地鐵車輛制動系統關鍵技術分析

顧培忠

（上海申通地鐵維保公司車輛分公司，上海 200237）

地鐵車輛制動系統關鍵技術分析

顧培忠

（上海申通地鐵維保公司車輛分公司，上海 200237）

目前地鐵車輛制動系統制動方式可分為電制動和機械制動兩大類，其中，電制動又分為電阻制動和再生制動；機械制動又分為空氣制動和彈簧壓力制動。單一的制動方式已不能滿足目前地鐵車輛的運行需要，所以電制動與機械制動的結合使用，才能有效保證地鐵車輛的安全運行。而制動系統作為一個完整的操作、控制、執行系統，需要從材質選擇、程序控制、制動效果甚至成員舒適性等多方面做全方位的考慮。本文將主要針對制動力分配、機械制動與電制動的結合使用、制動執行裝置閘瓦材質選擇、車輪熱處理方式四個關鍵技術展開分析討論。

地鐵；制動系統；電制動；機械制動；故障分析

1 制動力分配法則

由于地鐵車輛的各個單位都有動車和拖車、動車和拖車分別采用不同的制動方式，因此如何協調車輛之間的制動力是一個重要問題。先由制動系統對機械制動力和電制動力踐行混合，然后進行滯后充氣分散制動，是一種比較合理的方式。應盡可能多地利用列車電制動，盡可能少地利用機械制動。車輛負載信息是通過控制網絡傳輸的，如果動車電制動力不能滿足制動減速，那么動車機械制動立即增加，動車電制動力和機械制動力應最大限度地使用15%的粘著力。在超負荷條件下，如果動車制動力仍然不能滿足制動減速的要求，拖車的機械制動將會補充上來。在正常關閉電制動前，每輛動車都會發出一個信號，將信號發送到拖車上，拖車將根據信號逐漸增大，使機械制動力逐漸增大。然而，動車的機械制動力度受到該車負載的限制。因此，機械制動力在減速度約1 m/s2時限定使用10.2%的粘著力，不足的部分由拖車進行補充。當車輛速度小于10 km/h時，所有的電制動是關閉的，只有機械制動發生作用。當列車運行速度小于0.5 km/h時，機械制動力開始下降。當列車完全停止，機械制動力降低至70%的全制動力，并一直維持，直到車輛重新啟動。快速制動力和常用制動是同樣原理，施加優先順序分別為再生制動、電阻制動和機械制動，但如果減速度為1.3 m/s2，快速制動的制動過程是可逆的，可以重新轉移到滑行或者牽引模式。緊急制動是不可逆的機械制動，當車輛接收到緊急制動信號時，動車和拖車立即發出的制動力大約可帶來10.2 m/s2的減速度。與此同時，動車還會發出禁止電制動啟動的信號，配合緊急制動。停車制動一般在車輛長時間停車時應用停車的制動方式，制動力是由具有停放制動功能的踏板內的儲能彈簧提供的，需要在≤35‰的坡道上應用。

2 機械制動與電制動的結合使用要點

地鐵車輛運行要求較高，考慮到電制動本身的特點以及車輛運行安全要求，地鐵車輛的制動系統采用了電制動和機械制動相結合的制動方式。但在列車常用制動過程中，由于電制動（僅帶驅動系統的動車具有電制動性能）對設備沒有磨損并且節能，同時電制動還具有獨立的滑行保護和載荷校正功能，所以在電制動有效的情況下列車優先使用動車的電制動，在電制動不能滿足制動需求時，電制動與機械制動進行復合制動。

電制動與機械制動結合的關鍵點之一是結合點的選擇。電制動在低速和高速的時候效果都非常差，在速度小于10 km/h時需要機械制動完全接管，一般速度大于160 km/h時也需要機械制動介入來達到理想的制動效果。在緊急制動時，為了避免脫弓、斷鉤、斷電等故障情況，只采用機械制動制動，而且停車前不可緩解，在盡可能減小沖擊的情況下不對沖擊進行具體限制。除緊急制動外，停放制動也只能通過機械制動來完成。

3 制動執行裝置閘瓦材質選擇

閘瓦是指制動時，壓緊在車輪踏面上以產生制動作用的制動塊。閘瓦作為制動系統的終端執行機構，其材質選擇對閘瓦性能的影響至關重要。地鐵車輛上使用的閘瓦基本上由兩大類組成，分別是鑄鐵類和合成類。在鑄鐵類閘瓦中，磷鑄鐵類閘瓦和高磷鑄鐵類閘瓦是最主要的兩個組成部分。在合成類閘瓦中，主要由合成樹脂類閘瓦和石棉橡膠類閘瓦組成；閘瓦還可按摩擦細數高低進行區分，主要包括高摩擦系數類合成閘瓦和低摩擦系數類合成閘瓦（簡稱為高摩合成閘瓦和低摩合成閘瓦）兩種。

高磷鑄鐵類閘瓦與中磷鑄鐵類閘瓦相比，主要是提高了含磷量。中磷鑄鐵類閘瓦的為0.7%~1.0%，高磷鑄鐵類閘瓦含磷量為10%以上。高磷鑄鐵類閘瓦的耐磨性比中磷鑄鐵類閘瓦高1倍左右。而且使用實踐表明，高磷鑄鐵類閘瓦使用壽命約為中磷鑄鐵類閘瓦的2.5倍以上。高磷閘瓦還有一個優點，就是制動時火花少。鑄鐵閘瓦的摩擦系數隨含磷量的增加而增加的，因此高磷鑄鐵閘瓦的摩擦系數大于中磷鑄鐵閘瓦。但含磷量過高，會增加閘瓦的脆性。試驗表明，當含磷量超過1.0%時，閘瓦如果不加鋼背，便有裂損的可能，所以高磷鑄鐵閘

瓦需要采用鋼背補強。

合成閘瓦是以樹脂、石棉、石墨、鐵粉和硫酸鋇等材料為主熱壓而成的閘瓦。合成閘瓦與鑄鐵閘瓦相比，具有以下優點：

（1）摩擦性能可按需要進行調整。

（2）耐磨性好，使用壽命長；節約鑄鐵材料。

（3）對車輪踏面的磨耗小，可延長車輪的使用壽命。

（4）質量輕，一般只為鑄鐵閘瓦的1/2~1/3。故可減輕車輛自重及便于更換間瓦工作，減輕檢修人員的勞動強度。

（5）可避免磨耗鐵粉的污損及因制動噴火星而引起的火災事故。

（6）摩擦系數比較平穩及能保證有足夠的制動力。

4 制動執行裝置車輪熱處理工藝

車輪作為制動執行裝置之一，與軌道及閘瓦間均存在大量摩擦，其熱處理狀態對車輪的壽命及穩定性有至關重要的影響。

地鐵車輛專用車輪熱處理硬度要高于鐵路客車，如繼續使用鐵路車輪熱處理工藝，那顯然無法滿足地鐵車輛使用要求。因此，有必要對熱處理工藝進行調整，用于生產地鐵車輪，以滿足相關技術要求。首先，選取少量地鐵車輪，采用鐵路車輪的熱處理工藝進行試處理，具體熱處理溫度為885 ℃輪輞淬火+（390~410）℃回火3 h。結果表明，車輪的硬度，對鐵路車輪來說是足夠的，但對地鐵車輛車輪來說，在靠近輪緣一側的整個輪輞剖面上硬度偏低，而踏面以下又存在硬度高的問題。因此，結合地鐵車輛車輪硬度要求，通過調整淬火工作臺噴水嘴的角度和高度，改變淬火水流的和噴射角，再次對硬度進行檢驗，發現靠近輪緣一側的硬度值提高了很多，與踏面以下下各硬度監測點的差異也縮小明顯，這表明用調整淬火噴水位置及噴射方向來提高輪緣一側硬度值的方法是非常可行的。

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1671-0711（2016）07（上）-0064-02