蘇州有軌電車2號(hào)線國(guó)產(chǎn)液壓制動(dòng)系統(tǒng)研制

袁富衛(wèi)，齊增強(qiáng)，朱新宇

（1中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，江蘇 南京 210031；2南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司，江蘇 南京 210031）

0 引言

有軌電車是一種中等運(yùn)能、設(shè)計(jì)新穎、環(huán)境友好、資源節(jié)約的城市軌道交通系統(tǒng)。但是，由于有軌電車相對(duì)于地鐵車輛車下設(shè)備安裝空間有限、制動(dòng)響應(yīng)要求高，傳統(tǒng)的空氣制動(dòng)系統(tǒng)難以滿足要求，而液壓制動(dòng)系統(tǒng)具有設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、制動(dòng)響應(yīng)時(shí)間快、同等體積情況下制動(dòng)力大等特點(diǎn)，因而使其在有軌電車上得到廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)外主要成熟批量運(yùn)用的液壓制動(dòng)系統(tǒng)仍被國(guó)外的制動(dòng)廠家所壟斷。中車南京浦鎮(zhèn)車輛公司為推動(dòng)國(guó)內(nèi)制動(dòng)廠家液壓制動(dòng)技術(shù)的成長(zhǎng)與發(fā)展，在其蘇州有軌電車2號(hào)線項(xiàng)目中采用了南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司自主開發(fā)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品。

1 概述

蘇州有軌電車2號(hào)線采用模塊化設(shè)計(jì)，包含3個(gè)轉(zhuǎn)向架模塊（2個(gè)動(dòng)車轉(zhuǎn)向架MB模塊和1個(gè)拖車轉(zhuǎn)向架TB模塊，其中BM3為TB模塊，BM1和BM7為MB模塊）和2個(gè)客室模塊，共計(jì)5個(gè)基本車輛模塊。模塊編組形式為：

圖1 列車組成示意圖Fig.1 Configuration of tram

制動(dòng)性能要求：①常用制動(dòng)平均減速度 （AW2）≥1.2 m/s2；②安全制動(dòng)平均減速度（AW2）≥1.5 m/s2；③危害制動(dòng)等效減速度（AW2）≥2.8 m/s2。

車輛液壓制動(dòng)系統(tǒng)要求滿足EN13452-1的相關(guān)規(guī)定。制動(dòng)系統(tǒng)包括電制動(dòng)、液壓摩擦制動(dòng)和磁軌制動(dòng)。其中電制動(dòng)優(yōu)先級(jí)最高，液壓摩擦制動(dòng)其次，磁軌制動(dòng)優(yōu)先級(jí)最低。

2 液壓制動(dòng)系統(tǒng)原理與功能

液壓制動(dòng)系統(tǒng)采用被動(dòng)式制動(dòng)系統(tǒng)如圖2所示，在車輛緩解時(shí)，3個(gè)轉(zhuǎn)向架模塊的電子制動(dòng)控制單元（EBCU）根據(jù)緩解指令，控制液壓制動(dòng)控制單元（HBCU）中的比例閥生成緩解壓力，輸出至轉(zhuǎn)向架上的制動(dòng)夾鉗，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)緩解。在接收到制動(dòng)指令后，EBCU通過(guò)控制HBCU中的比例閥調(diào)節(jié)制動(dòng)缸中的壓力，實(shí)現(xiàn)制動(dòng)功能。

當(dāng)蓄能器中的壓力低于設(shè)定值時(shí)，EBCU可通過(guò)泵驅(qū)動(dòng)單元（PDU）驅(qū)動(dòng)HBCU中的電機(jī)啟動(dòng)，當(dāng)壓力達(dá)到目標(biāo)值后，電機(jī)停止工作。

當(dāng)液壓制動(dòng)系統(tǒng)故障時(shí)，可通過(guò)緊急緩解單元（ERU）實(shí)現(xiàn)對(duì)故障模塊制動(dòng)夾鉗的電氣遠(yuǎn)程緩解。或者可直接對(duì)液壓制動(dòng)夾鉗進(jìn)行強(qiáng)制機(jī)械緩解。

每個(gè)轉(zhuǎn)向架模塊均設(shè)置磁軌制動(dòng)器，當(dāng)危害制動(dòng)和安全制動(dòng)時(shí)，車輛控制單元（VCU）控制施加磁軌制動(dòng)。

TB模塊液壓制動(dòng)系統(tǒng)接收車輛的牽引、常用制動(dòng)、危害制動(dòng)、強(qiáng)迫制動(dòng)、安全制動(dòng)等指令，與車輛具有MVB網(wǎng)絡(luò)通信功能；MB模塊液壓制動(dòng)系統(tǒng)接收分級(jí)制動(dòng)（0.5級(jí)/1級(jí)/2級(jí)制動(dòng)）、安全制動(dòng)、停放制動(dòng)等指令。同時(shí)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)向車輛反饋制動(dòng)狀態(tài)以及制動(dòng)系統(tǒng)的故障等信息。

圖2 液壓原理圖Fig.2 Hydraulic schema

車輛的制動(dòng)模式如表1所示。

表1 制動(dòng)模式Tab.1 Brake mode

（1）常用制動(dòng)。通過(guò)操縱司控器，可以施加常用制動(dòng)；當(dāng)司控器手柄處于非制動(dòng)位，常用制動(dòng)被取消。常用制動(dòng)用于常規(guī)減速，正常條件下常用制動(dòng)過(guò)程所需制動(dòng)力全部由電制動(dòng)承擔(dān)，直到停車前，在低速下聯(lián)合液壓摩擦制動(dòng)進(jìn)行準(zhǔn)確停車。

常用制動(dòng)工況下，車輛具有防滑保護(hù)功能。

（2）強(qiáng)迫制動(dòng)。強(qiáng)迫制動(dòng)通過(guò)司機(jī)警惕按鈕、乘客緊急手柄、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控等自動(dòng)觸發(fā)。同常用制動(dòng)模式，正常情況下所需制動(dòng)力全部由電制動(dòng)承擔(dān)，直到停車前，在低速下聯(lián)合液壓摩擦制動(dòng)進(jìn)行停車。

強(qiáng)迫制動(dòng)工況下，車輛具有防滑保護(hù)功能。

（3）危害制動(dòng)。危害制動(dòng)通過(guò)操作司控器手柄到制動(dòng)區(qū)最后一位來(lái)實(shí)現(xiàn)。危害制動(dòng)過(guò)程中，施加MB模塊的電制動(dòng)、TB模塊的液壓摩擦制動(dòng)以及全列車的磁軌制動(dòng)，從而達(dá)到所需的減速度。

危害制動(dòng)觸發(fā)后，在車輛完全停止前允許撤銷，此工況下車輛具有防滑保護(hù)功能。

（4）保持制動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)具有保持制動(dòng)功能，能夠保證車輛在本線路最大坡道啟動(dòng)時(shí)車輛不后溜。另外，在車輛低速停車制動(dòng)過(guò)程中，配合電制動(dòng)的淡出實(shí)現(xiàn)車輛平穩(wěn)、準(zhǔn)確停車。

（5）安全制動(dòng)。安全制動(dòng)通過(guò)司機(jī)室蘑菇按鈕觸發(fā)。根據(jù)故障導(dǎo)向安全的原則，安全回路失電觸發(fā)安全制動(dòng)。安全制動(dòng)過(guò)程中，安全回路失電，HBCU中的安全制動(dòng)閥也失電，從而所有轉(zhuǎn)向架施加一個(gè)設(shè)定的制動(dòng)力。安全制動(dòng)過(guò)程中電制動(dòng)被切除，所需制動(dòng)力全部由液壓摩擦制動(dòng)來(lái)承擔(dān)。安全制動(dòng)一旦觸發(fā)，在車輛完全停止前不能被取消。

（6）停放制動(dòng)。車輛停止時(shí)，若車輛斷開24VDC電源，液泵電機(jī)關(guān)閉，液壓制動(dòng)夾鉗中的壓力通過(guò)HBCU中的停放電磁閥卸載，彈簧力完全施加，車輛施加停放制動(dòng)。停放制動(dòng)可使最大載荷工況下的有軌電車在最大坡度下保持靜止。

（7）滑行控制。電制動(dòng)的防滑控制由牽引系統(tǒng)進(jìn)行控制，液壓摩擦制動(dòng)的防滑控制由制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行管理。

MB模塊只具有電制動(dòng)防滑控制，由牽引系統(tǒng)進(jìn)行控制。

TB模塊制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行液壓摩擦制動(dòng)的防滑控制。EBCU通過(guò)速度傳感器采集車輪速度信息，當(dāng)檢測(cè)到滑行時(shí)，通過(guò)增加HBCU輸出的壓力，降低轉(zhuǎn)向架的液壓制動(dòng)力，待滑行恢復(fù)后，重新恢復(fù)目標(biāo)液壓制動(dòng)力。

（8）緊急牽引模式。在緊急牽引模式下（VCU故障或者M(jìn)VB故障），MB模塊與TB模塊上的EBCU直接根據(jù) “牽引”、“制動(dòng)”和“危害制動(dòng)”指令硬線施加固定的液壓制動(dòng)力。該模式下TB模塊液壓制動(dòng)系統(tǒng)仍具有滑行控制功能。

另外液壓制動(dòng)系統(tǒng)還具有故障診斷、泵啟停控制、緊急緩解、輪徑設(shè)定等功能。

3 液壓制動(dòng)系統(tǒng)部件

蘇州有軌電車2號(hào)線液壓制動(dòng)系統(tǒng)配置如表2所示。

表2 制動(dòng)系統(tǒng)配置清單Tab.2 Configuration list of brake system

3.1 電子制動(dòng)控制單元（EBCU）

MB模塊EBCU主要接收車輛硬線信號(hào)識(shí)別制動(dòng)指令。TB模塊EBCU還可通過(guò)MVB通信，接收并處理VCU的制動(dòng)指令。兩種EBCU都可采集HBCU上相關(guān)壓力，通過(guò)液壓比例閥閉環(huán)控制，調(diào)節(jié)液壓制動(dòng)夾鉗的壓力實(shí)施制動(dòng)。同時(shí)EBCU可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄能器壓力，實(shí)現(xiàn)HBCU中電機(jī)的管理與控制。兩種EBCU都具有故障監(jiān)測(cè)、診斷和記錄等功能，TB模塊EBCU另外具有車輛速度采集與防滑控制功能。

圖3 TB模塊電子制動(dòng)控制Fig.3 Electronic brake control of TB module

3.2 泵驅(qū)動(dòng)單元（PDU）

PDU用于控制液壓?jiǎn)卧须姍C(jī)的啟停。當(dāng)有控制信號(hào)輸入時(shí)，PDU將此信號(hào)在內(nèi)部進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過(guò)軟啟動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)液壓?jiǎn)卧闹绷麟姍C(jī)。同時(shí)PDU具有故障保護(hù)、故障信號(hào)輸出的功能。

3.3 液壓制動(dòng)控制單元（HBCU）

HBCU主要由電機(jī)、泵、過(guò)濾器、溢流閥、安全閥、單向閥、壓力傳感器、比例閥、三通電磁閥、兩通電磁閥、手動(dòng)換向閥、呼吸器、集成塊、油箱和上護(hù)罩等部件組成。

HBCU具有如下功能：

（1）壓力生成功能：通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)泵生成油壓，輸出至與液壓制動(dòng)控制單元S口相連接的蓄能器。

（2）壓力檢測(cè)功能：通過(guò)壓力傳感器分別檢測(cè)蓄能器及比例閥輸出的壓力。

（3）壓力控制功能：通過(guò)比例減壓閥實(shí)施常用/緊急制動(dòng)壓力控制；通過(guò)其他液壓閥實(shí)施的安全/停放制動(dòng)壓力控制。

圖4 液壓制動(dòng)控制單元（HBCU）Fig.4 Hydraulic brake control unit（HBCU）

3.4 緊急緩解單元（ERU）

ERU主要由泵、電機(jī)、集成塊、安全閥、單向閥、壓力開關(guān)、電磁換向閥、進(jìn)油過(guò)濾器、油箱、上護(hù)罩、等部件組成。

緊急緩解單元主要為車輛在緊急情況下提供緩解所需的壓力油。

ERU具有如下功能：

（1）緩解：通過(guò)激活電磁閥D，同時(shí)電機(jī)M驅(qū)動(dòng)泵P輸出液壓油至液壓制動(dòng)夾鉗，進(jìn)行緩解。

（2）撤銷緩解狀態(tài)：通過(guò)電磁閥D失電，從而將液壓制動(dòng)夾鉗的壓力降至0，撤銷緩解狀態(tài)。

3.5 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置包括液壓制動(dòng)夾鉗、制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片。制動(dòng)夾鉗為被動(dòng)制動(dòng)夾鉗、制動(dòng)盤為鑄鐵制動(dòng)盤、閘片為合成材料閘片。液壓制動(dòng)夾鉗通過(guò)吊桿和支持銷固定在轉(zhuǎn)向架構(gòu)架上，制動(dòng)盤安裝于車輪外側(cè)的軸端。當(dāng)車輛在需要制動(dòng)或駐車時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)液壓制動(dòng)夾鉗泄壓，夾鉗內(nèi)部?jī)?chǔ)能元件釋放能量，推動(dòng)杠桿頂壓閘片實(shí)施制動(dòng)。

3.6 磁軌制動(dòng)器

磁軌制動(dòng)器主要由電磁線圈、鐵芯、導(dǎo)架、夾板（磁軛）、磨耗塊、摩擦靴、導(dǎo)軌、懸掛系統(tǒng)等部件組成。

當(dāng)磁軌制動(dòng)器得電后，電磁線圈產(chǎn)生磁場(chǎng)。磁場(chǎng)通過(guò)、線圈鐵芯、夾板、摩擦靴、工作間隙以及軌道形成一個(gè)完整的閉合磁路，產(chǎn)生電磁力使摩擦靴與軌道吸合。摩擦靴與軌道之間通過(guò)相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦力從而形成磁軌制動(dòng)力。磁軌制動(dòng)力通過(guò)導(dǎo)架傳遞到轉(zhuǎn)向架，然后作用于車輛。

當(dāng)磁軌制動(dòng)器失電后，懸掛系統(tǒng)中的彈簧克服本體重量和剩余電磁力的作用從軌道上提起磁軌制動(dòng)器，使其回到初始位置。

4 液壓制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)考核

該液壓制動(dòng)系統(tǒng)在產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程進(jìn)行了一系列試驗(yàn)驗(yàn)證。該液壓控制系統(tǒng)按照EN 50155：2007、EN 50121-3-2：2006、IEC 61373-2010、GB/T 25119-2010、GB/T 2423.1-2008、GB/T 2423.2-2008、GB/T 2423.17-2008、TB/T 3021-2001標(biāo)準(zhǔn)要求，開展了電磁兼容試驗(yàn)、振動(dòng)沖擊試驗(yàn)、溫度試驗(yàn)、交變濕熱、鹽霧試驗(yàn)等型式試驗(yàn)；按照1：1臺(tái)架試驗(yàn)大綱開展了盤片摩擦磨耗試驗(yàn)；通過(guò)產(chǎn)品耐久試驗(yàn)驗(yàn)證了產(chǎn)品的壽命與可靠性。各試驗(yàn)滿足部件產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

該液壓制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了地面組合試驗(yàn)，試驗(yàn)項(xiàng)點(diǎn)包括：正常模式與緊急牽引模式下的制動(dòng)試驗(yàn)、網(wǎng)絡(luò)通信異常情況下的制動(dòng)試驗(yàn)、滑行檢測(cè)與控制、響應(yīng)時(shí)間測(cè)試等。各試驗(yàn)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

該液壓制動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)部件與系統(tǒng)充分的試驗(yàn)驗(yàn)證后，開展了裝車試驗(yàn)測(cè)試，并通過(guò)第三方開展的液壓制動(dòng)系統(tǒng)靜置功能試驗(yàn)、線路性能試驗(yàn)、防滑保護(hù)試驗(yàn)以及熱容量試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果符合車輛制動(dòng)性能要求。

圖5 線路型式試驗(yàn)Fig.5 Line type test

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司在低地板有軌電車制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)方面已經(jīng)進(jìn)行了較深入的研究，實(shí)現(xiàn)了批量生產(chǎn)與裝車運(yùn)用。液壓制動(dòng)系統(tǒng)的國(guó)產(chǎn)化設(shè)計(jì)與運(yùn)用，一方面打破了國(guó)外液壓制動(dòng)系統(tǒng)在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的壟斷，另一方面給國(guó)內(nèi)主機(jī)廠提供了選擇空間，可大幅度降低低地板有軌電車的制造成本，同時(shí)國(guó)產(chǎn)制動(dòng)系統(tǒng)的各項(xiàng)配套服務(wù)，如備品備件、售后服務(wù)等及時(shí)到位，大幅度降低了車輛的運(yùn)營(yíng)成本。自主液壓制動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)用對(duì)我國(guó)軌道交通事業(yè)的發(fā)展具有重要的意義。

[1]蘇州有軌電車2號(hào)線通用采購(gòu)技術(shù)規(guī)范[Z].中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，2015.

[2]蘇州有軌電車2號(hào)線液壓制動(dòng)系統(tǒng)采購(gòu)技術(shù)規(guī)范[Z].中車南京浦鎮(zhèn)車輛有限公司，2015.