曾春軍 劉德學(xué) 李杰 張亮

摘要：介紹了我國首列采用混合儲能供電的浮車型100%低地板有軌電車的制動(dòng)系統(tǒng)整車要求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主要功能和參數(shù)以及試驗(yàn)驗(yàn)證，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明該制動(dòng)系統(tǒng)滿足整車使用設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：自主化;五模塊;低地板有軌電車;制動(dòng)系統(tǒng)

0? ? 引言

中車株洲電力機(jī)車有限公司自主研發(fā)的五模塊低地板有軌電車，突破了獨(dú)立車輪軸橋裝置集成及驅(qū)動(dòng)技術(shù)，客室內(nèi)無臺階、無斜坡，實(shí)現(xiàn)了整車100%低地板;采用了無需接觸網(wǎng)的儲能電源+蓄電池的電電混合技術(shù)，大幅提升了列車?yán)m(xù)航能力，實(shí)現(xiàn)了綠色節(jié)能;采用了包含電制動(dòng)、液壓制動(dòng)和磁軌制動(dòng)的多類型制動(dòng)方式，保證了列車制動(dòng)的高效和可靠。為保證整車行車安全，中車株洲電力機(jī)車有限公司還自主研發(fā)了制動(dòng)系統(tǒng)地面1：1聯(lián)調(diào)試驗(yàn)臺，本文主要對制動(dòng)系統(tǒng)的整車要求、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、主要功能和參數(shù)以及試驗(yàn)驗(yàn)證進(jìn)行介紹說明。

1? ? 整車要求

列車為五模塊編組，包含2個(gè)動(dòng)力模塊轉(zhuǎn)向架、1個(gè)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架模塊，編組形式為=Mc1+F1+Tp+F2+Mc2=。其中：=為連掛車鉤;+為鉸接、貫通道及車間減振器;Mc1、Mc2為設(shè)司機(jī)室?guī)?dòng)力轉(zhuǎn)向架支撐的動(dòng)車模塊;F1、F2為無轉(zhuǎn)向架支撐，兩端均為鉸接支撐的懸浮模塊;Tp為由非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架支撐，車頂設(shè)受電器的拖車模塊。編組圖如圖1所示。

與制動(dòng)相關(guān)的主要總體技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2? ? 制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于整車平臺的要求，采用微機(jī)控制方式實(shí)現(xiàn)液壓力精確比例控制，同時(shí)具備與整車網(wǎng)絡(luò)通信、防滑控制、故障診斷及數(shù)據(jù)儲存等功能。

制動(dòng)系統(tǒng)主要由電子制動(dòng)控制單元（EBCU）、電液制動(dòng)控制單元、液壓制動(dòng)夾鉗裝置、磁軌制動(dòng)器及速度傳感器等部件組成，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖2所示。

2.1? ? 電子制動(dòng)控制單元（EBCU）

EBCU負(fù)責(zé)接收和處理整車的制動(dòng)控制指令，具備液壓制動(dòng)力控制、速度采集、防滑控制、故障診斷、系統(tǒng)自檢、數(shù)據(jù)存儲、網(wǎng)絡(luò)通信等功能。

EBCU主要由電源板、控制板、輸入/輸出板、模擬板及PWM板等部件組成。

2.2? ? 電液制動(dòng)控制單元

電液制動(dòng)控制單元一方面接收EBCU指令信號控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵泵油給蓄能器，為液壓系統(tǒng)提供穩(wěn)定的液壓油;另一方面接收EBCU控制指令和整車硬線控制指令（安全制動(dòng)信號和停放制動(dòng)信號），實(shí)現(xiàn)液壓力精確控制。

電液制動(dòng)控制單元主要由電機(jī)、油泵、液壓閥、傳感器及油箱等部件組成。根據(jù)控制功能不同，可分為用于Mc車的被動(dòng)式電液制動(dòng)控制單元和用于Tp車的主動(dòng)式電液制動(dòng)控制單元，原理圖如圖3和圖4所示。

2.3? ? 液壓制動(dòng)夾鉗裝置

液壓制動(dòng)夾鉗裝置主要負(fù)責(zé)接收電液制動(dòng)控制單元輸出的液壓力實(shí)現(xiàn)制動(dòng)和緩解功能，主要由液壓制動(dòng)夾鉗、閘片及制動(dòng)盤組成。分為被動(dòng)式和主動(dòng)式兩種，被動(dòng)式裝用于動(dòng)車轉(zhuǎn)向架，主動(dòng)式裝用于拖車轉(zhuǎn)向架。

動(dòng)車轉(zhuǎn)向架的每個(gè)輪上配一套被動(dòng)式液壓制動(dòng)夾鉗和制動(dòng)盤，被動(dòng)式液壓制動(dòng)夾鉗采用浮動(dòng)原理安裝在齒輪箱體上（圖5）。工作原理為彈簧蓄能，充油緩解，排油制動(dòng)，將存儲的彈簧能量根據(jù)不同的工況要求施加到制動(dòng)盤上，從而產(chǎn)生制動(dòng)作用;具有閘片間隙自動(dòng)調(diào)整功能和手動(dòng)緩解功能。

拖車轉(zhuǎn)向架的每個(gè)輪上配一套主動(dòng)式液壓制動(dòng)夾鉗和制動(dòng)盤（圖6），固定安裝在軸橋上，采用壓力作用式，增壓制動(dòng)，減壓緩解。采用隱藏式油路設(shè)計(jì)以節(jié)約安裝空間。

2.4? ? 磁軌制動(dòng)器

磁軌制動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)由整車蓄電池提供電能，使其產(chǎn)生電磁力，制動(dòng)靴吸附到軌道上摩擦產(chǎn)生制動(dòng)力，在不受黏著條件限制下能有效縮短制動(dòng)距離。

動(dòng)車轉(zhuǎn)向架裝有一套帶橫桿結(jié)構(gòu)的整體框架式磁軌制動(dòng)裝置，拖車轉(zhuǎn)向架裝有兩套帶彈簧懸掛的單體式磁軌制動(dòng)裝置。

3? ? 制動(dòng)系統(tǒng)功能及參數(shù)

制動(dòng)系統(tǒng)主要接收硬線信號和網(wǎng)絡(luò)信號指令，實(shí)現(xiàn)各制動(dòng)功能的控制。整車制動(dòng)力由列車控制單元（VCU）負(fù)責(zé)計(jì)算分配，采用電制動(dòng)優(yōu)先，不足部分通過網(wǎng)絡(luò)信號發(fā)送給EBCU，由液壓制動(dòng)補(bǔ)償?shù)脑瓌t;為實(shí)現(xiàn)黏著分配等效原則，制動(dòng)力不足部分優(yōu)先由拖車轉(zhuǎn)向架液壓制動(dòng)補(bǔ)償。

制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)功能分為常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、保持制動(dòng)、安全制動(dòng)、停放制動(dòng)，系統(tǒng)設(shè)有防滑保護(hù)、沖動(dòng)極限限制、撒砂及輔助緩解等功能。

3.1? ? 常用制動(dòng)

常用制動(dòng)是通過操作司控器移至“制動(dòng)”區(qū)實(shí)現(xiàn)，常用制動(dòng)根據(jù)司控器的位置實(shí)現(xiàn)無級控制。常用制動(dòng)施加過程中，可隨時(shí)對其進(jìn)行緩解操作。

正常情況下，常用制動(dòng)完全采用電制動(dòng)，具有沖動(dòng)極限控制和防滑保護(hù)。當(dāng)某一動(dòng)車轉(zhuǎn)向架上電制動(dòng)失效時(shí)，將通過液壓制動(dòng)補(bǔ)償，若制動(dòng)力不滿足要求，將依次由拖車轉(zhuǎn)向架的液壓制動(dòng)和電制動(dòng)力失效的轉(zhuǎn)向架的液壓制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2? ? 緊急制動(dòng)

根據(jù)觸發(fā)方式及產(chǎn)生制動(dòng)減速度值不同，制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種緊急制動(dòng)模式，具體如表2所示。

3.2.1? ? 緊急制動(dòng)1

緊急制動(dòng)1制動(dòng)減速度與最大常用制動(dòng)減速度相同，觸發(fā)后直至列車停車后才能被消除。因此，在制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，制動(dòng)力的施加方式及參數(shù)按照最大常用制動(dòng)設(shè)計(jì)。

3.2.2? ? 緊急制動(dòng)2

緊急制動(dòng)2由司機(jī)根據(jù)實(shí)際情況操作司控器移至“緊急”位實(shí)現(xiàn)。動(dòng)車上的電制動(dòng)、所有轉(zhuǎn)向架上的液壓制動(dòng)及所有磁軌制動(dòng)將同時(shí)施加，且撒砂功能也將自動(dòng)投入。緊急制動(dòng)2施加過程中，可隨時(shí)對其進(jìn)行緩解操作，無需等到列車停止。

3.3? ? 保持制動(dòng)

常用制動(dòng)及緊急制動(dòng)工況下，當(dāng)列車速度低于0.5 km/h時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)自動(dòng)施加保持制動(dòng)，保持制動(dòng)力由液壓制動(dòng)提供，以防止溜車。直至收到保持制動(dòng)緩解信號，保持制動(dòng)緩解。

3.4? ? 安全制動(dòng)

安全制動(dòng)由蘑菇按鈕啟動(dòng)，安全制動(dòng)環(huán)路斷開。安全制動(dòng)一旦觸發(fā)，在列車完全停止前不能被緩解。該制動(dòng)模式至少可以保障被動(dòng)式液壓制動(dòng)夾鉗彈簧制動(dòng)力投入工作，同時(shí)磁軌制動(dòng)也投入工作。

3.5? ? 停放制動(dòng)

停放制動(dòng)時(shí)被動(dòng)式液壓制動(dòng)夾鉗彈簧制動(dòng)力完全施加，以滿足整車在6%的坡道安全停放的要求。停放制動(dòng)力可通過液壓充壓和手動(dòng)緩解裝置進(jìn)行緩解。

綜上所述，各種制動(dòng)工況觸發(fā)方式及產(chǎn)生的制動(dòng)效果有所不同，參與制動(dòng)的制動(dòng)設(shè)備也有所不同;保持制動(dòng)和停放制動(dòng)只要求制動(dòng)系統(tǒng)輸出相應(yīng)的制動(dòng)力，對響應(yīng)時(shí)間無相關(guān)要求。制動(dòng)模式匯總?cè)绫?所示。

4? ? 制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)驗(yàn)證

為滿足整車設(shè)計(jì)要求，對制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了部件試驗(yàn)驗(yàn)證、地面1：1聯(lián)調(diào)試驗(yàn)驗(yàn)證和線路動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，主要驗(yàn)證了制動(dòng)系統(tǒng)控制功能實(shí)現(xiàn)以及制動(dòng)力、響應(yīng)時(shí)間、控制精度、耐久性等性能。

4.1? ? 主要部件試驗(yàn)驗(yàn)證

為確保制動(dòng)系統(tǒng)準(zhǔn)確輸出摩擦制動(dòng)力，一方面對液壓力控制精度及系統(tǒng)流量特性等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證;另一方面對液壓制動(dòng)夾鉗裝置摩擦副、壓力—力輸出特性進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1.1? ? EBCU和電液制動(dòng)控制單元驗(yàn)證

對EBCU和電液制動(dòng)控制單元組成的壓力控制系統(tǒng)液壓力采集精度、比例閥液壓力閉環(huán)控制精度、油泵流量及液壓閥流量特性進(jìn)行了驗(yàn)證，同時(shí)對其電磁兼容、高低溫及振動(dòng)沖擊性能進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.1.2? ? 液壓制動(dòng)夾鉗裝置驗(yàn)證

（1）通過1：1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺架對摩擦副各速度等級的制動(dòng)工況的摩擦系數(shù)、磨耗量及熱容量性能進(jìn)行了驗(yàn)證。

（2）通過液壓制動(dòng)夾鉗試驗(yàn)臺對液壓制動(dòng)夾鉗壓力—力輸出特性進(jìn)行驗(yàn)證，主要驗(yàn)證確定液壓制動(dòng)夾鉗的輸出力、傳動(dòng)效率、遲滯特性和疲勞耐久等各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。

4.2? ? 地面1：1聯(lián)調(diào)試驗(yàn)驗(yàn)證

建立地面1：1聯(lián)調(diào)試驗(yàn)試驗(yàn)臺，根據(jù)整車要求模擬輸出司控器級位、電制動(dòng)能力、速度等信號給制動(dòng)系統(tǒng);進(jìn)行制動(dòng)功能靜態(tài)測試，對系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間、模擬故障導(dǎo)向、防滑功能及檢測系統(tǒng)性能等進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

4.3? ? 制動(dòng)系統(tǒng)線路動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證

通過各工況速度等級的線路動(dòng)態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證，制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)功能、制動(dòng)減速度及制動(dòng)距離均滿足設(shè)計(jì)要求?，F(xiàn)以AW3載荷工況、70 km/h速度等級緊急制動(dòng)2試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行說明，詳細(xì)制動(dòng)過程參數(shù)如表4所示，緊急制動(dòng)過程如圖7所示。

5? ? 結(jié)語

制動(dòng)系統(tǒng)是確保低地板有軌電車行車安全最關(guān)鍵的系統(tǒng)，其設(shè)計(jì)過程需經(jīng)過充分的驗(yàn)證確認(rèn)。因無載荷測量裝置，相同制動(dòng)級位下制動(dòng)力不會隨載荷的變化而變化，導(dǎo)致低載荷的制動(dòng)減速度大于高載荷的，后續(xù)應(yīng)設(shè)計(jì)載荷測量裝置，以實(shí)現(xiàn)不同載荷工況的制動(dòng)同減速度控制。地面試驗(yàn)驗(yàn)證及整車線路試驗(yàn)驗(yàn)證表明，自主化五模塊儲能低地板有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)滿足整車要求，其設(shè)計(jì)思路和驗(yàn)證方法可為后續(xù)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的參考。

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收稿日期：2020-03-09

作者簡介：曾春軍（1987—），男，湖南永州人，工程師，從事軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)工作。