低地板有軌電車制動系統總體技術方案設計研究

杜凱軍， 韓 龍， 王斌儒， 吳志豪

(中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

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低地板有軌電車制動系統總體技術方案設計研究

杜凱軍， 韓 龍， 王斌儒， 吳志豪

(中車青島四方機車車輛股份有限公司， 山東青島 266111)

通過研究國內外低地板有軌電車制動系統集成技術及其實現方式，結合國內城軌車輛制動系統的研發及運營經驗，提出了一套低地板有軌車制動系統方案。介紹了低地板制動系統的性能要求、功能組成，分析了制動系統工作原理，并對制動功能控制邏輯進行了設計。

有軌電車； 低地板； 制動系統

當今社會城市交通越來越擁擠，低地板有軌電車可以大大緩解交通壓力，而且低地板有軌電車具有建設周期短、成本低等優點，越來越受到各個城市的歡迎。

絕大部分低地板輕軌電車的軌道直接鋪設在城市既有街道上，與其他車輛共享路權。由于非獨有路權且沿線站點較多，城市輕軌電車的制動系統具有操作頻繁、制動距離短、制動力需求大等特點。因此對制動減速度和制動系統的可靠性要求相對較高。

此外由于低地板車輛的車下空間小，而普通空氣制動系統體積較大，因此不便于在低地板車輛上安裝空氣制動系統。考慮到狹小的安裝空間與復雜的行駛路況，一般采用電動力制動、液壓制動和磁軌制動這3種制動方式組成低地板有軌電車制動系統。

1 制動系統性能要求

根據國內外有軌電車制動系統各項標準及運行經驗，分別提出了平直軌道制動性能要求和坡度軌道制動性能要求。

1.1 平直軌道制動性能要求

AW0為空車載荷；AW1為滿座載荷；AW2為額定載荷；AW3為超員載荷。表1為平直軌道制動性能要求，前提條件如下：①軌道坡度為0；②直線軌道；③負載條件AW3；④車輪和鋼軌摩擦系數最大0.33。

1.2 坡度軌道制動性能要求

表2為坡度軌道制動性能要求，前提條件如下：①軌道坡度為60‰；②直線軌道；③車輪和鋼軌摩擦系數最大0.33。

2 制動系統設計

本設計方案采用國際上比較先進的5編組3轉向架浮車型設計，為100%低地板車輛。制動系統以電動力制動為主，液壓制動為輔，磁軌制動僅在緊急情況啟用。

表1 平直軌道制動性能要求

注：相關技術參數參照①《BS EN 13452-1:2003》鐵路應用-制動-大眾運輸制動系統；②《CJ/T 417-2012》低地板輕軌電車車輛通用技術條件。

表2 60‰坡度軌道制動性能要求

2.1 制動系統功能

低地板有軌電車制動系統包括以下功能：

①常用制動功能：常用制動是有軌電車正常運行時采用的制動功能。它使有軌電車降速停車或在斜坡上保持速度恒定。

②緊急制動功能：緊急制動功能是在緊急情況下采用的制動功能，使車輛以最大減速能力停車，從而最大限度的保證車內人員和車外人員的安全。

③安全制動功能：安全制動是制動系統最后的安全保證。在車輛控制系統或牽引系統失控、失效的情況下,或出現其他重大故障時，需啟動安全制動，使有軌電車停車。

④保持制動功能：保持制動是僅次于常用制動的最常用的制動功能，其作用是使有軌電車在車站或停車信號處保持靜止，防止溜車。

⑤停放制動功能：車輛停車斷電時自動施加停放制動，不需要牽引控制單元參與。停放制動獨立施加一個一直作用的恒定制動力。車輛得電后可自動轉換為保持制動狀態，停放制動可進行手動緩解。

⑥自動負載檢測：每個轉向架都有負載檢測裝置，負載信息將送到制動控制單元用于自動調整制動力。制動控制單元具有分配整車制動力的功能，以便減少制動沖擊。

⑦車輪滑動保護和撒沙裝置：為避免輪軌擦傷，確保有軌電車制動功能，車輛制動系統具備車輪滑動保護功能，在車輛兩端最外側車輪附近安裝有撒沙裝置。在檢測到車輪發生滑行時，車輛控制系統自動控制撒沙裝置進行撒沙，當有軌電車速度低于3 km/h時，撒沙裝置處于關閉狀態。

2.2 設備選型及布置

圖1是有軌電車配置圖。低地板有軌電車每輛車由5個車體3個轉向架組成。兩端布置的是動車轉向架，中間布置的是拖車轉向架。動車轉向架制動系統包含3種制動類型：電動力制動、液壓制動、磁軌制動、拖車轉向架制動系統包含兩種制動類型：液壓制動，磁軌制動[1]。

每個動車轉向架都有2個牽引單元，每個牽引單元包括1個牽引電機2個齒輪箱，以此來驅動2個車輪。每1個牽引單元包含1個安裝在驅動軸上的制動盤和1套夾鉗。每個拖車轉向架包含2個制動盤和2個主動夾鉗。表3中列出了各車制動設備分布及數量。

圖1 車輛配置

名稱動車M1拖車T動車M2數量制動控制單元BCU0101制動控制模塊HVIsa1012動車液壓單元HPU1012拖車液壓單元HPU0101輔助緩解裝置AHPU1012蓄能器ACC0101制動盤460×50(拖車)0404主動式液壓夾鉗72kN(拖車)0404電機軸制動盤370×34(動車)2024被動式液壓夾鉗20kN(動車)2024載荷傳感器1113速度傳感器0404磁軌制動器66kN2226

2.3 工作原理

如圖2所示，制動系統有兩種類型的執行機構。被動夾鉗用在動車轉向架上，主動夾鉗用在拖車轉向架上。當沒有壓力供給時，被動夾鉗執行機構施加最大制動力，主動夾鉗執行機構則沒有制動力。液壓制動系統主要由制動控制模塊、制動控制單元、軟啟動模塊、液壓控制單元、輔助緩解單元、蓄能器、制動夾鉗、制動盤等組成[2]。制動控制單元BCU獨立控制一個轉向架上的制動力和液壓動力單元。軟啟動模塊用來控制液壓動力單元的啟動和停止。液壓控制單元的作用是根據接收到的列車制動指令通過比例閥來控制輸出的液體壓力，從而實現控制液壓夾鉗的夾緊力。液壓控制單元中的壓力轉換開關用來實現制動施加和緩解的控制。蓄能器可以防止啟用防滑功能時系統壓力產生較大變化[1]。緊急制動和安全制動時需求的制動力較大，會自動啟用磁軌制動。車輛停車后，磁軌制動斷電解除。

圖2 液壓制動系統原理圖

2.4 控制邏輯

(1) 觸發源及過程解除(見表4)

表4 制動功能觸發及解除

(2) 各制動工況下子系統參與邏輯

動車電動力制動可以滿足絕大多數情況下有軌電車制動力要求，所以在常用制動、緊急制動時啟用，因為在速度低時制動力較小，所以低速時切除。保持制動、停放制動時速度為零，不啟用動車電動力制動。安全制動時包括電纜斷開、電力系統等情況，電制動失效，所以不啟用動車電動力制動。

動車液壓制動，制動盤固定在電機軸上，因電機軸較細且轉速較高所以不宜上較大制動力及頻繁使用，因此在常用制動時不啟用。

拖車液壓制動，采用的是主動夾鉗，當停車時長時間使用可能會導致壓力下降影響制動效果，所以停放制動時不啟用。

磁軌制動通過與鋼軌摩擦產生制動力，容易損傷鋼軌。目前應用比較廣泛是電磁型磁軌制動器，其產生制動力的過程一直需要消耗電能，且制動力是一個定值不可調節。因此只在緊急制動、安全制動時啟用。

各制動工況子系統參與邏輯見表5。

表5 各制動工況子系統參與邏輯[1]

常用制動過程中，動車電動力制動和拖車液壓制動啟用防滑功能；緊急制動過程中，動車電動力制動和拖車液壓制動啟用防滑功能；安全制動過程中，拖車液壓制動啟用防滑功能。

動車液壓制動不設置防滑控制功能。

常用制動過程中，當發生滑行時會自動進行撒沙動作；緊急制動和安全制動過程中，會一直進行撒沙動作；保持制動和停放制動過程中，撒沙功能不啟用。

2.5 制動計算

經過計算，常用制動、緊急制動、安全制動工況下減速度響應時間制動距離均能滿足低地板有軌電車制動性能要求。具體計算數值見表6。

表6 制動計算

3 結束語

低地板有軌電車非常便捷，可大大緩解城市交通壓力，在我國有非常大的發展空間，而低地板有軌電車的制動系統又是關系到行車安全、乘客安全的重中之重。對于國內低地板制動系統設計研究具有一定的參考借鑒意義。

[1] 韓 龍,虞大聯,劉韶慶.低地板輕軌電車制動系統概念設計[J].機車電傳動，2014，(5)：63-65.

[2] 楊永勤,許紅梅,張瑞玲,等.自主研發的100%低地板現代有軌電車制動系統[J].城市軌道交通研究，2014，17(12)：108-111.

[3] BS EN 13452-1:2003 鐵路應用-制動-大眾運輸制動系統[S].

[4] CJ/T 417-2012 低地板輕軌電車車輛通用技術條件[S].

[5] BOStrab-2008 德國有軌電車建設和運營條例[S].

Design and Research of General Technology Scheme for Low-floor Tram Brake System

DUKaijun,HANLong,WANGBinru,WUZhihao

(CRRC Qingdao Sifang CO., Ltd, Qingdao 266111 Shandong, China)

By studying the low-floor tram brake system integration technology，combined with the research and operating experience of the urban rail vehicle brake system in China, a set of scheme for low-floor tram brake system was proposed. The requirements of performance and the functional components were introduced. The working principle of the brake system was analyzed. The control logic of the brake function was designed.

tram; low-floor; brake system

??)男，工程師(

2016-03-11)

1008-7842 (2016) 05-0126-04

U239.5

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2016.05.29