低地板現代有軌電車制動系統輔助緩解裝置的對比分析

曾憲華

(上海龐豐交通設備科技有限公司,201802,上海//工程師)

低地板現代有軌電車制動系統輔助緩解裝置的對比分析

曾憲華

(上海龐豐交通設備科技有限公司,201802,上海//工程師)

簡述既有低地板現代有軌電車液壓制動系統中各種輔助緩解裝置的工作原理,并從結構、成本、可操作性及可維修性等方面進行對比分析,進而提出低地板現代有軌電車液壓制動系統中輔助緩解裝置的設計及選用建議。

低地板有軌電車;制動夾鉗;輔助緩解

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

低地板現代有軌電車是一種節能、環保的交通模式,采用了新的供電、制動、儲能等技術,還具有方便乘客上下、靚麗的外形、融合城市景觀等優點,越來越受到社會的認可,成為城市內中低運量交通系統的主要選擇。由于其車下空間緊湊,制動系統普遍采用液壓形式,并且為了滿足停放制動及安全制動要求,在列車失電或常用制動(包括緩解)功能失效情況下,部分或者全部制動夾鉗要施加制動力。液壓制動控制系統正常工作時,根據列車制動、緩解指令,輸出或者釋放壓力,保證制動夾鉗制動或者緩解。對于彈簧作用式制動夾鉗,充壓緩解、減壓制動;對于液壓作用式制動夾鉗,充壓制動、減壓緩解。當運行過程中常用制動(包括緩解)功能失效時列車需繼續運行,以及列車失電時需要其它車輛拖曳時,都需要將制動夾鉗進行緩解,即輔助緩解。因此,對于低地板現代有軌電車,設置合理的輔助緩解裝置十分重要。

1 輔助緩解分類

根據需要緩解的制動夾鉗類型為彈簧作用式還是液壓作用式、制動夾鉗是否具有輔助緩解回路、輔助緩解裝置分散布置還是集中布置、輔助緩解裝置手動操作還是電控實現等要求不同,各車型的制動系統輔助緩解裝置設計各具特點。輔助緩解裝置的具體分類見表1,其中主要的是機械輔助緩解和液壓輔助緩解兩大類。

2 機械輔助緩解

彈簧作用式制動夾鉗都要求具有機械緩解功能。即通過旋轉制動夾鉗油缸中的機械緩解螺栓,帶動絲杠旋轉,打開離合器,卸載碟形彈簧制動作用,實現制動夾鉗緩解。常用的方式如圖1所示。

表1 輔助緩解裝置分類

該方式主要用于系統調試期間無火動車以及更換制動閘片時進行操作。但在個別項目中,認為正常液壓緩解的可靠性極高,也將此方式用于列車運營過程中萬一不能正常液壓緩解時,對制動夾鉗進行輔助緩解。

機械輔助緩解作為正常緩解故障時的備用方案,優點是制動夾鉗結構簡單,不用設置輔助液壓緩解回路,車輛上不用敷設相應管路及液壓控制裝置。但其缺點更為明顯:首先,在列車運營過程中操作不便,需要用專用工具到車下進行操作,如遇車站及其它障礙物時,沒有操作空間;其次,在轉向架設計時,必須將制動夾鉗輔助緩解螺栓朝向車外側,缺少靈活性;再次,制動夾鉗輔助緩解螺栓壽命有限,如果頻繁操作,會導致斷裂,在某出口項目中就出現了該問題;此外,使用該方式緩解后,要恢復夾鉗的正常工作狀態,需要像更換閘片一樣調整間隙,過程復雜,倘若有疏漏,制動夾鉗就沒有制動作用,具有安全隱患。

液壓作用式制動夾鉗不需要設置輔助機械緩解功能。

圖1 機械輔助緩解

3 液壓輔助緩解

目前,對于彈簧作用式制動夾鉗,制動系統采用液壓輔助緩解裝置,分為單閥升壓緩解和單元緩解方式。對于液壓作用式制動夾鉗,主要采用單閥泄壓緩解方式。

3.1 單閥升壓緩解

顧名思義,該緩解方式是靠操作一個單獨的閥,實現彈簧作用式制動夾鉗的液壓升壓輔助緩解。如圖2所示,遠程緩解電磁閥集成在液壓制動控制單元內部,平時該電磁閥失電,不參與制動-緩解作用;當需要輔助緩解時,司機室控制該電磁閥得電,將蓄能器壓力通過正常緩解回路輸送到制動夾鉗,實現緩解。司機室設置對應的選擇開關,將故障模塊單獨緩解。

該輔助緩解方式結構簡單,除了在液壓制動控制單元內增設一個電磁閥,列車進行指令線布置外,無需增加管路及壓力控制設備。另外,該方式適用于單液壓回路制動夾鉗。但該方式過于依靠液壓制動控制單元的可靠性,一旦后者出現壓力供給、泄漏問題,蓄能器沒有足夠的緩解壓力,或者列車液壓管路出現問題,該緩解方式將隨之失效。珠海有軌電車1號線工程車輛采用該種輔助緩解方式。另外,為了減小液壓供給故障造成的隱患,可為輔助緩解功能設置單獨的蓄能器。

單閥緩解一般只用于單液壓緩解回路的制動夾鉗,雙液壓緩解回路的制動夾鉗都采用單元式制動緩解。

圖2 單閥升壓輔助緩解

3.2 單元緩解

相比于單閥輔助緩解,低地板現代有軌電車目前更多采用單元式輔助緩解。即輔助緩解裝置具有獨立的液壓管路、獨立的壓力控制設備。當然,其對應的彈簧作用式制動夾鉗也具有輔助緩解液壓回路。根據輔助緩解功能實現的自動化程度,其又分為手動緩解裝置和電動緩解裝置。

3.2.1 手動分散式緩解裝置

該緩解裝置的動力來源于司乘人員。如圖3所示,壓力開關、三通閥、手動泵、油壺等構成一個基本的輔助緩解單元,分散布置在轉向架的液壓管路中。當需要輔助緩解時,將三通閥置輔助緩解位,司乘人員通過手動泵向輔助液壓緩解回路加壓,緩解制動夾鉗。加壓多少由司機根據手動泵上的壓力表進行監控。當緩解壓力足夠時,壓力開關將緩解信號上報車輛,然后將三通閥置保壓位,拆下手動泵,列車運營回庫。需要輔助緩解復位時,再次接入手動泵,三通閥置輔助緩解位,緩解回路泄壓,液壓油回流至手動泵;之后,三通閥置正常位,卸下手動泵,緩解回路中少量液壓油可流入油壺。列檢時,如果油壺滿了將油排掉即可。

該輔助緩解裝置結構簡單,只需在轉向架上布置輔助緩解管路和元件,手動泵單獨放置在車上,需要緩解時,由司乘人員帶到車下操作。在管路設計時,需將三通閥及手動泵靠近車輛外側布置,且此處裙板要便于操作。缺點是當出現故障時,必須到車下進行輔助緩解操作,對操作空間有要求,且如果遇到惡劣天氣,操作人員的工作環境不好。

圖3 手動分散式液壓輔助緩解裝置(1)

目前,沈陽渾南有軌電車及成都新津線有軌電車采用的是該種液壓輔助緩解裝置。因該裝置的各液壓元件分散布置,故暫定義其為手動分散式液壓輔助緩解裝置。各種手動輔助液壓緩解裝置的原理大同小異,但基于總體布局、操作環境、監控信號等考慮,其主要元件基本類似,但各型車的結構布局和輔助元件各不相同。

長春輕軌三期車輛的液壓輔助緩解裝置結構更為簡化(見圖4),其輔助緩解裝置由帶電觸點的塞門和手動泵構成。平時手動泵放置在客室內,當需要輔助緩解時,打開塞門的呼吸帽,將手動泵連接到塞門,向輔助緩解回路中加壓。加壓多少由司機根據手動泵上的壓力表進行監控。當壓力達到緩解要求后,將塞門置保壓位,此時塞門上觸點接通,將緩解信號發送至列車VCU (車輛控制單元),卸下手動泵,車輛繼續運行。當不需要輔助緩解時,將手動泵接到塞門上,塞門置正常位,輔助緩解回路中液壓油泄放至手動泵,卸下手動泵,裝好塞門呼吸帽。

該液壓輔助緩解裝置的緩解信號靠塞門手柄方位觸發,不能真實反映緩解回路中壓力的高低,存在安全隱患。在運用中曾出現過誤報信號,造成制動盤異常磨耗。長春輕軌部分車輛參照圖3 原理已對液壓輔助緩解裝置進行改造,在輔助緩解回路中增加壓力開關,可直接反應液壓壓力情況。

圖4 手動分散式液壓輔助緩解裝置(2)

3.2.2 手動集成式緩解裝置

為了改善司乘人員工作環境,將手動泵、壓力開關、三通閥等手動緩解元件布置在車輛電氣柜中,出現故障時,司乘人員就無需下車處理。北京機場線車輛液壓輔助緩解裝置就是這種布置。

為了維護方便,把手動泵、壓力開關、三通閥等集成在一起,定義為手動集成式液壓輔助緩解裝置。如圖5所示,手動泵、壓力開關、壓力表等均采用插裝式結構,集成在共用閥塊上。此外,還設置了手動回油閥、視油鏡等。閥塊下方設置為油箱。青島城陽有軌電車的輔助緩解裝置采用了類似結構。

圖5 手動集成式液壓輔助緩解裝置

另外,根據輔助緩解回路中的用油量以及需要輔助緩解的時間長短,可在輔助緩解裝置中設置蓄能器。如配置一個規格為0.16 L的小蓄能器,以平穩保持輔助緩解壓力。

3.2.3 手動半集成式緩解裝置

在滿足輔助緩解需求的前提下,個別項目還有一些不同設計,也是特點鮮明。如廣州海珠環島有軌電車輔助緩解裝置,將油壺、壓力開關集成到三通閥閥體上,手動泵另置(見圖6),屬于半集成手動液壓輔助緩解裝置。

圖6 手動半集成式液壓輔助緩解裝置

3.2.4 電動緩解裝置

為使緩解更迅速,減少運營延誤時間,在手動集成式液壓輔助緩解裝置基礎上,發展了電動液壓輔助緩解裝置(見圖7):手動泵由電機驅動齒輪泵代替,增加回油電磁閥。需要進行輔助緩解時,通過司機室開關,發出輔助緩解指令,對應的輔助緩解單元中電機帶動齒輪泵向輔助緩解回路中供應液壓。當壓力達到要求時,壓力開關控制電機停止工作,同時將輔助緩解信號發出。當完成輔助緩解任務后,回油閥失電,將輔助緩解回路中的壓力泄至輔助緩解裝置的油箱中。中車南京浦鎮車輛有限公司的國產化有軌電車樣車采用了這種輔助緩解裝置。

圖7 電動液壓輔助緩解裝置

當然,根據實際需要,該裝置是否設置蓄能器、是否共用電氣啟停壓力開關與制動緩解壓力開關、是否預留手動泵接口以備斷電時的手動操作等,都可以進行個性化設計。

除了以上緩解方式外,還有將電控輔助緩解裝置與液壓制動控制單元集成在一起,共用閥塊與油箱,但設置單獨的電機、閥和壓力開關等。該種方式暫且定義為共用電動輔助緩解裝置。該種方式可節省輔助緩解裝置單獨布置的空間,但整體液壓制動控制單元內部結構復雜,體積龐大,對外管路接口多,在車輛上的安裝難度較大。

3.3 單閥泄壓緩解

部分有軌電車項目在安全制動時需要液壓作用式制動夾鉗施加制動力。當列車失電或者常用制動功能故障時,液壓作用式制動夾鉗施加制動作用。為實現制動夾鉗緩解,需要卸掉制動夾鉗內液壓壓力。如圖8所示,如果能正常供電,則通過給輔助緩解電磁閥上電,實現緩解;如果不能上電,問題出現在運營線路上則緩解比較困難[1]。伊朗某項目采用了該種模式。該項目調試初期安全制動緩解問題突出,后來制訂了一系列補充方案,諸如輔助緩解電磁閥從蓄電池單獨布線、確保為該閥最大可能性供電,一定程度上緩解了安全制動緩解問題。但其操作時很不方便,需要在緩解狀態時斷開液壓制動控制單元與制動夾鉗之間的管路,正常運用前再恢復管路。當然,該結構可通過手動回油閥卸掉蓄能器壓力,最終卸掉制動夾鉗壓力。但將如此體積的液壓制動控制單元布置到車側,且手動回油閥易于觸碰,對車下空間緊張的有軌電車來說困難很大。

3.4 對比分析

由表1可知,機械輔助緩解和單閥泄壓緩解都是對應夾鉗特有的方式,不具備選擇特性,僅對彈簧作用式夾鉗中的液壓輔助緩解方式進行對比才具有意義。表2從工作原理、結構、可維修性和成本等方面對其進行了對比。

4 結語

輔助緩解裝置是液壓制動系統的重要組成部分,其特性以及與整車的融合對列車的可用性至關重要,同時也影響車輛運營延誤時間、司乘人員的故障處理工作環境、維護人員的操作難易以及車輛成本。因此,在系統設計時建議:①安全制動工況,盡量不使用液壓作用式制動夾鉗,這樣只需對彈簧作用式制動夾鉗進行輔助緩解;②為提高系統可靠性,盡量選用雙液壓回路的彈簧作用式制動夾鉗,輔助緩解功能具有單獨的液壓回路;③為提高可維護性,輔助緩解裝置盡量采用集成式;④為加速故障處理,盡量采用電動輔助緩解,若采用手動輔助設備,盡量布置在客室電氣柜內;⑤無論哪種方式,應確保在正線上能夠手動操作實現輔助緩解。

圖8 單閥泄壓輔助緩解裝置

表2 各種彈簧作用式制動夾鉗液壓輔助緩解方式對比

[1] 丁富昌.伊朗馬沙德70%低地板輕軌安全制動緩解淺析[J].今日軌道交通,2013,11(8):87.

[2] 曹國利,曾憲華,劉睿.國產低地板車輛制動系統方案[J].城市軌道交通研究,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)