熊 梅 柳曉峰 段繼超

(中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司，412001，株洲∥第一作者，工程師)

鉸接式列車(chē)具有轉(zhuǎn)彎半徑小，爬坡能力強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)靈活的特點(diǎn)，比較適合多曲線及小半徑曲線的線路條件。儲(chǔ)能式六軸鉸接式輕軌列車(chē)由Mc(帶司機(jī)室的動(dòng)力車(chē))1及Mc2鉸接而成，有2臺(tái)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架和1臺(tái)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架，采用儲(chǔ)能式無(wú)接觸網(wǎng)供電，可運(yùn)行在正線最小平曲線半徑為40 m、最小豎曲線半徑為2 000 m、最大坡度為60‰的具有共有路權(quán)的線路上。制動(dòng)系統(tǒng)是保證列車(chē)在大坡道等特殊線路條件上安全運(yùn)行的關(guān)鍵部件之一。

1 制動(dòng)系統(tǒng)的組成

儲(chǔ)能式六軸鉸接式輕軌列車(chē)采用液壓摩擦制動(dòng)系統(tǒng)，其主要由風(fēng)源系統(tǒng)、制動(dòng)控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置及輔助系統(tǒng)等4部分組成。

1.1 風(fēng)源系統(tǒng)

風(fēng)源系統(tǒng)主要包括提供壓縮空氣的風(fēng)源模塊和儲(chǔ)存壓縮空氣的風(fēng)缸等，主要為空氣懸掛及撒砂等用風(fēng)系統(tǒng)提供干燥、清潔的壓縮空氣。風(fēng)源系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 風(fēng)源系統(tǒng)原理圖

空壓機(jī)由3相AC 380 V、50 Hz電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其額定工作壓力為1.0 MPa，控制電壓為DC 110 V，額定容積流量為330 L/min。壓力開(kāi)關(guān)1用于檢測(cè)空壓機(jī)是否故障，壓力開(kāi)關(guān)2用于控制空壓機(jī)的啟停。風(fēng)缸容積為150 L，用來(lái)保證風(fēng)源模塊故障時(shí)列車(chē)的緊急用風(fēng)。

1.2 制動(dòng)控制系統(tǒng)

制動(dòng)控制系統(tǒng)采用克諾爾公司的KBGM-H電子控制被動(dòng)式液壓制動(dòng)系統(tǒng)。主要包括：EBCU(電子制動(dòng)控制單元)、EHU(電液控制單元)和速度傳感器。制動(dòng)控制采用MVB(多功能車(chē)輛總線)網(wǎng)絡(luò)與硬線控制相結(jié)合的方式。列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)配置框圖如圖2所示。

注:VCMe為列車(chē)控制單元;P為載荷信息;DCU為牽引控制單元;A1、A2、A3為車(chē)軸；TU為牽引單元；MB為動(dòng)力轉(zhuǎn)向架；TB為非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架。

EBCU接收VCMe(列車(chē)控制單元)通過(guò)MVB網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的制動(dòng)級(jí)位，根據(jù)檢測(cè)到的載荷信息(P)計(jì)算整車(chē)所需要的總制動(dòng)力，并發(fā)送電制動(dòng)申請(qǐng)給DCU(牽引控制單元)。DCU根據(jù)電制動(dòng)申請(qǐng)來(lái)施加電制動(dòng)力，并將實(shí)際電制動(dòng)力反饋給EBCU。EBCU根據(jù)總制動(dòng)力和實(shí)際電制動(dòng)力，計(jì)算需補(bǔ)充的液壓制動(dòng)力，發(fā)送給各轉(zhuǎn)向架的EHU，以此控制各轉(zhuǎn)向架制動(dòng)的施加和緩解。

EBCU同時(shí)接收各轉(zhuǎn)向架的速度信號(hào)，通過(guò)計(jì)算各軸速與列車(chē)參考速度的差值來(lái)判斷該軸是否滑行，并通過(guò)EHU控制制動(dòng)缸的液壓壓力來(lái)控制制動(dòng)力，達(dá)到滑行控制的目的。

液壓控制采用架控方式，即1個(gè)EHU控制1個(gè)轉(zhuǎn)向架上的2套制動(dòng)夾鉗，其原理如圖3所示。EHU通過(guò)液壓軟管(B11)、快插接頭(B20)與轉(zhuǎn)向架上的管路相連，再通過(guò)軟管連接到制動(dòng)夾鉗(C01)。蓄能器(B09)相當(dāng)于油壓的儲(chǔ)蓄器，用于液壓制動(dòng)系統(tǒng)的緩解功能。輔助緩解單元(EDHL)在電液控制單元不能正常時(shí)緩解液壓制動(dòng)。

注：B11為液壓軟管；B20為快插接頭，B09為蓄能器；C04為制動(dòng)盤(pán)；C01001為制動(dòng)閘片；C01為制動(dòng)夾鉗;H02為輔助緩解單元。

EHU是執(zhí)行液壓控制的主要部件，其內(nèi)部工作原理如圖4。油泵由AC 380 V、50 Hz電機(jī)驅(qū)動(dòng)，為設(shè)備提供需求壓力的液壓油；其他部件控制電壓為DC 110 V；AT(制動(dòng)施加閥)及AS(制動(dòng)緩解閥)用于常用制動(dòng)及緊急制動(dòng)控制，D(安全制動(dòng)電磁閥)及E(停放制動(dòng)電磁閥)分別用于安全制動(dòng)和停放制動(dòng)。各制動(dòng)模式下，油液回路原理如圖5所示。制動(dòng)缸壓力值由BP(壓力傳感器)進(jìn)行檢測(cè)，并由EBCU根據(jù)不同制動(dòng)級(jí)位進(jìn)行閉環(huán)控制。

圖4 EHU內(nèi)部工作原理圖

圖5 a)中，AT、D、E電磁閥得電時(shí)，制動(dòng)缸油液從制動(dòng)夾鉗單元(P口)回流至油箱(T)，被動(dòng)式夾鉗單元施加常用制動(dòng)；圖5 b)中，AS、D、E電磁閥得電時(shí)，制動(dòng)缸油液從蓄能器(S口)充至制動(dòng)夾鉗單元(P口)，常用制動(dòng)緩解。

安全制動(dòng)通過(guò)獨(dú)立的安全控制環(huán)路實(shí)施，采用失電制動(dòng)方式。當(dāng)安全控制環(huán)路失電時(shí)，EHU內(nèi)的安全制動(dòng)電磁閥(D)失電，常用制動(dòng)油路關(guān)閉斷，油壓從制動(dòng)夾鉗單元(P口)經(jīng)安全電磁閥(D)、節(jié)流孔(C)、限壓閥(IT)回流至油箱(T)，安全制動(dòng)施加。其油液回路如圖5 c)所示。制動(dòng)缸壓力通過(guò)限壓閥(IT)來(lái)預(yù)設(shè)。

停放制動(dòng)的控制與EBCU無(wú)關(guān)，通過(guò)列車(chē)斷電來(lái)施加停放制動(dòng)。當(dāng)列車(chē)斷電后，EHU內(nèi)的停放制動(dòng)電磁閥(E)和安全制動(dòng)電磁閥(D)均處于失電狀態(tài)，油壓從制動(dòng)夾鉗單元(P口)經(jīng)節(jié)流孔(C)、停放電磁閥(E)全部回流至油箱(T)，被動(dòng)式制動(dòng)夾鉗施加停放制動(dòng)力為最大的彈簧力。其油液回路如圖5 d)所示。

a)常用制動(dòng)施加時(shí)的油液回路

1.3 制動(dòng)執(zhí)行裝置

儲(chǔ)能式六軸鉸接式輕軌列車(chē)配置了2種制動(dòng)執(zhí)行裝置：制動(dòng)夾鉗和磁軌制動(dòng)器。

1.3.1 軸盤(pán)式制動(dòng)夾鉗

儲(chǔ)能式六軸鉸接式輕軌列車(chē)采用被動(dòng)式軸盤(pán)制動(dòng)的形式，在轉(zhuǎn)向架的每根軸上安裝1套制動(dòng)夾鉗單元(含制動(dòng)夾鉗、制動(dòng)盤(pán)及制動(dòng)閘片等部件)。制動(dòng)夾鉗單元采用四點(diǎn)頂面吊掛的方式，其示意圖如圖6。

圖6 制動(dòng)夾鉗示意圖

制動(dòng)夾鉗的最大制動(dòng)力為80 kN。每個(gè)制動(dòng)缸的活塞力為40 kN，最大活塞伸出行程為80 mm。配套制動(dòng)盤(pán)為鑄鋼制動(dòng)盤(pán)，其直徑為560 mm，新盤(pán)厚度為90 mm。閘片為合成材料，摩擦面積為350 cm2，平均摩擦半徑為221 mm。靜態(tài)摩擦因數(shù)約為0.3，動(dòng)態(tài)摩擦因數(shù)約為0.38。制動(dòng)夾鉗還具有液壓輔助緩解功能和機(jī)械緊急緩解功能(手動(dòng)緩解裝置)。在液壓輔助緩解裝置無(wú)法緩解制動(dòng)的情況下，可采用機(jī)械緩解方式進(jìn)行緩解。

1.3.2 磁軌制動(dòng)器

磁軌制動(dòng)器為儲(chǔ)能式六軸鉸接式輕軌列車(chē)的輔助制動(dòng)裝置。每個(gè)轉(zhuǎn)向架的兩側(cè)各配備1套磁軌制動(dòng)器。如圖7所示：磁體a通過(guò)彈性體彈簧懸架b和安裝塊懸掛于轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上；通過(guò)傳動(dòng)件和螺柱，可手動(dòng)調(diào)節(jié)懸掛高度，以補(bǔ)償磁軌磨耗部件與軌道的磨耗，并將未激活磁軌制動(dòng)器與軌道的間隙保持為8～12 mm。磁軌制動(dòng)器的吸力達(dá)70 kN，可為列車(chē)提供不小于0.5 m/s2的減速度。

圖7 磁軌制動(dòng)器

1.4 輔助系統(tǒng)

1.4.1 空氣懸掛系統(tǒng)

儲(chǔ)能式六軸鉸接式輕軌列車(chē)空氣懸掛系統(tǒng)的氣路原理如圖8所示。二系懸掛采用空氣彈簧(L09)。載荷傳感器(L20)可檢測(cè)空氣彈簧的壓力，并轉(zhuǎn)化為載荷信號(hào)，提供給牽引系統(tǒng)及制動(dòng)系統(tǒng)。此外，每個(gè)空氣彈簧配置1個(gè)高度閥(L06)，用于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)地板面的高度。壓差閥(L08)是1個(gè)雙向止回閥。當(dāng)壓力差大于設(shè)定值(本文研究列車(chē)為0.2 MPa)時(shí)，兩側(cè)空氣彈簧互相連通；當(dāng)壓力差低于設(shè)定值時(shí)，兩側(cè)空氣彈簧互相獨(dú)立。這種設(shè)計(jì)可使兩側(cè)空氣彈簧既不因較小的壓力波動(dòng)而頻繁溝通，又不至于因壓力差過(guò)大而影響行車(chē)安全。

圖8 空氣懸掛系統(tǒng)氣路原理圖

1.4.2 撒砂系統(tǒng)

為增大低黏著情況下輪軌間的黏著，儲(chǔ)能式六軸鉸接式輕軌列車(chē)配置了撒砂系統(tǒng)，既可縮短制動(dòng)距離，又可改進(jìn)列車(chē)在軌道上的運(yùn)行性能。

列車(chē)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的4根軸上均配備撒砂設(shè)備，每側(cè)各配置1套。對(duì)于列車(chē)任一運(yùn)行方向，在同一時(shí)間只有2根軸對(duì)應(yīng)的撒砂設(shè)備起作用。每個(gè)配備撒砂設(shè)備的轉(zhuǎn)向架均配備1個(gè)撒砂控制模塊、4個(gè)砂箱(帶撒砂器)、撒砂管及其他相應(yīng)附屬部件。

撒砂系統(tǒng)的原理示意圖如圖9所示。圖9中，調(diào)壓閥用來(lái)調(diào)節(jié)撒砂系統(tǒng)的工作壓力(本文研究列車(chē)為0.5 MPa)。每軸配備1個(gè)電磁閥，分別用來(lái)控制對(duì)應(yīng)軸撒砂動(dòng)作的啟停。

圖9 撒砂系統(tǒng)原理圖

2 制動(dòng)系統(tǒng)功能及技術(shù)性能

通過(guò)以上配置，儲(chǔ)能式六軸鉸接式輕軌列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)有常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、安全制動(dòng)及停放制動(dòng)等操作模式，以及防滑控制、載荷檢測(cè)、撒砂控制等功能。具體參數(shù)如表1所示。

表1 制動(dòng)系統(tǒng)功能及參數(shù)

表1中,緊急制動(dòng)3模式是在緊急情況下司機(jī)將司控器(司機(jī)控制器)手柄拉到最后一位時(shí)觸發(fā)的。該模式下，列車(chē)減速度可達(dá)2.8 m/s2,當(dāng)列車(chē)以70 km/h的初速度制動(dòng)時(shí)的對(duì)應(yīng)制動(dòng)距離不超80 m，完全滿足列車(chē)在共有路權(quán)上運(yùn)行的安全需求。

此外，列車(chē)非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架采用鉸接式轉(zhuǎn)向架，制動(dòng)夾鉗采用緊湊式液壓制動(dòng)夾鉗。制動(dòng)夾鉗的最大彈簧力可達(dá)80 kN,可保證AW3(滿載)工況下列車(chē)能安全停放在坡度為60‰的線路上。

在車(chē)輪滑行保護(hù)開(kāi)啟時(shí)，或在列車(chē)緊急制動(dòng)3和安全制動(dòng)觸發(fā)時(shí)，撒砂設(shè)備會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)，可保證低黏著情況下或大級(jí)位制動(dòng)時(shí)所需要的黏著力。經(jīng)理論計(jì)算和測(cè)試驗(yàn)證，本文研究列車(chē)撒砂量為1 000～1 200 g/min。

3 性能試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)EN 13452系列標(biāo)準(zhǔn)的要求，制動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)展了初速度為50 km/h，AW0(空載)及AW3工況下的型式試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 型式試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄結(jié)果

由表2可知，常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)1、緊急制動(dòng)3及安全制動(dòng)等模式下的等效減速度和制動(dòng)距離均滿足表1的性能要求。

經(jīng)機(jī)車(chē)牽引試驗(yàn)驗(yàn)證，列車(chē)可以在AW3載荷工況下安全停放在60‰的坡道上。

綜上所述，儲(chǔ)能式六軸鉸接式輕軌列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的功能和性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

儲(chǔ)能式六軸鉸接式輕軌列車(chē)具有常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)1、緊急制動(dòng)3、安全制動(dòng)和停放制動(dòng)等制動(dòng)模式。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，制動(dòng)系統(tǒng)的功能和性能均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。其中，緊急制動(dòng)3模式的減速度較大、制動(dòng)距離較短，可滿足在大坡道及共有路權(quán)等線路條件下的安全運(yùn)行要求。

該型列車(chē)已在某工業(yè)園區(qū)運(yùn)行兩年有余。在實(shí)際運(yùn)行期間，列車(chē)性能穩(wěn)定，乘客乘坐舒適，制動(dòng)系統(tǒng)故障率低。這些驗(yàn)證了該列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)用性與適用性。