曾偉鵬，鐘佳麗，詹城偉

（廣州地鐵集團(tuán)有限公司，廣州 510310）

0 引言

制動(dòng)系統(tǒng)是地鐵車輛的重要組成部分，其性能的好壞影響到車輛的運(yùn)行安全，而緊急制動(dòng)功能作為車輛的一種故障導(dǎo)向安全功能[1]，在地鐵車輛上配置是十分必要的。經(jīng)查閱，國內(nèi)外針對(duì)地鐵車輛緊急制動(dòng)功能的研究偏向于電客車的研究，而電客車大都采用以克諾爾為主流的制動(dòng)系統(tǒng)，與電力機(jī)車有一定的差別[2]。因此，本文以AB型電力蓄電池工程車為例，對(duì)AB型電力蓄電池工程車DK－2制動(dòng)系統(tǒng)的緊急制動(dòng)功能進(jìn)行研究。

1 制動(dòng)系統(tǒng)功能

目前，廣州地鐵新線工程車采用AB型電力蓄電池工程車，該車主要采用DK－2制動(dòng)系統(tǒng)，該制動(dòng)機(jī)具備空電混合制動(dòng)、自動(dòng)制動(dòng)、單獨(dú)制動(dòng)、停放制動(dòng)和緊急制動(dòng)等基本功能，并具有制動(dòng)壓力閉環(huán)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、故障診斷和記錄等功能[3]。

1.1 空電混合制動(dòng)

空電混合制動(dòng)是指通過操控司控器至制動(dòng)區(qū)實(shí)現(xiàn)空電混合制動(dòng)功能?？针娀旌现苿?dòng)控制原則是電制動(dòng)優(yōu)先，電制動(dòng)不足時(shí)，補(bǔ)充空氣制動(dòng)。司控器手柄在制動(dòng)區(qū)某一位置時(shí)，BCU根據(jù)位置計(jì)算總的制動(dòng)力，并根據(jù)機(jī)車速度計(jì)算可用電制動(dòng)力并向DCU反饋，并依此計(jì)算出空氣制動(dòng)力。司控器手柄在制動(dòng)區(qū)任何位置，無論是否需要補(bǔ)充空氣制動(dòng)，制動(dòng)缸應(yīng)具有至少40 kPa的壓力。工程車靜止?fàn)顟B(tài)，司控器手柄在最大制動(dòng)區(qū)位置時(shí)，制動(dòng)缸壓力為360～380 kPa[4]。

1.2 自動(dòng)制動(dòng)

自動(dòng)制動(dòng)是通過操作自動(dòng)制動(dòng)控制器（大閘）來控制均衡風(fēng)缸壓力變化，并通過中繼閥來控制列車管的壓力變化，從而操縱全列車的制動(dòng)和緩解，其控制方式為自動(dòng)制動(dòng)控制器—制動(dòng)控制單元—電空閥—均衡風(fēng)缸—中繼閥—列車管壓力變化—空氣管路柜三通閥—作用閥—制動(dòng)缸[5]。

1.3 單獨(dú)制動(dòng)

單獨(dú)制動(dòng)控制是通過司控器（小閘）來操縱工程車本身的制動(dòng)和緩解，其控制方式為司控器—制動(dòng)控制單元—單制、單緩電磁閥—作用閥—制動(dòng)缸。

1.4 停放制動(dòng)

停放制動(dòng)是通過彈簧蓄能式的停放制動(dòng)裝置，防止機(jī)車臨時(shí)停放時(shí)出現(xiàn)前進(jìn)或倒退。通過司機(jī)室停放制動(dòng)控制按鈕，控制停放制動(dòng)電磁閥得失電控制機(jī)車的緩解、制動(dòng)，防止機(jī)車長時(shí)間斷電停放時(shí)，由于空氣泄漏造成的制動(dòng)缸壓力下降，從而影響制動(dòng)能力。

1.5 緊急制動(dòng)

緊急制動(dòng)是在機(jī)車出現(xiàn)超速、脫鉤、觸發(fā)警惕裝置、總風(fēng)欠壓等緊急情況時(shí)，人為或機(jī)車自動(dòng)通過緊急環(huán)路施加的安全制動(dòng)措施，具備故障導(dǎo)向安全功能。緊急制動(dòng)環(huán)路受緊急制動(dòng)電磁閥控制，通常采用失電緊制。

由于緊急制動(dòng)是在緊急情況下為了使機(jī)車制動(dòng)距離盡可能短而盡量加大制動(dòng)力的一種安全性制動(dòng)，因此最能體現(xiàn)制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)性能和技術(shù)指標(biāo)。因此，下文以AB型電力蓄電池工程車為例，對(duì)電力機(jī)車的緊急制動(dòng)功能進(jìn)行分析和計(jì)算。

2 緊急制動(dòng)控制原理

2.1 氣路控制

DK－2制動(dòng)機(jī)采用微機(jī)EP閉環(huán)控制，均衡風(fēng)缸控制模塊及制動(dòng)缸控制模塊均采用高速電空閥、壓力傳感器、PWM脈寬調(diào)制方式實(shí)現(xiàn)均衡風(fēng)缸及制動(dòng)缸壓力的精確控制[4]。

當(dāng)機(jī)車緊急制動(dòng)時(shí)，195YV、265YV電空閥失電，265YV電空閥控制放風(fēng)閥94開啟，列車管壓力經(jīng)116塞門、94放風(fēng)閥、95緊急放風(fēng)閥和中繼閥排風(fēng)口迅速排向大氣，3 s內(nèi)列車管壓力降為0，列車管壓力控制原理如圖1所示；同時(shí)總風(fēng)缸壓力經(jīng)160塞門、195YV電空閥控制作用閥開啟，總風(fēng)經(jīng)123塞門、191作用閥迅速向制動(dòng)缸充風(fēng)，制動(dòng)缸壓力上升至440 kPa，實(shí)現(xiàn)機(jī)車緊急制動(dòng)，制動(dòng)缸壓力控制原理如圖2所示。

圖1 緊急制動(dòng)時(shí)列車管壓力控制原理

圖2 緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)缸壓力控制原理

2.2 電路控制

緊急制動(dòng)環(huán)路串聯(lián)了緊急按鈕、操作臺(tái)占用信號(hào)、總風(fēng)低壓保護(hù)以及緊急閥觸點(diǎn)等信號(hào)，通過緊急環(huán)線得失電控制緊急中繼動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)車緊急制動(dòng)[6]。緊急制動(dòng)環(huán)路控制如圖3所示。

圖3 緊急制動(dòng)環(huán)路控制

觸發(fā)緊急制動(dòng)的條件有：

（1）按下司機(jī)室控制臺(tái)上的緊急制動(dòng)按鈕（擊打式按鈕）；

（2）工程車脫鉤（列車管快速排風(fēng)）或總風(fēng)低于550 kPa；

（3）緊急制動(dòng)環(huán)路中斷或失電；

（4）自動(dòng)制動(dòng)控制器在緊急制動(dòng)；

（5）司控器在快速制動(dòng)位；

（6）DC110 V控制電源失電；

（7）車長閥被觸發(fā)；

（8）觸發(fā)懲罰緊急制動(dòng)。

當(dāng)以上任意一個(gè)條件滿足時(shí)，都會(huì)導(dǎo)致52KA緊急中繼失電，52KA中繼觸點(diǎn)閉合，緊急電空閥失電動(dòng)作，列車管緊急排風(fēng)，總風(fēng)給制動(dòng)缸緊急充風(fēng)，從而產(chǎn)生緊急制動(dòng)。

3 緊急制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離

車輛的制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離是反映制動(dòng)裝置性能和實(shí)際制動(dòng)效果的主要技術(shù)指標(biāo)。

根據(jù)電力蓄電池車項(xiàng)目合同要求，制動(dòng)初速度為80 km/h時(shí)，不包括空走時(shí)間內(nèi)的平均緊急制動(dòng)減速度不小于1.20 m/s2。

3.1 制動(dòng)減速度

根據(jù)牛頓第二定律，制動(dòng)減速度的理論計(jì)算一般采用以下公式：

式中：a為瞬時(shí)減速度；B為車輛制動(dòng)力；Wj為機(jī)車的受到阻力；m為機(jī)車總質(zhì)量；λ為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)。

實(shí)際上為了簡(jiǎn)化運(yùn)算，采用下式進(jìn)行運(yùn)算：

式中：a為機(jī)車由速度v0到停車的平均減速度，m/s2；v0為制動(dòng)初速度，km/h；t為以初速v0到停車所需時(shí)間。

根據(jù)廠家提供的技術(shù)文件，機(jī)車單機(jī)運(yùn)行時(shí)，機(jī)車產(chǎn)生的總制動(dòng)力Fb＝71 316 N，機(jī)車總質(zhì)量W=59 360 kg。

緊急制動(dòng)時(shí)，有效制動(dòng)距離內(nèi)的平均減速度為：

3.2 制動(dòng)距離

嚴(yán)格來說，制動(dòng)距離指的是機(jī)車停車制動(dòng)或減速制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)手柄置于制動(dòng)位的瞬間算起，到停車瞬間或某個(gè)速度對(duì)應(yīng)的時(shí)刻機(jī)車所走的總距離。因此機(jī)車的制動(dòng)時(shí)間包括空走時(shí)間段和減速時(shí)間段?？兆邥r(shí)間包含機(jī)車制動(dòng)指令傳輸時(shí)間、制動(dòng)閥響應(yīng)時(shí)間、制動(dòng)缸變化時(shí)間、閘瓦與輪對(duì)間隙運(yùn)動(dòng)時(shí)間等等。空走時(shí)間只和制動(dòng)系統(tǒng)有關(guān)，不隨初速度變化而變化[7－8]。

經(jīng)查閱項(xiàng)目設(shè)計(jì)資料，電力蓄電池工程車設(shè)計(jì)的緊急空走時(shí)間tk＝2.5 s。勻減速時(shí)間指機(jī)車減速至停車或某個(gè)末速度所用的時(shí)間te

圖4 機(jī)車制動(dòng)過程分析

機(jī)車總制動(dòng)距離S等于空走距離Sk和有效制動(dòng)距離Se兩部分之和，總制動(dòng)距離為：

空走距離按照勻速運(yùn)動(dòng)計(jì)算，即:

有效制動(dòng)距離為：

結(jié)合式（2）得：

取制動(dòng)減速度為1.20 m/s2，分別計(jì)算不同速度等級(jí)80 km/h、50 km/h、25 km/h下的緊急制動(dòng)總距離分別為261 m、115 m和38 m。

以上得出的緊急制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離均為理論計(jì)算得出的理論值，實(shí)際運(yùn)行時(shí)，需滿足制動(dòng)減速度大于1.20 m/s2，制動(dòng)距離需小于上述理論值，才能滿足設(shè)計(jì)要求。

機(jī)車出廠之前，在平直干燥路面試驗(yàn)，分別針對(duì)不同速度等級(jí)（80 km/h、50 km/h、25 km/h）進(jìn)行緊急制動(dòng)減速度和制動(dòng)距離測(cè)試，每個(gè)速度測(cè)3次數(shù)據(jù)取平均值，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 不同速度等級(jí)下緊急制動(dòng)減速度及制動(dòng)距離測(cè)試結(jié)果

表中的結(jié)果顯示，各速度等級(jí)下測(cè)試的最小減速度為1.21 m/s2，滿足合同要求。此外，初速度為80 km/h、50 km/h、25 km/h下的制動(dòng)距離分別為252 m、95 m、26 m，均小于理論計(jì)算距離。

4 結(jié)束語

本文介紹了DK－2型制動(dòng)機(jī)的制動(dòng)功能，介紹了AB型電力機(jī)車緊急制動(dòng)的基本工作原理，最后以不同速度等級(jí)為初速度，采用項(xiàng)目合同要求的最小平均減速度來計(jì)算出機(jī)車的最大緊急制動(dòng)距離，并用試驗(yàn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，得出以下結(jié)論：

（1）各速度等級(jí)下測(cè)試的最小減速度為1.21 m/s2，滿足項(xiàng)目合同要求的大于1.20 m/s2；

（2）試驗(yàn)測(cè)得初速度分別為80 km/h、50 km/h、25 km/h時(shí)的平均制動(dòng)距離分別是252 m、95 m、26 m，均小于理論安全距離261 m、115 m、38 m，滿足技術(shù)要求。