王 磊，李國棟，李 松，王志龍，肖 宇，喬 峰

(中車長春軌道客車股份有限公司 國家軌道客車工程研究中心轉(zhuǎn)向架研發(fā)部，吉林 長春 130062)

出口澳大利亞雙層動(dòng)車組項(xiàng)目是澳大利亞新南威爾士州政府為更新悉尼市現(xiàn)有車輛而啟動(dòng)的包括車輛采購、運(yùn)營及維護(hù)在內(nèi)的大型項(xiàng)目。2006年，中車長春軌道客車股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“長客股份”)與澳大利亞Downer公司聯(lián)合制造了626輛雙層動(dòng)車組。2016年，由長客股份主導(dǎo)設(shè)計(jì)改進(jìn)43列雙層動(dòng)車組項(xiàng)目啟動(dòng)，并于2018年6月完成型式試驗(yàn)后正式上線運(yùn)營。

1 總體概述

該雙層動(dòng)車組采用不銹鋼車體，軌距為1 435 mm，轉(zhuǎn)向架軸重17 t；每列車為8輛編組，編組為拖車+動(dòng)車+動(dòng)車+拖車+拖車+動(dòng)車+動(dòng)車+拖車；最高設(shè)計(jì)速度143 km/h，運(yùn)行速度為130 km/h；最大常用制動(dòng)減速度1.0 m/s2，緊急制動(dòng)減速度1.28 m/s2。該動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)采用了微機(jī)控制的雙管摩擦制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用電空復(fù)合制動(dòng)及完全冗余的“影制動(dòng)系統(tǒng)”(Full Shadowing Friction Brake System)。制動(dòng)系統(tǒng)基于故障導(dǎo)向安全的設(shè)計(jì)原則，控制準(zhǔn)確度高，響應(yīng)時(shí)間短，可靠性高，易于維護(hù)，并具有自我診斷和故障報(bào)告功能。

2 制動(dòng)系統(tǒng)

制動(dòng)系統(tǒng)由供風(fēng)系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向架制動(dòng)裝置、司機(jī)控制裝置、防滑裝置、緊急制動(dòng)裝置及其他輔助設(shè)備組成。

2.1 制動(dòng)控制系統(tǒng)

制動(dòng)系統(tǒng)采用EP Compact制動(dòng)控制系統(tǒng)，總風(fēng)管工作壓力950 kPa，制動(dòng)管工作壓力500 kPa。根據(jù)車輛空間結(jié)構(gòu)，每車設(shè)置1臺(tái)電子制動(dòng)控制單元(BCU)，拖車設(shè)置1個(gè)氣動(dòng)控制模塊(PU)，動(dòng)車設(shè)置2個(gè)PU。制動(dòng)軟件符合SIL2安全等級(jí)認(rèn)證，PU中的KKL中繼閥符合UIC 540標(biāo)準(zhǔn)(圖1)。

圖1 制動(dòng)控制簡(jiǎn)圖

電空制動(dòng)(EP模式)系統(tǒng)采用微處理器控制，通過列車線傳輸控制指令，電空制動(dòng)為直通制動(dòng)，通過PU內(nèi)的電磁閥充/排風(fēng)進(jìn)行制動(dòng)控制。微處理器故障等導(dǎo)致電空制動(dòng)失效時(shí)，自動(dòng)切換為完全通過列車管壓力信號(hào)控制的空氣制動(dòng)(Auto模式)，即“影制動(dòng)”。

動(dòng)力制動(dòng)優(yōu)先采用再生制動(dòng)，產(chǎn)生的能量反饋回弓網(wǎng)，無法反饋的能量通過制動(dòng)電阻消耗，可降低能耗并減小閘片磨耗及運(yùn)營維護(hù)成本。

制動(dòng)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、防滑控制、停放控制及壓縮機(jī)控制等控制模式。

2.1.1 常用制動(dòng)(EP)

復(fù)合制動(dòng)以相鄰的動(dòng)車和拖車為基本單元。當(dāng)司控器(圖2)手柄處于常用制動(dòng)區(qū)域時(shí)，司控器內(nèi)的PWM編碼器發(fā)出的電壓波形信號(hào)通過列車控制線傳遞給所有的牽引逆變器(TIM)和每個(gè)車的BCU。TIM接收到指令后，根據(jù)制動(dòng)指令、負(fù)載信息和速度信號(hào)，發(fā)送動(dòng)力制動(dòng)可用信號(hào)和動(dòng)力制動(dòng)實(shí)際值給Mc車BCU，由BCU計(jì)算后分配給相鄰?fù)宪嚬餐┘又苿?dòng)。

圖2 司控器

當(dāng)制動(dòng)力充足時(shí)，優(yōu)先采用動(dòng)力制動(dòng)，動(dòng)車的制動(dòng)力達(dá)到黏著極限后由拖車補(bǔ)充剩余制動(dòng)力。

當(dāng)動(dòng)力制動(dòng)不足時(shí)，優(yōu)先采用動(dòng)力制動(dòng)，其余由動(dòng)車和拖車平均補(bǔ)充摩擦制動(dòng)，動(dòng)車的制動(dòng)力達(dá)到黏著極限后由拖車補(bǔ)充剩余制動(dòng)力。

圖3為正常工況下復(fù)合制動(dòng)單元常用制動(dòng)力分配圖。

圖3 正常工況下復(fù)合制動(dòng)單元制動(dòng)力分配圖

緩解狀態(tài)時(shí)，壓縮空氣由總風(fēng)管經(jīng)截?cái)嗳T、濾塵器到達(dá)司控器DMV端口和電磁閥(D05)A2端口。電磁閥得電，其A2端口與中繼閥A端口導(dǎo)通，壓力穩(wěn)定在500 kPa。圖4為司機(jī)室設(shè)備氣路圖。

D01.司控器;D02.減壓閥；D03.中繼閥；D04、D09.風(fēng)缸；D05、D06電磁閥；D07.濾塵器；D08.截?cái)嗳T；D10.緊急制動(dòng)閥；DMV.預(yù)控壓力端口；HB.充風(fēng)端口；SB.緊急制動(dòng)排風(fēng)口；AB.隔離端口；A.控制壓力端口；A1～A3.電磁閥氣路端口；HL.壓力輸出端口；Z.封堵；O.排風(fēng)口。

常用制動(dòng)時(shí)，司控器持續(xù)發(fā)送電氣指令及氣動(dòng)指令，制動(dòng)系統(tǒng)根據(jù)司控器PWM指令線及列車線施加直通電空復(fù)合制動(dòng)(圖5)。司控器A端口輸出壓力值根據(jù)司控器手柄位置變化，但與中繼閥A端口不導(dǎo)通，列車管壓力維持不變，司控器氣動(dòng)指令處于熱備狀態(tài)。

2.1.2 影制動(dòng)(常用制動(dòng)Auto模式)

“影制動(dòng)”是完全冗余的備用制動(dòng)，制動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)自動(dòng)切換并提示，司機(jī)不需要更改操作方式，繼續(xù)保證車輛安全運(yùn)行。

當(dāng)車輛檢測(cè)到一個(gè)BCU發(fā)生故障，列車線Revert To Auto1信號(hào)斷電，所有車輛的BCU接收到信號(hào)后共同增加制動(dòng)力彌補(bǔ)故障車丟失的制動(dòng)力。

當(dāng)?shù)?個(gè)BCU故障時(shí)，列車線Revert To Auto2信號(hào)斷電，電磁閥D05失電，激活影制動(dòng)。

發(fā)生意外或測(cè)試時(shí)，也可以手動(dòng)操作司機(jī)臺(tái)上的旋鈕切換為“Auto”模式。

切換到Auto模式后，電磁閥D05失電，A1、A3口接通。施加制動(dòng)時(shí)，司機(jī)操作司控器A端口根據(jù)司控器手柄位置輸出預(yù)控壓力信號(hào)，通過中繼閥HL口放大減壓量，調(diào)整列車管壓力(圖4)。

制動(dòng)管壓力信號(hào)通過KKL分配閥再次分配，轉(zhuǎn)化為Cv壓力，通過中繼閥施加間接制動(dòng)(圖5)。

.01.分配閥；.02.減壓閥；.04.充風(fēng)電磁閥；.05.排風(fēng)電磁閥；.07、.09、.10.壓力傳感器；.12 ～.16.測(cè)試接口；.18.單向閥；.50.分配閥；.71.平均閥；.72、.73.壓力傳感器。

制動(dòng)管減壓50 kPa時(shí)施加最小常用制動(dòng)，減壓120 kPa時(shí)施加最大常用制動(dòng)。

2.1.3 緊急制動(dòng)

當(dāng)司控器手柄處于緊急位時(shí)，緊急制動(dòng)閥開啟，列車管壓力迅速排空觸發(fā)緊急制動(dòng)。同時(shí)司控器PWM信號(hào)發(fā)送緊急制動(dòng)指令，如BCU可用，則接收指令后控制PU中的電磁閥加速建立制動(dòng)缸壓力。同時(shí)，車輛其他緊急制動(dòng)指令可以通過電磁閥D06失電排風(fēng)觸發(fā)緊急制動(dòng)。

緊急制動(dòng)時(shí)，BCU發(fā)送禁止動(dòng)力制動(dòng)指令，同時(shí)列車管的壓力開關(guān)通過硬線發(fā)送給TIM抑制牽引，直到緊急制動(dòng)緩解后才能再次施加牽引。

緊急制動(dòng)可通過以下方式觸發(fā)：司控器手柄處于緊急位；警惕裝置動(dòng)作；司機(jī)室應(yīng)急手柄動(dòng)作；行車制動(dòng)閥被軌道應(yīng)急裝置觸發(fā)；總風(fēng)壓力過低；制動(dòng)管壓力過低。

列車管減壓150 kPa施加緊急制動(dòng)。當(dāng)緊急制動(dòng)無法緩解時(shí)，可以拉動(dòng)車輛側(cè)面的緩解拉手將PU中的KKL中繼閥進(jìn)行緩解。

2.1.4 車輪滑動(dòng)保護(hù) (WSP)

防滑系統(tǒng)內(nèi)置在BCU中，前進(jìn)方向頭車1軸作為速度參考軸與其他各軸進(jìn)行對(duì)比，通過速度傳感器和防滑閥控制每臺(tái)轉(zhuǎn)向架的速度和減速度。同時(shí)，雙通道傳感器發(fā)送速度信號(hào)給TIM用于動(dòng)力制動(dòng)防滑控制。

防滑系統(tǒng)具有冗余功能，有2個(gè)微控制器。一個(gè)微控制器作為主計(jì)算機(jī)(CPU)，另一個(gè)作為監(jiān)控和備用計(jì)算機(jī)(MPU)。CPU和MPU相互監(jiān)控。主處理器和監(jiān)控處理器持續(xù)交換數(shù)據(jù)流，發(fā)生故障時(shí)能夠在低壓狀態(tài)下切換。如果CPU失效，看門狗將重置CPU。BCU的防滑控制僅在空氣制動(dòng)施加的情況下作用。當(dāng)出現(xiàn)滑行時(shí)，動(dòng)力制動(dòng)首先進(jìn)行滑行控制，當(dāng)動(dòng)力制動(dòng)滑行控制不能有效降低滑行時(shí)，空氣制動(dòng)將完全替代電制動(dòng)。

除車輛運(yùn)行過程中施加停放制動(dòng)外，滑動(dòng)保護(hù)系統(tǒng)對(duì)所有形式的制動(dòng)均起保護(hù)作用。

2.1.5 回滾檢測(cè)功能

制動(dòng)系統(tǒng)帶有回滾檢測(cè)功能，該功能依賴于BCU，每個(gè)頭車4軸設(shè)置1個(gè)回滾檢測(cè)速度傳感器，兩頭車的傳感器同時(shí)檢測(cè)，無論哪個(gè)傳感器檢測(cè)到車輛與選擇方向的反向運(yùn)動(dòng)超過1/2車輪時(shí)，該車BCU都會(huì)通過列車線發(fā)送回滾制動(dòng)施加指令給所有BCU施加制動(dòng)力停車。該制動(dòng)力能夠滿足車輛停放在40‰的坡道上，如果車輛仍未能停止，將觸發(fā)電磁閥排空制動(dòng)管施加緊急制動(dòng)。

2.2 轉(zhuǎn)向架制動(dòng)裝置

該雙層動(dòng)車組每臺(tái)轉(zhuǎn)向架設(shè)置4套輪裝盤形制動(dòng)裝置，采用緊湊型制動(dòng)夾鉗，每軸設(shè)置1套常用制動(dòng)夾鉗單元、1套停放制動(dòng)夾鉗單元。所有制動(dòng)夾鉗單元具有閘片間隙自動(dòng)調(diào)整功能。安裝有停放制動(dòng)夾鉗的轉(zhuǎn)向架兩側(cè)設(shè)有停放制動(dòng)緩解拉手，在停放制動(dòng)出現(xiàn)故障時(shí)進(jìn)行手動(dòng)緩解。停放制動(dòng)能夠滿足40‰坡道停放的需求。

制動(dòng)盤能夠滿足AW3載荷、130 km/h工況下連續(xù)施加3次緊急制動(dòng)的需求。

2.3 供風(fēng)系統(tǒng)

為了保證能夠與故障車連掛正常運(yùn)行，每列車設(shè)置3臺(tái)供風(fēng)單元，供風(fēng)單元采用集成設(shè)計(jì)，具有低噪聲、低振動(dòng)的特點(diǎn)。供風(fēng)單元包括VV180-T無油膜式空壓機(jī)及雙塔干燥器，其中無油膜式空壓機(jī)供風(fēng)量為1 450 L/min，能夠大量節(jié)約維護(hù)成本?？諌簷C(jī)出風(fēng)口及供風(fēng)單元出風(fēng)口設(shè)置安全閥防止過壓。

每輛頭車設(shè)有1臺(tái)輔助空壓機(jī)，由蓄電池直接供電。初充風(fēng)時(shí)，輔助空壓機(jī)啟動(dòng)給受電弓供風(fēng)。升弓啟動(dòng)后所有供風(fēng)單元同時(shí)啟動(dòng)，直到總風(fēng)管壓力達(dá)到950 kPa停止?？傦L(fēng)管壓力低于750 kPa時(shí)，ETIS系統(tǒng)根據(jù)如下信息對(duì)供風(fēng)單元進(jìn)行控制：BCU通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的總風(fēng)管壓力信息；供風(fēng)單元開關(guān)狀態(tài)；供風(fēng)單元截?cái)嗳T狀態(tài)；供風(fēng)單元上的壓力開關(guān)狀態(tài)。ETIS優(yōu)先啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)間最少的供風(fēng)單元，忽略故障或不可用(例如隔離的)供風(fēng)單元。如果ETIS失效，供風(fēng)單元根據(jù)本車總風(fēng)管壓力開關(guān)信號(hào)控制啟停(700 kPa時(shí)啟動(dòng)/900 kPa時(shí)停止)。

3 試驗(yàn)

2018年2月，首列雙層動(dòng)車組在長客股份完成了氣密性試驗(yàn)、制動(dòng)靜態(tài)試驗(yàn)；2018年7月，在澳大利亞悉尼多條正線上完成了制動(dòng)距離、防滑功能等型式試驗(yàn)，制動(dòng)系統(tǒng)符合澳標(biāo)TN 035：2015《信號(hào)視覺設(shè)備》標(biāo)準(zhǔn)要求。圖6為TN 035：2015標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)以及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)。目前車輛已順利上線運(yùn)行。

圖6 標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

出口澳大利亞雙層動(dòng)車組項(xiàng)目制動(dòng)系統(tǒng)采用了成熟可靠的設(shè)計(jì)方案，能夠有效解決雙層動(dòng)車組空間不足的問題，“影制動(dòng)系統(tǒng)”能夠滿足用戶完全冗余的制動(dòng)系統(tǒng)的需求，該制動(dòng)形式為研制雙層動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及后續(xù)開拓海外市場(chǎng)提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。