地铁车辆制动系统空气制动施加方式及特点分析

2011-08-08刘卓

铁道机车车辆 2011年6期

刘卓

（沈阳地铁有限公司，辽宁沈阳110011）

1 地铁车辆制动方式简介

地铁车辆编组基本采用动力分散动车组的形式，其车辆的基本类型分为动车（M－car）和拖车（T－car）两种。

动车带有牵引电机，在给车辆提供必要的牵引驱动力的同时当列车需要减速时，还以通过电机反转的方式将列车动能转变为电能反馈到电网或通过电阻发热的形式消散于大气。电机反转的过程给列车提供了一个必要的制动力，以此达到制动的目的。正常情况下，地铁车辆有较强的电制动能力，这种制动方式没有机械磨损，制动力大，效率高，可以实现这类车型动能的回收，因此优先采用［1］。

空气制动方式是通过车轮踏面与闸瓦摩擦生热将列车动能转换为热能，并最终耗散于大气。空气制动方式需要通过车轮踏面与闸瓦之间的摩擦来产生制动力，车轮踏面与闸瓦的摩擦过程必然带来车轮踏面的磨损，因此一般在电制动力不足的情况下空气制动才投入使用［2］。动车和拖车都配备有空气制动装置，都可以通过空气制动的方式来实现列车减速的目的。

空气制动系统主要由风源系统、控制系统和执行装置（基础制动装置）3个部分组成。其中控制系统是制动系统的核心，主要由带有防滑控制的制动微机控制单元（EBCU）、制动控制单元（BCU）和空气制动控制屏组成。制动控制系统基本机构如图1所示［3－4］。

图1 制动控制系统基本结构示意图

2 电空混合制动原理简介

以常用制动为例，当列车控制系统发出制动指令后，首先采用的是电制动，将电制动产生的电能反馈到电网或通过电阻发热的方式耗散于大气；当列车速度继续下降到一定速度值时，电制动开始退出，空气制动逐步代替电制动，列车停止后，列车制动系统再自动对列车施加一个保持制动。

3 空气制动施加方式介绍

列车制动过程中当电制动力不足，或列车电制动出现故障无法施加需要补充空气制动时，通常可以采用以下两种方式：

方式1：等黏着方式

优先以拖车空气制动作为补充，直至拖车空气制动力达到某一黏着力限制，如果此时制动力还不能使列车达到规定减速度，则再以动车空气制动力作为补充；该方式下动车、拖车的轮轨黏着力基本保持一致，因此称之为等黏着控制方式。

方式2：等磨耗方式

将需要补充的空气制动力在各车平均分配，即动车、拖车均施加相同的空气制动力。该方式下动车、拖车空气制动闸瓦压力基本一致，空气制动过程对动车、拖车车轮踏面的磨耗也基本一致，因此称之为等磨耗方式。

4 两种空气制动施加方式对比分析

4．1 车轮踏面温度场影响对比分析

为了研究等黏着制动方式与等磨耗制动方式对车轮踏面热负荷的影响程度，特利用有限元分析软件对两种方式下制动时列车车轮踏面的温度场变化情况进行了仿真计算。由于车轮为轴对称结构，因此仿真过程中只取车轮的1／36进行建模［5］，以abaqus有限元仿真软件作为仿真平台，以沈阳地铁2号线目前线路及车辆条件作为仿真建模的基础，模拟列车以不同制动工况在线路上持续运行时车轮踏面的温度变化情况。计算性能参数见表1，有限元网络划分及车轮温度分布云图如图2。

表1 车轮材料仿真计算性能参数

车轮踏面热流密度的大小：

式中W 为每个车轮平均制动力；Sf为车轮旋转一周闸瓦在踏面上扫过的面积。

图2 车轮有限元仿真模型

（1）仿真初始条件

沈阳地铁2号线全线共有19座地下车站，正线全长21．86 km，平均站间距1．65 km。列车编组形式3M3T，最高运行速度80 km／h，AW3载荷下车辆轴重不大于14 t。

（2）仿真工况

共对下列3种工况进行了仿真计算：

①AW3载荷，列车电制动正常情况下，以正常的制动减速度（0．8 m／s2）进行停车制动；

②AW3载荷，列车电制动正常情况下，以最大常用制动减速度（1．0 m／s2）进行停车制动；

③AW3载荷，1辆车电制动故障情况下，以1．0 m／s2的制动减速度进行停车制动。

4．1．1 电制动正常，列车以正常制动减速度进行停车

制动，两种空气制动方式的影响对比分析

图3为沈阳地铁2号线列车牵引电制动特性曲线，沈阳地铁2号线列车AW3载荷下列车总重为303 t，而AW3载荷下电制动所能提供的制动力从牵引制动特性曲线上可以看出约为250 k N。由于列车制动减速度a＝F／m（F为列车总制动力；m为列车总重），计算可知在列车电制动正常发挥的情况下，不需要空气制动既可以实现0．8 m／s2的停车制动。

图3 牵引电制动特性曲线

由于等磨耗和等黏着的制动方式均是针对空气制动而言，在电制动正常发挥的情况下，列车速度在5 km／h以上时基本不施加空气制动，车轮踏面温度不会发生明显变化，因此该工况下等磨耗和等黏着两种制动方式对列车的影响没有明显的区别。

4．1．2 电制动正常，列车以最大常用制动减速度进行停车制动，车轮踏面温度场影响对比分析

沈阳地铁2号线列车最大常用制动减速度值为1．0 m／s2，列车电制动正常工作时通过制动计算可知，列车制动时若电制动完全施加，可达到0．8 m／s2的制动减速度。而若要实现列车1．0 m／s2的减速度就必须同时补充空气制动。下面利用有限元分析软件分别对等黏着和等磨耗两种空气制动施加方式下车轮踏面的温度变化情况进行仿真计算。仿真结果分析如下。

图4为列车电制动正常工作的情况下，采用等黏着制动方式施加空气制动时拖车车轮踏面的温度变化曲线。由于等黏着方式下优先施加拖车空气制动，而该工况下全列车所需补充的空气制动力完全在拖车黏着限制范围之内，动车不需要再补充空气制动。因此仿真计算过程仅对拖车车轮踏面温度变化情况进行分析。

图5为列车电制动正常工作的情况下，采用等磨耗制动方式施加空气制动时动车、拖车车轮踏面的温度变化曲线。由于在该制动方式下，动车、拖车所施加的空气制动力基本一致，因此，动车、拖车车轮踏面的温度变化情况也基本保持一致。

图4 电制动正常工作，列车以等黏着方式施加空气制动时拖车车轮踏面温度变化曲线

图5 电制动正常工作时，列车以等磨耗方式施加空气制动时车轮踏面温度变化曲线

从图4、图5可以看出，列车在相同的初始条件下进行车轮踏面热负荷仿真计算时，采用等黏着制动方式时，每次都优先以拖车空气制动作为补充，通常情况下动车基本不施加或很少施加空气制动。此时拖车车轮踏面工作温度高于动车车轮踏面，拖车车轮踏面最高温度达到120℃。

而采用等磨耗制动方式时，由于需要补充的空气制动力被平均分配在每个动车、拖车上，此时拖车车轮踏面承受的热负荷被动车车轮踏面分担，因此该方式下拖车车轮踏面温度要小于采用等黏着制动方式，从图5可以看出此时车轮踏面最高温度为79℃。

4．1．3 1辆车电制动故障时，列车以最大常用制动减速度进行停车制动，车轮踏面温度场影响对比分析

1辆车电制动故障工况下，通过制动计算可知，列车制动时若电制动完全施加，可达到0．6 m／s2的制动减速度。因此所补充的空气制动力要能实现0．4 m／s2的制动减速度。下面利用有限元分析软件分别对该工况下利用等黏着和等磨耗两种空气制动施加方式时，车轮踏面的温度变化情况进行仿真计算。仿真结果分析如下。

图6为1辆车电制动故障的情况下，采用等黏着制动方式施加空气制动时拖车车轮踏面的温度变化曲线。此时全列车所需补充的空气制动力仍没有超出拖车黏着力限制，因此动车不需要补充空气制动。因此仿真计算过程仅对拖车车轮踏面温度变化情况进行分析。

图7为1辆车电制动故障的情况下，采用等磨耗制动方式施加空气制动时拖车车轮踏面的温度变化曲线。由于在该制动方式下，动车、拖车所施加的空气制动力基本一致，因此，动车、拖车车轮踏面的温度变化情况也基本保持一致。

图6 1辆车电制动故障时，列车以等黏着方式施加空气制动时拖车车轮踏面温度变化曲线

从图6、图7可以看出，列车在相同的初始条件下进行车轮踏面热负荷仿真计算时，采用等黏着制动方式时，每次都优先以拖车空气制动作为补充，通常情况下动车基本不施加或很少施加空气制动。此时拖车车轮踏面工作温度将远远高于动车车轮踏面，拖车车轮踏面最高温度达到272℃。

而采用等磨耗制动方式时，由于需要补充的空气制动力被平均分配在每个动车、拖车上，此时拖车车轮踏面承受的部分热负荷被动车车轮踏面分担，因此该方式下拖车车轮踏面温度要小于采用等黏着制动方式，从图7可以看出此时车轮踏面最高温度为164℃。

4．2 车轮踏面磨耗影响对比分析

4．2．1 电制动正常，制动减速度适中工况

由4．1的相关计算结果可知，在电制动正常工作的情况下，若以正常的制动级位进行停车制动，则列车速度在5 km／h以上时，基本不需要施加空气制动。因此等磨耗制动控制方式和等黏着制动控制方式对车轮踏面的磨耗没有明显的影响。

4．2．2 电制动停止工作，或制动减速度过大需要补充空气制动工况

在电制动停止工作或制动减速度过大需要空气制动进行补充制动力时，若采用等黏着制动控制方式时由于拖车频繁施加空气制动，而动车施加空气制动相对较少，因此拖车车轮踏面磨耗速度将明显大于动车车轮，且过高的制动力容易导致拖车的车轮发生擦伤。

若采用等磨耗制动控制方式时，各车均承受相对较小的摩擦制动力，动车、拖车车轮踏面磨耗情况基本一致。但是，采用该控制方式时，由于动车经常同时施加电制动和空气制动，其总制动力要大于拖车总制动力，在该种情况下，如果车辆防滑装置工作不良将有可能导致动车车轮擦伤。在该控制方式下，拖车车轮发生擦伤的概率相对较小。