuò)展、多功能車輛總線（MVB）接口及制動(dòng)力管理分開，即將EP09/G拆分為一個(gè)基本的本架制動(dòng)控制單元和一個(gè)列車制動(dòng)管理器。

圖2 EP09/G模塊化架控制動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)

圖3 架控制動(dòng)系統(tǒng)集散式系統(tǒng)架構(gòu)

EP09/G模塊化架控制動(dòng)系統(tǒng)架構(gòu)見圖2。

3.4 架控制動(dòng)系統(tǒng)集散式系統(tǒng)架構(gòu)

架控制動(dòng)系統(tǒng)集散式系統(tǒng)架構(gòu)見圖3。主要具有如下特點(diǎn)：（1）靠近轉(zhuǎn)向架安裝的制動(dòng)控制單元只有一種模塊，實(shí)現(xiàn)了按轉(zhuǎn)向架配置的制動(dòng)控制單元模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化；（2）列車制動(dòng)管理器（TBM）的主要功能是制動(dòng)力管理，相當(dāng)于一個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)的中央控制器，TBM不再需要制動(dòng)壓力控制功能，不再有電磁閥等機(jī)電或氣動(dòng)部件和氣壓接口，是一個(gè)完全的電子電氣裝置；（3）TBM不再受制于機(jī)電混合結(jié)構(gòu)的機(jī)箱限制，可以具有更多的I/O擴(kuò)展能力和網(wǎng)絡(luò)接口方式，可以采用更高性能的處理器提升制動(dòng)系統(tǒng)的故障診斷、事件存儲(chǔ)、系統(tǒng)測(cè)試功能。

4 制動(dòng)系統(tǒng)行業(yè)技術(shù)規(guī)范編制

初步統(tǒng)計(jì)，截至2014年12月31日，我國內(nèi)地已有22個(gè)城市擁有94條建成并正式運(yùn)營(yíng)的城市軌道交通線路，運(yùn)營(yíng)總里程達(dá)到2 886 km，配置車輛數(shù)將近15 000輛。未來10年，將新建城市軌道交通線路約5 000 km，屆時(shí)車輛總數(shù)將達(dá)到40 000輛。

但是，就城市軌道交通車輛制動(dòng)系統(tǒng)而言，目前國內(nèi)還沒有一套統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)體系。

2015年7月1日，中國城市軌道交通協(xié)會(huì)技術(shù)裝備專業(yè)委員會(huì)頒布中城裝備［2015］60號(hào)文，發(fā)布了《城市軌道交通車輛電空制動(dòng)系統(tǒng)通用技術(shù)規(guī)范》、《城市軌道交通車輛電空制動(dòng)系統(tǒng)裝車后的檢驗(yàn)規(guī)則》、《城市軌道交通車輛空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》3個(gè)系統(tǒng)性的技術(shù)規(guī)范，并于2015年10月1日正式試行。相關(guān)規(guī)范的試行，對(duì)于規(guī)范市場(chǎng)行為，規(guī)范制動(dòng)系統(tǒng)的生產(chǎn)、運(yùn)用、檢修等，有著非常重要的意義。后期，關(guān)于制動(dòng)系統(tǒng)的部件類技術(shù)規(guī)范，包括風(fēng)源裝置、制動(dòng)控制單元、基礎(chǔ)制動(dòng)類部件（制動(dòng)夾鉗單元、踏面制動(dòng)單元、制動(dòng)盤、閘瓦、閘片），也即將發(fā)布。

王新海：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，研究員，北京，100081/100094

韓曉輝：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，研究員，北京，100081/100094

宮明興：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，工程師，北京，100081/100094

焦標(biāo)強(qiáng)：中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所/北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司，副研究員，北京，100081/ 100094

責(zé)任編輯 高紅義

U260.35

A

1672-061X（2015）04-0033-03