跨坐式單軌車輛國產制動系統研制與應用

吳新安，吳 晶，張 麗，韓曉輝，孫廣合

（1 重慶市軌道交通（集團）有限公司，重慶400042；2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

跨坐式單軌交通系統起源于20世紀60年代，在日本的東京、大阪、多摩、小倉、沖繩等地相繼建成了數條跨坐式單軌交通運營線路。跨坐式單軌交通車輛與普通地鐵車輛相比，有著爬坡能力強、轉彎半徑小、運行噪聲低、景觀性好等顯著特點，特別適合在線路所經過區域山高坡陡、道路曲折、地形復雜等具體情況。重慶是我國著名的山城，地勢起伏多陡坡，人口密度大，適合引進跨坐式單軌交通。鑒于跨坐式單軌車輛與地鐵車輛相比結構復雜、轉向架和控制設備技術要求較高，目前重慶開通運營的單軌交通線路共有2條，重慶軌道交通2號線采用4輛編組車輛運營，線路縱貫兩山與兩江之間的淺丘地帶，是國內第一條跨坐式單軌交通運營線路。3號線采用6輛編組車運營，貫穿重慶5區，自2011-9開通以來是重慶客流最多的一條線路。

1 單軌車國產制動系統研制背景

因跨坐式單軌車輛應用在國內沒有先例，部分關鍵、重要設備系由國外廠家生產，普遍存在售后服務滯后、備件采購價格高昂、采購周期漫長、專用工具匱乏等問題，造成了單軌列車檢修維護“受制于人”，成本居高不下的情況。鑒于此，加快重慶單軌車部件國產化工作勢在必行。近幾年來，重慶市軌道交通（集團）有限公司聯合國內多家制造廠家，通過多種合作方式進行設備國產化研究工作。迄今為止，多項國產化設備已順利通過專家鑒定，并已經批量采購，取代了價格高、采購難的進口產品。目前已經實現國產化并成功投入使用的有以下項目：單軌車轉向架構架、齒輪箱、受電弓及滑塊、走行輪胎、走行輪輞、水平輪總成、制動盤內壓檢測裝置、車鉤、空氣彈簧和油壓減振器等重要部件。而單軌車輛的關鍵控制系統如牽引系統和制動系統的國產化工作一直未能實現。鑒于此，重慶市軌道交通（集團）有限公司聯合中國鐵道科學研究院以及重慶凱瑞車輛傳動制造有限公司共同研制開發了單軌車輛的制動系統部件，包括制動控制系統、基礎制動裝置等部件，實現了制動系統全部國產化的目標。

重慶軌道交通2號線車輛制動系統主要包括風源系統、制動控制系統、空氣懸掛設備和基礎制動幾個部分。其中風源系統、空氣懸掛設備在國內均有成熟的應用業績。本文重點介紹制動控制系統和基礎制動裝置。

2 單軌車制動系統介紹

重慶2號線單軌車輛（4輛編組）為單元式配置，由兩個動力單元組成，每個動力單元由一輛帶司機室的動車（Mc車，只有一個轉向架配有牽引電機）與一輛無司機室的動車（M車，兩個轉向架均有牽引電機）構成。列車編組型式為：×Mc1+M2+M3+Mc2×。列車動力配置及制動系統（BCU）配置如圖1、圖2所示。

圖1 列車動力配置

圖2 制動系統（BCU）配置

車輛的最高運行速度為75km／h，最高均衡速度（結構設計要求）為80km／h。車輛的制動特性如下：

（1）常用制動：由再生制動系統和空氣制動系統構成。兩者能密切協調配合動作，減速度不小于1.1m／s2。沖擊率≤0.75m／s3。常用制動減速度定義對所有負載狀況（AW0～AW3）均有效。

（2）緊急制動：采用空氣制動，對AW0～AW3載荷條件，緊急制動減速度不小于1.25m／s2。

（3）停放制動：由彈簧儲能機構及其附件構成。停放制動裝置能保證超員載荷（AW3）的列車在60‰的坡度上停放不溜逸。停放制動設有手動緩解機構，以便在車輛檢修、牽引車不供應壓縮空氣時移動車輛。

3 國產制動系統的研制及裝車試驗

根據重慶2號線車輛和運營的技術要求，設計人員制定了制動控制系統方案，并經過了相關專家的確認。該方案如圖3。

圖3 制動控制系統氣動原理圖

3.1 制動控制方案

制動控制系統主要由制動電磁閥（AV）、緩解電磁閥（RV）、緊急電磁閥（EBV）、空重閥（LA）、中繼閥（RL）、壓力傳感器、壓力開關及相應的壓力測點構成，這些部件集成為一個模塊。制動控制系統將制動電氣指令轉化為氣動信號，進而實施列車的制動和緩解。

總風輸入端為制動裝置的壓力來源。該壓力空氣分成3路：一路進入制動電磁閥的輸入端，為制動控制提供壓力源；另一路進入空重閥，為緊急狀態下載重信號的輸入提供壓力源；第三路則進入中繼閥，為向制動缸輸出壓力空氣做準備。

空氣彈簧輸入端為載重信號輸入。為了更準確的采集車輛的載重，這里采用兩路空氣彈簧壓力輸入信號。

總風壓力開關輸入端為了監控總風壓力，防止總風壓力意外欠壓，在某些制動控制裝置中設置了總風壓力開關。該壓力開關與緊急回路相連，如總風壓力低于設定值，將引起列車緊急制動作用。

制動缸輸出端為向制動缸輸出壓力空氣的端口。該壓力受EBCU指令的控制。

空氣過濾器（FL）設置在總風輸入端，以保證壓力空氣的質量。

制動電磁閥（AV）、緩解電磁閥（RV）將常用制動和快速制動的制動、緩解信號轉化為制動缸壓力控制信號。

緊急電磁閥（EBV）為兩位三通電磁閥，控制緊急制動的壓力信號輸出。

空重閥（LA）接受空氣彈簧的載重信號，轉化為緊急制動的壓力信號。

中繼閥（RL）為流量放大器。該閥受常用或緊急制動的壓力信號控制，并向制動缸輸出相應的制動缸壓力。該閥采用雙膜板結構，上膜板為緊急制動膜板，下膜板為常用制動膜板。當兩膜板均有壓力信號時，將采用取大的方式向制動缸輸出壓力空氣。

常用制動、緩解控制原理：

制動控制系統接收司機控制器或ATO、ATP的常用制動指令后實施常用制動控制。制動電磁閥（AVB）和緩解電磁閥（RV）接受常用制動指令后，將該指令轉化為氣動壓力信號。該壓力信號輸入到中繼閥（RL）的下膜板。中繼閥將根據壓力信號輸出相應的制動缸壓力，實現常用制動功能。緩解時，緩解電磁閥將中繼閥下膜板的壓力空氣排入大氣，制動缸的壓力空氣經中繼閥排到大氣中，實現緩解操作。

緊急制動／緩解控制原理：

緊急制動系統為獨立的系統，采用失電緊急方式。緊急制動時，緊急電磁閥（EBV）失電，空重閥（LA）來的壓力空氣進入中繼閥（RL）的上膜板，經中繼閥放大后向制動缸輸出緊急制動壓力。在緩解緊急制動時，緊急電磁閥得電，中繼閥上膜板的壓力空氣經緊急電磁閥排入大氣。制動缸的壓力空氣經中繼閥排到大氣中，實現了緩解操作。在實施緊急制動時，電制動被自動切除，全部制動力由空氣制動獨立承擔。

3.2 電空配合控制方案

列車制動采用電制動與空氣制動實時協調配合、電制動優先、空氣制動延時投入的混合制動方式。當電制動不足時，優先在Mc車上補充空氣制動。

電空混合制動在一個Mc—M單元內進行混合控制，制動控制系統（簡稱BCU）通過模擬信號向牽引控制單元發送電制動力請求信號，實際電制動力信號也通過模擬信號傳送給BCU，BCU根據實際電制動力的大小來確定需要補充多少空氣制動。

電制動力請求信號由 M車（即 M2、M3車）上的BCU發出，M車的BCU按單元應施加的總制動力向牽引控制單元請求電制動力，當實際電制動力可以滿足本單元的制動力需求時，則全部制動力都由電制動承擔，不需要施加空氣制動。當實際電制動力不能滿足本單元的制動力需求時，則首先在Mc車上以空氣制動補充本單元不足的制動力。如實際制動力仍不能滿足本單元所需求的制動力時，則M車的空氣制動補充。

當列車制動在電制動快要衰減時由VVVF發出一個電制動退出（衰減）預告信號，BCU收到電制動衰減預告信號后，按預定速率預補空氣制動。

3.3 制動控制系統功能

該制動控制系統具有以下功能：

（1）常用制動時，制動力根據制動輸入指令級別控制，并可隨載重變化自動調整。

（2）常用制動優先利用電制動，不足部分由空氣制動力補足；常用制動受最大允許縱向沖擊率限制。

（3）緊急制動時，采用純空氣制動的方式，其制動力可以隨載重的變化自動調整。

（4）設有獨立的緊急制動控制回路，在系統發出緊急制動指令、列車分離、總風欠壓、DC110V控制電源失電等情況下，均能產生最高安全等級的緊急制動。

（5）可接受ATP的防護控制，優先響應最大常用制動或緊急制動。

（6）具有故障代碼和狀態信息的顯示及與監控系統的通訊接口。（7）具有制動力不足檢測功能。（8）具有制動不緩解檢測功能。

3.4 裝車試驗情況

制動控制系統于2011-03裝車，裝車后進行了一系列靜態和動態試驗。

3.4.1 常用制動性能

列車在AW0工況和AW3工況下實施最大常用制動，在純空氣制動模式下電空混合制動模式時，其減速度均滿足1.1m／s2的要求（圖4～圖7）。

圖4 AW0工況下最大常用空氣制動試驗曲線

圖5 AW3工況下最大常用空氣制動試驗曲線

圖6 AW0工況下最大常用電空混合制動試驗曲線

圖7 AW3工況下最大常用電空混合制動試驗曲線

3.4.2 緊急制動性能

列車在AW0工況和AW3工況下的緊急制動滿足1.25m／s2的減速度要求（圖8、圖9）。

圖8 AW0工況下緊急制動試驗曲線

圖9 AW3工況下緊急制動試驗曲線

3.4.3 電空制動配合功能

根據試驗條件，分級制動試驗采用2N-4N-6N（即2級-4級-6級常用制動）的制動方式，試驗曲線見圖10。

電空混合工況下切除與恢復電制動試驗曲線見圖11。

純空氣工況下投入與切除電制動試驗曲線見圖12。

圖10 實施2級－4級－6級常用制動試驗曲線

圖11 電空混合工況下切除與恢復電制動試驗曲線

圖12 純空氣工況下投入與切除電制動試驗曲線

由電空混合制動匹配功能試驗曲線可見：

（1）列車在不同制動級位切換時功能正常，空氣制動與電制動配合良好；

（2）在電空混合或者純空氣制動工況下，均可以正常投入與切除電制動，當切除電制動時，相應的空氣制動力及時補充以保證整車制動力，功能正常。

3.5 運行考核

自2011-05-15起，裝有國產制動控制系統的跨坐式單軌交通車輛開始在重慶軌道交通2號線正線投入載客運營。目前運營里程已經超過10萬km，運營期間控制系統性能穩定，空電配合良好，控制系統內部各部件狀態良好。制動控制系統與車輛信號系統、牽引系統等系統協調及通訊正常。

4 基礎制動裝置的研發應用

自2000年開始基礎制動裝置的研制開發，到2010年考核結束，歷時11年。該基礎制動裝置具有跨坐式單軌交通車輛獨有的氣液轉換機構。基礎制動裝置經過制動效能試驗、扭轉疲勞強度、振動耐久性、耐壓破壞強度、工作耐久性、高低溫密封性、滑動阻力檢測、靜特性試驗、制動盤耐熱試驗等22項臺架試驗項目和裝車熱容量考核試驗，各項技術指標均滿足技術要求。目前已經通過載客運營考核試驗和專家評審，實現了批量化的生產。基礎制動裝置示意圖見圖13。

圖13 基礎制動裝置示意圖

5 結束語

國產制動系統的研制、裝車、試驗及運用考核表明，國產制動系統性能穩定，各項技術指標均滿足跨坐式單軌交通車輛的技術要求和運用要求，達到了國外產品同等水平，填補了國內跨坐式單軌交通車輛制動系統的空白。

［1］韓曉輝，林祜亭，樊貴新，王群偉，范榮巍.域軌車輛車控制動控制方式與架控制動控制方式［J］.鐵道機車車輛，2010，（5）：53-56.