烏魯木齊1號線電動客車制動模式選擇

馬強

DOI：10.16661/j.cnki.1672-3791.2015.36.151

摘 要：該文在進行了一定量的數據分析的技術上，在烏魯木齊1號線南高北低的線路條件下，結合地面吸能裝置，研究了電動客車的制動模式選擇問題。烏魯木齊的線路條件時全程27 km的單向大坡道，落差為287 m，在車輛選型為6A編組鋁合金車輛的基礎上，計算了運行時所需要的制動能量吸收問題。在計算了踏面制動和輪盤制動的前提下，該文論證了兩種制式均滿足緊急制動工況下的運用需求，但在純空氣制動運行工況下兩種制動制式均無法滿足全天運營的需求，故全制動電阻是烏魯木齊1號線線路條件下的車輛功能的必備配置。同時考慮地面吸能裝置的可靠性和可用性對比車輛電制動的可靠性，證明加設車載全功率制動電阻也是保證列車安全運行的必要設備。最后論證了在80 km/h的低速車輛，踏面制動帶來的輪軌力關系、減重節能等優勢，最后得出了在條件允許情況下，盡量使用電阻制動與踏面制動的組合方式的結論。

關鍵詞：烏魯木齊 大坡道 軌道交通 踏面制動 制動電阻

中圖分類號：U469 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）12（c）-0151-04

烏魯木齊軌道交通1號線于2014年4月正式開工，作為新疆首條軌道交通線路具有較強的地域特色，其線路條件也在國內軌道交通建設項目中十分獨特。烏魯木齊市坐落于天山山脈北麓，地形南高北低，1號線南北走向，全線27 km，單向大坡道，南北落差287 m。這種獨特的線路條件對1號線車輛的選型，尤其是牽引、制動系統的選型產生了一定的影響，在國內A型軌道交通地鐵車輛的成熟選型基礎上，不得不額外考慮線路的單向大坡道的條件。該文就烏魯木齊1號線用戶需求書形成階段車輛選型的一些考慮進行闡述。

烏魯木齊1號線為A型鋁合金車體電動客車，4動2拖軸重16 t（見表1）。

1 線路條件等運營參數

烏魯木齊城市軌道交通1號線工程，由三屯碑站至國際機場站。線路全27.615 km，全線地形南高北低線路落差287 m，全部為地下線路； 設21座車站，換乘站7座；最大站間距2.872 km，為宜仁墩～大地窩堡區間，最小站間距0.808 km，為大西溝～中營工區間，平均站間距1.34 km。區間正線最大坡度30‰、輔助線40‰，最小曲線半徑正線400 m，輔助線250 m，車輛基地150 m。

因獨特的地形條件，行車上行方向287 m的高差所帶來的重力勢能讓烏魯木齊1號線設置地面吸能裝置經濟效益顯著，初步設計階段地面考慮設置中壓能饋型吸收裝置。

根據行車專業的運行需求，烏魯木齊軌道交通1號線列車最高運行速度80 km/h，旅行速度35 km/h。

在烏魯木齊1號線的線路條件下按照初步設計給出的停站時間，計算出的各種電制動工況下的空氣制動熱容量分析。

在AW3工況，80 km/h的速度，半磨耗車輪的條件下模擬踏面制動是踏面溫度曲線：

（1）在平直道、按緊急制動最大減速度，連續兩次緊急制動是城市軌道交通車輛要求的基本能力，制動減速度1.2 m/s2。（見圖1）

（2）列車以最高運行速度80km/h純空氣制動制動運行一個往返。（見圖2）

上面兩種情況分析，踏面制動可以滿足連續兩次緊急制動的車輪和閘瓦的熱容量要求，但在純空氣制動最高運行速度80 km/h的情況下車輪踏面溫度已經達到許用溫度極限，故在電制動失效的情況下，純空氣踏面制動是無法滿足1號線列車按80 km/h的速度運行的。

后續又進行了輪盤制動熱容量的模擬分析，如果電制動完全失效后純空氣運行一個往返的情況，則踏面限速約為50 km/h，輪盤限速約為60 km/h。如果考慮電制動完全失效，純空氣制動全天運行則分別需要進行限速，踏面制動限速為45 km/h，輪盤限速為55 km/h。在這種情況下，為保證1號線列車的正常運行，電制動的可靠性對車輛的安全運行將十分重要。

2 電制動方案分析

電制動的可靠性主要取決于牽引系統中的設備和線路側的網壓，目前城市軌道車輛對列車的MTBF要求一般為10萬公里，烏魯木齊1號線車輛選型為4動2拖，牽引設備故障冗余性也較高，面對國內成熟的牽引廠家，在設計階段對牽引系統的設備可靠性考慮必要性不是很大，重點應考慮控制線路側網壓的因素。

國內城市軌道交通的再生吸收方案一般分為地面、車載兩部分。

地面設置的吸能方案一般有電阻吸能、逆變至動力變壓器吸能、反饋到中壓環網三種主要的吸收方式。在烏魯木齊1號線初步設計階段考慮到1號線線路條件落差較大，設置地面吸能裝置效益較好，故推選了目前比較主流的中壓回饋式地面吸收裝置。

車載吸能裝置的選擇上一般有設置過壓保護電阻、半功率制動電阻、全功率制動電阻三種方案。配置過壓保護電阻質量最小，可降低列車自重，起到節能的效果；配置全功率制動電阻重量較重，但可以通過電阻發熱的方式吸收掉本車制動過程中電制動所產生的全部能量，保證列車正常行駛情況下空氣制動熱容量需求最小，對地面吸能裝置無硬性需求；半功率制動電阻介于過壓保護電阻和全功率制動電阻之間，重量介于兩者之間，制動時能吸收一部分列車制動能量，但還需依賴地面吸能裝置和空氣制動來補充吸收能力的不足。表2是不同的車載電阻自身的優劣比較。

由于烏魯木齊軌道交通1號線獨特的線路條件，電制動失效的情況下將對運營安全帶來極大的風險，而網壓對電制動的可用性具有最直接的影響，結合目前國內地面吸收裝置的可靠性，在車輛設計過程中，地面的吸能裝置一般只作為節能裝置考慮，列車運行的安全性、可靠性還需由車輛自身保證。在踏面、輪盤制動兩種空氣方式皆不能滿足列車運行的前提下，列車的制動電阻就成為必備的車載設備。針對烏魯木齊1號線線路條件有三種可行配置方案，半功率制動電阻+輪盤制動、全功率制動電阻+踏面制動、全功率制動電阻+輪盤制動。

目前按烏魯木齊1號線線路條件需配置的半功率制動電阻重約200 kg、全功率制動電阻重約380 kg。經過模擬分析，按50%電制動考慮模擬半功率制動電阻工況，列車在限速70 km/h時輪盤溫度就已經接近300 ℃，故半功率制動電阻無法滿足1號線的線路80 km/h運用要求，全功率電阻變為保證列車安全長時間按80 km/h的必要配置。下面只需要對踏面制動和輪盤制動間進行選擇。

3 踏面制動和輪盤制動比較

該次計算采用國內某主流制動系統為80 km/h的A型地鐵車輛的成熟輪盤制動系統和踏面制動系統進行比較。

高速列車空氣制動所釋放的能量較大，盤式制動相比踏面制動具有較高的熱容量，在對列車控制制動的可用性上有所提升。在一般的線路條件下，采用盤式制動時，車輛可以在純空氣制動的情況下實現最高運行速度80 km/h的一個往返；而采用踏面制動時，車輛可以在純空氣制動的情況下實現最高運行速度60 km/h的一個往返。針對線路條件比較惡劣的烏魯木齊地鐵一號線，估算下坡時制動熱負荷較一般線路需增加約1/3。若采用盤式制動，車輛在純空氣制動的情況下也無法實現最高運行速度80 km/h的一個往返；若采用踏面制動，車輛可以在純空氣制動的情況下實現最高運行速度將更低。

在烏魯木齊1號線的線路條件下，以制動減速度1.32 m/s2，軸重16T來模擬運行一個往返的輪盤制動和踏面制動的溫升（見表3）。

在烏魯木齊的線路條件下，在全天純空氣制動的情況下，踏面制動需要限速45 km/h，輪盤制動需要限速55 km/h。在這樣的線路條件下，即使選用輪盤制動，在電制動失效的情況下依舊無法保證正常的運營需求，只要電制動發生故障或者不可用，無論采用踏面制動還是輪盤制動，都無法滿足列車的正常運營需求，需要及時退出運營。

去除了質量相同的氣路及控制部分，制動器踏面制動一輛車比輪盤制動輕250 kg，輪盤制動還需在車輪上安裝單獨的制動盤，每套97.5 kg，每車重780 kg。一輛車綜合質量比較踏面制動比輪盤制動輕1030 kg，一列車6輛編組踏面制動總質量輕6180 kg，

踏面制動雖然重量較輕，對一系簧下質量影響較小，但熱容量也較小，針對烏魯木齊獨特的線路條件，車輛為保證運行安全在空氣制動采用踏面制動時配備全功率制動電阻。

4 動力學計算、列車重量計算。

輪盤制動制動盤安裝在車輪上，故制動盤得質量應為一系簧下質量。一系簧下質量的增加對動力學性能的劣化，一系簧下沒有彈性減震，所有的微小沖擊都將產生強大的加速度，經實測，一系輪軌加速度極限值可達10～15個重力加速度，每增加一個單位的一系簧下質量，對輪軌缺陷的沖擊力都將放大10～15倍。輪軌間接觸缺陷不可避免，故一系簧下質量的小比率增加都將使得輪軌間的磨耗、動力學性能等以更大比率劣化，在技術上可行的范圍內減一系小簧下質量將對控制輪軌磨耗及列車的動力學性能有較大改善。

由于輪盤為一系簧下質量，一輛車的一系簧下質量輪盤制動要比踏面制動重780 kg，一列車6輛編組一系簧下質量重4 680 kg（輪盤制動制動盤安裝在車輪上，在計算列車重量時要額外考慮制動盤得轉動慣量的額外增加）。

按照目前烏魯木齊1號線A型車轉向架一系簧下質量，動車1700 kg，拖車1300 kg，外徑640的制動盤單軸約97.5 kg，選擇盤式制動將增加將額外增加6%～8%的一系簧下質量，輪軌極限沖擊力也將相應增加10～15 kN。這將對未來列車長期運行的輪軌磨耗帶來不利影響。

5 經濟性核算及結論

盤式制動裝置相對于踏面制動裝置增加了制動盤，制動夾鉗也相對踏面制動單元重，導致車輛每列總重增加6180 kg，每節車的重量增加1030 kg（保守估計，未考慮轉動慣量增加）。香港地鐵長期運營研究經驗表明，車輛空載重量每輕1噸，每年可節電8000度，使用輪盤制動每年每列車將多耗能近50萬度。

采用盤式制動的全壽命周期成本大約是踏面制動的2倍。

因此在滿足制動要求的前提下，經濟長應優選采用踏面制動裝置。

除此之外，考慮烏魯木齊1號線的單線大坡道，電機的選型也應盡量選擇功率較大的型號，基礎制動選用踏面制動方式有利于在動車轉向架給電機預留更大的安裝空間。國家發改委發布的A型車的范本也推薦80 km/h的車輛采用踏面制動制式，采用踏面制動可以不修改招標文件模板。

綜合考慮，在地面設置中壓能饋型吸收裝置，保證車輛運行安全的前提下盡量吸收制動再生能量。烏魯木齊1號線電動客車用戶需求書編制階段決定采用全功率電阻加踏面制動方案進行招標。

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