杜慧杰 劉中華 劉 政 曲秋芬 吉振山 吳 桐

(中車唐山機(jī)車車輛有限公司，063035，唐山//第一作者，工程師)

160 km/h新型磁浮列車采用電磁永磁混合懸浮技術(shù)，牽引采用同步永磁直線電機(jī)，牽引效率高，比現(xiàn)有低速磁浮列車節(jié)能20%以上，適用于城市之間的短距離運(yùn)行。其常用制動(dòng)完全采用電制動(dòng)，可滿足車輛正常制動(dòng)、懸浮停車的需求；液壓制動(dòng)不參與電制動(dòng)的協(xié)調(diào)配合。

160 km/h磁浮列車液壓制動(dòng)系統(tǒng)在制動(dòng)夾鉗數(shù)量、夾鉗用油量和管路長(zhǎng)度方面比有軌電車液壓制動(dòng)系統(tǒng)多數(shù)倍，綜合起來(lái)，其制動(dòng)用油量是有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)10倍，這將延緩制動(dòng)響應(yīng)速度。為盡可能地縮短制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，必須提高系統(tǒng)供油量和管路流量，同時(shí)盡可能減小制動(dòng)過(guò)程的用油量。

1 液壓制動(dòng)控制系統(tǒng)組成

液壓制動(dòng)控制系統(tǒng)由電子制動(dòng)控制單元(VSS)、液壓動(dòng)力單元(HPU)、蓄能器、泵控模塊、制動(dòng)夾鉗及管路等組成。其中，VSS為制動(dòng)系統(tǒng)的控制元件；HPU和泵控模塊為制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力裝置；制動(dòng)夾鉗為執(zhí)行元件；蓄能器為儲(chǔ)能裝置；管路為液壓油傳輸?shù)慕橘|(zhì)。

1.1 VSS

VSS的主要功能包括數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入、電機(jī)控制及故障存儲(chǔ)、人機(jī)接口。其電氣原理圖如圖1所示。

制動(dòng)控制指令的發(fā)送和接收是通過(guò)緊急制動(dòng)施加和強(qiáng)迫制動(dòng)緩解2根列車制動(dòng)控制硬線來(lái)實(shí)現(xiàn)的。VSS采集列車制動(dòng)控制硬線指令信號(hào)，以及溫度開(kāi)關(guān)、油位開(kāi)關(guān)、壓力開(kāi)關(guān)、壓力傳感器的狀態(tài)反饋，根據(jù)車輛制動(dòng)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，將制動(dòng)緩解、主要故障及主要數(shù)據(jù)等信號(hào)通過(guò)列車制動(dòng)控制硬線發(fā)送給列車控制單元，用于診斷和監(jiān)控。

緊急制動(dòng)可通過(guò)安全環(huán)路觸發(fā)，緊急制動(dòng)環(huán)路繼電器斷開(kāi)，同時(shí)通過(guò)列車制動(dòng)控制硬線反饋給列車控制單元，用于故障診斷。

1.2 HPU

每輛車安裝1套HPU，同時(shí)為10個(gè)制動(dòng)夾鉗提供制動(dòng)動(dòng)力。制動(dòng)力的大小由減壓閥(SV2)預(yù)先設(shè)定。液壓制動(dòng)原理圖如圖2所示。

HPU由電機(jī)、齒輪泵、電磁換向閥、溢流閥、單向閥等組成，回路外接到蓄能器。蓄能器的充液壓力由壓力開(kāi)關(guān)經(jīng)VSS控制，工作壓力為12～15 MPa。當(dāng)蓄能器內(nèi)壓力低于設(shè)定下限時(shí)，電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)齒輪泵工作；當(dāng)蓄能器充液壓力達(dá)到上限設(shè)定壓力時(shí)，關(guān)閉電機(jī)停止充液。蓄能器為系統(tǒng)儲(chǔ)存液壓動(dòng)力，保證制動(dòng)回路能夠快速建立相應(yīng)的制動(dòng)壓力。

圖1 VSS電氣原理圖

M———電機(jī);SV1———溢流閥;F1———過(guò)濾器;RV1/2/3———單向閥;SW———壓力開(kāi)關(guān);AV———兩位兩通換向閥;YV2———兩位兩通電磁換向閥;YV1———兩位三通電磁換向閥;SV2———減壓閥;B1———壓力傳感器;P1/2———測(cè)試接口;A1———蓄能器;A2———制動(dòng)油缸

2 制動(dòng)計(jì)算

2.1 用油量校核

磁浮車輛制動(dòng)管路較長(zhǎng)(約50 m)，管路容腔較大，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)供油量、流量和響應(yīng)時(shí)間的影響較大，本文對(duì)其進(jìn)行分析。

2.1.1 緊急制動(dòng)的用油量

(1)單輛車10臺(tái)夾鉗最大用油量(無(wú)磨耗)：活塞缸直徑為40 mm、油缸行程為22.2 mm時(shí)，用油量為27.90 mL，則10臺(tái)夾鉗用油量為279.0 mL。

(2) 單輛車10臺(tái)夾鉗最大用油量(閘片磨耗到限)：活塞缸直徑為40 mm、油缸在最不利條件下的最大行程為66.4 mm時(shí)，用油量為83.44 mL，則10臺(tái)夾鉗在最不利條件下的用油量為834.4 mL。

根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果，兩個(gè)蓄能器的儲(chǔ)油量為2×990 mL=1 980 mL，鋼管路的儲(chǔ)油量為2 047.72 mL(507.92 mL+1 539.8 mL)，10臺(tái)夾鉗活塞缸最大用油量為834.4 mL，總油量為2 882.12 mL。液壓?jiǎn)卧拖涞淖畲髢?chǔ)油量為8 000 mL，滿足制動(dòng)用油需求。

2.1.2 緩解狀態(tài)下管路充滿油液的方法

由于HPU在制動(dòng)管路下方，在緩解狀態(tài)下，為了避免主管路內(nèi)油液在重力作用下流回HPU油箱，在制動(dòng)回路增加了兩個(gè)并聯(lián)的反向單向閥。單向閥的開(kāi)啟壓力為0.01～0.05 MPa。單向閥使得制動(dòng)緩解狀態(tài)下制動(dòng)回路存在殘存壓力(壓力大小由單向閥的開(kāi)啟壓力決定)，避免了主管路排空油液，能減少制動(dòng)用油量和縮短制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間。

若在制動(dòng)緩解狀態(tài)下制動(dòng)主管路排空或部分排空，則會(huì)造成液壓油箱內(nèi)油位升高。通過(guò)液位開(kāi)關(guān)可監(jiān)測(cè)油箱油位，若油位超過(guò)設(shè)定的警戒線，將觸發(fā)報(bào)警裝置。

2.2 制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間仿真分析

在無(wú)磨耗情況下，管路處于油液充滿狀態(tài)，制動(dòng)用油量為279.0 mL；在全磨耗情況下，管路處于油液充滿狀態(tài)，制動(dòng)用油量為834.4 mL。對(duì)無(wú)任何磨耗下的夾鉗和管路無(wú)空氣下的液壓制動(dòng)系統(tǒng)基于圖3所示模型進(jìn)行仿真計(jì)算。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 液壓制動(dòng)仿真模型

圖4 制動(dòng)缸壓力響應(yīng)曲線

由圖4可見(jiàn)，減壓閥平均流量在15～16 L/min，制動(dòng)油缸升壓時(shí)間在1.2 s。該仿真沒(méi)有考慮電氣延遲及液壓閥動(dòng)作延遲(約0.2 s)。 綜上所述，在閘片/軌道無(wú)磨耗、管路無(wú)空氣、忽略管接頭的節(jié)流作用的情況下，制動(dòng)系統(tǒng)的計(jì)算響應(yīng)時(shí)間為1.4 s。

3 結(jié)語(yǔ)

液壓制動(dòng)系統(tǒng)采用故障導(dǎo)向原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全性高、操作簡(jiǎn)捷、制動(dòng)響應(yīng)快、模塊化等特點(diǎn)，能夠滿足總體設(shè)計(jì)對(duì)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的要求。在滿足車輛運(yùn)行安全的前提下，考慮設(shè)備冗余的必要性。