乌鲁木齐1号线电动客车制动模式选择

马强

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2015.36.151

摘 要：该文在进行了一定量的数据分析的技术上，在乌鲁木齐1号线南高北低的线路条件下，结合地面吸能装置，研究了电动客车的制动模式选择问题。乌鲁木齐的线路条件时全程27 km的单向大坡道，落差为287 m，在车辆选型为6A编组铝合金车辆的基础上，计算了运行时所需要的制动能量吸收问题。在计算了踏面制动和轮盘制动的前提下，该文论证了两种制式均满足紧急制动工况下的运用需求，但在纯空气制动运行工况下两种制动制式均无法满足全天运营的需求，故全制动电阻是乌鲁木齐1号线线路条件下的车辆功能的必备配置。同时考虑地面吸能装置的可靠性和可用性对比车辆电制动的可靠性，证明加设车载全功率制动电阻也是保证列车安全运行的必要设备。最后论证了在80 km/h的低速车辆，踏面制动带来的轮轨力关系、减重节能等优势，最后得出了在条件允许情况下，尽量使用电阻制动与踏面制动的组合方式的结论。

关键词：乌鲁木齐 大坡道 轨道交通 踏面制动 制动电阻

中图分类号：U469 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）12（c）-0151-04

乌鲁木齐轨道交通1号线于2014年4月正式开工，作为新疆首条轨道交通线路具有较强的地域特色，其线路条件也在国内轨道交通建设项目中十分独特。乌鲁木齐市坐落于天山山脉北麓，地形南高北低，1号线南北走向，全线27 km，单向大坡道，南北落差287 m。这种独特的线路条件对1号线车辆的选型，尤其是牵引、制动系统的选型产生了一定的影响，在国内A型轨道交通地铁车辆的成熟选型基础上，不得不额外考虑线路的单向大坡道的条件。该文就乌鲁木齐1号线用户需求书形成阶段车辆选型的一些考虑进行阐述。

乌鲁木齐1号线为A型铝合金车体电动客车，4动2拖轴重16 t（见表1）。

1 线路条件等运营参数

乌鲁木齐城市轨道交通1号线工程，由三屯碑站至国际机场站。线路全27.615 km，全线地形南高北低线路落差287 m，全部为地下线路； 设21座车站，换乘站7座；最大站间距2.872 km，为宜仁墩～大地窝堡区间，最小站间距0.808 km，为大西沟～中营工区间，平均站间距1.34 km。区间正线最大坡度30‰、辅助线40‰，最小曲线半径正线400 m，辅助线250 m，车辆基地150 m。

因独特的地形条件，行车上行方向287 m的高差所带来的重力势能让乌鲁木齐1号线设置地面吸能装置经济效益显著，初步设计阶段地面考虑设置中压能馈型吸收装置。

根据行车专业的运行需求，乌鲁木齐轨道交通1号线列车最高运行速度80 km/h，旅行速度35 km/h。

在乌鲁木齐1号线的线路条件下按照初步设计给出的停站时间，计算出的各种电制动工况下的空气制动热容量分析。

在AW3工况，80 km/h的速度，半磨耗车轮的条件下模拟踏面制动是踏面温度曲线：

（1）在平直道、按紧急制动最大减速度，连续两次紧急制动是城市轨道交通车辆要求的基本能力，制动减速度1.2 m/s2。（见图1）

（2）列车以最高运行速度80km/h纯空气制动制动运行一个往返。（见图2）

上面两种情况分析，踏面制动可以满足连续两次紧急制动的车轮和闸瓦的热容量要求，但在纯空气制动最高运行速度80 km/h的情况下车轮踏面温度已经达到许用温度极限，故在电制动失效的情况下，纯空气踏面制动是无法满足1号线列车按80 km/h的速度运行的。

后续又进行了轮盘制动热容量的模拟分析，如果电制动完全失效后纯空气运行一个往返的情况，则踏面限速约为50 km/h，轮盘限速约为60 km/h。如果考虑电制动完全失效，纯空气制动全天运行则分别需要进行限速，踏面制动限速为45 km/h，轮盘限速为55 km/h。在这种情况下，为保证1号线列车的正常运行，电制动的可靠性对车辆的安全运行将十分重要。

2 电制动方案分析

电制动的可靠性主要取决于牵引系统中的设备和线路侧的网压，目前城市轨道车辆对列车的MTBF要求一般为10万公里，乌鲁木齐1号线车辆选型为4动2拖，牵引设备故障冗余性也较高，面对国内成熟的牵引厂家，在设计阶段对牵引系统的设备可靠性考虑必要性不是很大，重点应考虑控制线路侧网压的因素。

国内城市轨道交通的再生吸收方案一般分为地面、车载两部分。

地面设置的吸能方案一般有电阻吸能、逆变至动力变压器吸能、反馈到中压环网三种主要的吸收方式。在乌鲁木齐1号线初步设计阶段考虑到1号线线路条件落差较大，设置地面吸能装置效益较好，故推选了目前比较主流的中压回馈式地面吸收装置。

车载吸能装置的选择上一般有设置过压保护电阻、半功率制动电阻、全功率制动电阻三种方案。配置过压保护电阻质量最小，可降低列车自重，起到节能的效果；配置全功率制动电阻重量较重，但可以通过电阻发热的方式吸收掉本车制动过程中电制动所产生的全部能量，保证列车正常行驶情况下空气制动热容量需求最小，对地面吸能装置无硬性需求；半功率制动电阻介于过压保护电阻和全功率制动电阻之间，重量介于两者之间，制动时能吸收一部分列车制动能量，但还需依赖地面吸能装置和空气制动来补充吸收能力的不足。表2是不同的车载电阻自身的优劣比较。

由于乌鲁木齐轨道交通1号线独特的线路条件，电制动失效的情况下将对运营安全带来极大的风险，而网压对电制动的可用性具有最直接的影响，结合目前国内地面吸收装置的可靠性，在车辆设计过程中，地面的吸能装置一般只作为节能装置考虑，列车运行的安全性、可靠性还需由车辆自身保证。在踏面、轮盘制动两种空气方式皆不能满足列车运行的前提下，列车的制动电阻就成为必备的车载设备。针对乌鲁木齐1号线线路条件有三种可行配置方案，半功率制动电阻+轮盘制动、全功率制动电阻+踏面制动、全功率制动电阻+轮盘制动。

目前按乌鲁木齐1号线线路条件需配置的半功率制动电阻重约200 kg、全功率制动电阻重约380 kg。经过模拟分析，按50%电制动考虑模拟半功率制动电阻工况，列车在限速70 km/h时轮盘温度就已经接近300 ℃，故半功率制动电阻无法满足1号线的线路80 km/h运用要求，全功率电阻变为保证列车安全长时间按80 km/h的必要配置。下面只需要对踏面制动和轮盘制动间进行选择。

3 踏面制动和轮盘制动比较

该次计算采用国内某主流制动系统为80 km/h的A型地铁车辆的成熟轮盘制动系统和踏面制动系统进行比较。

高速列车空气制动所释放的能量较大，盘式制动相比踏面制动具有较高的热容量，在对列车控制制动的可用性上有所提升。在一般的线路条件下，采用盘式制动时，车辆可以在纯空气制动的情况下实现最高运行速度80 km/h的一个往返；而采用踏面制动时，车辆可以在纯空气制动的情况下实现最高运行速度60 km/h的一个往返。针对线路条件比较恶劣的乌鲁木齐地铁一号线，估算下坡时制动热负荷较一般线路需增加约1/3。若采用盘式制动，车辆在纯空气制动的情况下也无法实现最高运行速度80 km/h的一个往返；若采用踏面制动，车辆可以在纯空气制动的情况下实现最高运行速度将更低。

在乌鲁木齐1号线的线路条件下，以制动减速度1.32 m/s2，轴重16T来模拟运行一个往返的轮盘制动和踏面制动的温升（见表3）。

在乌鲁木齐的线路条件下，在全天纯空气制动的情况下，踏面制动需要限速45 km/h，轮盘制动需要限速55 km/h。在这样的线路条件下，即使选用轮盘制动，在电制动失效的情况下依旧无法保证正常的运营需求，只要电制动发生故障或者不可用，无论采用踏面制动还是轮盘制动，都无法满足列车的正常运营需求，需要及时退出运营。

去除了质量相同的气路及控制部分，制动器踏面制动一辆车比轮盘制动轻250 kg，轮盘制动还需在车轮上安装单独的制动盘，每套97.5 kg，每车重780 kg。一辆车综合质量比较踏面制动比轮盘制动轻1030 kg，一列车6辆编组踏面制动总质量轻6180 kg，

踏面制动虽然重量较轻，对一系簧下质量影响较小，但热容量也较小，针对乌鲁木齐独特的线路条件，车辆为保证运行安全在空气制动采用踏面制动时配备全功率制动电阻。

4 动力学计算、列车重量计算。

轮盘制动制动盘安装在车轮上，故制动盘得质量应为一系簧下质量。一系簧下质量的增加对动力学性能的劣化，一系簧下没有弹性减震，所有的微小冲击都将产生强大的加速度，经实测，一系轮轨加速度极限值可达10～15个重力加速度，每增加一个单位的一系簧下质量，对轮轨缺陷的冲击力都将放大10～15倍。轮轨间接触缺陷不可避免，故一系簧下质量的小比率增加都将使得轮轨间的磨耗、动力学性能等以更大比率劣化，在技术上可行的范围内减一系小簧下质量将对控制轮轨磨耗及列车的动力学性能有较大改善。

由于轮盘为一系簧下质量，一辆车的一系簧下质量轮盘制动要比踏面制动重780 kg，一列车6辆编组一系簧下质量重4 680 kg（轮盘制动制动盘安装在车轮上，在计算列车重量时要额外考虑制动盘得转动惯量的额外增加）。

按照目前乌鲁木齐1号线A型车转向架一系簧下质量，动车1700 kg，拖车1300 kg，外径640的制动盘单轴约97.5 kg，选择盘式制动将增加将额外增加6%～8%的一系簧下质量，轮轨极限冲击力也将相应增加10～15 kN。这将对未来列车长期运行的轮轨磨耗带来不利影响。

5 经济性核算及结论

盘式制动装置相对于踏面制动装置增加了制动盘，制动夹钳也相对踏面制动单元重，导致车辆每列总重增加6180 kg，每节车的重量增加1030 kg（保守估计，未考虑转动惯量增加）。香港地铁长期运营研究经验表明，车辆空载重量每轻1吨，每年可节电8000度，使用轮盘制动每年每列车将多耗能近50万度。

采用盘式制动的全寿命周期成本大约是踏面制动的2倍。

因此在满足制动要求的前提下，经济长应优选采用踏面制动装置。

除此之外，考虑乌鲁木齐1号线的单线大坡道，电机的选型也应尽量选择功率较大的型号，基础制动选用踏面制动方式有利于在动车转向架给电机预留更大的安装空间。国家发改委发布的A型车的范本也推荐80 km/h的车辆采用踏面制动制式，采用踏面制动可以不修改招标文件模板。

综合考虑，在地面设置中压能馈型吸收装置，保证车辆运行安全的前提下尽量吸收制动再生能量。乌鲁木齐1号线电动客车用户需求书编制阶段决定采用全功率电阻加踏面制动方案进行招标。

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