成都市域A型車輛制動裝置技術簡介

劉曉妍，楊 東，韓 宇，尚小菲，宋 陽

(中國中車長春軌道客車股份有限公司，吉林 長春 130062)

0 引言

隨著城市軌道交通的快速發展，不同種類城市軌道交通的并行建設和運營，發展市域交通為緩解城市中心居民過分集中問題、改善居住條件、發展衛星城鎮、節約投資提供了重要幫助。市域交通由于其運營里程大，可充分發揮軌道交通“速度快、容量大、能耗低”的特點，最大程度地滿足乘客出行的需求[1]。

成都市域A型車速度為160 km/h，其高于普通地鐵車輛的運行速度，對列車的制動裝置提出了更高的要求，本文主要對成都市域A型車輛制動裝置技術進行簡單介紹。

1 A型車輛制動系統的主要性能指標[2]

(1)在超員(AW3)且車輪為半磨耗狀態工況下，列車在平直干燥線路以最高速度160 km/h運行時，從給出制動指令到列車停止，列車平均減速度為：a常≥1.0 m/s2；a緊≥1.2 m/s2。

(2)常用制動沖擊率≤0.75 m/s3，緊急制動作用時不受此限制。

(3)停放制動應能確保超員時安全地停放在線路的最大坡道上，并考慮最大季風的影響。

2 A型車輛制動系統組成及原理

成都市域A型車采用微機控制模擬式EP2002架控式制動系統，并基于網絡及硬線冗余的控制方式。列車設有兩套主供風單元，每輛車配備兩套EP2002制動控制單元(G閥、RIO閥和S閥)，每根車軸配置兩套輪盤制動單元，其中一套具有停放制動功能[3]，制動盤采用鑄鋼制動盤。

制動系統以列車為單元進行制動力管理，能在ATO(Automatic Train Operation，自動駕駛系統)、ATP(Automatic Train Protection，列車自動保護系統)或司機控制器的控制下對列車進行階段或一次性的制動與緩解，具有常用制動、緊急制動、保持制動、停放制動、防滑保護控制、縱向沖動控制、制動不緩解檢測、強迫緩解、故障診斷與自診斷等功能。

制動系統主要包括主供風模塊、輔助供風模塊、制動控制裝置以及基礎制動裝置等，如圖1所示。

圖1 A型車輛制動系統組成

2.1 主供風單元

兩個Mp車(帶受電弓的動車)上分別安裝一套風源設備，所有設備集成在一個模塊中。每套風源系統可以為8輛編組的車輛提供足夠的干燥空氣。風源設備主要包括一臺SL22型螺桿式空壓機和一套雙塔空氣干燥器，它們固定在同一個安裝架上，以便安裝和維護。風源模塊外形如圖2所示。

圖2 風源模塊

螺桿式空壓機具有許多優點，如空壓機與電機之間的柔性減振器，有利于將空壓機噪聲控制在盡可能低的水平，為了避免噪聲傳遞到風管，空壓機組通過一條彈性高壓軟管與制動裝置相連接；在空壓機的進風口處配置空氣濾清器，對吸入的空氣進行過濾，經過濾后的空氣進入冷卻風扇，經過冷卻風扇后進入雙塔式空氣干燥器裝置。

空壓機采用單雙日控制壓縮機的工作，以提高工作率，其“啟動/停止”功能用于空壓機的控制。當總風壓力低于0.8 MPa時，通過網絡發出空壓機啟動信號，此時主空壓機啟動;當總風壓力上升到0.95 MPa時，發出空壓機停止信號，此時主空壓機停止工作。如果總風壓力在主空壓機啟動后，持續下降到0.75 MPa時，又會發出啟動輔助空壓機信號，兩臺空壓機持續打風到0.95 MPa時，發出空壓機停止信號，兩臺空壓機都停止工作。當兩臺空壓機同時啟動時，主/輔空壓機啟動具有一定時間間隔[4]。

當工作壓力高于1.2 MPa時,安全閥動作對空壓機進行保護。當壓力高于1.05 MPa時，安全閥動作以保護整個氣動系統。

2.2 制動控制裝置

每4輛車內的8個EP2002閥分別通過CAN(Controller Area Network，控制器局域網絡)總線連接在一起，組成一個制動系統內部的CAN網絡單元，全列車分成2個CAN單元，如圖3所示。圖3中，G代表G閥，S代表S閥，R代表R閥，每4輛車組成一個CAN網絡單元。

圖3 制動控制單元的配置

為了提供冗余的備份，CAN網絡單元中兩個網關閥的功能相同且I/O接口配置一致。正常情況下，CAN單元內的兩個網關閥一個為主，一個為輔，主輔網關閥均向TCMS(Train Control Management Unit，列車控制管理系統)發送數據，此時以主網關閥發送的數據為準。當CAN單元斷開時，兩個網關閥均為主，各自發送所控制車輛的相關數據，此時兩個網關閥所發數據均為有效數據。在系統上電之初進行的一系列網絡配置的過程中，4輛車組成的CAN總線單元中的一個網關閥將成為主網關閥，另一個網關閥為輔網關閥。輔網關閥作為主網關閥的“熱備份”，隨時監測主網關閥的狀態。當主網關閥故障時，輔網關閥將在1.5 s內自動接替主網關閥以確保CAN總線單元內空氣制動力的分配不間斷，1.5 s轉換對常用制動有影響，對緊急制動無影響，考慮到常用制動正常是帶有電制動的，只有在電制動故障，并且EP2002主網關閥故障時，才有可能會有影響，切換過程會保持切換之前的狀態，如果之前有制動，制動不會丟失。

列車制動采用電制動優先、空氣制動延時投入的混合制動方式，電制動與空氣制動實時協調配合，當網關閥接收到列車的制動模式指令及制動需求指令后，根據不同制動等級的需求，優先使用電制動，如電制動能力達不到列車需求，空氣制動將自動補充，保證列車制動力滿足需求。

2.3 輔助風缸模塊

輔助風缸模塊主要包括風缸模塊和輔助控制箱等，其中風缸模塊集成了一個100 L的制動風缸、一個100 L的總風缸和一個100 L的空簧風缸。當總風管的瞬間壓降很大時，能為制動系統和空氣懸掛系統提供穩定的壓縮空氣，且當空壓機發生故障時，能提供6次最大常用制動施加/緩解所需的壓縮空氣。

輔助制動控制箱是將零散的控制、監控、測試部件通過模塊化設計集成在框架中，整體安裝于車下，并將維護側布置在靠近車側位置，從而使維護操作人員不用到車底下就能進行維修維護，其優點在于散件集成設計，集成度高，漏點少，可將從總風過來的壓縮空氣分配到制動風缸、停放制動、空簧等部位，為制動系統提供各類輔助控制功能。輔助控制箱結構如圖4所示。

圖4 輔助控制箱

3 制動控制系統的主要功能

空氣制動主要包括常用制動和緊急制動，當再生制動投入時常用制動可與之隨時配合進行混合制動。

3.1 常用制動

常用制動時，制動系統會根據空氣彈簧壓力進行空、重車的調整，以保證不同載重情況下的相同制動減速度要求。

常用制動采用減速度控制模式，制動控制裝置根據指令的減速度和車輛載重來計算目標制動力。常用制動采用電空混合制動，電制動力與空氣制動力之和能滿足制動指令要求的制動力，同時具有沖擊率限制功能，以改善乘座的舒適性能。

制動系統輸出的空氣制動力和列車內的電制動力混合，整車制動力由牽引和制動系統分別計算，采用統一的計算方法。每個CAN單元中的G閥通過網絡接口接收制動指令和TCU(Traction Control Unit，牽引控制單元)發送的實際電制動力信號，計算出各架應施加的空氣制動力。

3.2 緊急制動

緊急制動僅采用空氣制動，緊急制動系統采用“得電緩解”方式，由緊急制動安全回路直接控制，貫穿整個列車的連續電源線控制緊急緩解，當緊急制動安全回線失電時，所有車輛同時實施緊急制動，緊急制動安全回路的控制電路將保證緊急制動一直保持施加狀態直至列車完全停下。緊急制動時，再生制動不起作用。

3.3 保持制動

保持制動控制功能可以使列車在坡道上停車時保持靜止，防止列車在坡道上啟動時倒溜。

在正常情況下，BCU(Brake Control Unit，制動控制單元)從車輛總線接收保持控制指令，當車輛減速到低于施加保持制動的車速時，TCMS通過車輛總線向BCU發出保持制動施加指令，BCU收到保持制動施加指令后，執行保持制動施加控制，空氣制動系統將施加足以使列車在坡道上能保持靜止的空氣制動；當列車牽引啟動時，且當牽引力高于在坡道上啟動所需的牽引力或列車速度高于設定值時，TCMS通過車輛總線向BCU發出保持制動緩解指令，BCU收到保持制動緩解指令后，執行保持制動緩解控制，使空氣制動緩解。

在應急牽引模式及蠕動模式下，當車速低于一定值時，BCU將自動施加保持制動；當接收到牽引信號時，延遲一定時間或車速達到一定值后自動緩解保持制動，在回送時不具有保持制動功能。

3.4 防滑控制

每根車軸上均裝有速度傳感器，每個EP2002閥連續接收該閥控制的轉向架上的兩個速度傳感器的信號，以隨時檢測滑行，防止車輪擦傷。此速度信息在CAN總線單元內的閥之間共享，從而根據防滑算法檢測和控制滑行。

空氣制動滑行控制系統主要采用速度差和減速度判據進行滑行檢測。減速度滑行檢測是指當某一軸速度的減速度達到某一數值時，判定該軸處于滑行狀態；速度差滑行檢測是指當某一軸速度低于參考速度(基準速度)一定值時，判定該軸處于滑行狀態。

空氣制動進行滑行控制時，單軸連續排風時間不超過5 s。當空氣制動滑行控制失效時，應無滑行保護維持運用，此時列車監控系統應向司機作出提示。

當電制動檢測到滑行時，電制動先進行防滑控制，同時通過網絡將滑行信息傳送給空氣制動系統，滑行動車的制動系統按照本動車電制動能力值來計算本車的空氣制動，以減少滑行的動車空氣制動力。未滑行動車仍按照電制動力實際值進行計算，避免總制動力損失過多。當空氣制動防滑系統檢測到滑行時，空氣制動也進行防滑控制，同時將防滑信息發送給電制動系統。

4 基礎制動裝置

基礎制動采用輪盤制動，每軸安裝兩套夾鉗制動單元，其中一套具有停放制動功能，分別對角布置。保證列車每根車軸都帶有停放制動功能，停放能力滿足8輛編組的超員列車能安全停放在線路的最大坡道上，并留有足夠的裕量。

常用制動(空氣制動)、緊急制動、保持制動均通過同一制動缸施加到輪盤上，采用具有成熟應用業績的夾鉗制動單元，如圖5所示。

圖5 夾鉗制動單元

夾鉗制動單元具有以下結構特性：通過單動的排量調節器自動修正閘片和輪盤磨耗造成的閘片間隙；空氣消耗量穩定；通過壓縮空氣可在駕駛臺上集中操縱彈簧式儲能器(停放制動缸)；在更換閘片時無需進行調整工作。

基礎制動配備鑄鋼輪盤，可顯著降低車輛簧下質量，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的良好效果。閘片采用符合UIC541-3標準接口要求的合成閘片，能夠快速冷卻，便于拆裝，不需要拆卸其他部件就能更換磨損的制動閘片。

5 結束語

成都市域車因其速度等級高、運量大的特點，對制動系統的性能提出了較高的要求，經過一系列實驗驗證，成都市域車輛的制動系統具有響應時間短、可靠性高以及便于維護等特點，但制動系統的實際運用效果有待通過運行進一步確認。