地鐵車輛緊急制動功能分析與計算

李 偉， 徐文海， 杜昭童， 何浩遠

(中車成都機車車輛有限公司， 成都 610051)

制動系統是地鐵車輛的重要組成部分，其性能好壞直接影響車輛的運行安全和綜合技術水平的提高，因此，國內外在發展城市軌道交通的過程中，都把如何提高制動系統的性能作為一個重要科技項目進行研究[1]。

1 制動系統功能

目前，我國軌道交通領域使用較多的制動系統供應商主要有納博特斯克(Nabtesco)、德國克諾爾(knorr)、北京縱橫機電技術開發公司等。地鐵車輛制動系統通常具有常用制動、緊急制動、停放制動、保持制動、車輪滑行保護、制動力分級控制、沖動限制、回送救援、主空壓機控制、監測、診斷和故障記錄等功能[2]。

1.1 常用制動

常用制動是空氣制動隨時與電制動進行自動配合的空電復合制動控制系統，優先采用電制動，電制動力不足時，由空氣制動補充。列車正常運行時，制動系統根據ATO指令、司機控制器、ATP在列車超目標速度時的最大常用制動指令給出的制動指令進行制動施加和緩解。常用制動的減速度一般要求不小于1.0 m/s2。

1.2 緊急制動

緊急制動優先于常用制動，是根據緊急安全環路的狀態施加和緩解的純空氣制動，按恒減速度控制方式實施制動控制。緊急制動環路受緊急制動電磁閥控制，通常處于通電狀態，獨立于常用制動，具有故障導向安全功能。緊急制動的減速度一般要求不小于1.2 m/s2。

1.3 停放制動

制動系統設彈簧儲能式停放制動裝置，用于列車臨時停放時防止列車的前進或倒退，通過司機室停放制動按鈕控制停放制動電磁閥得電、失電控制車輛的緩解、制動，防止列車長時間斷電停放時，由于空氣泄漏，造成單元制動缸氣壓下降，影響制動能力。

1.4 保持制動

隨著列車速度的減小，列車電制動能力逐步減弱。所以列車低速運行中空氣制動將代替電制動實施保持制動，直至整列車停車。保持制動壓力由牽引指令根據列車牽引力的不斷增大才會進行緩解，所以保持制動的另一個作用是防止列車在坡道上停止后再次施加牽引力，由于防止牽引力不足造成列車倒退。

由以上內容可知，緊急制動最能體現制動系統的制動性能和技術指標。因此，以某4動2拖6輛編組的鋁合金A型地鐵車輛為例，主要研究克諾爾公司推出的EP2002架控制動系統的緊急制動原理及相關功能驗證。

2 緊急制動基本原理

緊急制動是列車在緊急情況下采用的制動方式，緊急制動一般采用純空氣的制動方式。地鐵車輛的緊急制動是由緊急制動安全環路直接控制的，緊急制動環路的設計通常采用得電緩解、失電觸發的控制方式。如列車由于某種情況觸發了緊急制動，觸發信號將傳輸給列車控制單元和牽引控制單元，牽引控制單元將會封鎖牽引，列車無法再次牽引。因此，緊急制動觸發后直到列車停止才能恢復。此外，緊急制動不受沖擊極限的限制，是制動率最高的制動方式[3]。

本項目采用的德國克諾爾公司推出的EP2002架控制動控制系統的緊急制動具有啟動響應快、制動平穩、制動準確度高、部件集成度高等特點，在北京、上海、石家莊、南京、廣州等城市的多條地鐵線路上得到廣泛應用，其緊急制動作用原理如圖1所示[4]。

如圖1，緊急制動電磁閥是一個兩位三通常開電磁閥，正常情況下處于得電狀態，截斷了空重閥的輸出口與中繼閥的輸入口壓力的通路，同時將中繼閥的緊急制動預控壓力排向大氣。當緊急制動電磁閥失電時，緊急制動電磁閥將接通空重閥輸出口與中繼閥輸入口壓力的通路，從而使中繼閥輸出口壓力等于緊急制動時制動缸壓力。空重閥將根據空簧車輛載荷等信息限制其出口的最高空氣壓力，壓縮空氣進入中繼閥后作用至制動缸，最終實現基礎制動單元的制動力控制。

圖1 緊急制動作用原理

車輛在正常運行中緊急制動的控制過程如圖2所示。由制動儲風缸提供的空氣進入主調節器，同時主調節器接收來自轉向架的載荷信號，通過主調節器的比例計算輸出相應的緊急制動壓力到制動缸單元。制動缸壓力隨載荷壓力的增加而增加，從而保證車輛在任何載荷狀態下的制動減速度，以達到車輛制動距離的一致性要求[5]。

圖2 緊急制動控制過程圖

3 緊急制動減速度與制動距離

地鐵兩站間距離比較短，一般都在1 km左右。由于站間距離短，列車的調速及停車都比較頻繁。為了提高列車的運行速度，必須使列車啟動快、制動距離短。筆者研究的是最高運行速度為80 km/h的鋁合金A型車輛，其制動性能需具備安全性、穩定性和可靠性。列車的制動減速度和制動距離是綜合反映制動裝置性能和實際制動效果的主要技術指標，因此有必要通過計算驗證列車的制動距離。

3.1 制動減速度計算

根據牛頓第二定律，理論上制動減速度的計算通常采用如下公式：

(1)

式中β為瞬時減速度，B為車輛制動力，kN；Wj為當前位置的列車加算阻力，kN；m為當前狀態下的列車總質量，t；γ為輪對旋轉慣性折算出的回轉質量系數。

由于式(1)中，很多參數無法直接計算或測量，為簡化計算在實際計算中，通常采用式(2)：

(2)

式中βa為車輛由速度v0到停車過程中的平均減速度，m/s2；v0為制動初速度，km/h；T為由v0到停車所需時間，s。

3.2 制動距離計算及驗證

列車在實際的制動過程中，不論是制動停車還是調速制動，制動距離都是指從司機制動手柄置于制動位的瞬間算起，到某個速度對應的時刻或停車瞬間列車所走過的總距離。如圖3所示[6]，列車的制動大致可以分為兩個時間段，即空走時間段和勻減速時間段，空走時間包括制動指令傳輸延遲時間；制動控制裝置計算分配制動力的計算周期時間；空氣制動閥的響應時間；閘片與盤面間隙運動時間和制動缸壓力上升到規定值的時間等，同時，系統確定以后，此空走時間為確定值，它不隨初速度大小的變化而變化，本項目確定的空走時間tk=t1-t0為1.5 s。勻減速時間是指列車從初速度減速至停車或某個末速度所用的時間te。

圖3 列車制動過程分析圖

列車總制動距離分為空走距離和有效制動距離兩部分，總制動距離為：

S=Sk+Se

式中Sk為空走距離，m；Se為有效制動距離，m。

其中空走距離可以按照勻速運動來計算，即

式中v0為制動初速度，km/h；tk為制動空走時間，s。

有效制動距離：

式中v0為制動初速度，km/h；te為勻減速時間，s；制動總時間為：t=tk+te。

根據本項目合同對緊急制動減速度的要求：緊急制動平均減速度要求大于1.20 m/s2，取其最小的制動減速度β=1.2 m/s2，分別計算不同速度等級80,60,40 km/h下緊急制動距離，以80 km/h為例，計算過程如下：

te=t-tk=17(s)

S=Sk+Se=222(m)

同理計算的60 km/h和40 km/h下緊急制動距離分別為128 m和60 m。

此外，我們組織試驗人員，在平直干燥軌道試驗線上針對不同的速度等級，分別對80，60，40 km/h進行緊急制動減速度和制動距離測試，每個速度等級測3次取其平均值，試驗結果如表1所示。

表1結果顯示，各速度等級下測試的最小減速度為1.27 m/s2大于合同要求的1.20 m/s2，滿足合同要求，此外，初速度為80,60,40 km/h下的制動距離分別為194.93,92.34,42.54 m均小于理論計算距離222,128,60 m。

表1 不同速度等級下緊急制動減速度及制動距離測試結果

4 結論與建議

介紹了克諾爾EP2002架控制動系統的功能，講述了地鐵車輛緊急制動的基本工作原理，最后以不同速度等級為初速度，以項目要求的最小平均減速度的極限條件來計算車輛最大緊急制動距離，得出如下結論：

(1) 試驗測得各速度等級下，緊急制動平均減速度最小值為1.27 m/s2滿足項目合同要求的大于1.20 m/s2。

(2) 試驗測得的初速度為80,60,40 km/h下的制動距離分別為194.93,92.34,42.54 m均小于理論計算安全距離222,128,60 m，滿足相關技術要求。

[1] 馮躍.天津地鐵3號線車輛國產化制動系統[J].機車電傳動,2013(6):59-60,86.

[2] 許桂紅.地鐵制動系統的研究與仿真[D].成都：西南交通大學,2014.

[3] 董曉鵬,韓文娟.南京地鐵1號線緊急制動分析[J].鐵道機車車輛,2013,33(1):87-88.

[4] 段繼超.地鐵車輛制動控制系統設計[D].成都:西南交通大學,2012.

[5] 馬喜成.上海軌道交通4號線地鐵車輛緊急制動功能分析與計算[J].電力機車與城軌車輛,2007,30(3):27-30,55.

[6] 張興寶.地鐵列車制動距離及制動減速度相關問題研究[J].機車電傳動,2016(5):98-101,109.