160 km/h新型磁浮列車液壓制動系統的設計

杜慧杰 劉中華 劉 政 曲秋芬 吉振山 吳 桐

(中車唐山機車車輛有限公司，063035，唐山//第一作者，工程師)

160 km/h新型磁浮列車采用電磁永磁混合懸浮技術，牽引采用同步永磁直線電機，牽引效率高，比現有低速磁浮列車節能20%以上，適用于城市之間的短距離運行。其常用制動完全采用電制動，可滿足車輛正常制動、懸浮停車的需求；液壓制動不參與電制動的協調配合。

160 km/h磁浮列車液壓制動系統在制動夾鉗數量、夾鉗用油量和管路長度方面比有軌電車液壓制動系統多數倍，綜合起來，其制動用油量是有軌電車制動系統的數10倍，這將延緩制動響應速度。為盡可能地縮短制動響應時間，必須提高系統供油量和管路流量，同時盡可能減小制動過程的用油量。

1 液壓制動控制系統組成

液壓制動控制系統由電子制動控制單元(VSS)、液壓動力單元(HPU)、蓄能器、泵控模塊、制動夾鉗及管路等組成。其中，VSS為制動系統的控制元件；HPU和泵控模塊為制動系統的動力裝置；制動夾鉗為執行元件；蓄能器為儲能裝置；管路為液壓油傳輸的介質。

1.1 VSS

VSS的主要功能包括數字量輸入輸出、模擬量輸入、電機控制及故障存儲、人機接口。其電氣原理圖如圖1所示。

制動控制指令的發送和接收是通過緊急制動施加和強迫制動緩解2根列車制動控制硬線來實現的。VSS采集列車制動控制硬線指令信號，以及溫度開關、油位開關、壓力開關、壓力傳感器的狀態反饋，根據車輛制動系統的工作狀態，將制動緩解、主要故障及主要數據等信號通過列車制動控制硬線發送給列車控制單元，用于診斷和監控。

緊急制動可通過安全環路觸發，緊急制動環路繼電器斷開，同時通過列車制動控制硬線反饋給列車控制單元，用于故障診斷。

1.2 HPU

每輛車安裝1套HPU，同時為10個制動夾鉗提供制動動力。制動力的大小由減壓閥(SV2)預先設定。液壓制動原理圖如圖2所示。

HPU由電機、齒輪泵、電磁換向閥、溢流閥、單向閥等組成，回路外接到蓄能器。蓄能器的充液壓力由壓力開關經VSS控制，工作壓力為12～15 MPa。當蓄能器內壓力低于設定下限時，電機啟動，帶動齒輪泵工作；當蓄能器充液壓力達到上限設定壓力時，關閉電機停止充液。蓄能器為系統儲存液壓動力，保證制動回路能夠快速建立相應的制動壓力。

圖1 VSS電氣原理圖

M———電機;SV1———溢流閥;F1———過濾器;RV1/2/3———單向閥;SW———壓力開關;AV———兩位兩通換向閥;YV2———兩位兩通電磁換向閥;YV1———兩位三通電磁換向閥;SV2———減壓閥;B1———壓力傳感器;P1/2———測試接口;A1———蓄能器;A2———制動油缸

2 制動計算

2.1 用油量校核

磁浮車輛制動管路較長(約50 m)，管路容腔較大，對制動系統供油量、流量和響應時間的影響較大，本文對其進行分析。

2.1.1 緊急制動的用油量

(1)單輛車10臺夾鉗最大用油量(無磨耗)：活塞缸直徑為40 mm、油缸行程為22.2 mm時，用油量為27.90 mL，則10臺夾鉗用油量為279.0 mL。

(2) 單輛車10臺夾鉗最大用油量(閘片磨耗到限)：活塞缸直徑為40 mm、油缸在最不利條件下的最大行程為66.4 mm時，用油量為83.44 mL，則10臺夾鉗在最不利條件下的用油量為834.4 mL。

根據以上計算結果，兩個蓄能器的儲油量為2×990 mL=1 980 mL，鋼管路的儲油量為2 047.72 mL(507.92 mL+1 539.8 mL)，10臺夾鉗活塞缸最大用油量為834.4 mL，總油量為2 882.12 mL。液壓單元油箱的最大儲油量為8 000 mL，滿足制動用油需求。

2.1.2 緩解狀態下管路充滿油液的方法

由于HPU在制動管路下方，在緩解狀態下，為了避免主管路內油液在重力作用下流回HPU油箱，在制動回路增加了兩個并聯的反向單向閥。單向閥的開啟壓力為0.01～0.05 MPa。單向閥使得制動緩解狀態下制動回路存在殘存壓力(壓力大小由單向閥的開啟壓力決定)，避免了主管路排空油液，能減少制動用油量和縮短制動響應時間。

若在制動緩解狀態下制動主管路排空或部分排空，則會造成液壓油箱內油位升高。通過液位開關可監測油箱油位，若油位超過設定的警戒線，將觸發報警裝置。

2.2 制動響應時間仿真分析

在無磨耗情況下，管路處于油液充滿狀態，制動用油量為279.0 mL；在全磨耗情況下，管路處于油液充滿狀態，制動用油量為834.4 mL。對無任何磨耗下的夾鉗和管路無空氣下的液壓制動系統基于圖3所示模型進行仿真計算。仿真結果如圖4所示。

圖3 液壓制動仿真模型

圖4 制動缸壓力響應曲線

由圖4可見，減壓閥平均流量在15～16 L/min，制動油缸升壓時間在1.2 s。該仿真沒有考慮電氣延遲及液壓閥動作延遲(約0.2 s)。 綜上所述，在閘片/軌道無磨耗、管路無空氣、忽略管接頭的節流作用的情況下，制動系統的計算響應時間為1.4 s。

3 結語

液壓制動系統采用故障導向原則進行設計，具有結構穩定、安全性高、操作簡捷、制動響應快、模塊化等特點，能夠滿足總體設計對液壓制動系統的要求。在滿足車輛運行安全的前提下，考慮設備冗余的必要性。