地鐵車輛制動系統空氣制動施加方式及特點分析

劉 卓

（沈陽地鐵有限公司，遼寧沈陽110011）

1 地鐵車輛制動方式簡介

地鐵車輛編組基本采用動力分散動車組的形式，其車輛的基本類型分為動車（M－car）和拖車（T－car）兩種。

動車帶有牽引電機，在給車輛提供必要的牽引驅動力的同時當列車需要減速時，還以通過電機反轉的方式將列車動能轉變為電能反饋到電網或通過電阻發熱的形式消散于大氣。電機反轉的過程給列車提供了一個必要的制動力，以此達到制動的目的。正常情況下，地鐵車輛有較強的電制動能力，這種制動方式沒有機械磨損，制動力大，效率高，可以實現這類車型動能的回收，因此優先采用［1］。

空氣制動方式是通過車輪踏面與閘瓦摩擦生熱將列車動能轉換為熱能，并最終耗散于大氣?？諝庵苿臃绞叫枰ㄟ^車輪踏面與閘瓦之間的摩擦來產生制動力，車輪踏面與閘瓦的摩擦過程必然帶來車輪踏面的磨損，因此一般在電制動力不足的情況下空氣制動才投入使用［2］。動車和拖車都配備有空氣制動裝置，都可以通過空氣制動的方式來實現列車減速的目的。

空氣制動系統主要由風源系統、控制系統和執行裝置（基礎制動裝置）3個部分組成。其中控制系統是制動系統的核心，主要由帶有防滑控制的制動微機控制單元（EBCU）、制動控制單元（BCU）和空氣制動控制屏組成。制動控制系統基本機構如圖1所示［3－4］。

圖1 制動控制系統基本結構示意圖

2 電空混合制動原理簡介

以常用制動為例，當列車控制系統發出制動指令后，首先采用的是電制動，將電制動產生的電能反饋到電網或通過電阻發熱的方式耗散于大氣；當列車速度繼續下降到一定速度值時，電制動開始退出，空氣制動逐步代替電制動，列車停止后，列車制動系統再自動對列車施加一個保持制動。

3 空氣制動施加方式介紹

列車制動過程中當電制動力不足，或列車電制動出現故障無法施加需要補充空氣制動時，通?？梢圆捎靡韵聝煞N方式：

方式1：等黏著方式

優先以拖車空氣制動作為補充，直至拖車空氣制動力達到某一黏著力限制，如果此時制動力還不能使列車達到規定減速度，則再以動車空氣制動力作為補充；該方式下動車、拖車的輪軌黏著力基本保持一致，因此稱之為等黏著控制方式。

方式2：等磨耗方式

將需要補充的空氣制動力在各車平均分配，即動車、拖車均施加相同的空氣制動力。該方式下動車、拖車空氣制動閘瓦壓力基本一致，空氣制動過程對動車、拖車車輪踏面的磨耗也基本一致，因此稱之為等磨耗方式。

4 兩種空氣制動施加方式對比分析

4．1 車輪踏面溫度場影響對比分析

為了研究等黏著制動方式與等磨耗制動方式對車輪踏面熱負荷的影響程度，特利用有限元分析軟件對兩種方式下制動時列車車輪踏面的溫度場變化情況進行了仿真計算。由于車輪為軸對稱結構，因此仿真過程中只取車輪的1／36進行建模［5］，以abaqus有限元仿真軟件作為仿真平臺，以沈陽地鐵2號線目前線路及車輛條件作為仿真建模的基礎，模擬列車以不同制動工況在線路上持續運行時車輪踏面的溫度變化情況。計算性能參數見表1，有限元網絡劃分及車輪溫度分布云圖如圖2。

表1 車輪材料仿真計算性能參數

車輪踏面熱流密度的大?。?/p>

式中W 為每個車輪平均制動力；Sf為車輪旋轉一周閘瓦在踏面上掃過的面積。

圖2 車輪有限元仿真模型

（1）仿真初始條件

沈陽地鐵2號線全線共有19座地下車站，正線全長21．86 km，平均站間距1．65 km。列車編組形式3M3T，最高運行速度80 km／h，AW3載荷下車輛軸重不大于14 t。

（2）仿真工況

共對下列3種工況進行了仿真計算：

①AW3載荷，列車電制動正常情況下，以正常的制動減速度（0．8 m／s2）進行停車制動；

②AW3載荷，列車電制動正常情況下，以最大常用制動減速度（1．0 m／s2）進行停車制動；

③AW3載荷，1輛車電制動故障情況下，以1．0 m／s2的制動減速度進行停車制動。

4．1．1 電制動正常，列車以正常制動減速度進行停車

制動，兩種空氣制動方式的影響對比分析

圖3為沈陽地鐵2號線列車牽引電制動特性曲線，沈陽地鐵2號線列車AW3載荷下列車總重為303 t，而AW3載荷下電制動所能提供的制動力從牽引制動特性曲線上可以看出約為250 k N。由于列車制動減速度a＝F／m（F為 列車總制動力；m為 列車總重），計算可知在列車電制動正常發揮的情況下，不需要空氣制動既可以實現0．8 m／s2的停車制動。

圖3 牽引電制動特性曲線

由于等磨耗和等黏著的制動方式均是針對空氣制動而言，在電制動正常發揮的情況下，列車速度在5 km／h以上時基本不施加空氣制動，車輪踏面溫度不會發生明顯變化，因此該工況下等磨耗和等黏著兩種制動方式對列車的影響沒有明顯的區別。

4．1．2 電制動正常，列車以最大常用制動減速度進行停車制動，車輪踏面溫度場影響對比分析

沈陽地鐵2號線列車最大常用制動減速度值為1．0 m／s2，列車電制動正常工作時通過制動計算可知，列車制動時若電制動完全施加，可達到0．8 m／s2的制動減速度。而若要實現列車1．0 m／s2的減速度就必須同時補充空氣制動。下面利用有限元分析軟件分別對等黏著和等磨耗兩種空氣制動施加方式下車輪踏面的溫度變化情況進行仿真計算。仿真結果分析如下。

圖4為列車電制動正常工作的情況下，采用等黏著制動方式施加空氣制動時拖車車輪踏面的溫度變化曲線。由于等黏著方式下優先施加拖車空氣制動，而該工況下全列車所需補充的空氣制動力完全在拖車黏著限制范圍之內，動車不需要再補充空氣制動。因此仿真計算過程僅對拖車車輪踏面溫度變化情況進行分析。

圖5為列車電制動正常工作的情況下，采用等磨耗制動方式施加空氣制動時動車、拖車車輪踏面的溫度變化曲線。由于在該制動方式下，動車、拖車所施加的空氣制動力基本一致，因此，動車、拖車車輪踏面的溫度變化情況也基本保持一致。

圖4 電制動正常工作，列車以等黏著方式施加空氣制動時拖車車輪踏面溫度變化曲線

圖5 電制動正常工作時，列車以等磨耗方式施加空氣制動時車輪踏面溫度變化曲線

從圖4、圖5可以看出，列車在相同的初始條件下進行車輪踏面熱負荷仿真計算時，采用等黏著制動方式時，每次都優先以拖車空氣制動作為補充，通常情況下動車基本不施加或很少施加空氣制動。此時拖車車輪踏面工作溫度高于動車車輪踏面，拖車車輪踏面最高溫度達到120℃。

而采用等磨耗制動方式時，由于需要補充的空氣制動力被平均分配在每個動車、拖車上，此時拖車車輪踏面承受的熱負荷被動車車輪踏面分擔，因此該方式下拖車車輪踏面溫度要小于采用等黏著制動方式，從圖5可以看出此時車輪踏面最高溫度為79℃。

4．1．3 1輛車電制動故障時，列車以最大常用制動減速度進行停車制動，車輪踏面溫度場影響對比分析

1輛車電制動故障工況下，通過制動計算可知，列車制動時若電制動完全施加，可達到0．6 m／s2的制動減速度。因此所補充的空氣制動力要能實現0．4 m／s2的制動減速度。下面利用有限元分析軟件分別對該工況下利用等黏著和等磨耗兩種空氣制動施加方式時，車輪踏面的溫度變化情況進行仿真計算。仿真結果分析如下。

圖6為1輛車電制動故障的情況下，采用等黏著制動方式施加空氣制動時拖車車輪踏面的溫度變化曲線。此時全列車所需補充的空氣制動力仍沒有超出拖車黏著力限制，因此動車不需要補充空氣制動。因此仿真計算過程僅對拖車車輪踏面溫度變化情況進行分析。

圖7為1輛車電制動故障的情況下，采用等磨耗制動方式施加空氣制動時拖車車輪踏面的溫度變化曲線。由于在該制動方式下，動車、拖車所施加的空氣制動力基本一致，因此，動車、拖車車輪踏面的溫度變化情況也基本保持一致。

圖6 1輛車電制動故障時，列車以等黏著方式施加空氣制動時拖車車輪踏面溫度變化曲線

從圖6、圖7可以看出，列車在相同的初始條件下進行車輪踏面熱負荷仿真計算時，采用等黏著制動方式時，每次都優先以拖車空氣制動作為補充，通常情況下動車基本不施加或很少施加空氣制動。此時拖車車輪踏面工作溫度將遠遠高于動車車輪踏面，拖車車輪踏面最高溫度達到272℃。

而采用等磨耗制動方式時，由于需要補充的空氣制動力被平均分配在每個動車、拖車上，此時拖車車輪踏面承受的部分熱負荷被動車車輪踏面分擔，因此該方式下拖車車輪踏面溫度要小于采用等黏著制動方式，從圖7可以看出此時車輪踏面最高溫度為164℃。

4．2 車輪踏面磨耗影響對比分析

4．2．1 電制動正常，制動減速度適中工況

由4．1的相關計算結果可知，在電制動正常工作的情況下，若以正常的制動級位進行停車制動，則列車速度在5 km／h以上時，基本不需要施加空氣制動。因此等磨耗制動控制方式和等黏著制動控制方式對車輪踏面的磨耗沒有明顯的影響。

4．2．2 電制動停止工作，或制動減速度過大需要補充空氣制動工況

在電制動停止工作或制動減速度過大需要空氣制動進行補充制動力時，若采用等黏著制動控制方式時由于拖車頻繁施加空氣制動，而動車施加空氣制動相對較少，因此拖車車輪踏面磨耗速度將明顯大于動車車輪，且過高的制動力容易導致拖車的車輪發生擦傷。

若采用等磨耗制動控制方式時，各車均承受相對較小的摩擦制動力，動車、拖車車輪踏面磨耗情況基本一致。但是，采用該控制方式時，由于動車經常同時施加電制動和空氣制動，其總制動力要大于拖車總制動力，在該種情況下，如果車輛防滑裝置工作不良將有可能導致動車車輪擦傷。在該控制方式下，拖車車輪發生擦傷的概率相對較小。

5 結論

地鐵車輛在電空混合制動控制系統在施加空氣制動時，可以采用等黏著的施加方式也可以采用等磨耗的施加方式，其特點如下：

（1）列車電制動正常工作，且按正常制動級位進行停車制動的條件下，列車制動過程基本不使用空氣制動，因此等黏著和等磨耗兩種純空氣的制動模式均幾乎對踏面不會產生不良影響。

（2）在電制動發生故障或制動減速度過大時，采用等黏著的施加方式拖車車輪踏面溫度明顯高于動車車輪踏面，拖車車輪踏面磨耗速度將明顯高于動車，且拖車車輪踏面發生擦傷的概率要大于動車。

（3）采用等磨耗的施加方式拖車、動車車輪踏面的磨耗速度基本一致，但由于動車會頻繁同時施加電、空兩種制動方式，其總制動力大于拖車，因此動車車輪踏面發生擦傷的概率要遠大于拖車。

綜上所述，等黏著和等磨耗兩種空氣制動施加方式在列車電制動正常工作時，對踏面的影響相差不大，但電制動發生故障或制動減速度過大時則各有一定的利弊，在此僅對兩種方式的特點進行簡單分析說明，各地鐵公司在進行車輛設計時應根據實際需求情況優先選取。

［1］孫延煥．再生制動吸收設備的應用介紹［J］．電氣化鐵道，2005，（3）：40－41．

［2］王文?。嗆墲L動接觸疲勞與磨損耦合關系及預防措施研究［D］．西南交通大學，2008．

［3］崔紅光．淺談國內地鐵車輛制動系統［J］．四機科技，2007，（1）：7－10．

［4］內田清五 著．陳 賀 譯．日本新干線列車制動系統［M］．北京：中國鐵道出版社，2004．

［5］曹玉璋．傳熱學［M］．北京：北京航空航天大學出版社，2001．