新型城市軌道動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

摘　要: 為了解決國產(chǎn)新型城市軌道交通車輛的關(guān)鍵技術(shù)之一 制動(dòng)系統(tǒng),作者根據(jù)在200 km/ h 電動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)研制工作中積累的經(jīng)驗(yàn),提出了新型城市軌道電動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則,并擬定了適用于新型城市軌道電動(dòng)車組的制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案能滿足不同要求的城市軌道電動(dòng)車組。關(guān)鍵詞: 城市軌道車輛, 電動(dòng)車組, 制動(dòng)系統(tǒng)
采用有軌交通緩解大中城市日益嚴(yán)重的城市公共交通問題已逐漸成為共識。國家已開始有計(jì)劃地開發(fā)新型城市軌道交通車輛。城市軌道交通大多采用動(dòng)力分散的電動(dòng)車組。上海鐵道大學(xué)根據(jù)幾年來在200 km/ h 電動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)研制[ 1 ]工作中積累的經(jīng)驗(yàn),以及城市軌道電動(dòng)車組的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了城市軌道電動(dòng)車組的制動(dòng)系統(tǒng)。
1 　設(shè)計(jì)原則
新型城市軌道電動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)應(yīng)具有如下功能:(1) 常用制動(dòng),即動(dòng)力制動(dòng)與空氣制動(dòng)一起作用;(2) 緊急制動(dòng),僅由空氣制動(dòng)作用;(3) 適應(yīng)ATP 操作;(4) 制動(dòng)力無級調(diào)整;(5) 動(dòng)力制動(dòng)力與空氣制動(dòng)力自動(dòng)配合,空氣制動(dòng)力= 所需制動(dòng)力-動(dòng)力制動(dòng)力;(6) 防沖動(dòng)作用;(7) 防滑功能;(8) 空重車自動(dòng)調(diào)整;(9) 充分利用動(dòng)力制動(dòng)的滯后充氣功能;(10) 系統(tǒng)自檢并顯示;(11) 故障導(dǎo)向安全;(12) 備用制動(dòng)控制;(13) 停放制動(dòng)。
2 　方案設(shè)計(jì)
城軌電空制動(dòng)系統(tǒng)是微機(jī)控制的模擬式直通電空制動(dòng)系統(tǒng)。如圖1 所示,該系統(tǒng)由制動(dòng)控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置組成。
2. 1 　制動(dòng)控制系統(tǒng)
該系統(tǒng)由制動(dòng)信號發(fā)生與傳輸部分、微機(jī)制動(dòng)控制單元(MBCU) 、氣制動(dòng)控制單元(PBCU) 和轉(zhuǎn)向架制動(dòng)控制單元組成。
2. 1. 1 　制動(dòng)信號發(fā)生與傳輸部分該部分主要由制動(dòng)控制器、調(diào)制及邏輯控制器、制動(dòng)指令線等組成[ 2 ] ,其主要任務(wù)是產(chǎn)生制動(dòng)信號并將信號傳遞到各車輛的MBCU 或PBCU 。常用或緊急制動(dòng)指令,是由司機(jī)操縱制動(dòng)控制器產(chǎn)生的,根據(jù)總體設(shè)計(jì)要求,制動(dòng)控制器也可與牽引控制器合二為一。在司機(jī)室,另有緊急制動(dòng)按鈕開關(guān)、停放制動(dòng)開關(guān)和備用制動(dòng)切換開關(guān)等。
　

圖1 　微機(jī)控制的模擬式直通電空制動(dòng)系統(tǒng)

　　調(diào)制器用于將制動(dòng)控制器的指令轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的脈寬調(diào)制信號。邏輯控制器根據(jù)司機(jī)的操作,通過邏輯電路,使指令線在相應(yīng)的工況下發(fā)出相應(yīng)的指令信號。它還同時(shí)接收ATP 發(fā)出的指令。制動(dòng)指令線主要有:
①PWM 線,2 根,傳遞常用制動(dòng)信號模擬量至各車的MBCU 。
② 緊急制動(dòng)線,2 根,其中1 根為開關(guān)線,另1 根為回線,前者串接了各個(gè)控制緊急制動(dòng)的開關(guān),如司機(jī)緊急制動(dòng)按鈕開關(guān)、總風(fēng)欠壓開關(guān)等,后者將緊急制動(dòng)指令送至各PBCU 。緊急制動(dòng)為失電制動(dòng)。
③ 制動(dòng)/ 運(yùn)行信號線,列車處于制動(dòng)態(tài)態(tài)時(shí)為DC110V 高電平,處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)為低電平。
④ 停放制動(dòng)指令線,當(dāng)需要施行停放制動(dòng)時(shí),受司機(jī)控制,處于DC110V 高電平。
⑤ 強(qiáng)迫緩解指令線,司機(jī)控制列車強(qiáng)迫緩解時(shí),處于DC110V 高電平。
⑥ 緩解不良指令線,當(dāng)某輛車的制動(dòng)缸緩解不良時(shí),通過該車的MBCU 使指令線處于DC110V 高電平,供牽引控制單元進(jìn)行聯(lián)鎖控制,以防擦輪。
⑦ 制動(dòng)力不足指令線,當(dāng)列車施行常用全制動(dòng)(或接近常用全制動(dòng)) 時(shí),若MBCU 檢測到制動(dòng)力不足時(shí),則使其處于DC110V 高電平;通過調(diào)制及邏輯控制器切換為緊急制動(dòng),以導(dǎo)向安全。
2. 1. 2 　微機(jī)制動(dòng)控制單元MBCU
MBCU 是微機(jī)控制直通電空制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件,它主要用來完成如下工作:接受制動(dòng)指令、空重車信號和速度信號;根據(jù)列車運(yùn)行速度、車重和常用制動(dòng)指令計(jì)算所需的常用制動(dòng)力;按充分發(fā)揮動(dòng)力制動(dòng)能力的原則, 進(jìn)行動(dòng)力制動(dòng)與空氣制動(dòng)的配合控制;常用制動(dòng)時(shí)進(jìn)行防沖動(dòng)控制,提高舒適性;實(shí)現(xiàn)拖車?yán)脛?dòng)車動(dòng)力制動(dòng)能力的滯后充氣控制;檢測輪對速度,進(jìn)行防滑控制;檢測制動(dòng)系統(tǒng)狀態(tài),自動(dòng)記錄并顯示故障信息[3 ] 。
2. 1. 3 　氣制動(dòng)控制單元PBCU
PBCU 是由EP 閥、緊急電磁閥、空重車限壓閥、中繼閥、強(qiáng)迫緩解電磁閥、傳感器等組成的氣動(dòng)元件集成箱。它是將制動(dòng)指令由電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)空氣壓力信號的部分。它與MBCU 一起構(gòu)成微機(jī)控制直通電控制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)缸壓力控制。其中EP 閥用于將電信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的空氣壓力信號;中繼閥將該壓力信號進(jìn)行流量放大后,把壓力空氣送至轉(zhuǎn)向架;緊急電磁閥在緊急制動(dòng)時(shí)失電,同時(shí)將壓縮空氣通過空重車限壓閥直接送至中繼閥;強(qiáng)迫緩解電磁閥在緩解發(fā)生困難時(shí)用來進(jìn)行緩解控制;傳感器用來反饋壓力信號,供MBCU 采樣控制。
2. 1. 4 　轉(zhuǎn)向架制動(dòng)控制單元
　由轉(zhuǎn)向架中繼閥、防滑電磁閥和速度傳感器組成。轉(zhuǎn)向架中繼閥用于進(jìn)一步將PBCU 中繼閥送來的空氣壓力進(jìn)行流量放大, 以提高制動(dòng)缸充氣速度。速度傳感器用于檢測輪軸轉(zhuǎn)速, 以便MB CU 進(jìn)行防滑控制。當(dāng)MB CU 檢測到某軸發(fā)生滑行時(shí), 控制該軸的防滑電磁閥適當(dāng)排除制動(dòng)缸壓力空氣, 以降低該軸的制動(dòng)壓力, 防止車輪擦傷。
2 . 2 　基礎(chǔ)制動(dòng)裝置
基礎(chǔ)制動(dòng)模式可根據(jù)城軌動(dòng)車組車型的不同、減速度要求的不同進(jìn)行選擇, 常用的有踏面制動(dòng)和盤型制動(dòng)2 種方式?！　〕擒夒妱?dòng)車組的踏面制動(dòng)裝置應(yīng)采用帶有閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整裝置的單元制動(dòng)缸, 對應(yīng)每個(gè)車輪安裝1 套單元制動(dòng)缸。為保證動(dòng)車組在坡道上能安全停放, 每個(gè)輪對上應(yīng)安裝1 套停放制動(dòng)裝置, 停放制動(dòng)裝置可與單元制動(dòng)缸合成一體, 成為帶停放制動(dòng)的單元制動(dòng)缸。圖2 所示為適用于踏面制動(dòng)的帶停放制動(dòng)和不帶停放制動(dòng)的單元制動(dòng)缸。

圖2 　適用于踏面制動(dòng)的單元制動(dòng)缸

在軸重較大且減速要求較高的電動(dòng)車組上, 如果安裝空間容許, 可以考慮采用盤形制動(dòng)裝置。拖車可采用軸盤式盤型制動(dòng)裝置, 動(dòng)車可采用輪盤式盤型制動(dòng)裝置或仍采用踏面制動(dòng)裝置。圖3 所示為軸盤式盤型制動(dòng)裝置和盤型制動(dòng)用的單元制動(dòng)缸( 不帶停放制動(dòng)) 。圖4 所示為輪盤式盤型制動(dòng)裝置和盤型制動(dòng)用的單元制動(dòng)缸( 帶停放制動(dòng)) 。

圖3 　軸盤式盤型制動(dòng)裝置及單元制動(dòng)缸

圖4 　輪盤式盤型制動(dòng)裝置及單元制動(dòng)缸( 帶停放制動(dòng))

2. 3 　備用制動(dòng)控制系統(tǒng)
由備用控制器、備用制動(dòng)指令線和備用制動(dòng)控制單元等組成,為簡單的直通電空制動(dòng)系統(tǒng)。當(dāng)微機(jī)控制直通電空制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)生故障后,司機(jī)可利用該備用制動(dòng)控制系統(tǒng)使列車低速運(yùn)行,以便將旅客運(yùn)送到下一車站或?qū)⒘熊囬_回車輛段。備用控制器由司機(jī)操縱可產(chǎn)生3 個(gè)制動(dòng)級別指令,該指令為DC110V 高電平信號,通過備用制動(dòng)指令線,將指令傳至各車的備用制動(dòng)控制單元;備用制動(dòng)控制單元通過硬件電路控制EP 閥開閉來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)或緩解。備用制動(dòng)為純空氣制動(dòng),制動(dòng)力僅考慮空重車限壓。
3 　結(jié)　論
以上的制動(dòng)系統(tǒng)方案是可行的,能適用于各種城軌電動(dòng)車組。其中的關(guān)鍵部件,如PWM 信號傳遞、EP 單元的控制等已在200 km/ h 電動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)中采用。實(shí)際應(yīng)用效果良好,證明上述方案是可行的。
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