張彥燁，謝耀征，劉助威，張世友，許新祥

（通號(hào)軌道車輛有限公司，長(zhǎng)沙 410217）

隨著城市化進(jìn)程的發(fā)展，在城市交通領(lǐng)域人們對(duì)環(huán)境、舒適、快捷等要求越來(lái)越高，從而提出了智慧交通的概念。100%低地板有軌電車具有工程造價(jià)低，綠色環(huán)保，方便乘客出行等優(yōu)點(diǎn)。由于車輛地板低同時(shí)照顧到老人、小孩兒、殘疾人等弱勢(shì)群體，在已開通線路的城市得到了廣大市民的認(rèn)可。100%低地板有軌電車將迎來(lái)陸續(xù)開通運(yùn)營(yíng)的密集期，并逐步成為城市智慧交通的重要組成部分。

100%低地板有軌電車相較于地鐵、輕軌等車輛主要有2個(gè)特點(diǎn)，首先地板面低，車底空間有限，無(wú)法布置空壓機(jī)、風(fēng)缸、制動(dòng)控制模塊等空氣制動(dòng)裝置［1］。其次運(yùn)行線路為混行，要求突發(fā)狀況下能夠迅速停車，減速度要求高。所以在設(shè)計(jì)過(guò)程中制動(dòng)系統(tǒng)包括電制動(dòng)、液壓制動(dòng)、磁軌制動(dòng)。其中電制動(dòng)優(yōu)先級(jí)最高；其次液壓制動(dòng)，其具有模塊化組件，占用空間小，壓力大等優(yōu)點(diǎn)［2］；最后磁軌制動(dòng)，其屬于非黏著制動(dòng)，更進(jìn)一步增大了制動(dòng)減速度，保障了安全運(yùn)行。

1 概述

整列車的車輛編組為-Mc1+F1+Tp+F2+Mc2-，如圖1所示。

圖1 車輛編組圖

其中：Mc為帶司機(jī)室的動(dòng)車；F為無(wú)轉(zhuǎn)向架支撐的浮車；Tp為帶受電弓的拖車；-為折疊式車鉤；+為鉸接裝置、貫通道等車間部件。

參考CJ/T 417-2012《低地板有軌電車車輛通用技術(shù)條件》、BS EN 13452-1：2003《鐵路設(shè)施制動(dòng)—公共運(yùn)輸制動(dòng)系統(tǒng)性能要求》2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)車輛在AW2（滿座+6人/m2）載荷下，在平直干燥軌道上，車輪半磨耗，車輛速度從70~0 km/h制動(dòng)性能提出如下要求：

常用制動(dòng)平均減速度≥1.1 m/s2；

緊急制動(dòng)平均減速度≥2.3 m/s2；

安全制動(dòng)平均減速度≥1.2 m/s2。

根據(jù)減速度要求、各載荷狀態(tài)下的軸重分布、黏著需求、安全原則等確定制動(dòng)模式配置方案，見(jiàn)表1。

表1 制動(dòng)模式配置表

除了在緊急制動(dòng)和安全制動(dòng)模式下觸發(fā)撒沙，在車輛運(yùn)行過(guò)程中如果發(fā)生空轉(zhuǎn)或者滑行時(shí)自動(dòng)觸發(fā)撒沙，同時(shí)設(shè)計(jì)有手動(dòng)撒沙按鈕。

2 液壓制動(dòng)配置

整車制動(dòng)采用架控模式，系統(tǒng)由2個(gè)動(dòng)車，1個(gè)拖車共3套配置，其中動(dòng)車配置相同，如圖2所示。

圖2 制動(dòng)原理圖

動(dòng)車由制動(dòng)控制模塊（HCM）、動(dòng)車液壓?jiǎn)卧⒈粍?dòng)式夾鉗、制動(dòng)盤、載荷傳感器、磁軌制動(dòng)器、輔助緩解單元組成，見(jiàn)表2。

表2 單個(gè)動(dòng)車液壓制動(dòng)配置表

拖車由制動(dòng)控制單元（KBGM）、拖車液壓?jiǎn)卧?、主?dòng)式夾鉗、制動(dòng)盤、載荷傳感器、磁軌制動(dòng)器、蓄能器、速度傳感器組成，見(jiàn)表3。

表3 拖車液壓制動(dòng)配置表

2.1 制動(dòng)控制

2.1.1動(dòng)車制動(dòng)控制

動(dòng)車制動(dòng)控制由制動(dòng)控制模塊（HCM）、動(dòng)車液壓?jiǎn)卧M成。動(dòng)車制動(dòng)控制原理圖中制動(dòng)控制模塊（HCM）將從車輛控制單元（VCU）發(fā)來(lái)的制動(dòng)指令轉(zhuǎn)換為精確的信號(hào)，用來(lái)控制動(dòng)車液壓?jiǎn)卧械谋壤刂崎y（10）、電機(jī)（1）、油泵（2），如圖3、圖4所示。同時(shí)檢測(cè)來(lái)自制動(dòng)壓力傳感器（6）的信號(hào)，用于控制制動(dòng)力大小。

圖3 動(dòng)車制動(dòng)控制原理圖

圖4 動(dòng)車液壓?jiǎn)卧韴D

HCM制動(dòng)力大小分Step1、Step2、Step3三級(jí)控制，HCM從VCU接收到輸入信息后進(jìn)行不同模式的制動(dòng)。同時(shí)根據(jù)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)，將“制動(dòng)緩解”、“制動(dòng)施加”和“制動(dòng)故障”信號(hào)發(fā)給車輛控制系統(tǒng)。

動(dòng)車液壓?jiǎn)卧a(chǎn)生并控制用于操作被動(dòng)式制動(dòng)夾鉗（制動(dòng)力的施加靠夾鉗內(nèi)的彈簧）的壓力。在制動(dòng)管路無(wú)壓力的情況下或在比例控制閥（10）斷電狀態(tài)下，以最大制動(dòng)力施加制動(dòng)。如要緩解制動(dòng)器，HCM的預(yù)設(shè)值設(shè)定制動(dòng)壓力，如果制動(dòng)管道中的壓力達(dá)到或超出被動(dòng)式夾鉗特有的緩解壓力，則制動(dòng)器完全緩解。動(dòng)車液壓?jiǎn)卧敵隹冢≒）通過(guò)管路接頭與夾鉗制動(dòng)缸連通，系統(tǒng)中的壓力由比例控制閥（10）調(diào)節(jié)，按照電氣控制分級(jí)產(chǎn)生制動(dòng)壓力。

2.1.2拖車制動(dòng)控制

拖車制動(dòng)控制由制動(dòng)控制單元（KBGM）、拖車液壓?jiǎn)卧M成。拖車制動(dòng)控制原理圖和拖車液壓?jiǎn)卧韴D如圖5、圖6所示，拖車制動(dòng)控制原理圖中制動(dòng)控制單元（KBGM）集成了制動(dòng)控制和輪對(duì)滑行保護(hù)功能。KBGM從車輛控制單元（VCU）發(fā)來(lái)的制動(dòng)指令轉(zhuǎn)換為精確的信號(hào)，用來(lái)控制拖車液壓?jiǎn)卧械谋壤y（7）和比例閥（8）動(dòng)作，同時(shí)檢測(cè)來(lái)自制動(dòng)壓力傳感器（9）的信號(hào)，從而產(chǎn)生制動(dòng)力的施加和緩解。當(dāng)蓄能器壓力傳感器（6）的值小于設(shè)定值時(shí)，電機(jī)（1）、油泵（2）啟動(dòng)，比例閥（7）關(guān)閉對(duì)蓄能進(jìn)行打壓，蓄能器壓力傳感器壓力值達(dá)到目標(biāo)值時(shí)，KBGM控制電機(jī)停止。

圖5 拖車制動(dòng)控制原理圖

圖6 拖車液壓?jiǎn)卧韴D

KBGM能夠和VCU通過(guò)CAN-Open網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有沖擊限制、載荷補(bǔ)償功能，同時(shí)對(duì)拖車液壓制動(dòng)力進(jìn)行無(wú)級(jí)控制。KBGM集成了輪對(duì)滑行保護(hù)控制器，通過(guò)適時(shí)檢測(cè)拖車轉(zhuǎn)向架2根車軸的轉(zhuǎn)速判斷是否存在滑行，一旦出現(xiàn)滑行就會(huì)控制拖車液壓?jiǎn)卧獪p小制動(dòng)力，以適應(yīng)輪軌黏著的情況，同時(shí)會(huì)發(fā)出“撒沙”指令，增加防滑功能的可靠性。KBGM從VCU接收到輸入信息后進(jìn)行不同模式的制動(dòng)，同時(shí)根據(jù)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)，將“制動(dòng)緩解”、“制動(dòng)施加”、“制動(dòng)故障”和“撒沙”信號(hào)發(fā)給車輛控制系統(tǒng)。

拖車液壓?jiǎn)卧a(chǎn)生并控制用于操作主動(dòng)式制動(dòng)夾鉗的壓力。制動(dòng)壓力傳感器（9）的信號(hào)適時(shí)被KBGM讀取，KBGM將讀取信號(hào)與制動(dòng)請(qǐng)求信號(hào)進(jìn)行對(duì)比，觸發(fā)比例閥（7）和比例閥（8）動(dòng)作，比例閥（7）用于提高壓力，比例閥（8）用于降低壓力，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)后的壓力由P口達(dá)到夾鉗制動(dòng)缸。

2.2 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)采用盤形制動(dòng)，包括制動(dòng)夾鉗、閘片和制動(dòng)盤。動(dòng)車采用的被動(dòng)式夾鉗，拖車采用的主動(dòng)式夾鉗。閘片采用有機(jī)摩擦材料，每個(gè)閘片均有磨耗顯示槽，以便目測(cè)磨耗情況。制動(dòng)盤均安裝在軸端面，材質(zhì)為灰口鑄鐵，進(jìn)行了專門的冷卻筋散熱設(shè)計(jì)。

2.3 輔助緩解裝置

如果車輛控制系統(tǒng)故障或失電，動(dòng)車彈簧力會(huì)施加。如果現(xiàn)在必須移動(dòng)或牽引車輛，則通過(guò)輔助緩解裝置生成用于緩解彈簧力所需的壓力。此裝置在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對(duì)應(yīng)于被動(dòng)式夾鉗，僅用于故障情況下的緩解。

2.4 磁軌制動(dòng)裝置

磁軌制動(dòng)提供了一種額外的獨(dú)立于黏著的車輛制動(dòng)形式，由磁軌制動(dòng)裝置中的線圈產(chǎn)生電磁力使其吸附在軌道上的一種摩擦力制動(dòng)［3］。磁軌制動(dòng)一旦失電，電磁力消失，裝置就會(huì)在回位彈簧作用下回到初始位置。磁軌制動(dòng)具有清潔軌道，改善黏著；低懸掛設(shè)計(jì)，響應(yīng)快速；隨著車輪磨耗易于調(diào)整等優(yōu)點(diǎn)。

3 制動(dòng)模式

3.1 常用制動(dòng)

常用制動(dòng)通常指電制動(dòng)開始淡出速度點(diǎn)（一般≤5 km/h）以前的制動(dòng)，通過(guò)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上的電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)時(shí)電制動(dòng)力要能夠滿足規(guī)定載荷狀態(tài)下的減速度要求，盡量不補(bǔ)充液壓制動(dòng)力。電制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量由儲(chǔ)能裝置吸收，儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)線路仿真分析和能量管理策略來(lái)保證在任何時(shí)間進(jìn)行電制動(dòng)時(shí)，都能夠安全可靠地回收。

常用制動(dòng)具有防滑功能、載荷補(bǔ)償功能和沖動(dòng)限制。

3.2 緊急制動(dòng)

緊急制動(dòng)是減速度要求最高的制動(dòng)模式，包括動(dòng)車最大電制動(dòng)力、磁軌制動(dòng)力和拖車液壓制動(dòng)力，動(dòng)車不施加液壓制動(dòng)力。設(shè)計(jì)時(shí)要最大限度地發(fā)揮電制動(dòng)能力，充分利用好磁軌的非黏著制動(dòng)力，在安裝空間滿足情況下盡可能選擇大吸附力的磁軌，拖車液壓制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充來(lái)達(dá)到規(guī)定載荷狀態(tài)下的減速度要求。

緊急制動(dòng)動(dòng)車電制動(dòng)防滑，拖車液壓制動(dòng)防滑，同時(shí)觸發(fā)撒沙改善軌道黏著。緊急制動(dòng)具有載荷補(bǔ)償功能和沖動(dòng)限制。

3.3 安全制動(dòng)

安全制動(dòng)包括液壓制動(dòng)、磁軌制動(dòng)［4］。當(dāng)安全環(huán)路斷開時(shí)，動(dòng)車液壓?jiǎn)卧獔D4中安全制動(dòng)閥（11）失電，則制動(dòng)管道通過(guò)限壓閥（13）連接油箱（16）。制動(dòng)壓力將降至在限壓閥（13）上設(shè)置的數(shù)值，動(dòng)車制動(dòng)夾鉗制動(dòng)力施加。節(jié)流閥（12）既能保證夾鉗能足夠快地制動(dòng)，又能防止過(guò)快的制動(dòng)力上升而導(dǎo)致的沖擊。

拖車液壓?jiǎn)卧獔D6中通過(guò)比例閥（7）和比例閥（8）預(yù)先設(shè)定好的比例值進(jìn)行制動(dòng)。

安全制動(dòng)不具有載荷補(bǔ)償功能和防滑功能，同時(shí)觸發(fā)撒沙改善軌道黏著，具有沖動(dòng)限制。

3.4 停車制動(dòng)

當(dāng)車速低于約5 km/h時(shí)，這時(shí)候電制動(dòng)逐漸淡出，動(dòng)車液壓制動(dòng)施加Step1的值，拖車液壓制動(dòng)根據(jù)沖擊率斜率施加制動(dòng)力，當(dāng)車速低于3 km/h時(shí)動(dòng)車液壓制動(dòng)施加Step2的值，當(dāng)車速約為0.5 km/h時(shí)所有液壓制動(dòng)力施加。

3.5 停放制動(dòng)

車輛停止時(shí)，若收到相關(guān)指令或車輛斷開24 V DC電源后，動(dòng)車夾鉗施加基于彈簧的最大制動(dòng)力。能夠保證車輛在AW3載荷，60‰的坡道上不溜車。

4 電制動(dòng)故障

設(shè)計(jì)需要考慮電制動(dòng)故障情況下的制動(dòng)力施加來(lái)保障車輛安全停車，整車電制動(dòng)為1個(gè)輔助逆變器控制1個(gè)動(dòng)力轉(zhuǎn)向架上的2臺(tái)電機(jī)，共有2個(gè)輔助逆變器，所以電制動(dòng)故障分為50%電制動(dòng)故障和100%電制動(dòng)故障，具體措施見(jiàn)表4。

表4 電制動(dòng)故障制動(dòng)模式表

磁軌制動(dòng)是通過(guò)硬線控制的，電路閉合施加磁軌制動(dòng)力，電路斷開釋放磁軌制動(dòng)力。

5 結(jié)束語(yǔ)

制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)系到行車安全，首先針對(duì)減速度要求，根據(jù)軸重分布進(jìn)行制動(dòng)計(jì)算，在計(jì)算過(guò)程中合理地分配制動(dòng)力，并充分考慮系統(tǒng)的安全可靠?；谟熊夒娷嚨膶?shí)際路況需要對(duì)制動(dòng)模式進(jìn)行合理配合，對(duì)制動(dòng)模式的合理設(shè)計(jì)，充分考慮邏輯關(guān)系，故障處理等一系列問(wèn)題，在設(shè)計(jì)源頭把控，降低制動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)。