城市軌道交通制動系統技術發展趨勢

■ 王新海 韓曉輝 宮明興 焦標強

城市軌道交通制動系統技術發展趨勢

■ 王新海 韓曉輝 宮明興 焦標強

介紹城市軌道交通車輛制動系統近年來的研究熱點和技術發展趨勢。這些熱點既是車輛運用提出的新要求，也是技術進步的必然結果。具體包括無油空氣壓縮技術、鋁合金材料盤形制動技術和新型架控制動控制技術。無油空氣壓縮技術可以省去空壓機內的油路，減少潤滑油對下游后處理設備、甚至是制動管路的不利影響，降低運用成本；鋁合金材料制動盤有利于減少簧下質量、提高有效載荷，減少對軌道的動力作用；新型架控制動系統進一步突出了空氣制動控制、防滑控制等車輛本地執行功能和制動力管理與分配、空壓機管理等列車層面的功能，系統層次更加清晰、合理。

無油空氣壓縮技術；鋁合金制動盤；新型架控制動系統；制動系統；城市軌道交通

1 無油活塞空氣壓縮技術

1.1 背景

隨著鐵路行業對用氣質量的提高，要求壓縮氣體的無油無水程度也在不斷提升，無油空壓機正在快速的發展過程中。鐵路行業國內外空壓機生產廠家也在不斷開展對無油空壓機的深入研究與開發工作。截至目前，部分無油空壓機逐漸在全球投入運行。雖然目前無油空壓機在鐵路行業的應用還很有限，但是憑借無油的突出特點，有望在將來的鐵路市場占據一席之地。

無油空壓機按壓縮方式主要分為往復式和回轉式。往復式主要包含活塞空壓機，回轉式主要包含螺桿空壓機和渦旋空壓機。無油活塞空壓機又分為半無油活塞空壓機和全無油活塞空壓機。無油螺桿空壓機按潤滑方式分為水潤滑和干式兩種。

鐵路行業目前主要采用活塞空壓機和螺桿空壓機兩種形式。螺桿壓縮機適用于低壓、中小流量范圍。活塞壓縮機適用于高壓、中小流量場合及較小排氣量的各種壓力范圍。水潤滑無油螺桿空壓機對環境要求苛刻且結構復雜，不適用于鐵路領域；干式無油螺桿空壓機排量在3 m3/min以上，小排量無法滿足出口壓力要求，也不適用于鐵路應用。鐵路行業對于車輛空壓機主要有如下特殊要求：耐用、抗沖擊，耐污，耐溫，低噪聲，低振動，易維護，低生命周期成本。針對鐵路應用領域，全無油活塞空壓機是理想的解決方案。

1.2 活塞空壓機工作原理

當活塞空壓機的曲軸旋轉時，通過連桿的傳動，活塞便做往復運動，由氣缸內壁、氣缸蓋和活塞頂面所構成的工作容積則會發生周期性變化。活塞空壓機活塞從氣缸蓋處開始運動時，氣缸內的工作容積逐漸增大，這時，氣體即沿著進氣管推開進氣閥進入氣缸，直到工作容積變到最大時為止，進氣閥關閉；活塞空壓機活塞反向運動時，氣缸內工作容積縮小，氣體壓力升高，當氣缸內壓力達到并略高于排氣壓力時，排氣閥打開，氣體排出氣缸，直到活塞運動到極限位置為止，排氣閥關閉。當活塞空壓機活塞再次反向運動時，上述過程重復出現。總之，活塞空壓機的曲軸旋轉一周，活塞往復一次，氣缸內相繼實現進氣、壓縮、排氣的過程，即完成一個工作循環。

1.3 全無油活塞空壓機特殊結構

全無油活塞空壓機與油潤滑活塞空壓機原理基本相同，主要區別在于改用密封材料自潤滑代替潤滑油潤滑。

（1）氣缸：氣缸由鋁合金制成，其內表面經過特殊處理，以保證更小的摩擦和更長的使用壽命。

（2）活塞：由鋁合金制成，每個活塞上裝有密封環及導向環，密封環及導向環均采用先進的自潤滑材料制成，以保證更小的摩擦和更長的使用壽命。

（3）連桿：活塞與連桿之間通過特殊的銷連接，其配備了全封閉免維護軸承，同時在設計中避免了軸承的超溫使用。每個連桿與曲軸之間也均使用了全封閉免維護軸承。

（4）氣閥：用長壽命閥保證空壓機在鐵路行業的特殊使用要求。

1.4 全無油活塞空壓機優缺點

優點：（1）更加潔凈的壓縮空氣輸出，空壓機所輸出的壓縮空氣中僅含有極少量的固體污染物及冷凝后的液態水，空壓機下游所設置的凈化處理單元可有效將其去除，完全沒有液態潤滑油或油蒸汽，不會造成下游管路污染；（2）適用壓力范圍廣，不論流量大小，均能達到所需壓力；（3）熱效率高，單位耗電量少；（4）適應性強，即排氣范圍較廣，且不受壓力高低影響，能適應較廣闊的壓力范圍；（5）減少了維護成本，日常維護檢修工作更少，有效降低材料及人工成本；（6）低壽命周期成本，沒有潤滑油的輸出，凈化處理單元中的過濾部件負擔將明顯減輕，過濾濾芯的維護更換周期可明顯延長；（7）沒有潤滑油，有效解決了低溫啟動問題；（8）沒有潤滑油，降低了對機組運轉率的要求。

缺點：（1）排氣不連續，有氣流脈動；（2）運轉時有較大振動。

2 鋁合金制動盤技術

顆粒增強鋁基復合材料制動盤簡稱鋁合金制動盤，軌道交通車輛采用鋁合金制動盤具有如下優點：

（1）鋁合金制動盤質量輕，密度小于鑄鐵和鑄鋼材料，采用鋁合金制動盤可降低城軌車輛質量，特別是簧下質量，車輛簧下質量減小還可達到減輕車輛振動、降低噪聲、提高乘坐舒適度、降低軌道振動及對線路周邊環境不良影響等效果。車輛質量減輕后，其運行過程的能量消耗必然降低，因此車輛的節能環保指標會大大提高。

（2）鋁基復合材料具有導熱性好、耐磨性好、摩擦系數穩定等優點，采用鋁基復合材料制動盤替代傳統鋼鐵材料制動盤，不僅可以顯著減少制動盤質量，還可以延長使用壽命、減少運用成本、提高安全可靠性。良好的導熱性使得鋁合金制動盤更能適應頻繁制動所帶來的制動熱負荷變化，其產生熱疲勞裂紋的概率大大降低。

美國Duralcan公司已生產出性能優良的SiC/Al356復合材料，并已投放市場，但利用這種工藝方法制備鋁基復合材料需要價格較為昂貴的真空設備。美國Ford公司、日本Toyata公司均已將SiC顆粒增強Al基復合材料應用到轎車制動盤上，并進行了大量檢測試驗。Wabco BSI公司采用輕合金制作鐵路制動裝置，每個制動盤從球鐵的115 kg減輕到Al-MMC盤的65 kg，每軸可達到減輕質量200 kg。德國ICE-1線路上的高速列車也采用了鋁基復合材料制動盤進行了模擬制動試驗，效果良好。

我國自20世紀90年代開始，部分高校及科研院所就已開展過鋁基復合材料制動盤的研制工作（粉末冶金法、攪拌鑄造法、噴濺法等），但由于研制難度較大，制造工藝復雜，其研制成果大多集中在實驗室樣件試制方面，尚不具備批量化生產成熟產品的能力。

北京縱橫機電技術開發公司在充分調研國內外鋁基復合材料制動盤生產制造技術基礎上，綜合國內鋁基復合材料行業的技術能力，提出了獨特的制造工藝，經過多年經驗摸索和技術積累，目前已掌握了鋁基復合材料制動盤的批量生產工藝；鋁合金制動盤摩擦副順利完成了1∶1制動動力實驗及相關疲勞實驗，所生產的鋁合金制動盤各項性能指標均優于國外同類產品。

3 模塊化的新型架控制動系統

3.1 EP09架控制動系統典型架構

EP09架控制動系統典型架構見圖1。主要具有如下特點：（1）基于CAN總線的分布式控制系統，每個制動控制單元（EP09/G、EP09/S）通過CAN總線組成一個網絡控制單元；（2）EP09/S控制單元具有本地（本架）電空制動和防滑控制功能，EP09/S控制單元只有緊急制動等基本的I/O接口，需要從CAN總線接收常用制動控制命令；（3）EP09/G控制單元除了具有本地（本架）電空制動和防滑控制功能及基本I/O接口外，還具有I/O擴展接口和列車總線接口，具有網關的作用，同時還起著列車或本網段的制動力管理作用。

圖1 EP09架控制動系統典型架構

3.2 接口能力及高性能要求與小型化的矛盾

制動控制單元具有的本地（本架）電空制動和防滑控制功能任務比較固定，可以進一步小型化和模塊化。

不同的應用要求對制動系統的接口能力提出了更高要求，包括網絡接口方式和多種模擬量的擴展要求，同時對制動系統的故障診斷、事件存儲、系統測試的要求都在不斷提高，受制動架控控制單元的機箱限制，現有結構網關單元的擴展能力有限。

3.3 架控制動系統模塊化解決方案

基本思路：基本的架控制動控制單元基于現有EP09/S架構，具有本地（本架）電空制動和防滑控制功能基本的I/O接口，可作為系統基本固定的標準模塊。將EP09/G的本架制動防滑控制與I/O擴展、多功能車輛總線（MVB）接口及制動力管理分開，即將EP09/G拆分為一個基本的本架制動控制單元和一個列車制動管理器。

圖2 EP09/G模塊化架控制動系統架構

圖3 架控制動系統集散式系統架構

EP09/G模塊化架控制動系統架構見圖2。

3.4 架控制動系統集散式系統架構

架控制動系統集散式系統架構見圖3。主要具有如下特點：（1）靠近轉向架安裝的制動控制單元只有一種模塊，實現了按轉向架配置的制動控制單元模塊化和標準化；（2）列車制動管理器（TBM）的主要功能是制動力管理，相當于一個制動系統的中央控制器，TBM不再需要制動壓力控制功能，不再有電磁閥等機電或氣動部件和氣壓接口，是一個完全的電子電氣裝置；（3）TBM不再受制于機電混合結構的機箱限制，可以具有更多的I/O擴展能力和網絡接口方式，可以采用更高性能的處理器提升制動系統的故障診斷、事件存儲、系統測試功能。

4 制動系統行業技術規范編制

初步統計，截至2014年12月31日，我國內地已有22個城市擁有94條建成并正式運營的城市軌道交通線路，運營總里程達到2 886 km，配置車輛數將近15 000輛。未來10年，將新建城市軌道交通線路約5 000 km，屆時車輛總數將達到40 000輛。

但是，就城市軌道交通車輛制動系統而言，目前國內還沒有一套統一的標準體系。

2015年7月1日，中國城市軌道交通協會技術裝備專業委員會頒布中城裝備［2015］60號文，發布了《城市軌道交通車輛電空制動系統通用技術規范》、《城市軌道交通車輛電空制動系統裝車后的檢驗規則》、《城市軌道交通車輛空氣制動防滑系統技術規范》3個系統性的技術規范，并于2015年10月1日正式試行。相關規范的試行，對于規范市場行為，規范制動系統的生產、運用、檢修等，有著非常重要的意義。后期，關于制動系統的部件類技術規范，包括風源裝置、制動控制單元、基礎制動類部件（制動夾鉗單元、踏面制動單元、制動盤、閘瓦、閘片），也即將發布。

王新海：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，研究員，北京，100081/100094

韓曉輝：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，研究員，北京，100081/100094

宮明興：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，工程師，北京，100081/100094

焦標強：中國鐵道科學研究院機車車輛研究所/北京縱橫機電技術開發公司，副研究員，北京，100081/ 100094

責任編輯 高紅義

U260.35

A

1672-061X（2015）04-0033-03