陳 騫，張 翔，薛 江，張慶爽，趙春光，王 瑞

（北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094）

1 引言

隨著我國城鎮(zhèn)化的快速發(fā)展，人民出行的需求也在日益增長。在龐大的人口基數(shù)下，國家對于城市軌道交通的需求亦在不斷提高。隨著碳中和、節(jié)能減排等一系列環(huán)保要求的日趨提高，在綠色節(jié)能的目標(biāo)下，實(shí)現(xiàn)快速化的城市軌道交通車輛已然成為行業(yè)內(nèi)追逐的方向。與此同時(shí)，隨著列車速度、使用頻次的提升，制動(dòng)系統(tǒng)在保證列車安全的前提下向輕量化、節(jié)能化的目標(biāo)進(jìn)行改進(jìn)。與傳統(tǒng)城市軌道交通列車所使用的空氣制動(dòng)或液壓制動(dòng)系統(tǒng)不同，一種全新高效的電機(jī)械制動(dòng)技術(shù)正在迅速發(fā)展。

2 “雙碳”目標(biāo)下的制動(dòng)技術(shù)發(fā)展

中共中央、國務(wù)院關(guān)于“雙碳”的工作意見[1]中，明確提出積極引導(dǎo)低碳出行、加快城市軌道交通等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。在相關(guān)政策的支持下，城市軌道交通未來市場形勢向好的同時(shí)，對列車的要求也越來越高。

相較于其他軌道交通，城市軌道交通具有以下特點(diǎn)：車站相對密集，列車在站間運(yùn)行，頻繁處于啟動(dòng)、制動(dòng)交替狀態(tài)，高頻使用制動(dòng)裝置；列車的制動(dòng)性能一定程度地受到城市通勤人員“潮汐”現(xiàn)象致使車重明顯變化的影響；列車運(yùn)行的平穩(wěn)性受到高峰時(shí)段“人擠人”狀態(tài)的考驗(yàn)。此外，城市軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)還需在極端工況下，以絕對的安全性保障乘客的生命財(cái)產(chǎn)安全。因此，作為確保列車安全運(yùn)行的核心技術(shù)，制動(dòng)系統(tǒng)的重要性不言而喻。

為實(shí)現(xiàn)列車安全、節(jié)能、高效運(yùn)行，城市軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)的智慧化升級迫在眉睫。目前，傳統(tǒng)城市軌道交通車輛制動(dòng)仍存在許多問題，如空氣制動(dòng)系統(tǒng)的管路復(fù)雜，在檢修時(shí)，對于管路維護(hù)較為繁瑣，制動(dòng)管路也會因?yàn)榫€路的問題產(chǎn)生共振而存在斷裂的風(fēng)險(xiǎn)[2]；空氣制動(dòng)系統(tǒng)由于設(shè)備結(jié)構(gòu)的限制，自身體積相對較大，不利于車輛輕量化的設(shè)計(jì)；適用于低地板車、空掛懸軌車、單軌車輛的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，雖然在一定程度上可以解決制動(dòng)系統(tǒng)體積的問題，但該系統(tǒng)所使用的液壓油，無論是在運(yùn)用過程中，還是檢修時(shí)，都會存在一定的泄露問題，更換下來的廢油也會造成環(huán)境污染，不符合綠色環(huán)保的要求和趨勢。因此，考慮提升列車的可靠性、可用性、維修性和安全性（RAMS）以及降低全生命周期成本（LCC），一種符合“雙碳”目標(biāo)的下一代制動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新勢在必行。

3 現(xiàn)代城市軌道交通列車制動(dòng)系統(tǒng)

如圖1所示，現(xiàn)代城市軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)從原理上可分為壓力制動(dòng)與線控制動(dòng)。壓力制動(dòng)是目前應(yīng)用最為廣泛的制動(dòng)系統(tǒng)，包括常見于城市軌道交通、市域車輛的空氣制動(dòng)系統(tǒng)，以及用于低地板車、懸掛空軌車的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，其二者都是基于流體壓力傳遞的制動(dòng)技術(shù)。隨著時(shí)間的推移和技術(shù)的突破，在滿足可靠性的前提下，現(xiàn)代列車已經(jīng)不僅僅局限于對速度等級和運(yùn)載能力的追求，轉(zhuǎn)而追求更高的效能比以及高度集成化。因此，制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展要求主要有高可靠性、輕量化、集成化以及智能化。全新的線控制動(dòng)技術(shù)也應(yīng)運(yùn)而生，根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的不同可分為由電子液壓助力的電液壓制動(dòng)系統(tǒng)及由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)。其中，電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)成為包括城市軌道交通在內(nèi)的列車制動(dòng)技術(shù)發(fā)展的新趨勢[3]。

圖1 現(xiàn)代城市軌道交通列車制動(dòng)系統(tǒng)的分類

3.1 壓力制動(dòng)技術(shù)

壓力制動(dòng)技術(shù)分為空氣制動(dòng)和液壓制動(dòng)?？諝庵苿?dòng)系統(tǒng)主要由美國工程師喬治·威斯汀于1869年發(fā)明的空氣制動(dòng)機(jī)衍生而來。伴隨著技術(shù)的提升與發(fā)展，空氣制動(dòng)系統(tǒng)150年來一直作為列車制動(dòng)系統(tǒng)的主要技術(shù)基礎(chǔ)。其核心在于集中式的壓縮空氣存儲，配套獨(dú)立的氣動(dòng)控制模塊，通過氣動(dòng)閥類對空氣通路的控制，完成壓縮空氣能量的輸送及傳遞。該系統(tǒng)在帶來可靠性與穩(wěn)定性的同時(shí)，也存在一定的劣勢：由于風(fēng)源及壓縮空氣儲存裝置帶來的較為龐大體積；氣動(dòng)控制模塊以及列車之間相對繁冗的管路系統(tǒng)。后期液壓制動(dòng)系統(tǒng)的引入雖在一定程度上解決了空間的問題，但存在城市軌道交通列車在救援時(shí)的導(dǎo)通性問題。所以，除少數(shù)對空間有較高要求的低地板車外，液壓制動(dòng)系統(tǒng)并沒有在列車中大量普及使用。

3.2 線控制動(dòng)技術(shù)

相較于壓力集中儲存再分配的模式，線控制動(dòng)技術(shù)的核心在于將信號與能量分開，做到以集成化控制模塊為核心，收到指令后向下游各個(gè)制動(dòng)器傳輸信號，由制動(dòng)器直接完成能量的分布式執(zhí)行。線控制動(dòng)技術(shù)從執(zhí)行方式可分為電液壓制動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)（EMB）。

電子液壓制動(dòng)技術(shù)已經(jīng)在汽車上擁有批量應(yīng)用的業(yè)績，其中主要包括博世公司的iBooster系列、大陸集團(tuán)的 MKC1等。其主要特點(diǎn)是使用電控助力機(jī)構(gòu)讓汽車擺脫傳統(tǒng)真空泵因外界氣壓的變化對制動(dòng)系統(tǒng)性能的影響[4-5]，以保證高效制動(dòng)性能的同時(shí)增加電動(dòng)汽車的再生制動(dòng)。此外，集成度更高的電子液壓制動(dòng)裝置帶來的尺寸優(yōu)勢也更為明顯，不再受限于汽車車型的限制。軌道交通市場中，如圖2所示，西門子交通也于2022年正式發(fā)布MoComp制動(dòng)系統(tǒng)旗下的無氣化制動(dòng)系統(tǒng)[6]。該系統(tǒng)從原理上講，也屬于一種適用于列車的電液壓制動(dòng)技術(shù)。

圖2 西門子無氣化制動(dòng)夾鉗單元

電機(jī)械制動(dòng)技術(shù)的本質(zhì)在于“純電”，即電驅(qū)動(dòng)與電控融合。這與線控制動(dòng)中的線纜（Wire）更加匹配，也是線控制動(dòng)技術(shù)的最終目標(biāo)。電機(jī)械制動(dòng)是一種使用電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過傳動(dòng)裝置推動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，對摩擦副機(jī)構(gòu)提供壓力而完成的一種摩擦制動(dòng)技術(shù)。相較于傳統(tǒng)制動(dòng)技術(shù)，電機(jī)械制動(dòng)技術(shù)無需空氣、液壓油等介質(zhì)，而是以電能為能源供應(yīng)，以電信號為控制信號。這種原理下的制動(dòng)系統(tǒng)不僅能提升傳遞效率，還可以縮短傳遞時(shí)間，提高摩擦力的使用效率，做到輸入能量與制動(dòng)所需能量的最大轉(zhuǎn)化。目前，汽車領(lǐng)域中，布雷博Brembo的Sensify制動(dòng)系統(tǒng)、大陸集團(tuán)Continental的MKC2制動(dòng)系統(tǒng)以及瀚德萬安集團(tuán)的電制動(dòng)產(chǎn)品已逐漸面向市場推廣。在軌道交通行業(yè)中，如圖3所示的歐盟Shift2rail項(xiàng)目[7]提供的解決方案目錄以及如圖4所示的捷克DAKO-CZ公司[8]也相繼推出適用于城市軌道交通行業(yè)的電機(jī)械制動(dòng)裝置。

圖3 Shift2rail手冊中展示的電機(jī)械制動(dòng)裝置

圖4 DAKO-CZ電機(jī)械制動(dòng)裝置產(chǎn)品

4 電機(jī)械制動(dòng)裝置

制動(dòng)系統(tǒng)作為城市軌道交通列車在運(yùn)營階段使用最為頻繁的設(shè)備之一，在保障安全可靠的前提下，提高車輛運(yùn)營時(shí)的制動(dòng)效率、降低維護(hù)成本，以及延長設(shè)備的使用壽命，是制動(dòng)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的主要途徑[9]。電機(jī)械制動(dòng)裝置主要由電子制動(dòng)控制單元、驅(qū)動(dòng)控制裝置及基礎(chǔ)制動(dòng)裝置組成。相較于傳統(tǒng)氣動(dòng)制動(dòng)裝置，減少氣動(dòng)閥類及管路的鋪設(shè)需求，從而減輕車輛總體重量，再加之能源的有效利用，電機(jī)械制動(dòng)的制動(dòng)效率將提高。

運(yùn)用維護(hù)方面，現(xiàn)有制動(dòng)裝置相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)壽命為30年。根據(jù)相關(guān)要求，現(xiàn)有城市軌道交通運(yùn)營的車輛需要在行駛60萬km或服役5年進(jìn)行架修，行駛120 萬km或服役10年需要進(jìn)行大修[10]。在服役期內(nèi)，現(xiàn)有的空氣制動(dòng)裝置主要通過設(shè)定在氣動(dòng)閥類中的傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，而基礎(chǔ)制動(dòng)裝置中的閘片和制動(dòng)盤的磨耗通常只能通過人工定期在車下測量完成，無法做到真正的“智能運(yùn)維”。而電機(jī)械制動(dòng)裝置由于電子化部件的加入，對基礎(chǔ)制動(dòng)端進(jìn)行了智能化的升級，可增加部件級的狀態(tài)監(jiān)測以及運(yùn)用時(shí)盤片間隙的自動(dòng)檢測功能。設(shè)備自動(dòng)化的提升可降低日常維護(hù)的成本，更加完善的監(jiān)測及檢測功能便于接入車輛級的故障預(yù)測與健康管理系統(tǒng)，延長制動(dòng)裝置的壽命。

北京縱橫機(jī)電科技有限公司于2018年針對適用于軌道交通領(lǐng)域的電機(jī)械制動(dòng)技術(shù)開始立項(xiàng)研究，如圖5所示，提出一種以輕量化、高效化以及智能化為目標(biāo)的電機(jī)械制動(dòng)解決方案。相較于傳統(tǒng)空氣制動(dòng)產(chǎn)品，該電機(jī)械制動(dòng)裝置，可提升車輛制動(dòng)性能，完善車輛自動(dòng)化駕駛功能，使列車更加智能化。該款電機(jī)械制動(dòng)夾鉗裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，具備即插即用功能（Plug and Play），并在安裝接口方面與現(xiàn)有氣動(dòng)夾鉗裝置保持一致。配合更加先進(jìn)的制動(dòng)控制裝置，便于人工智能、機(jī)器學(xué)習(xí)等算法的介入并提升智慧化的控制功能。圖6為電機(jī)械制動(dòng)裝置樣機(jī)試驗(yàn)平臺，經(jīng)過試驗(yàn)平臺的實(shí)際測試，該款電機(jī)械制動(dòng)夾鉗裝置與現(xiàn)有空氣制動(dòng)夾鉗單元輸出力相當(dāng)，但響應(yīng)時(shí)間大幅縮短，理論上可在優(yōu)化工作載客制動(dòng)性能的同時(shí)，針對復(fù)雜、惡劣的工況，進(jìn)一步縮短制動(dòng)距離，保障列車的安全性。

圖5 電機(jī)械制動(dòng)夾鉗裝置樣機(jī)

圖6 電機(jī)械制動(dòng)裝置樣機(jī)試驗(yàn)平臺

為保證新一代電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的安全性，電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)需要像傳統(tǒng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)一樣具備能量存儲的措施。如圖7所示，傳統(tǒng)空氣制動(dòng)系統(tǒng)通過空壓機(jī)將空氣壓縮后儲存至各車的制動(dòng)風(fēng)缸中，以實(shí)現(xiàn)能量的儲存。相似地，電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)采用列車電源作為主能量來源，并設(shè)置獨(dú)立的備用電源作為儲能裝置，以保證異常工況時(shí)電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。這種系統(tǒng)架構(gòu)使得電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)具備系統(tǒng)安全冗余的特性。

圖7 空氣制動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)功能模塊對比

由于電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)無需像傳統(tǒng)壓力制動(dòng)系統(tǒng)一樣使用空氣或液壓油作為介質(zhì)進(jìn)行壓力轉(zhuǎn)換，如圖8所示，電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間明顯短于傳統(tǒng)壓力制動(dòng)系統(tǒng)。利用該特性，電機(jī)械制動(dòng)可實(shí)現(xiàn)更短距離的制動(dòng)效果。在實(shí)際車輛的運(yùn)用過程中，可以縮短摩擦副部件的工作時(shí)間，有效提高摩擦片與制動(dòng)盤的壽命，從而延長列車的檢修周期，降低使用成本。

圖8 空氣制動(dòng)系統(tǒng)與電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)性能對比

5 電機(jī)械制動(dòng)的應(yīng)用展望

隨著2030年碳達(dá)峰以及2060年碳中和戰(zhàn)略決策的部署，配合相應(yīng)政策的制定及推行，城市軌道交通綠色出行的比例會進(jìn)一步增加，列車的高效化也將進(jìn)一步升級。未來城市軌道交通制動(dòng)系統(tǒng)市場的發(fā)展，在完成電機(jī)械制動(dòng)技術(shù)科技創(chuàng)新任務(wù)的同時(shí)，也為成果轉(zhuǎn)化提供平臺與基礎(chǔ)。隨著制動(dòng)系統(tǒng)電子化，未來城市軌道交通的制動(dòng)系統(tǒng)也將更加安全可靠，乘客在城市中穿梭的舒適度也將得到提升。目前，電機(jī)械制動(dòng)的相關(guān)產(chǎn)品正陸續(xù)從實(shí)驗(yàn)室走向市場，將會為下一代智慧交通提供一種全新的解決方案。