錢 華，余接任，羅曉峰，付建朝，劉文鋒，謝永清

（株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

制動系統(tǒng)作為智軌電車的重要子系統(tǒng)，既要滿足道路安全要求，盡量避免與道路障礙物、車輛及行人碰撞，又需滿足電車自身行車安全要求，保障各種路面工況條件下電車在制動過程中的穩(wěn)定性；同時還要兼顧乘客舒適性要求，防止制動力過大、速度變化過快導致乘客不適或受傷害等問題。道路安全和乘客安全主要與行駛條件、車輛條件相關。為實現(xiàn)這一目標，不同類型的交通工具都被科學定義了各種參數(shù)范圍；另一方面，這些參數(shù)也對各種行駛條件下的車輛性能提出要求或依據(jù)車輛性能對行駛條件進行限制。

制動行車安全主要與執(zhí)行機構的可靠性及控制性能相關。智軌電車是融合公交客車與有軌電車優(yōu)勢的一種跨界城市軌道交通制式,其制動系統(tǒng)需完全符合軌道列車的安全、可靠、性能標準等要求，具有雙端司機室、高可靠冗余安全等特征，這對制動系統(tǒng)的拓撲形成了基本的限制條件要求，同時還需考慮公路車輛的一些特殊性。一方面公路車輛的人工駕駛模型下，需要考慮司機在方向控制時用手更為準確靈活，主要依靠踏板接收制動指令,同時還要考慮自動循跡模式下的手柄指令輸出模式；自動駕駛模式下的車腦集中智能控制、整車姿態(tài)控制等都對制動系統(tǒng)的接口和執(zhí)行機構產生直接影響。因此，智軌電車制動系統(tǒng)的靈活制式及其拓撲是研究的重點之一。另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)公路掛車車輛制動系統(tǒng)采用純氣控指令傳輸制動時，后車制動力施加慢，導致列車容易出現(xiàn)折疊失控、彎道傾覆等風險。已趨成熟的線控制動系統(tǒng)（electronic brake systems, EBS）[1]采用電信號同步傳輸制動指令，并能線性調節(jié)各軸制動力的大小和施加順序，從而大大優(yōu)化列車制動穩(wěn)定性?，F(xiàn)有的道路運行列車其長度通常不超過18 m，沒有大于4軸的成熟EBS系統(tǒng)，因此，對于多編組的智軌電車制動系統(tǒng)，不僅要求其拓撲要符合城市軌道車輛制動系統(tǒng)及EBS系統(tǒng)的特征，同時其制動控制策略也是技術研究重點。

本文結合智軌電車的真實應用場景提出了其制動系統(tǒng)性能設計指標，闡述了主要功能及控制策略，并結合試驗數(shù)據(jù)驗證了該制動系統(tǒng)的安全性。

1 智軌電車制動系統(tǒng)

智軌電車制動系統(tǒng)頂層技術設計是在結合傳統(tǒng)軌道車輛制動系統(tǒng)和公路交通傳統(tǒng)EBS系統(tǒng)特點的基礎上形成的，設計了多種獨立冗余制動模式，并針對各模式的制動提出了相應的技術指標。

1.1 智軌電車制動系統(tǒng)技術條件

表1示出CJ/T 417-2012《低地板有軌電車通用技術條件》標準規(guī)定的有軌電車制動性能要求[2]。其中，車輛減速度是指在平直線上、黏著條件良好、AW3載荷工況下，車速從70 km/h到0 km/h時的平均減速度；緊急制動1為制動模式指令采用安全回路方式，如司機安全警惕、門安全回路等；緊急制動2為制動模式指令采用司控器方式；安全制動為緊急制動1和緊急制動2模式下的最高等級模式，可獨立、不受單一故障影響地操作；最大響應時間為從制動指令發(fā)生變化開始至達到設定減速度的90%為止的一段時間。

表1 有軌電車制動性能要求Tab.1 Technical speci fi cation of brake system for tram

智軌電車采用膠輪方式，相比鋼輪鋼軌列車，具備更高的可用黏著系數(shù)，因此其制動最大減速度可高于鋼輪鋼軌列車的。

智軌電車實際的應用場景既可以采用混合路權模式，也可在特殊線路上采用專有路權[3-4]模式。在專有路權模式下，優(yōu)先考慮乘客舒適性的需求，類似地鐵，道路安全的考慮比重相對較少；而在混合路權模式下，綜合考慮列車最大減速度以及沖擊率，在保證道路安全的前提下，盡量防止乘客出現(xiàn)傾倒風險。根據(jù)上述2個原則，制定出智軌電車制動性能要求，具體如表2所示。

1.2 智軌電車制動系統(tǒng)拓撲與特征

智軌電車制動系統(tǒng)基于全面的道路安全、乘客安全、乘客舒適性導向設計,具有安全可靠、穩(wěn)定可控和智能舒適的特征。圖1示出智軌電車的氣路拓撲。列車具備氣路上獨立的多種制動模式，包括停放制動、應急制動及常用制動，并具有如下特點：

表2 智軌電車制動性能要求Tab.2 Technical speci fi cation of brake system for autonomous-rail rapid tram

（1）安全可靠。智軌電車的6軸制動被設置為獨立互備冗余；其常用、應急、停放3路采用獨立氣路執(zhí)行機構，具備司控器、腳踏板、應急按鈕、安全環(huán)路和停放按鈕5種人工和自動控制觸發(fā)方式。

（2）穩(wěn)定可控。智軌電車設置有常用電控、常用氣控、安全、緊急、停放、應急和保持7種制動模式，以適應各種工況；采用EBS線控電空控制技術，以其協(xié)調靈活、響應快速的制動性能為基礎來實現(xiàn)整車運行的穩(wěn)定性。

（3）智能舒適。采用坡道、彎道、乘員負荷智能傳感檢測，提供差異化的舒適度控制；具備司機意圖的智能判斷、道路障礙智能檢測功能，可提供高敏捷度的智能制動輔助。

圖1 智軌電車制動系統(tǒng)2軸拓撲Fig.1 Topology of the brake system with No.2 axle for autonomous-rail rapid tram

空氣制動的實施主要依賴壓縮空氣完成，所需壓縮空氣由風源系統(tǒng)提供，因此為整車提供一個功能齊全、性能穩(wěn)定、安全可靠的風源系統(tǒng)至關重要。智軌電車的風源系統(tǒng)由動車機組模塊和拖車機組模塊組成。動車機組模塊布置于智軌電車的首車和尾車，拖車機組模塊布置于智軌電車的中間編組車輛。動車機組模塊各含一臺空氣壓縮機組，形成列車的供風冗余；動車和拖車機組模塊均通過四回路保護閥貫通連接，以保障整列車供風的可靠性。通過增減機組模塊數(shù)量，可實現(xiàn)靈活編組的智軌電車供風需求。

1.3 智軌電車制動系統(tǒng)功能

智軌電車在制動系統(tǒng)的功能上設計了常用制動、安全制動、應急制動、緊急制動、停放制動、保持制動和防滑保護7種制動工況[5]。

1.3.1 常用制動

常用制動模式包括電控式、腳踏式和氣控式。常用制動指令可以由司控器或列車自動駕駛（ATO）裝置給出，制動中央控制單元根據(jù)所接收的常用制動指令實施制動。常用制動采用空電混合方式，優(yōu)先采用電制動；電制動能力不足時，由空氣制動補充。兩端的制動中央控制單元互備冗余。該制動模式下，列車具有軸載荷補償、固定沖擊限制等功能。圖2示出常用制動之電控模式。

圖2 常用制動之電控模式Fig.2 Normal eletric service brake mode

制動控制器接收由制動踏板所產生的行程信號，并根據(jù)相應行程設定的目標減速度進行整車制動力分配。踏板模式具備空電混合和載荷補償功能，但無沖擊限制，制動沖擊率取決于司機踏板操縱。

當電控模式失效時，如踏板信號異常等，列車自動切換至后備的氣控模式。該模式下，制動踏板輸出口氣壓直接控制輸出各軸制動力的大小，實現(xiàn)傳統(tǒng)的氣控方式。在該模式下，電控控制器僅進行故障監(jiān)控，不參與任何控制，因此后備踏板制動模式不具備空電混合、載荷補償及沖擊限制等功能。圖3示出常用制動之氣控模式。

1.3.2 安全制動

安全制動是由車輛安全環(huán)路觸發(fā)的一種自動施加制動的模式。當車輛檢測到某些影響行車安全的故障時，會自動斷開安全回路并觸發(fā)安全制動功能。安全制動功能一旦被觸發(fā)，直至車輛停止前都不可被撤銷。安全制動采用純空氣制動，具備減速度控制、沖擊率限制及軸荷補償?shù)裙δ?。圖4示出安全制動示意。

圖3 常用制動之氣控模式Fig.3 Normal pneumatic service brake mode

圖4 安全制動模式Fig.4 Safe brake mode

1.3.3 應急制動

應急制動具備獨立的應急電路及應急氣路，可通過激活端司機室的應急制動蘑菇按鈕而直接驅動實現(xiàn)。圖5示出應急制動示意。

圖5 應急制動模式Fig.5 Emergency brake mode

1.3.4 緊急制動

緊急制動以列車在緊急情況下有短距離停車需求而設計，分為踏板和手柄兩種獨立的模式。在手柄和踏板的最大級位處設置緊急位，需人為觸發(fā)。緊急制動主要通過常用回路實施，在觸發(fā)的同時會關聯(lián)觸發(fā)應急制動功能。

1.3.5 停放制動

停放制動采用彈簧施加、充風緩解方式。司機臺上的控制按鈕可以控制停放制動的施加和緩解。在列車停車時，當總風壓力下降到停放制動開始施加的壓力后，停放制動能夠自動施加；當總風壓力恢復時，停放制動能自動緩解并恢復停放制動的正常功能。停放制動可通過車下按鈕手動機械緩解，一旦手動緩解了停放制動，停放制動即失效。在總風壓力處于正常范圍時，進行一次制動操作，停放制動功能自動恢復。停放制動具有能夠使AW0 載荷的列車在40‰坡道上靜止不動的能力。

1.3.6 保持制動

智軌電車在零速條件下具備自動制動施加的功能，可防止車輛后溜。

1.3.7 防滑保護

智軌電車配置了獨立的4S4M防滑控制系統(tǒng)，每個車輪配有單獨的速度傳感器和防滑調節(jié)閥，可保證每個車輪獨立防滑控制時在濕滑路面制動距離最短。

2 智軌制動系統(tǒng)控制策略

智軌電車是由多節(jié)車輛通過鉸接連接而成的編組列車，相比于其他路面車輛，其在行駛過程中，除了受到外界因素影響外，內部各節(jié)車輛之間還存在相互作用力。傳統(tǒng)的全掛車在制動過程中容易出現(xiàn)跑偏、折疊、甩尾等不穩(wěn)定現(xiàn)象[6]，而合理的制動力分配可提高車輛的制動穩(wěn)定性[7]。為此，智軌電車在制動壓力分配方式上采用后軸大于前軸的方式，以保證列車處于后軸向前軸順序制動的狀態(tài)。其主要是通過在制動施加以及緩解過程中控制各軸制動缸壓力的上升及下降的時序，從而保證制動施加時后軸先于前軸，制動緩解時前軸先于后軸。

圖6示出智軌電車在一端司機室向前運行或尾端司機室向后運行時，軸3、軸2、軸1與軸6之間的制動力分配關系。圖中，“P軸6_前一刻”表示前一刻軸6的目標壓力，“P軸6_當前值”表示當前時刻軸6的目標壓力。軸1與軸6時間間隔為Δt，則以此類推，軸3與軸6的時間間隔為0.6Δt，軸4與軸6的時間間隔為0.4Δt，軸5與軸6時間間隔為0.2Δt。軸3的目標壓力的增量速率應為 5×（P軸6_當前值–P軸3_前一刻）/(3×Δt) 。軸 4的目標壓力的增量速率應為5×（P軸6_當前值–P軸4_前一刻）/（2×Δt）；軸5的目標壓力的增量速率應為5×（P軸6_當前值–P軸5_前一刻）/Δt。

圖6 制動施加時制動力分配Fig.6 Brake force distribution when brake applied

圖7 示出列車在一端司機室向前運行或尾端司機向后運行、緩解制動時，軸1至軸6的制動力分配關系示意。

圖7 制動緩解時制動力分配Fig.7 Brake force distribution when brake released

3 試驗驗證

智軌電車因其使用特殊性，需要滿足多種路權下的運行條件。為驗證其制動系統(tǒng)的安全性及其是否滿足制動系統(tǒng)頂層技術設計條件（表2），針對AW0和AW3載荷工況進行相應的動態(tài)試驗，試驗數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 AW0和AW3載荷制動系統(tǒng)試驗結果Tab.3 Brake test results in the conditions of AW0 and AW3

將表3的AW0與AW3載荷試驗中每種制動工況進行3次重復試驗，取3次試驗的平均值作為參考，并將其中關鍵的列車平均減速度作為匯總指標得到表4所示結果。

表4 制動減速度測試結果匯總Tab.4 Test result analysis of braking deceleration

由表4可知，在不同載荷下，列車的減速度基本相同，偏差在10%之內，實現(xiàn)了按載荷進行制動力分配的功能，同時使得司機駕駛感受不會因不同的載荷產生太大的偏差。

應急制動減速度偏差大約在20%左右，因其采用的是基于安全減壓閥輸出恒壓制動方式，不受載荷限制，導致AW3載荷下的減速度小于AW0載荷下的，其偏差值源于載荷差異。

從圖8所示制動系統(tǒng)試驗曲線可以看出，列車在應急制動、安全制動及踏板制動模式下，制動減速度較為平穩(wěn)，波動幅度不超過±10%。手柄常用制動模式下，在高速段區(qū)間減速度較為恒定；低速段末端，因空電配合影響，制動曲線存在一個小凹坑。

通過上述試驗數(shù)據(jù)可知，智軌電車各種制動工況下空載和滿載的減速度、制動距離及沖擊率均符合文中表2技術要求，滿足車輛運行要求。

4 結語

本文基于道路交通與軌道交通的特點給出了智軌電車制動系統(tǒng)的頂層設計方案，對關鍵氣路冗余設計，列車軸制動力分配原理進行詳細分析。文中的試驗數(shù)據(jù)表明，各種不同工況下的制動模式均符合總體設計要求。

靈動是智軌電車區(qū)別其他中小運量公共交通的重要優(yōu)勢特征之一，也是其長足發(fā)展方向。與其相應的，制動系統(tǒng)下一階段將針對電車全電化、輪轂電機動力分散等對智軌電車制動系統(tǒng)進行研究，研制更敏捷、更精準、更協(xié)同的制動制式。