低地板现代有轨电车制动系统辅助缓解装置的对比分析

曾宪华

(上海庞丰交通设备科技有限公司,201802,上海//工程师)

低地板现代有轨电车制动系统辅助缓解装置的对比分析

曾宪华

(上海庞丰交通设备科技有限公司,201802,上海//工程师)

简述既有低地板现代有轨电车液压制动系统中各种辅助缓解装置的工作原理,并从结构、成本、可操作性及可维修性等方面进行对比分析,进而提出低地板现代有轨电车液压制动系统中辅助缓解装置的设计及选用建议。

低地板有轨电车;制动夹钳;辅助缓解

Author′s address Shanghai Pangfeng Transportation Equipment Technology Co.,Ltd.,201802,Shanghai,China

低地板现代有轨电车是一种节能、环保的交通模式,采用了新的供电、制动、储能等技术,还具有方便乘客上下、靓丽的外形、融合城市景观等优点,越来越受到社会的认可,成为城市内中低运量交通系统的主要选择。由于其车下空间紧凑,制动系统普遍采用液压形式,并且为了满足停放制动及安全制动要求,在列车失电或常用制动(包括缓解)功能失效情况下,部分或者全部制动夹钳要施加制动力。液压制动控制系统正常工作时,根据列车制动、缓解指令,输出或者释放压力,保证制动夹钳制动或者缓解。对于弹簧作用式制动夹钳,充压缓解、减压制动;对于液压作用式制动夹钳,充压制动、减压缓解。当运行过程中常用制动(包括缓解)功能失效时列车需继续运行,以及列车失电时需要其它车辆拖曳时,都需要将制动夹钳进行缓解,即辅助缓解。因此,对于低地板现代有轨电车,设置合理的辅助缓解装置十分重要。

1 辅助缓解分类

根据需要缓解的制动夹钳类型为弹簧作用式还是液压作用式、制动夹钳是否具有辅助缓解回路、辅助缓解装置分散布置还是集中布置、辅助缓解装置手动操作还是电控实现等要求不同,各车型的制动系统辅助缓解装置设计各具特点。辅助缓解装置的具体分类见表1,其中主要的是机械辅助缓解和液压辅助缓解两大类。

2 机械辅助缓解

弹簧作用式制动夹钳都要求具有机械缓解功能。即通过旋转制动夹钳油缸中的机械缓解螺栓,带动丝杠旋转,打开离合器,卸载碟形弹簧制动作用,实现制动夹钳缓解。常用的方式如图1所示。

表1 辅助缓解装置分类

该方式主要用于系统调试期间无火动车以及更换制动闸片时进行操作。但在个别项目中,认为正常液压缓解的可靠性极高,也将此方式用于列车运营过程中万一不能正常液压缓解时,对制动夹钳进行辅助缓解。

机械辅助缓解作为正常缓解故障时的备用方案,优点是制动夹钳结构简单,不用设置辅助液压缓解回路,车辆上不用敷设相应管路及液压控制装置。但其缺点更为明显:首先,在列车运营过程中操作不便,需要用专用工具到车下进行操作,如遇车站及其它障碍物时,没有操作空间;其次,在转向架设计时,必须将制动夹钳辅助缓解螺栓朝向车外侧,缺少灵活性;再次,制动夹钳辅助缓解螺栓寿命有限,如果频繁操作,会导致断裂,在某出口项目中就出现了该问题;此外,使用该方式缓解后,要恢复夹钳的正常工作状态,需要像更换闸片一样调整间隙,过程复杂,倘若有疏漏,制动夹钳就没有制动作用,具有安全隐患。

液压作用式制动夹钳不需要设置辅助机械缓解功能。

图1 机械辅助缓解

3 液压辅助缓解

目前,对于弹簧作用式制动夹钳,制动系统采用液压辅助缓解装置,分为单阀升压缓解和单元缓解方式。对于液压作用式制动夹钳,主要采用单阀泄压缓解方式。

3.1 单阀升压缓解

顾名思义,该缓解方式是靠操作一个单独的阀,实现弹簧作用式制动夹钳的液压升压辅助缓解。如图2所示,远程缓解电磁阀集成在液压制动控制单元内部,平时该电磁阀失电,不参与制动-缓解作用;当需要辅助缓解时,司机室控制该电磁阀得电,将蓄能器压力通过正常缓解回路输送到制动夹钳,实现缓解。司机室设置对应的选择开关,将故障模块单独缓解。

该辅助缓解方式结构简单,除了在液压制动控制单元内增设一个电磁阀,列车进行指令线布置外,无需增加管路及压力控制设备。另外,该方式适用于单液压回路制动夹钳。但该方式过于依靠液压制动控制单元的可靠性,一旦后者出现压力供给、泄漏问题,蓄能器没有足够的缓解压力,或者列车液压管路出现问题,该缓解方式将随之失效。珠海有轨电车1号线工程车辆采用该种辅助缓解方式。另外,为了减小液压供给故障造成的隐患,可为辅助缓解功能设置单独的蓄能器。

单阀缓解一般只用于单液压缓解回路的制动夹钳,双液压缓解回路的制动夹钳都采用单元式制动缓解。

图2 单阀升压辅助缓解

3.2 单元缓解

相比于单阀辅助缓解,低地板现代有轨电车目前更多采用单元式辅助缓解。即辅助缓解装置具有独立的液压管路、独立的压力控制设备。当然,其对应的弹簧作用式制动夹钳也具有辅助缓解液压回路。根据辅助缓解功能实现的自动化程度,其又分为手动缓解装置和电动缓解装置。

3.2.1 手动分散式缓解装置

该缓解装置的动力来源于司乘人员。如图3所示,压力开关、三通阀、手动泵、油壶等构成一个基本的辅助缓解单元,分散布置在转向架的液压管路中。当需要辅助缓解时,将三通阀置辅助缓解位,司乘人员通过手动泵向辅助液压缓解回路加压,缓解制动夹钳。加压多少由司机根据手动泵上的压力表进行监控。当缓解压力足够时,压力开关将缓解信号上报车辆,然后将三通阀置保压位,拆下手动泵,列车运营回库。需要辅助缓解复位时,再次接入手动泵,三通阀置辅助缓解位,缓解回路泄压,液压油回流至手动泵;之后,三通阀置正常位,卸下手动泵,缓解回路中少量液压油可流入油壶。列检时,如果油壶满了将油排掉即可。

该辅助缓解装置结构简单,只需在转向架上布置辅助缓解管路和元件,手动泵单独放置在车上,需要缓解时,由司乘人员带到车下操作。在管路设计时,需将三通阀及手动泵靠近车辆外侧布置,且此处裙板要便于操作。缺点是当出现故障时,必须到车下进行辅助缓解操作,对操作空间有要求,且如果遇到恶劣天气,操作人员的工作环境不好。

图3 手动分散式液压辅助缓解装置(1)

目前,沈阳浑南有轨电车及成都新津线有轨电车采用的是该种液压辅助缓解装置。因该装置的各液压元件分散布置,故暂定义其为手动分散式液压辅助缓解装置。各种手动辅助液压缓解装置的原理大同小异,但基于总体布局、操作环境、监控信号等考虑,其主要元件基本类似,但各型车的结构布局和辅助元件各不相同。

长春轻轨三期车辆的液压辅助缓解装置结构更为简化(见图4),其辅助缓解装置由带电触点的塞门和手动泵构成。平时手动泵放置在客室内,当需要辅助缓解时,打开塞门的呼吸帽,将手动泵连接到塞门,向辅助缓解回路中加压。加压多少由司机根据手动泵上的压力表进行监控。当压力达到缓解要求后,将塞门置保压位,此时塞门上触点接通,将缓解信号发送至列车VCU (车辆控制单元),卸下手动泵,车辆继续运行。当不需要辅助缓解时,将手动泵接到塞门上,塞门置正常位,辅助缓解回路中液压油泄放至手动泵,卸下手动泵,装好塞门呼吸帽。

该液压辅助缓解装置的缓解信号靠塞门手柄方位触发,不能真实反映缓解回路中压力的高低,存在安全隐患。在运用中曾出现过误报信号,造成制动盘异常磨耗。长春轻轨部分车辆参照图3 原理已对液压辅助缓解装置进行改造,在辅助缓解回路中增加压力开关,可直接反应液压压力情况。

图4 手动分散式液压辅助缓解装置(2)

3.2.2 手动集成式缓解装置

为了改善司乘人员工作环境,将手动泵、压力开关、三通阀等手动缓解元件布置在车辆电气柜中,出现故障时,司乘人员就无需下车处理。北京机场线车辆液压辅助缓解装置就是这种布置。

为了维护方便,把手动泵、压力开关、三通阀等集成在一起,定义为手动集成式液压辅助缓解装置。如图5所示,手动泵、压力开关、压力表等均采用插装式结构,集成在共用阀块上。此外,还设置了手动回油阀、视油镜等。阀块下方设置为油箱。青岛城阳有轨电车的辅助缓解装置采用了类似结构。

图5 手动集成式液压辅助缓解装置

另外,根据辅助缓解回路中的用油量以及需要辅助缓解的时间长短,可在辅助缓解装置中设置蓄能器。如配置一个规格为0.16 L的小蓄能器,以平稳保持辅助缓解压力。

3.2.3 手动半集成式缓解装置

在满足辅助缓解需求的前提下,个别项目还有一些不同设计,也是特点鲜明。如广州海珠环岛有轨电车辅助缓解装置,将油壶、压力开关集成到三通阀阀体上,手动泵另置(见图6),属于半集成手动液压辅助缓解装置。

图6 手动半集成式液压辅助缓解装置

3.2.4 电动缓解装置

为使缓解更迅速,减少运营延误时间,在手动集成式液压辅助缓解装置基础上,发展了电动液压辅助缓解装置(见图7):手动泵由电机驱动齿轮泵代替,增加回油电磁阀。需要进行辅助缓解时,通过司机室开关,发出辅助缓解指令,对应的辅助缓解单元中电机带动齿轮泵向辅助缓解回路中供应液压。当压力达到要求时,压力开关控制电机停止工作,同时将辅助缓解信号发出。当完成辅助缓解任务后,回油阀失电,将辅助缓解回路中的压力泄至辅助缓解装置的油箱中。中车南京浦镇车辆有限公司的国产化有轨电车样车采用了这种辅助缓解装置。

图7 电动液压辅助缓解装置

当然,根据实际需要,该装置是否设置蓄能器、是否共用电气启停压力开关与制动缓解压力开关、是否预留手动泵接口以备断电时的手动操作等,都可以进行个性化设计。

除了以上缓解方式外,还有将电控辅助缓解装置与液压制动控制单元集成在一起,共用阀块与油箱,但设置单独的电机、阀和压力开关等。该种方式暂且定义为共用电动辅助缓解装置。该种方式可节省辅助缓解装置单独布置的空间,但整体液压制动控制单元内部结构复杂,体积庞大,对外管路接口多,在车辆上的安装难度较大。

3.3 单阀泄压缓解

部分有轨电车项目在安全制动时需要液压作用式制动夹钳施加制动力。当列车失电或者常用制动功能故障时,液压作用式制动夹钳施加制动作用。为实现制动夹钳缓解,需要卸掉制动夹钳内液压压力。如图8所示,如果能正常供电,则通过给辅助缓解电磁阀上电,实现缓解;如果不能上电,问题出现在运营线路上则缓解比较困难[1]。伊朗某项目采用了该种模式。该项目调试初期安全制动缓解问题突出,后来制订了一系列补充方案,诸如辅助缓解电磁阀从蓄电池单独布线、确保为该阀最大可能性供电,一定程度上缓解了安全制动缓解问题。但其操作时很不方便,需要在缓解状态时断开液压制动控制单元与制动夹钳之间的管路,正常运用前再恢复管路。当然,该结构可通过手动回油阀卸掉蓄能器压力,最终卸掉制动夹钳压力。但将如此体积的液压制动控制单元布置到车侧,且手动回油阀易于触碰,对车下空间紧张的有轨电车来说困难很大。

3.4 对比分析

由表1可知,机械辅助缓解和单阀泄压缓解都是对应夹钳特有的方式,不具备选择特性,仅对弹簧作用式夹钳中的液压辅助缓解方式进行对比才具有意义。表2从工作原理、结构、可维修性和成本等方面对其进行了对比。

4 结语

辅助缓解装置是液压制动系统的重要组成部分,其特性以及与整车的融合对列车的可用性至关重要,同时也影响车辆运营延误时间、司乘人员的故障处理工作环境、维护人员的操作难易以及车辆成本。因此,在系统设计时建议:①安全制动工况,尽量不使用液压作用式制动夹钳,这样只需对弹簧作用式制动夹钳进行辅助缓解;②为提高系统可靠性,尽量选用双液压回路的弹簧作用式制动夹钳,辅助缓解功能具有单独的液压回路;③为提高可维护性,辅助缓解装置尽量采用集成式;④为加速故障处理,尽量采用电动辅助缓解,若采用手动辅助设备,尽量布置在客室电气柜内;⑤无论哪种方式,应确保在正线上能够手动操作实现辅助缓解。

图8 单阀泄压辅助缓解装置

表2 各种弹簧作用式制动夹钳液压辅助缓解方式对比

[1] 丁富昌.伊朗马沙德70%低地板轻轨安全制动缓解浅析[J].今日轨道交通,2013,11(8):87.

[2] 曹国利,曾宪华,刘睿.国产低地板车辆制动系统方案[J].城市轨道交通研究,2012(2):111.

Analysis of Auxiliary Release Device for Low-floor Modern Tram

ZENG Xianhua

The working principle of modern low-floor modern tram auxiliary relief device in hydraulic brake system are briefly stated,its structure,cost,operability and maintainability are analyzed by comparing to other systems.Finally,the design and selection of the low-floor modern tram auxiliary relief device are put forward.

low-floor tram; brake caliper; auxiliary release

U482.1+03

10.16037/j.1007-869x.2017.04.029

2016-02-23)