劉曉妍,李 晶,陳永哲

(蘭州工業(yè)學院 汽車工程學院，甘肅 蘭州 730050)

隨著“一帶一路”理念的提出，為提高軌道交通跨國運輸能力，變軌距車輛的研發(fā)成為發(fā)展的必然需求。黃運華、李芾等人[1-3]設計了一款基于獨立旋轉車輪的變軌距轉向架并對其進行了動力學分析，適應1 435 mm和1 520 mm軌距；日本[4-6]變軌距動車組運營于新干線，適用軌距為1 067 mm和1 435 mm；西班牙的TALGO[7-8]、CAF等公司研發(fā)運營了適用于多種軌距的軌道列車。目前主要的研究均集中在改變輪對內側距上，如何順利的跨軌互聯成為了研究重點，但制動系統(tǒng)作為動車組非常重要的系統(tǒng)之一，不同軌距下速度等級也直接影響著制動控制，因此制動系統(tǒng)也必須適應變軌距動車組的特殊要求進行全新的方案設計，首先基于窄軌變軌距動車組對制動系統(tǒng)主要裝置以及結構方案進行了設計，然后提出了一套制動系統(tǒng)控制方案，最后進行了參數校核，對于窄軌動車組的制動系統(tǒng)設計具有一定的參考意義。

1 窄軌變軌距動車組結構及技術參數

對于變軌距動車組而言，如何變軌、變軌距轉向架的結構、基礎制動裝置的布置方式、制動形式直接影響著制動系統(tǒng)整體方案。因此，首先對窄軌變軌距動車組動力轉向架的整體結構進行介紹，主要結構包括安裝兩個獨立旋轉車輪的半構架、永磁輪轂電機、懸掛裝置、制動裝置以及牽引裝置等[9]。其中基礎制動裝置采用輪盤制動方式，全列車的夾鉗制動單元中，1/2具有停放制動功能，提供帶手動調整功能的閘片間隙自動調節(jié)器。圖1(a)、(b)所示分別為兩種軌距下動力轉向架結構狀態(tài)，根據結構以及材料初步確定關鍵系統(tǒng)的重量以及主要尺寸，如表1所示。

表1 窄軌變軌距動車組技術參數

2 制動系統(tǒng)裝置設計及方案結構

2.1 制動裝置布置方案

窄軌變軌距動車組制動系統(tǒng)采用微機控制模擬式EP2002電磁閥組成的架控制動系統(tǒng)[10]，每個轉向架配置一套制動控制單元，基礎制動裝置采用輪盤制動單元，其中一套設置停放制動功能，主要包括主供風單元、輔助供風單元、制動控制單元以及基礎制動裝置等，如圖2所示。

(a) 600 mm軌距轉向架狀態(tài)

圖2 制動系統(tǒng)組成

窄軌變軌距動車組的常用制動、緊急制動和防滑控制等功能主要通過制動控制單元實現，主要包括微機控制的電空制動控制單元和空氣防滑控制裝置等。停放制動、空簧充風等輔助功能主要靠輔助控制模塊實現，如圖3所示。其結構主要集成了停放控制用的電磁閥、止回閥、壓力開關及空簧供風用的溢流閥、減壓閥、塞門等部件。

圖3 輔助控制模塊

每輛車設置1個主供風單元組成，其中由總風管對總風缸進行充風，同時也為制動風缸進行充風，在制動風缸前端設置一個單向閥以避免總風壓力下降后，制動風缸的風反向充入總風管。

文章提到的動車組共設置2套風源系統(tǒng)，均安裝在M車上，為其制動系統(tǒng)提供潔凈、干燥的壓縮空氣[11]。風源系統(tǒng)由以下部件組成：空氣壓縮機組、空氣凈化處理單元、管路組件冷卻器、安全閥、油過濾器、托架等，如圖4所示。

圖4 風源模塊組成

2.2 制動系統(tǒng)結構方案

制動系統(tǒng)能夠滿足常用制動、緊急制動、停放制動、防滑保護等多種工況，制動系統(tǒng)邏輯結構方案如圖5～6所示。

圖5為每輛車單個轉向架制動系統(tǒng)方案結構，由于該轉向架結構特殊，采用獨立旋轉車輪且沒有設置一系懸掛裝置，左右兩側車輪分別通過半構架結構聯系在一起，因此在運行過程中處于同側的車輪速度近似相等，特殊的結構導致設置速度傳感器應區(qū)別于普通車輛，制動系統(tǒng)將車輪的速度傳感器進行對角布置，這樣的布置可以通過制動控制最大程度避免車輪出現異常磨耗、打滑。

圖5 單個轉向架制動系統(tǒng)結構方案

圖5中的a、b、c結構為制動軟管，其中a位置的制動軟管將同側構架的前后車輪聯系在一起，方便制動控制。由于此車輛需要滿足600 mm以及1 067 mm軌距下車輛的正常運行，因此，b結構制動軟管的長度應長于常規(guī)車輛，并滿足運動限界要求，通過運動仿真確定橫向、縱向、垂向最大位移來進行校核，其長度必須保證軌距差的一半(單側)即233.5 mm的冗余量。c結構需要與車體底架結構連接，提供制動信號，保證整個動車組協(xié)調運行。

圖6 空簧通風系統(tǒng)結構方案

圖6為空簧通風系統(tǒng)的結構方案簡圖，圖中壓差閥用于調整左右空氣彈簧的壓力，兩側空氣彈簧通過高度控制閥與主供風單元以及制動控制單元連接，保證在空車和重車工況下車輛的地板面高始終保持一致，在站臺時便于乘客上下車，轉向架枕梁型腔用作附加氣室。

3 制動系統(tǒng)控制方案

由第1節(jié)中表1可知，該變軌距動車組運營速度為70/120 km/h，其速度等級等同于市域通行動車組列車，取其為8編組列車制動系統(tǒng)采用4+4車CAN網絡，如圖7所示。每個CAN單元中配置2個負責與列車網絡通信的制動控制單元，通過以太網總線接收制動指令和電制動信息，并計算出本單元中各個轉向架上應施加的空氣制動，然后通過制動系統(tǒng)CAN總線傳送給本單元的各架控的制動控制單元。

圖7 制動控制單元的配置方案

3.1 電空配合方案

制動系統(tǒng)常用制動采用電空混合制動方式，優(yōu)先采用電制動，空氣制動作為補償，電制動不足時平均分配空氣制動力到可用轉向架上，并采取全列車合理分配的原則，電制動故障的車輛作為拖車處理。

整車制動力由牽引系統(tǒng)和制動系統(tǒng)分別組成，制動力計算方法如式(1)，即

F整=φ·M整·k，

(1)

式中：φ是制動力系數，根據運營工況而定；M整是整車質量；k是制動級位，范圍0～100%。

制動級位可通過圖8的邏輯方式計算，每輛車有2個EP2002制動控制單元，負責與本單元內的CCU通信，再通過TMCS實現與列車的通信，執(zhí)行制動指令TSB范圍在-100%～0%，確定常用制動級位，以此確定減速度β。

β=φ×10-2×TSB，

(2)

式中：β是制動減速度；φ是制動力系數；TSB是制動指令，范圍為-100%～0%。

圖8 制動級位邏輯原理

整車質量可通過圖9的邏輯模塊實現信號檢測，空氣彈簧的壓力信號通過空氣管路傳遞給本車輛的空氣制動控制裝置(輔助控制模塊)進行通信，TCMS把車重信號反饋到本單元的CCU中，實現空簧壓力調整以此調整地板面高。當出現空氣彈簧破裂或電空轉換電路的輸出小于空車的信號時則按空車車重的100%計算；當電空轉換電路的輸出大于超員時的車重信號時，則按超員載荷的100%計算。另外，此載荷信號還傳遞給牽引控制裝置，以控制牽引力和再生制動力的大小。

圖9 車輛載荷計算邏輯原理

在空載工況下，兩種軌距狀態(tài)車重相同，整車制動力的計算如式(3)，即

F空=φ·M空·k.

(3)

在超員滿載工況下，兩種軌距車重不同，整車制動力計算如式(4)，即

(4)

根據表1參數計算空載和滿載狀態(tài)下需要的制動力大小。在空載工況下，取制動級位k為100%，整車制動力由式(3)計算可得。

M空=3.7×103g=362 kN,

F空=φ·M空·k=383.72 kN.

超員滿載工況時，兩種軌距狀態(tài)車輛的載重不同，因此整車制動力也隨之發(fā)生變化，通過空氣彈簧壓力進行車重信號的傳遞，進而改變整車制動力。600 mm軌距運行時載重取10 t，1 067 mm軌距運行狀態(tài)下取滿軸重15 t，取φ為1.06計算整車制動力。

當取制動級位k=100%時根據式(3)計算整車制動力，在600 mm軌距運行時，按滿軸重計算，即

M重600=4×10×103g=392 kN，

F重600=φ·M重600·k= 415.52 kN.

在1 067 mm軌距運行時，按滿軸重計算，即

M重1067=4×15×103g=588 kN,

F重1067=φ·M重1067·k= 623.28 kN .

在列車制動時，列車整體實際的空氣制動力按式(5)進行計算，即

F氣=F整-F電，

(5)

式中：F整是整列總制動力；F電是整列實際電制動力；F氣是整列空氣制動力。

對于窄軌變軌距動車組，動力轉向架4個獨立旋轉車軸均為動力軸，拖車轉向架均為非動力軸，單動車轉向架和單拖車轉向架需要補充的空氣制動力需要分別進行計算。

3.2 制動系統(tǒng)整體邏輯

當列車發(fā)出制動指令進行制動時，制動指令同時發(fā)給牽引、制動及網絡系統(tǒng)，牽引系統(tǒng)將電制動相關信息(電制動能力值、電制動實際值、電制動退出等)發(fā)送到以太網總線，然后傳輸給制動系統(tǒng)，如圖10所示?？諝庵苿釉诮邮盏街苿又噶詈螅扇⊙舆t采集電制動能力值進行電空配合計算，延遲采用電制動實際值進行電空配合計算，并完成空氣制動補償。低速電空混合由電制動退出信號觸發(fā)，電制動退出信號發(fā)出后開始以一定的斜率撤出，同時空氣制動以相同的斜率增加。

圖10 電空混合整體邏輯

4 制動系統(tǒng)關鍵性能校核

根據EN14531-1對制動能力進行初步計算，減速度作為制動系統(tǒng)關鍵參數，決定著列車的行駛安全以及能否準點停車[12]，此時應滿足如下條件：當列車在平直干燥線路以最高速度運行時，從給出制動指令到列車停止，列車平均減速度要求a常≥1.0 m/s2，a緊≥1.2 m/s2，計算輸入邊界條件如表2所示。

表2 純空氣制動工況下計算輸入邊界條件

根據表1取列車空載為29.6 t、滿載為112 t。在表2給定邊界條件下，求得列車制動減速度，如表3所示。

表3 不同工況下減速度計算結果

由表3可知，常用制動以及緊急制動減速度整體上均滿足a?！?.0 m/s2、a緊≥1.2 m/s2，初步校核制動減速度滿足制動設計條件。

5 結語

基于窄軌變軌距動車組在明確技術參數的前提下提出了適用于窄軌變軌距動車組的制動系統(tǒng)方案，并對其結構布置、邏輯實現進行了設計，最后對于制動系統(tǒng)方案的可行性對制動系統(tǒng)關鍵性能參數進行了校核，經初步校核，該系統(tǒng)滿足使用要求。