淺析節(jié)能技術(shù)在地鐵車輛制動系統(tǒng)中的應(yīng)用

寇良朋 上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司

淺析節(jié)能技術(shù)在地鐵車輛制動系統(tǒng)中的應(yīng)用

寇良朋 上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司

介紹了地鐵車輛制動系統(tǒng)的發(fā)展，對制動系統(tǒng)中的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了闡述，指出通過降低制動初速度、對制動能量回收和優(yōu)化制動系統(tǒng)可以降低制動能耗，并指出新的制動技術(shù)可以進(jìn)一步降低能耗，節(jié)約能源。

地鐵；制動；節(jié)能

Abstract: The article introduces metro train braking system development and energy saving technology of braking system. The author points out reducing braking energy consumption through lowering braking initiative velocity, recycling braking energy and optimizing braking system. New braking technology can reduce energy consumption and save energy further more.

Key words: Metro, Braking, Energy Saving

伴隨著中國城鎮(zhèn)化的進(jìn)程，中大城市的人口越來越多、越來越密集，城市交通問題也越來越突出。地鐵由于具有運量大、速度快、安全性高等特點已成為城市中重要的公共交通工具。地鐵用電能來驅(qū)動，是城市用電大戶，能源消耗總量過大是目前城市軌道交通面臨的主要問題，據(jù)統(tǒng)計，目前我國城市軌道交通系統(tǒng)能耗支出占運輸能耗總支出的比例高達(dá) 35%，因而降低地鐵能耗是一個必須要解決的問題[1]。地鐵車輛運行站間距一般較小，運行過程中需要頻繁的啟停。為保證地鐵車輛安全、穩(wěn)定可靠的停下，就需要制動系統(tǒng)可靠的工作。所謂制動就是人為地、有控制地對運行著的列車施加阻力，以使列車減速、停車，或阻止列車加速。制動的實質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)化，即列車的動能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量。

除牽引系統(tǒng)外，制動系統(tǒng)所消耗的能量占了較大比例。

1 制動系統(tǒng)種類

自從1863年第一條地下鐵路在倫敦誕生以來[2]，地鐵列車的制動技術(shù)隨著干線列車的制動技術(shù)的發(fā)展而不斷改進(jìn)，優(yōu)化。列車制動形式的發(fā)展詳見表1。

表1 列車制動形式

早期的制動是人工操作：司機(jī)攪動剎車鋼絲，使閘瓦緊貼車輪踏面。用摩擦力使車輪減速直至停止，列車的動能通過閘瓦與車輪的摩擦，以熱能的形式散發(fā)出去。這種原始的制動形式既不安全也不節(jié)能。空氣制動機(jī)出現(xiàn)后，代替原來的機(jī)械式制動，用壓縮空氣推動閘瓦貼合在車輪踏面或制動盤上。在安全性和可靠性上都有了極大的提高，廣泛應(yīng)用于鐵路、地鐵及其它軌道交通車輛上。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)30年代，出現(xiàn)了以電信號來傳遞制動指令的制動控制系統(tǒng)，由于采用電信號進(jìn)行傳遞制動信息，傳輸速度得到較大提高，全列車的制動信號一致性好，制動時的沖擊較小，制動距離也有所減小，提高了列車上車鉤、閘片等部件的壽命[3]。

隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，列車牽引系統(tǒng)由原來的集中式向分散式發(fā)展，“火車跑得快，全靠車頭帶”在地鐵車輛的牽引系統(tǒng)中已經(jīng)很少；更多的是采用了分布式動力系統(tǒng)。如圖1所示為上海地鐵6號線車輛牽引動力分布，四輛編組的列車中，中間兩節(jié)為動車（每個車軸上安裝有牽引電機(jī)），兩邊各一節(jié)為拖車（無牽引電機(jī)）。這種分布式的牽引系統(tǒng)為電制動在地鐵車輛中的應(yīng)用提供了前提條件。目前在地鐵車輛中制動系統(tǒng)采用電制動+空氣制動的電空聯(lián)合制動形式。

2 制動過程中使用的節(jié)能技術(shù)

制動本質(zhì)上就是將列車的動能轉(zhuǎn)化出去，直至動能為零，列車靜止。目前采用的節(jié)能措施有：

a）降低所需的制動能量，使所需轉(zhuǎn)化的能量最少；b）對列車動能進(jìn)行回收再利用；

c）對制動中關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化,降低制動系統(tǒng)本身的能耗。

2.1 挖掘列車惰行潛能 降低制動初速度

在主城區(qū)內(nèi)，地鐵站間距一般在1.5 km左右，距離較短，列車實際運行過程中一直處于啟動—加速—制動—進(jìn)站停車的循環(huán)狀態(tài)，這種運行模式使?fàn)恳椭苿佣枷拇罅康哪芰俊＝?jīng)過充分論證、試驗后對列車運行的控制算法進(jìn)行優(yōu)化，列車運行過程優(yōu)化為啟動—加速—惰行—制動—進(jìn)站停車的循環(huán)狀態(tài)。在保證站與站之間運行時間不變的情況下，優(yōu)化列車速度與時間的關(guān)系，詳見圖2。由圖2可看出，優(yōu)化之后，列車運行的最大速度降低，牽引所需能量減少；優(yōu)化之后惰行時間延長為（t3-t1）,對應(yīng)的制動初速度由Ve降為Vc，制動所需轉(zhuǎn)化的動能由。另外，閘瓦的磨耗也有所減輕，使用壽命更長，降低更換頻率。根據(jù)廣州地鐵某線路統(tǒng)計結(jié)果表明：采用優(yōu)化控制策略后能降低能耗7%左右。

圖1 上海地鐵6號線動力分布

圖 2 控制策略優(yōu)化前后 列車速度與運行時間的關(guān)系對比

2.2 制動能量回收

在電空制動系統(tǒng)中除了由壓縮空氣控制的摩擦制動外，還有動力制動（電制動），基本原理是：在制動時牽引電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，將列車的動能轉(zhuǎn)化為電能。

根據(jù)對電能的不同處理方式又分為再生制動和電阻制動。再生制動是把電能通過變流器逆向變換，返回電網(wǎng)，實現(xiàn)能量的回收。電阻制動是把電能直接消耗在制動電阻上轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒊鋈ァＴ缙诘牡罔F線路曾廣泛使用電阻制動來代替空氣摩擦制動，使地鐵列車能夠充分使用電制動，降低制動閘片的磨耗，使列車動能盡量通過電阻發(fā)熱轉(zhuǎn)移出去。

再生制動出現(xiàn)以后，一般是與電阻制動聯(lián)合使用。再生/電阻制動原理框圖如圖3所示。當(dāng)列車控制系統(tǒng)發(fā)出制動指令后，列車進(jìn)入再生制動模式，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)化成發(fā)電機(jī)，將產(chǎn)生的電能反饋回電網(wǎng)。當(dāng)處于再生制動狀況的列車回饋出去的電流不能完全被其它車輛或用電設(shè)備所吸收時，吸收裝置投入工作，吸收掉多余的回饋電流，使其消耗在吸收電阻（R）上，從而防止制動列車向電網(wǎng)回饋能量而使電網(wǎng)電壓升高，超出正常范圍，這樣可使車輛最大限度地發(fā)揮電制動功能。吸收裝置采用斬波器（VT）和吸收電阻配合，根據(jù)線網(wǎng)電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，將線網(wǎng)電壓維持在某一設(shè)定值范圍內(nèi)，以保證車輛的安全運行[4]。上海1號線直流車進(jìn)行交流化改造后，其優(yōu)良的性能可使電能的再生率達(dá)到40%左右，節(jié)約了大量電能。

2.3 優(yōu)化制動系統(tǒng) 降低能耗

雖然列車大部分動能被電制動吸收，但還是有部分動能要靠空氣制動系統(tǒng)的摩擦制動來消耗。由于列車在低速時（一般在3～8 km/h）會切換到空氣制動模式，另外緊急制動一般也是純空氣制動，因此制動系統(tǒng)對空氣的消耗和摩擦閘片的消耗也是不少的。在電空制動系統(tǒng)中，所需要的壓縮空氣是由安裝在車上的空壓機(jī)組件供給的，空壓機(jī)把電能轉(zhuǎn)化為電機(jī)的動能再轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的壓力能，由于經(jīng)過了電能—動能—壓力能的轉(zhuǎn)化，能量利用率不高，活塞式空壓機(jī)效率在50%左右[5]，隨著空壓機(jī)技術(shù)的發(fā)展，螺桿式和渦旋式空壓機(jī)在列車上也已應(yīng)用，提高了能源利用效率。在制動系統(tǒng)中，閘片屬于消耗品，更換頻率較高，增加了維修成本。為降低更換頻率，主要是從兩方面進(jìn)行改進(jìn)：第一，在保證安全的情況下，盡量采用電制動，降低使用空氣制動時的列車速度，這樣可以減少需要通過閘片轉(zhuǎn)移的動能，從而減小閘片的磨耗 ，延長閘片使用壽命；第二，更換閘片材質(zhì)，早期的摩擦材料主要是鑄鐵，由于其價格低廉、導(dǎo)熱性好在鐵路車輛上曾廣泛使用，但因磨損較快，更換頻繁[6]。有機(jī)合成材料是將金屬粉末、酚醛樹脂和摩擦調(diào)節(jié)劑等經(jīng)充分混煉而成，耐磨性性好，使用壽命可達(dá)鑄鐵的4倍以上，目前在一些車輛上應(yīng)用，效果比較顯著。

圖3 再生/電阻制動原理

3 節(jié)能新技術(shù)的展望

在電制動過程中，由于電網(wǎng)網(wǎng)壓的限制，會有一部分能量通過吸收電阻發(fā)熱以熱能的形式散發(fā)出去。如果能夠把這些能量也暫時儲存起來，在隨后的列車啟動、加速或照明、通風(fēng)等過程中加以利用，也是能量的回收，對降低能耗、節(jié)約成本有重要意義。

目前儲能形式主要有：電容儲能和飛輪儲能電池[7]。電容儲能主要是在車輛制動過程中，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)，將動能轉(zhuǎn)化為電能，并以化學(xué)能的形式儲存在電容中。當(dāng)列車需要啟動或加速時再將存儲的能量轉(zhuǎn)化為列車運行的動能。儲能器既有布置在車下作為車下設(shè)備的形式，也有隨車布置以車載設(shè)備的形式進(jìn)行安裝的。傳統(tǒng)的飛輪儲能廣泛應(yīng)用于汽車和沖床上，用來暫時儲存能量，以順利通過傳動裝置的“死點”，但傳統(tǒng)飛輪的作用幾乎都是暫時存儲，現(xiàn)存先用。飛輪儲能電池是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和儲存裝置，且能夠在一定時間內(nèi)維持能量、衰減很小。具有能量密度高、重量輕、壽命長等特點。能在較短時間內(nèi)儲存制動過程列車的動能，并滿足車輛啟動時能量的需要提高列車的動力性能。電容儲能和飛輪儲能目前在地鐵車輛上應(yīng)用的還較少；隨著技術(shù)的發(fā)展，未來在地鐵車輛上會有廣泛的應(yīng)用。

[1]李超. 地鐵用電系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計淺析[J]. 鐵道建筑技術(shù), 2010(s2)：148-151.

[2]王月明. 城市軌道交通列車制動[M]. 北京:科學(xué)出版社,2014.

[3]殳企平. 城市軌道交通車輛制動系統(tǒng)[M]. 北京:知識產(chǎn)權(quán)出版社,2011.

[4]曾建軍等. 地鐵再生制動能量吸收裝置[J]. 城市軌道交通,2008(6)：44-47.

[5]孫曉明等. 動力用空氣壓縮機(jī)能源效率探討[J].流體機(jī)械，2013,41(11)：44-47.

[6]欒大凱. 鐵道車輛用銅基粉末冶金制動閘片的研制及應(yīng)用[D].北京交通大學(xué),2006.

[7]張新賓等. 飛輪儲能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)[J].儲能科學(xué)與技術(shù),2015 ,4(1)：55-60.

Study on Energy Saving Technology Applied in Metro Train Braking System

Kou Liangpeng Shanghai Railway Transportation Equipment Development Co,,Ltd

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.09.012

寇良朋：助理工程師，主要從事地鐵車輛制動系統(tǒng)設(shè)計與開發(fā)。