蓉 2 号有轨电车制动系统设计简析

2018-07-26姜德伟常永波

现代城市轨道交通 2018年7期

姜德伟，常永波，杨东

（中车长春轨道客车股份有限公司，吉林长春 130062）

0 引言

随着社会的发展，对有轨电车的需求越来越多。有轨电车相比较传统的公共汽车，具有节能环保、运输客流量大、运行时间稳定等优点。相比较地铁车，在经济上具有建造和维护成本低的特点，在技术上有轨电车具有较强的制动能力，且结构紧凑，减速度大，有非粘着制动，精确停车要求低，对线路的要求低[1]，更适合在地面大坡道、小半径、短距离的行驶。如果线路的限界能够实现与道路交通良好隔离，且平均站间距保持在800 m 左右，则其运行速度可以达到 20～25 km/h[2]。由于空气制动设备较大，而有轨电车车辆较短而且底架距离轨面很近，一般情况下地板面距轨面高度为250～350 mm[3]，同时考虑到车辆限界因素，空气制动设备不宜在有轨电车底架上安装。由于液体介质可以比较安全地达到较高压力，也就是说可以在输出同等制动力的前提下具有较小的体积[4]，因此液压制动设备更适合在有轨电车上安装。

1 制动系统介绍

蓉 2 号有轨电车制动系统按 CITADIS 平台设计。采用 5 模块编组方式，2 动 1 拖 2 悬吊，每台转向架配有1 套独立的液压制动控制装置。制动系统的总体架构基于列车控制和管理系统（TCMS）。TCMS 根据驾驶模式和车辆载荷保证每个转向架制动力的全局管理。它还管理降级模式下每个转向架制动力的补偿。当网络故障时，可以通过硬线施加预设固定的制动力。制动设备根据制动指令完成制动力的施加和缓解，并保证连续自我诊断以及在重大故障时通知司机。该系统完全满足 EN 13452-1《铁路应用—制动—城轨运输制动系统—第 1 部分：性能要求》中对有轨电车制动系统的性能要求，具有常用制动、紧急制动、安全制动、保持制动和停放制动 5 种制动模式[5]。

编组方式：=M1+C1+Np+C2+M2=，其中：M1、M2 为带司机室的动车模块，C1、C2 为无转向架支撑的悬吊模块，Np 为带受电弓的拖车模块（图 1、图 2）。

2 制动系统性能

车辆在 AW2（满座及站立空间 6人/m2）载荷下，在平直干燥轨道上，车轮为半磨耗状态，车辆速度从 70 km/h 到 0 km/h，各制动模式下的减速度满足以下要求。

图1 车辆编组图

图2 蓉 2 号有轨电车

常用制动性能：①最大常用制动平均减速度≥1.2 m/s2；②常用制动响应时间≤1.5 s；③常用制动冲动极限≤1.5 m/s3；④具有防滑保护和载荷调节功能。

紧急制动性能：①紧急制动等效减速度≥2.8 m/s2；②紧急制动响应时间≤0.85 s；③紧急制动冲动极限≤8 m/s3；④具有防滑保护和载荷调节功能。

安全制动性能：①安全制动平均减速度≥1.5 m/s2；②安全制动响应时间≤2 s；③安全制动冲动极限≤4 m/s3；④无防滑保护和载荷调节功能。

3 制动方式

电制动：包括再生制动和电阻制动。当司机施加制动时，牵引电机工作在发电机工况，这时可以把车辆的动能转化为电能，优先给超级电容充电。当超级电容及其他负载充满电后，如果网压已达到上限，则再生制动会自动切换为电阻制动模式，通过制动电阻器将电能以热能的形式散发到空气中，从而达到减速的目的。

液压制动：当电制动力不能满足制动力需求时，通过在各车施加液压制动来补充不足的制动力，以使得车辆按所需的减速度完成减速或停车。

磁轨制动：车辆处于紧急情况时，通过操纵司控器手柄置于紧急制动位或蘑菇按钮来施加，还可以通过磁轨施加按钮来单独施加。该制动通常和其他制动方式共同作用，磁轨制动是非粘着制动，是其他粘着制动的有效补充，从而保证尽快停车。

4 液压制动系统配置

整车采用架控式制动系统，每台转向架配有独立的制动控制装置。控制 Np 车液压制动的是制动控制单元（BCU），BCU 根据来自车辆的网络及硬线等信号进行制动施加或缓解，并接收防滑速度传感器传来的速度信号，依照 BCU 的防滑控制逻辑对减速度和速度差进行监测，完成 Np 车的制动防滑控制。BCU 优先根据网络发来的制动需求 AI 值（根据 BCU 软件预设转换为 15 步制动和 1 步缓解信号），对本车液压单元（EHU）的 AS 阀和AT阀进行控制，见图 3。当 BCU 读取不到 AI 值或读取的 AI 值超出设定的电流范围时，BCU 会认为 AI 值无效。此时采用备用模式可实现列车的基本运行，BCU 读取紧急列车线（硬线）信号来施加制动或缓解。在 AI 值无效时，车辆施加预设固定的常用制动力或紧急制动力。

BCU 通过以太网通信把故障或警告信息反馈给列车控制及管理系统（TCMS）。BCU 自身的以太网接口为应用软件提供安装接口，RS232 接口可以用于维护和诊断。控制 M1、M2 车液压制动的是制动控制模块（HCM），HCM 根据制动需求的 BI 值（4 根 0/1 二进制输入指令线组成，并根据 HCM 软件预设转换为 15 步制动和1步缓解信号），对本车 EHU 的 AS 阀和 AT 阀进行控制。同时监测来自 EHU 中用于控制的制动压力信息。HCM 会根据 M1、M2 车液压制动系统的工作状态，将“制动缓解”、“制动施加”和“主要故障”信号发给TCMS。HCM 通过自身前端的 LED 灯显示事件实时状态，事件的详细信息需要通过维护终端 ST03A 连接到HCM 的 RS232 接口后读出。HCM 的 RS232 接口还为应用软件提供安装接口。

图3 制动控制装置电气接口

M1、M2 车转向架配备被动式弹簧制动夹钳，制动夹钳安装在构架上。制动力由 2 个动力腔产生，并提供闸片磨耗间隙自动调整功能。每个制动盘上闸片的夹紧力达到约 80 kN，当动力腔中压力为 0 bar 时，制动力达到最大。通过与制动控制装置配合执行输出制动所需夹紧力，在停放制动时施加 100% 弹簧力，确保车辆静止停在坡道上。被动式弹簧制动夹钳可以通过简单的工具进行机械缓解，通常用于更换闸片，当 M1、M2 车电缓失效时也可以通过该工具进行缓解。Np 车转向架配备主动式液压制动夹钳，制动夹钳中包括 2 对活塞，分别安装在制动盘两侧。4 个活塞产生的最大夹紧力大约为70 kN，此时制动力最大，当动力腔中压力为 0 bar 时无制动力。通过与制动控制装置配合执行输出制动所需夹紧力。M1、M2 车转向架的每个轴配备 1 个灰铸铁制动盘（直径 400 mm、厚度 60 mm）。制动盘由摩擦环和盘毂组成，通过螺栓安装在车轴端部。Np 车转向架的每个轴配备 2 个相同尺寸（直径 400 mm、厚度 60 mm）的整体式球墨铸铁制动盘，也通过螺栓安装在车轴端部。制动盘的设计采用散热筋布置方式，不仅有更高的散热系数，也降低了泵风效应。制动盘外缘具有磨耗显示槽，可以目测磨耗情况。

M1、M2、Np 车底架上各有 1 个 EHU，以实现制动系统压力的供给和控制。为了降低 EHU 中油泵的频繁启动次数，从而延长其使用寿命，制动系统中配有蓄能器用于储存压力。多次的制动和缓解后，蓄能器中的油压会降低，当蓄能器中的油压低于 120 bar 时油泵启动，当蓄能器的压力达到 155 bar 时油泵停止工作。这样就会使蓄能器的油压总是处于保证制动缓解需要的压力值。该车与以往有轨电车明显的差别是在 M1、M2 车底架上各配置有 2 个蓄能器，1 个用于正常缓解使用，另 1 个用于正常缓解失效时，通过辅助缓解回路对被动式弹簧制动夹钳进行缓解。

每个转向架上装有 2 套磁轨制动器，在紧急制动和安全制动工况下能有效缩短制动距离。磁轨制动器可自动触发也可人工操作触发。M1、M2 车底架各安装 1 个载荷传感器，TCMS 根据传感器的电流信号值进行重量换算，从而对当前载重的车辆施加牵引或制动指令。

Np 车转向架的每个轮上装有 1 个用于滑行检测的防滑速度传感器，为防滑系统提供速度信号。根据防滑速度传感器反馈的信息，由 BCU 自行控制所施加制动力的大小，以实现对 Np 车车轮进行防滑保护。

5 制动模式

5.1 常用制动

常用制动是行车中最常用的制动方式，通过拉动牵引/制动主控制器手柄到常用制动位置来触发。该制动可以根据运行需要随时挪动手柄位置来调节制动力大小，也可以在运行中把该制动模式转为牵引或惰性模式。在司控台上，牵引/制动主控制器包含 2 个范围：手柄向前推时为牵引范围，手柄向后拉时为制动范围。这 2 个范围被 1 个有凹槽的惰行位分开。牵引/制动主控制器是模拟控制，在制动模式下，制动力与控制器位置成正比。最大常用制动手柄位置在常用制动范围的最低端。牵引/制动主控制器将对应其位置的电信号发送给中央控制单元（CCU）。主 CCU 保证牵引和制动控制，从 CCU 用作冗余备份。它通过多功能车辆总线（MVB）向牵引制动控制单元（TBCU）发送指令信号，同时也可以通过输入输出单元（RIOM）向 BCU 和 HCM 发送指令信号。根据混合制动原则，只有当电制动力不足以满足制动需求时才由液压制动进行补足（考虑粘着因素）。在低速阶段电制动力严重下降时，需要液压制动来接管整车制动，此时车辆速度约为 7 km/h。当防滑系统检测到滑行时，电制动和液压制动防滑保护功能有效，同时激活撒砂装置以改善轮轨接触面粘着。

5.2 紧急制动

紧急制动通常由司机触发，是在最短距离使列车停止的最强制动。紧急制动一旦触发，在列车完全停止之前不会中断。牵引/制动主控制器含有 1 个紧急制动位，位于制动模式范围的端部，在最大常用制动位之外，紧急制动位是凹槽位且比较稳定。紧急制动可由各种监控设备施加（如警惕装置），与控制紧急制动的元件相连的所有触点均在紧急回路上以串联方式安装，任何触点打开即产生紧急制动。紧急制动时根据车辆载荷调整液压制动的制动力，电制动和磁轨制动也起作用。紧急制动模式下车轮防滑保护功能有效，同时激活撒砂装置。

5.3 安全制动

通过司机按下司机台上的蘑菇形按钮来施加安全制动。根据故障导向安全原则，断开安全回路触发安全制动，安全制动是保证列车减速的最后手段。安全制动时，M1、M2 车施加最大弹簧力，Np 车施加预设的液压力，磁轨制动起作用而无电制动，所产生的减速度虽然没有紧急制动大，但由于安全制动属于纯硬线制动模式，没有软件使用，因此更为可靠。安全制动一旦触发，在列车完全停止之前不会中断，必须减速到停止。与控制安全制动的元件相连的触点均在安全回路上以串联方式安装，任何触点打开即产生安全制动。安全回路独立于紧急回路、MVB 总线和控制牵引及常用制动的列车线之外。安全制动模式下激活撒砂装置。

5.4 保持制动

停车和保持制动受网络控制，根据制动指令及采集的列车速度信息（停车制动发生在速度低于约 7 km/h，保持制动发生在速度低于约 1 km/h）自动施加。当网络判断牵引力足够大时，会自动发出保持制动缓解指令。当一定时间内没有收到网络发来的保持制动缓解指令，制动系统会根据软件中预设的牵引力特性曲线，来缓解保持制动。保持制动可使 AW3（满座及站立空间9 人/m2）载荷条件下的车辆在最大坡度（60‰）上保持静止。

5.5 停放制动

停放制动通过弹簧作用式夹钳给 M1、M2 车转向架施加最大制动力。可使 AW3 载荷的列车在风速 60 km/h情况下在 60‰ 的坡道上完全停住。

6 混合制动

图4 电制动正常时混合制动

图5 M2 车电制动故障时混合制动

在混合制动时，当电制动无法满足整列车制动需求时会补充液压制动。所需的液压制动力在规定的粘着极限之内被均分在每个制动盘上。制动力分配如图 4 所示。从图 4 可以看出，随着制动力需求的增加，M1、M2 车的电制动力逐渐增加。当电制动（红色）发挥到最大但仍不能满足制动力需求时，各车的液压制动（绿色）开始投入。当 M1、M2 车轮轨之间所需的粘着达到极限后，不足的制动力将在没达到粘着极限的 Np 车上补充液压制动。

如果 1 个动车转向架制动单元发生故障，给予拖车转向架的指令将重新计算，以保证此时列车减速度与正常配置相似。M2 车电制动故障时制动力分配如图 5 所示。从图 5 可以看出，随着制动力需求的增加，M1 车电制动力逐渐增加。当电制动发挥到最大但仍不能满足制动力需求时，各车的液压制动开始投入。当 M1 车轮轨之间所需的粘着达到极限后，不足的制动力将在没达到粘着极限的 Np 和 M2 车上补充液压制动。