電機(jī)械制動(dòng)技術(shù)研究現(xiàn)狀及其在軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用展望

吳君良，孫 彬，呂 梟，王令軍，侯化安，王殿元，姚智彬

（中車青島四方車輛研究所有限公司，山東 青島 266114）

電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)最早在航空領(lǐng)域提出，后來在汽車領(lǐng)域也得到了較為廣泛的研究，其具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、響應(yīng)速度快和控制精度高的優(yōu)點(diǎn)[1]，已經(jīng)成為下一代航空制動(dòng)系統(tǒng)的主流技術(shù)并實(shí)現(xiàn)批量運(yùn)用。

電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)原理為將電信號通過電機(jī)、減速機(jī)構(gòu)等直接轉(zhuǎn)換為制動(dòng)力輸出，省去了整個(gè)系統(tǒng)中的制動(dòng)管路。實(shí)現(xiàn)了摩擦制動(dòng)的全電氣化，徹底擺脫了對制動(dòng)介質(zhì)的依賴，完成了從壓縮空氣或液壓驅(qū)動(dòng)到電驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變，如圖1所示。

圖1 動(dòng)力源的轉(zhuǎn)變

電空制動(dòng)原理與電機(jī)械制動(dòng)原理技術(shù)特征對比如圖2所示。電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)通過電能直接轉(zhuǎn)化為機(jī)械動(dòng)作來產(chǎn)生摩擦力，簡化了傳統(tǒng)空氣和液壓制動(dòng)系統(tǒng)先進(jìn)行電空（液）轉(zhuǎn)換，再轉(zhuǎn)化為機(jī)械力來施加制動(dòng)的作用環(huán)節(jié)[2]。

圖2 技術(shù)特征對比圖

相比于傳統(tǒng)空氣或液壓制動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)主要包括以下幾點(diǎn)。

（1）實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)輕量化。省去沉重、復(fù)雜的制動(dòng)管路和控制元件，間隙調(diào)整等功能由控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，減小了系統(tǒng)整體的復(fù)雜程度，同時(shí)大大提高了制動(dòng)系統(tǒng)單位質(zhì)量的制動(dòng)力輸出能力。

（2）提高系統(tǒng)控制性能。以導(dǎo)線中的電流作為控制信號和能量信號的傳導(dǎo)介質(zhì)，將間接空氣或者液壓壓力閉環(huán)控制轉(zhuǎn)變?yōu)橹苿?dòng)力直接閉環(huán)控制，顯著提高制動(dòng)力控制精度、縮短響應(yīng)時(shí)間。

（3）減少故障點(diǎn)和提高維護(hù)性。大量零部件的減少提高了系統(tǒng)的可靠性，減少故障點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)模塊化集成，降低了系統(tǒng)裝車調(diào)試的難度和周期，從根本上避免了制動(dòng)液、空氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，更加環(huán)保，同時(shí)降低了后期維護(hù)的工作量。

（4）提高能源利用效率。傳統(tǒng)制動(dòng)系統(tǒng)通過空壓機(jī)或液壓泵將車上電能轉(zhuǎn)換為介質(zhì)壓力能儲存，在施加制動(dòng)時(shí)本質(zhì)是通過介質(zhì)壓力的損失控制達(dá)到制動(dòng)力的控制，浪費(fèi)嚴(yán)重，采用電機(jī)直驅(qū)機(jī)構(gòu)的方式減少了中間環(huán)節(jié)，電能除少數(shù)效率損失外全部轉(zhuǎn)換為制動(dòng)力，顯著提高了能源利用效率。

（5）提高智能化程度。全電氣化系統(tǒng)便于防滑、系統(tǒng)自檢和故障診斷等功能的集成，目前技術(shù)已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)大部分機(jī)械及電氣元件故障的自動(dòng)識別和定位，下一步朝向?qū)崟r(shí)感知、智能診斷和決策及在途預(yù)警等動(dòng)態(tài)信息的快速定位和處理方向發(fā)展。

目前，國內(nèi)外對電機(jī)械制動(dòng)技術(shù)進(jìn)行了大量研究。

1 國外研究現(xiàn)狀

電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)在國外科研機(jī)構(gòu)、汽車制造企業(yè)等的研究相對較早，線控制動(dòng)技術(shù)最早在飛機(jī)上開始運(yùn)用，隨著其應(yīng)用技術(shù)的成熟，一些著名的汽車零配件制造公司加大了對電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的研究投入，如德國的BOSCH（羅伯特·博世有限公司）、SIEMENS（西門子股份公司）、Continental Teves（德國大陸），美國的TRW（天合汽車集團(tuán)）、Delphi（德爾福派克電氣公司），韓國的HYUNDAI MOBIS（現(xiàn)代摩比斯）、MANDO（萬都），瑞典的Haldex（瀚德集團(tuán)）、SKF（斯凱孚），澳大利亞的PBR等相繼開展了在該領(lǐng)域的技術(shù)研究，均已開發(fā)出代表各自企業(yè)的電子機(jī)械制動(dòng)器。

各公司研究成果的差異主要體現(xiàn)在其核心技術(shù)——制動(dòng)器的執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，該機(jī)構(gòu)主要由2部分組成：增力機(jī)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置。

其中，2種主流的方案是由德國Continental Teves公司提出的“行星齒輪減速器配合滾珠絲杠機(jī)構(gòu)”方案[3]和由德國SIEMENS提出的“滾珠絲杠+自增力機(jī)構(gòu)”方案[4]。

2種主流執(zhí)行器方案如圖3和圖4所示。

圖4 滾珠絲杠+自增力機(jī)構(gòu)方案

電機(jī)械制動(dòng)控制算法的研究主要圍繞控制制動(dòng)力的精確輸出、提高系統(tǒng)響應(yīng)速度等方面。

自2008年開始，各國對其控制算法的研究取得一定的成果，如：墨爾本大學(xué)的Chris等[5]在2008年，對電機(jī)械制動(dòng)夾緊力控制模型提出了一種預(yù)測算法，使得串聯(lián)PI控制的時(shí)效性差等問題得以解決。俄亥俄州立大學(xué)研究人員在2009年提出了非線性魯棒性控制算法。ChihoonJo等通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其針對制動(dòng)力估計(jì)并在2010年時(shí)根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)子摩擦特性提出了一種算法，證明該算法有效。2013年，韓國的研究人員基于磁滯特性和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置方面提出的制動(dòng)力估計(jì)算法，并在力位移控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了制動(dòng)間隙調(diào)整。

目前，如美國“全球鷹”無人機(jī)、F16戰(zhàn)斗機(jī)和波音787飛機(jī)等新型先進(jìn)飛機(jī)均正式采用電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，在下一代飛機(jī)上大范圍使用電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)已成確定形勢。

圖5為波音787飛機(jī)上裝置的電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，每一個(gè)制動(dòng)器搭載4個(gè)電機(jī)械制動(dòng)模塊，每個(gè)模塊包括電機(jī)、滾珠絲杠、減速機(jī)構(gòu)、力傳感器和電機(jī)鎖死裝置，只有在制動(dòng)力改變時(shí)電機(jī)才動(dòng)作，制動(dòng)力的保持靠電機(jī)鎖死裝置實(shí)現(xiàn)。

圖5 波音787飛機(jī)電機(jī)械制動(dòng)裝置

2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)對電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的研究起步相對較晚，其研究的領(lǐng)域主要集中在飛機(jī)和汽車方面，且主要以國內(nèi)知名院校的研究為主。

國內(nèi)最先開展該領(lǐng)域相關(guān)研究的是清華大學(xué)，其在2005年申請了國內(nèi)第一份關(guān)于電機(jī)械制動(dòng)器的專利[6]，提出一種連桿機(jī)構(gòu)輸出制動(dòng)力的新方案。該方案的優(yōu)點(diǎn)在于通過合理選擇曲柄連桿的尺寸，有效利用了曲柄連桿死點(diǎn)位置附近力增益系數(shù)較大的特性，另外考慮到了該機(jī)構(gòu)同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換和力增益的特點(diǎn)。該方案優(yōu)缺點(diǎn)相對明顯：優(yōu)點(diǎn)是可以減小對高性能電機(jī)的依賴；缺點(diǎn)是對電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩控制精度要求極高，不利于實(shí)現(xiàn)制動(dòng)力連續(xù)、精確控制。曲柄連桿機(jī)構(gòu)方案原理如圖6所示。

圖6 曲柄連桿機(jī)構(gòu)方案原理。

另一團(tuán)隊(duì)在分析研究已有電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)機(jī)構(gòu)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種獨(dú)特的電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案，該方案占用空間較小，其實(shí)現(xiàn)方式為通過將行星齒輪減速器布置于分裝式力矩電機(jī)的中空部分，使電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體軸向尺寸縮短，如圖7所示。另外，在確定了電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)控制目標(biāo)與方法的前提下，通過試驗(yàn)臺模擬，對電機(jī)特性、系統(tǒng)機(jī)構(gòu)執(zhí)行功能和負(fù)載特性進(jìn)行模擬驗(yàn)證。清華大學(xué)研制的飛機(jī)和汽車用電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，進(jìn)行了飛機(jī)和汽車的裝車調(diào)試試驗(yàn)。

圖7 清華大學(xué)電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)

吉林大學(xué)在2008年至2013年之間對于電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)在執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、控制模型建立、仿真及控制算法實(shí)現(xiàn)方面都取得了一定的研究成果[7]。其在2008年申請的“應(yīng)用在汽車上的電子機(jī)械制動(dòng)執(zhí)行器”專利提出內(nèi)置電機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，通過將絲杠置于電機(jī)空心軸中的方式，縮短軸向尺寸，使其結(jié)構(gòu)更為緊湊。同時(shí)，吉林大學(xué)基于Matlab/xPCTarget實(shí)時(shí)平臺，建立硬件仿真試驗(yàn)臺，對系統(tǒng)執(zhí)行器性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

輕型電機(jī)械制動(dòng)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用，吉林大學(xué)主要進(jìn)行了踏板力模擬技術(shù)方面的研究，并進(jìn)行了關(guān)于ABS、EBD和TCS等制動(dòng)控制算法相關(guān)的仿真研究，如圖8所示。

圖8 吉林大學(xué)電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)

浙江大學(xué)王維銳團(tuán)隊(duì)自2008年開始研究汽車用電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，為了減小電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)執(zhí)行器機(jī)構(gòu)在軸向和徑向的尺寸便于機(jī)構(gòu)的安裝，利用蝸輪蝸桿來替代行星齒輪機(jī)構(gòu)制造出樣機(jī)，并且實(shí)現(xiàn)了剎車片磨損間隙自動(dòng)補(bǔ)償功能，在汽車上安裝了2套進(jìn)行測試。測試結(jié)果表明：制動(dòng)效果提升明顯，制動(dòng)距離縮短8%左右[8]。

3 電機(jī)械制動(dòng)在軌道交通領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀及展望

目前，在軌道交通領(lǐng)域應(yīng)用的制動(dòng)系統(tǒng)以空氣制動(dòng)、液壓制動(dòng)、風(fēng)阻制動(dòng)和電磁制動(dòng)為主，其中以空氣制動(dòng)應(yīng)用最為廣泛，其組成如圖9所示，包括電子制動(dòng)控制單元、空壓機(jī)、風(fēng)缸、氣壓制動(dòng)控制單元、制動(dòng)管路和空氣制動(dòng)夾鉗等。

圖9 現(xiàn)有電空制動(dòng)系統(tǒng)原理

與現(xiàn)有廣泛應(yīng)用的空氣制動(dòng)系統(tǒng)截然不同，電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)能量來自電能，以導(dǎo)線為傳動(dòng)介質(zhì)，避免了復(fù)雜的空氣管路。同時(shí)，其采用的新型執(zhí)行機(jī)構(gòu)也較傳統(tǒng)制動(dòng)夾鉗或單元制動(dòng)器更省空間。

電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)是：易檢測、電氣化、智能化和模塊化。其技術(shù)的成熟運(yùn)用也為其在軌道交通領(lǐng)域制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

日本鹿兒島1000型低地板有軌電車曾經(jīng)試裝過電子機(jī)械制動(dòng)器并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)研究[9]。

具體方案為：在2節(jié)編組三轉(zhuǎn)向架的低地板列車上，用電機(jī)械制動(dòng)裝置替換其中一個(gè)轉(zhuǎn)向架的液壓制動(dòng)裝置，在其中一端的轉(zhuǎn)向架兩側(cè)安裝4個(gè)電機(jī)械制動(dòng)裝置。對這種電機(jī)械制動(dòng)裝置進(jìn)行了初速10～40 km/h的停車制動(dòng)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：平均制動(dòng)距離和平均減速度均能達(dá)到或優(yōu)于原車制動(dòng)系統(tǒng)的指標(biāo)。

2014年以來，同濟(jì)大學(xué)制動(dòng)技術(shù)研究所利用其在軌道交通電子電氣領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展成果，開發(fā)了適用于軌道車輛的新型電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)，先后申請了3項(xiàng)軌道交通電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)明專利，分別描述了行星齒輪減速滾珠絲杠帶離合器方案、滾珠絲杠雙電磁離合器主被動(dòng)一體式方案和楔形增力滾珠絲杠方案等3種軌道交通電機(jī)械制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)形式。

同濟(jì)大學(xué)最終軌道交通電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)方案結(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 同濟(jì)大學(xué)軌道交通電機(jī)械制動(dòng)方案結(jié)構(gòu)

目前，同濟(jì)大學(xué)已經(jīng)研制出三代踏面和盤形制動(dòng)樣機(jī)，采用成熟的“行星齒輪+滾珠絲杠”方案，同時(shí)考慮軌道交通停放制動(dòng)的特殊需求，增加了被動(dòng)式電磁離合器實(shí)現(xiàn)停放制動(dòng)功能，搭建了地面試驗(yàn)臺研究控制性能，樣機(jī)已完成型式試驗(yàn)[9]，如圖11所示。

圖11 同濟(jì)大學(xué)軌道交通電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)樣機(jī)

中車四方所憑借軌道車輛制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品多年研發(fā)經(jīng)驗(yàn)，2018年開展軌道車輛電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)工作，目前已完成基于低地板有軌電車平臺的電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和樣機(jī)開發(fā)，具備常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、停放制動(dòng)、輔助緩解、間隙補(bǔ)償及狀態(tài)智能監(jiān)控等功能，樣機(jī)功能和性能滿足車輛制動(dòng)系統(tǒng)需求，如圖12所示。

圖12 四方所有軌電車電子機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)

4 結(jié)束語

電機(jī)械制動(dòng)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用主要受到安全問題、成本問題、安裝接口和可靠性等方面的限制。但是作為一種全新的制動(dòng)技術(shù)，隨著電機(jī)械制動(dòng)系統(tǒng)研究的深入和應(yīng)用的推廣，將電機(jī)械制動(dòng)技術(shù)應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域也被認(rèn)為是一種新的發(fā)展趨勢，未來電機(jī)械制動(dòng)在軌道交通領(lǐng)域必將會(huì)有更大的發(fā)展。