嘉兴有轨电车制动系统的设计

□ 寇良朋

上海轨道交通设备发展有限公司 上海 200245

1 设计背景

近年来,随着我国城市化进程的加快和国家经济的飞速发展,城市人口越来越多,越来越集中。为了解决城市居民的日常出行需求,大力发展公共交通势在必行[1-3]。轨道交通车辆相比公交车等公共交通工具,具有运量大、准时、高效的特点,比较适合城市居民上下班通勤使用。有轨电车相比地铁造价便宜,相比公交车运力大,近几年在中型城市、大城市市郊发展较快[4-6]。

嘉兴有轨电车液压制动系统采用KBGM-H型制动系统[7],这一制动系统能在司机控制器的控制下对列车进行制动与缓解。KBGM-H型制动系统可以实现安全制动、紧急制动、常用制动、保持制动、停放制动、车轮防滑保护、载荷补偿、制动力混合等功能,结构紧凑,集成度高[8-10]。

2 嘉兴有轨电车概述

嘉兴有轨电车编组方式为=Mc车+F车+Tp车+F车+Mc车=,如图1所示。其中,Mc车为安装动车转向架和司机室的动车模块,Tp车为安装受电弓和拖车转向架的拖车模块,F车为悬浮车体模块,+为风挡密封铰接结构;=为两头可折叠型半自动车钩。

图1 嘉兴有轨电车编组方式

嘉兴有轨电车最高运行速度为70 km/h,最高设计速度为80 km/h。在AW2载荷工况,车轮处于半磨耗状态下,嘉兴有轨电车在干燥、清洁平直轨道和额定电压下的制动性能指标见表1。

表1 嘉兴有轨电车制动性能指标

3 制动系统组成

制动设备安装在Mc车和Tp车上,制动系统主要设备配置数量见表2。

表2 制动系统主要设备配置数量

3.1 制动控制设备

在制动系统中,主要有两种制动设备用于制动控制,分别为ESRA制动控制单元和HCM2制动控制模块。ESRA制动控制单元安装于Tp车,HCM2制动控制模块安装于Mc车。制动控制设备通过电控液压单元来控制制动缸的压力。

ESRA制动控制单元是一套带有标准化组件的模块系统。针对不同的车型,通过改变应用软件即可适应,避免类型多样化造成的复杂性。ESRA制动控制单元设置于一个机箱内,在前置面板上有相应的电气接口,采用直流24 V电压工作,电压相对允许误差为±30%。ESRA制动控制单元集成了制动控制和轮对滑行保护功能,电气部件负责处理大量输入信号,并输出至电控液压单元进行液压控制信号的设定。集成在ESRA制动控制单元内部的轮对滑行保护控制器通过控制液压来改变制动力,以适应轮轨黏着的情况。通过对轮轨黏着的优化利用,在一定程度上缩短停车距离,并降低由于轮对滑行锁死而造成的车轮擦伤风险。ESRA制动控制单元如图2所示。

图2 ESRA制动控制单元

HCM2制动控制模块位于中央控制器和电控液压单元之间,可以通过硬线接口实现连接。HCM2制动控制模块负责处理中央控制器的制动请求信号及液压设备中压力传感器产生的信号。这些信号被转换为控制信号,用于控制比例压力调节阀和液压泵电机。HCM2制动控制模块同时向中央控制器输出状态信息。为了便于识别故障,前端面板上装有三个发光二极管指示灯,分别显示绿色、橙色、红色。当设备通电并且应用软件已开始运行时,绿色指示灯亮。一旦出现小故障并且故障处于待处理状态,则橙色指示灯亮。如果出现故障,但故障已不处于待处理状态,那么橙色指示灯闪烁。若出现大故障且故障处于待处理状态,则红色指示灯亮。如果出现大故障,但故障已不处于待处理状态,那么红色指示灯闪烁。故障可由ESRA制动控制单元服务终端软件通过以太网接口读取及删除。HCM2制动控制模块如图3所示。

图3 HCM2制动控制模块

3.2 电控液压单元

电控液压单元用于产生和改变液压管道中的压力。电控液压单元将电动液压泵、比例压力调节阀、安全制动阀、压力传感器等集成在一个模块内,便于安装与检修。蓄能器通过管道连接电控液压单元。两个比例压力调节阀可以根据制动需求信号来调节制动压力。安全制动阀设定安全制动压力。手动卸压阀可手动对蓄能器进行卸压。电控液压单元与制动控制设备进行电气连接,油底壳配备了通气阀、油位窗、注油口。电控液压单元及其液压原理分别如图4、图5所示,图5中符号注解见表3。

图4 电控液压单元

图5 电控液压单元液压原理

表3 图5中符号注解

液压泵由电机驱动,通过蓄能器接口为外部的蓄能器提供足够的压力。由于在每次缓解时,蓄能器的压力会降低,因此由压力传感器监测蓄能器的压力,进而控制电机启停。当蓄能器的压力降至电机启动值时,电机启动。液压泵将油底壳中的液压油经蓄能器接口泵送至蓄能器,直至蓄能器中的压力达到电机关停值。如果供给过滤器过负荷使上下游产生压差超过特定限制,内置的止回阀将打开,以保护蓄能器。当电机关闭后,止回阀可以防止蓄能器的液压油回流至油底壳。限压阀防止系统过压。通气阀保证油底壳能够获得需要的压力值。在正常运行操作时,位于油底壳结构中的空气压力无论提高还是降低,通气阀均能使内部空气与外界大气导通。若要在设备维护时卸压,需操作手动卸压阀将蓄能器接口与油底壳连通。油底壳通过注油口注油。高低位油位仪用于指示液压油油位。压力传感器将稳定的制动缸压力信号发送至外部制动控制设备。通过对比压力传感器信号与即时制动指令信号,根据制动缸设定的压力值与当前压力值的差,制动控制设备驱动升压或降压控制阀,相应提高或降低制动缸管道的压力。通过即时协同驱动升压或降压控制阀,使制动缸压力实际值达到目标值。升压控制阀用于提高制动缸压力,打开外部蓄能器经由蓄能器接口通往制动缸管道的通路。降压控制阀用于释放制动缸的油压至油底壳。制动夹钳要达到控制的油压,需要通过管道与制动缸接口相连。节流口用于在特定情况下卸压,确保在突然失电的情况下,制动夹钳不会突然动作。当安全制动阀失电时,安全制动阀会使管道通过安全制动限压阀与油底壳连通,管道的压力将降低至安全制动限压阀设定的压力值。安全制动节流口既能保证迅速施加制动,又能防止过快的制动力提高导致的冲击。如果车辆长期停放,升压和降压控制阀将会失电,制动缸压力降至零,由于制动夹钳为被动式制动,因此需要施加最大制动力来保证车辆长期停放的安全。

3.3 蓄能器

蓄能器采用带支架的膜式蓄能器,安装在车体上,如图6所示。蓄能器由弹性膜片分为两个腔室。一个腔室中是氮气,根据制动系统的要求,预先充压。氮气腔室中的氮气压力因另一个腔室中的液压油注入而提高,或因液压油的流出而降低。氮气腔室侧有一个螺堵,设计为气体阀,位于保护盖后方,方便充气。蓄能器是能量的存储器,有助于减小间歇模式中液压泵的工作量,并在液压泵故障的情况下,存储一定的压力能量。

图6 蓄能器

3.4 制动夹钳

制动夹钳采用浮动连杆式,可以进行铰接式安装。制动夹钳安装在构架上,适用于制动盘安装在一系悬挂上的情况。由于一系簧的位移作用,铰接式安装与浮动连杆结构允许制动夹钳在一定程度上与制动盘之间发生偏转和平移。铰接式安装需要额外支撑杆来承受制动扭矩。制动夹钳的可输出力约为32 kN,并有闸片间隙自动调整功能,不需要相关的预防性维护。使用辅助缓解单元可以对制动夹钳进行缓解。制动夹钳如图7所示。

图7 制动夹钳

制动夹钳的特征如下:

(1) 使用堆叠的碟片弹簧;

(2) 采用闸片间隙自动调整装置,具有恒定的闸片间隙;

(3) 具有完全独立的弹簧制动缸液压缓解接口,使用辅助缓解单元进行缓解;

(4) 具有低迟滞性;

(5) 具备机械手动缓解功能。

制动夹钳上的制动闸片采用有机摩擦材料,摩擦面积为120 cm2。每个制动闸片均有磨耗显示槽,以便目测磨耗情况。

3.5 辅助缓解单元

辅助缓解单元是使用辅助电源来缓解制动系统制动的液压单元。当制动系统出现故障无法缓解制动时,辅助缓解单元可以缓解液压制动,提高车辆的可用性。辅助缓解单元及其液压原理分别如图8、图9所示,图9中符号注解见表4。

图8 辅助缓解单元

图9 辅助缓解单元液压原理

表4 图9中符号注解

当两位两通电磁阀得电时,辅助缓解单元启动,关闭管道与油底壳的通路。压力开关发出信号,驱动开关以启动电机,随后液压泵从油底壳通过供给滤油器和止回阀向辅助缓解管道接口泵送液压油。辅助缓解管道的压力持续建立,直至压力达到压力开关的上设定值。达到上设定值后,压力开关动作,此时电机关闭且制动由辅助电源缓解的信号有效。如果辅助缓解管道中的压力降低,低于压力开关的下设定值,电机再次启动,直至压力再次恢复到上设定值。这一过程中,辅助缓解管道中的压力维持在压力开关的上设定值和下设定值之间。液压泵关闭,止回阀阻止液压油回流至油底壳,通过这一方式维持辅助缓解管道的压力。如果液压泵控制器失效,限压阀将会保护辅助缓解单元,防止辅助缓解管道过压。限压阀有一个设定值。压力超出设定值,则限压阀打开,液压油回流至油底壳。油底壳上的通气阀用于平衡油底壳和外界的气压。失电的电磁阀会取消辅助缓解状态,此时辅助缓解管道与油底壳导通,液压油从管道中回流至油底壳,节流口防止压力突降。

3.6 磁轨制动器

每个转向架安装有两个刚性低悬挂磁轨制动器,吸附力约为66 kN。磁轨制动器吸附轨道后,与轨道产生的摩擦力通过纵向止挡进行制动力传递,确保极靴工作的导向性良好。即便轨道不平顺或者有障碍物,磁轨制动器也能有良好的性能。磁轨制动器如图10所示。

图10 磁轨制动器

磁轨制动器的基本特点包括提供独立于轮轨关系之外的制动力,实现非黏着制动,可以清洁轨道,作用和响应快速,易于调整悬挂高度。

4 制动系统功能

制动系统功能包括常用制动、紧急制动、安全制动、停车制动等。

常用制动由动力转向架上的电制动来实现。考虑动力转向架上的轮轨黏着情况,还需施加非动力转向架上的液压制动来满足制动需求。制动系统施加的制动力大小取决于制动力需求和车辆载荷。

紧急制动由动力转向架上的电制动、所有转向架上的液压制动、磁轨制动来满足制动需求。制动系统施加的制动力大小取决于车辆载荷,同时考虑黏着限制。在紧急制动时,由车辆激活撒砂功能来改善轮轨黏着。磁轨制动器在紧急制动时被激活。

安全制动依据故障导向安全原则设计。通过断开的列车安全回路激活所有制动夹钳。安全回路可由司机室操纵台上的蘑菇按钮触发断开。如果安全回路断开,位于电控液压单元中的安全制动阀将会失电,会在制动夹钳中产生预设的压力来对转向架施加安全制动。安全制动时没有轮对滑行保护和载荷补偿功能。另一方面,所有磁轨制动器及撒砂设备由车辆激活,通过撒砂功能来改善轮轨黏着。

当车速接近6 km/h时,施加停车制动,此时电制动逐渐退出,液压制动力逐渐提高,直至完全由液压制动来实现。在更低的车速范围内,当车辆检测到即将停止时,激活常用制动功能中的保持制动,制动夹钳对转向架施加最大的制动力。

车辆设有24 V直流电源,停放制动在车辆静止时可以被激活。停放制动允许加载的车辆在坡道上无限时静止停放。停放制动时,制动夹钳液压缸被完全卸压,制动夹钳对转向架施加最大的制动力。

5 结束语

笔者介绍了嘉兴有轨电车制动系统的设计,包括基本组成、原理和功能,为后续有轨电车制动系统的设计提供了参考和借鉴。