成都市域A型車輛制動(dòng)裝置技術(shù)簡介

劉曉妍，楊 東，韓 宇，尚小菲，宋 陽

(中國中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，不同種類城市軌道交通的并行建設(shè)和運(yùn)營，發(fā)展市域交通為緩解城市中心居民過分集中問題、改善居住條件、發(fā)展衛(wèi)星城鎮(zhèn)、節(jié)約投資提供了重要幫助。市域交通由于其運(yùn)營里程大，可充分發(fā)揮軌道交通“速度快、容量大、能耗低”的特點(diǎn)，最大程度地滿足乘客出行的需求[1]。

成都市域A型車速度為160 km/h，其高于普通地鐵車輛的運(yùn)行速度，對(duì)列車的制動(dòng)裝置提出了更高的要求，本文主要對(duì)成都市域A型車輛制動(dòng)裝置技術(shù)進(jìn)行簡單介紹。

1 A型車輛制動(dòng)系統(tǒng)的主要性能指標(biāo)[2]

(1)在超員(AW3)且車輪為半磨耗狀態(tài)工況下，列車在平直干燥線路以最高速度160 km/h運(yùn)行時(shí)，從給出制動(dòng)指令到列車停止，列車平均減速度為：a常≥1.0 m/s2；a緊≥1.2 m/s2。

(2)常用制動(dòng)沖擊率≤0.75 m/s3，緊急制動(dòng)作用時(shí)不受此限制。

(3)停放制動(dòng)應(yīng)能確保超員時(shí)安全地停放在線路的最大坡道上，并考慮最大季風(fēng)的影響。

2 A型車輛制動(dòng)系統(tǒng)組成及原理

成都市域A型車采用微機(jī)控制模擬式EP2002架控式制動(dòng)系統(tǒng)，并基于網(wǎng)絡(luò)及硬線冗余的控制方式。列車設(shè)有兩套主供風(fēng)單元，每輛車配備兩套EP2002制動(dòng)控制單元(G閥、RIO閥和S閥)，每根車軸配置兩套輪盤制動(dòng)單元，其中一套具有停放制動(dòng)功能[3]，制動(dòng)盤采用鑄鋼制動(dòng)盤。

制動(dòng)系統(tǒng)以列車為單元進(jìn)行制動(dòng)力管理，能在ATO(Automatic Train Operation，自動(dòng)駕駛系統(tǒng))、ATP(Automatic Train Protection，列車自動(dòng)保護(hù)系統(tǒng))或司機(jī)控制器的控制下對(duì)列車進(jìn)行階段或一次性的制動(dòng)與緩解，具有常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、保持制動(dòng)、停放制動(dòng)、防滑保護(hù)控制、縱向沖動(dòng)控制、制動(dòng)不緩解檢測、強(qiáng)迫緩解、故障診斷與自診斷等功能。

制動(dòng)系統(tǒng)主要包括主供風(fēng)模塊、輔助供風(fēng)模塊、制動(dòng)控制裝置以及基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等，如圖1所示。

圖1 A型車輛制動(dòng)系統(tǒng)組成

2.1 主供風(fēng)單元

兩個(gè)Mp車(帶受電弓的動(dòng)車)上分別安裝一套風(fēng)源設(shè)備，所有設(shè)備集成在一個(gè)模塊中。每套風(fēng)源系統(tǒng)可以為8輛編組的車輛提供足夠的干燥空氣。風(fēng)源設(shè)備主要包括一臺(tái)SL22型螺桿式空壓機(jī)和一套雙塔空氣干燥器，它們固定在同一個(gè)安裝架上，以便安裝和維護(hù)。風(fēng)源模塊外形如圖2所示。

圖2 風(fēng)源模塊

螺桿式空壓機(jī)具有許多優(yōu)點(diǎn)，如空壓機(jī)與電機(jī)之間的柔性減振器，有利于將空壓機(jī)噪聲控制在盡可能低的水平，為了避免噪聲傳遞到風(fēng)管，空壓機(jī)組通過一條彈性高壓軟管與制動(dòng)裝置相連接；在空壓機(jī)的進(jìn)風(fēng)口處配置空氣濾清器，對(duì)吸入的空氣進(jìn)行過濾，經(jīng)過濾后的空氣進(jìn)入冷卻風(fēng)扇，經(jīng)過冷卻風(fēng)扇后進(jìn)入雙塔式空氣干燥器裝置。

空壓機(jī)采用單雙日控制壓縮機(jī)的工作，以提高工作率，其“啟動(dòng)/停止”功能用于空壓機(jī)的控制。當(dāng)總風(fēng)壓力低于0.8 MPa時(shí)，通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出空壓機(jī)啟動(dòng)信號(hào)，此時(shí)主空壓機(jī)啟動(dòng);當(dāng)總風(fēng)壓力上升到0.95 MPa時(shí)，發(fā)出空壓機(jī)停止信號(hào)，此時(shí)主空壓機(jī)停止工作。如果總風(fēng)壓力在主空壓機(jī)啟動(dòng)后，持續(xù)下降到0.75 MPa時(shí)，又會(huì)發(fā)出啟動(dòng)輔助空壓機(jī)信號(hào)，兩臺(tái)空壓機(jī)持續(xù)打風(fēng)到0.95 MPa時(shí)，發(fā)出空壓機(jī)停止信號(hào)，兩臺(tái)空壓機(jī)都停止工作。當(dāng)兩臺(tái)空壓機(jī)同時(shí)啟動(dòng)時(shí)，主/輔空壓機(jī)啟動(dòng)具有一定時(shí)間間隔[4]。

當(dāng)工作壓力高于1.2 MPa時(shí),安全閥動(dòng)作對(duì)空壓機(jī)進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)壓力高于1.05 MPa時(shí)，安全閥動(dòng)作以保護(hù)整個(gè)氣動(dòng)系統(tǒng)。

2.2 制動(dòng)控制裝置

每4輛車內(nèi)的8個(gè)EP2002閥分別通過CAN(Controller Area Network，控制器局域網(wǎng)絡(luò))總線連接在一起，組成一個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)部的CAN網(wǎng)絡(luò)單元，全列車分成2個(gè)CAN單元，如圖3所示。圖3中，G代表G閥，S代表S閥，R代表R閥，每4輛車組成一個(gè)CAN網(wǎng)絡(luò)單元。

圖3 制動(dòng)控制單元的配置

為了提供冗余的備份，CAN網(wǎng)絡(luò)單元中兩個(gè)網(wǎng)關(guān)閥的功能相同且I/O接口配置一致。正常情況下，CAN單元內(nèi)的兩個(gè)網(wǎng)關(guān)閥一個(gè)為主，一個(gè)為輔，主輔網(wǎng)關(guān)閥均向TCMS(Train Control Management Unit，列車控制管理系統(tǒng))發(fā)送數(shù)據(jù)，此時(shí)以主網(wǎng)關(guān)閥發(fā)送的數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。當(dāng)CAN單元斷開時(shí)，兩個(gè)網(wǎng)關(guān)閥均為主，各自發(fā)送所控制車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)，此時(shí)兩個(gè)網(wǎng)關(guān)閥所發(fā)數(shù)據(jù)均為有效數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)上電之初進(jìn)行的一系列網(wǎng)絡(luò)配置的過程中，4輛車組成的CAN總線單元中的一個(gè)網(wǎng)關(guān)閥將成為主網(wǎng)關(guān)閥，另一個(gè)網(wǎng)關(guān)閥為輔網(wǎng)關(guān)閥。輔網(wǎng)關(guān)閥作為主網(wǎng)關(guān)閥的“熱備份”，隨時(shí)監(jiān)測主網(wǎng)關(guān)閥的狀態(tài)。當(dāng)主網(wǎng)關(guān)閥故障時(shí)，輔網(wǎng)關(guān)閥將在1.5 s內(nèi)自動(dòng)接替主網(wǎng)關(guān)閥以確保CAN總線單元內(nèi)空氣制動(dòng)力的分配不間斷，1.5 s轉(zhuǎn)換對(duì)常用制動(dòng)有影響，對(duì)緊急制動(dòng)無影響，考慮到常用制動(dòng)正常是帶有電制動(dòng)的，只有在電制動(dòng)故障，并且EP2002主網(wǎng)關(guān)閥故障時(shí)，才有可能會(huì)有影響，切換過程會(huì)保持切換之前的狀態(tài)，如果之前有制動(dòng)，制動(dòng)不會(huì)丟失。

列車制動(dòng)采用電制動(dòng)優(yōu)先、空氣制動(dòng)延時(shí)投入的混合制動(dòng)方式，電制動(dòng)與空氣制動(dòng)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)配合，當(dāng)網(wǎng)關(guān)閥接收到列車的制動(dòng)模式指令及制動(dòng)需求指令后，根據(jù)不同制動(dòng)等級(jí)的需求，優(yōu)先使用電制動(dòng)，如電制動(dòng)能力達(dá)不到列車需求，空氣制動(dòng)將自動(dòng)補(bǔ)充，保證列車制動(dòng)力滿足需求。

2.3 輔助風(fēng)缸模塊

輔助風(fēng)缸模塊主要包括風(fēng)缸模塊和輔助控制箱等，其中風(fēng)缸模塊集成了一個(gè)100 L的制動(dòng)風(fēng)缸、一個(gè)100 L的總風(fēng)缸和一個(gè)100 L的空簧風(fēng)缸。當(dāng)總風(fēng)管的瞬間壓降很大時(shí)，能為制動(dòng)系統(tǒng)和空氣懸掛系統(tǒng)提供穩(wěn)定的壓縮空氣，且當(dāng)空壓機(jī)發(fā)生故障時(shí)，能提供6次最大常用制動(dòng)施加/緩解所需的壓縮空氣。

輔助制動(dòng)控制箱是將零散的控制、監(jiān)控、測試部件通過模塊化設(shè)計(jì)集成在框架中，整體安裝于車下，并將維護(hù)側(cè)布置在靠近車側(cè)位置，從而使維護(hù)操作人員不用到車底下就能進(jìn)行維修維護(hù)，其優(yōu)點(diǎn)在于散件集成設(shè)計(jì)，集成度高，漏點(diǎn)少，可將從總風(fēng)過來的壓縮空氣分配到制動(dòng)風(fēng)缸、停放制動(dòng)、空簧等部位，為制動(dòng)系統(tǒng)提供各類輔助控制功能。輔助控制箱結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 輔助控制箱

3 制動(dòng)控制系統(tǒng)的主要功能

空氣制動(dòng)主要包括常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)，當(dāng)再生制動(dòng)投入時(shí)常用制動(dòng)可與之隨時(shí)配合進(jìn)行混合制動(dòng)。

3.1 常用制動(dòng)

常用制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)空氣彈簧壓力進(jìn)行空、重車的調(diào)整，以保證不同載重情況下的相同制動(dòng)減速度要求。

常用制動(dòng)采用減速度控制模式，制動(dòng)控制裝置根據(jù)指令的減速度和車輛載重來計(jì)算目標(biāo)制動(dòng)力。常用制動(dòng)采用電空混合制動(dòng)，電制動(dòng)力與空氣制動(dòng)力之和能滿足制動(dòng)指令要求的制動(dòng)力，同時(shí)具有沖擊率限制功能，以改善乘座的舒適性能。

制動(dòng)系統(tǒng)輸出的空氣制動(dòng)力和列車內(nèi)的電制動(dòng)力混合，整車制動(dòng)力由牽引和制動(dòng)系統(tǒng)分別計(jì)算，采用統(tǒng)一的計(jì)算方法。每個(gè)CAN單元中的G閥通過網(wǎng)絡(luò)接口接收制動(dòng)指令和TCU(Traction Control Unit，牽引控制單元)發(fā)送的實(shí)際電制動(dòng)力信號(hào)，計(jì)算出各架應(yīng)施加的空氣制動(dòng)力。

3.2 緊急制動(dòng)

緊急制動(dòng)僅采用空氣制動(dòng)，緊急制動(dòng)系統(tǒng)采用“得電緩解”方式，由緊急制動(dòng)安全回路直接控制，貫穿整個(gè)列車的連續(xù)電源線控制緊急緩解，當(dāng)緊急制動(dòng)安全回線失電時(shí)，所有車輛同時(shí)實(shí)施緊急制動(dòng)，緊急制動(dòng)安全回路的控制電路將保證緊急制動(dòng)一直保持施加狀態(tài)直至列車完全停下。緊急制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)不起作用。

3.3 保持制動(dòng)

保持制動(dòng)控制功能可以使列車在坡道上停車時(shí)保持靜止，防止列車在坡道上啟動(dòng)時(shí)倒溜。

在正常情況下，BCU(Brake Control Unit，制動(dòng)控制單元)從車輛總線接收保持控制指令，當(dāng)車輛減速到低于施加保持制動(dòng)的車速時(shí)，TCMS通過車輛總線向BCU發(fā)出保持制動(dòng)施加指令，BCU收到保持制動(dòng)施加指令后，執(zhí)行保持制動(dòng)施加控制，空氣制動(dòng)系統(tǒng)將施加足以使列車在坡道上能保持靜止的空氣制動(dòng)；當(dāng)列車牽引啟動(dòng)時(shí)，且當(dāng)牽引力高于在坡道上啟動(dòng)所需的牽引力或列車速度高于設(shè)定值時(shí)，TCMS通過車輛總線向BCU發(fā)出保持制動(dòng)緩解指令，BCU收到保持制動(dòng)緩解指令后，執(zhí)行保持制動(dòng)緩解控制，使空氣制動(dòng)緩解。

在應(yīng)急牽引模式及蠕動(dòng)模式下，當(dāng)車速低于一定值時(shí)，BCU將自動(dòng)施加保持制動(dòng)；當(dāng)接收到牽引信號(hào)時(shí)，延遲一定時(shí)間或車速達(dá)到一定值后自動(dòng)緩解保持制動(dòng)，在回送時(shí)不具有保持制動(dòng)功能。

3.4 防滑控制

每根車軸上均裝有速度傳感器，每個(gè)EP2002閥連續(xù)接收該閥控制的轉(zhuǎn)向架上的兩個(gè)速度傳感器的信號(hào)，以隨時(shí)檢測滑行，防止車輪擦傷。此速度信息在CAN總線單元內(nèi)的閥之間共享，從而根據(jù)防滑算法檢測和控制滑行。

空氣制動(dòng)滑行控制系統(tǒng)主要采用速度差和減速度判據(jù)進(jìn)行滑行檢測。減速度滑行檢測是指當(dāng)某一軸速度的減速度達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，判定該軸處于滑行狀態(tài)；速度差滑行檢測是指當(dāng)某一軸速度低于參考速度(基準(zhǔn)速度)一定值時(shí)，判定該軸處于滑行狀態(tài)。

空氣制動(dòng)進(jìn)行滑行控制時(shí)，單軸連續(xù)排風(fēng)時(shí)間不超過5 s。當(dāng)空氣制動(dòng)滑行控制失效時(shí)，應(yīng)無滑行保護(hù)維持運(yùn)用，此時(shí)列車監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)向司機(jī)作出提示。

當(dāng)電制動(dòng)檢測到滑行時(shí)，電制動(dòng)先進(jìn)行防滑控制，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)將滑行信息傳送給空氣制動(dòng)系統(tǒng)，滑行動(dòng)車的制動(dòng)系統(tǒng)按照本動(dòng)車電制動(dòng)能力值來計(jì)算本車的空氣制動(dòng)，以減少滑行的動(dòng)車空氣制動(dòng)力。未滑行動(dòng)車仍按照電制動(dòng)力實(shí)際值進(jìn)行計(jì)算，避免總制動(dòng)力損失過多。當(dāng)空氣制動(dòng)防滑系統(tǒng)檢測到滑行時(shí)，空氣制動(dòng)也進(jìn)行防滑控制，同時(shí)將防滑信息發(fā)送給電制動(dòng)系統(tǒng)。

4 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)采用輪盤制動(dòng)，每軸安裝兩套夾鉗制動(dòng)單元，其中一套具有停放制動(dòng)功能，分別對(duì)角布置。保證列車每根車軸都帶有停放制動(dòng)功能，停放能力滿足8輛編組的超員列車能安全停放在線路的最大坡道上，并留有足夠的裕量。

常用制動(dòng)(空氣制動(dòng))、緊急制動(dòng)、保持制動(dòng)均通過同一制動(dòng)缸施加到輪盤上，采用具有成熟應(yīng)用業(yè)績的夾鉗制動(dòng)單元，如圖5所示。

圖5 夾鉗制動(dòng)單元

夾鉗制動(dòng)單元具有以下結(jié)構(gòu)特性：通過單動(dòng)的排量調(diào)節(jié)器自動(dòng)修正閘片和輪盤磨耗造成的閘片間隙；空氣消耗量穩(wěn)定；通過壓縮空氣可在駕駛臺(tái)上集中操縱彈簧式儲(chǔ)能器(停放制動(dòng)缸)；在更換閘片時(shí)無需進(jìn)行調(diào)整工作。

基礎(chǔ)制動(dòng)配備鑄鋼輪盤，可顯著降低車輛簧下質(zhì)量，達(dá)到減輕車輛振動(dòng)、降低噪聲、提高乘坐舒適度、降低軌道振動(dòng)及對(duì)線路周邊環(huán)境不良影響等的良好效果。閘片采用符合UIC541-3標(biāo)準(zhǔn)接口要求的合成閘片，能夠快速冷卻，便于拆裝，不需要拆卸其他部件就能更換磨損的制動(dòng)閘片。

5 結(jié)束語

成都市域車因其速度等級(jí)高、運(yùn)量大的特點(diǎn)，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的性能提出了較高的要求，經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，成都市域車輛的制動(dòng)系統(tǒng)具有響應(yīng)時(shí)間短、可靠性高以及便于維護(hù)等特點(diǎn)，但制動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用效果有待通過運(yùn)行進(jìn)一步確認(rèn)。