電子機械制動夾鉗的設計及其試驗研究*

楊 磊,苗 峰,王 帥,周宇航,駱 凱,張敬斌

(中車青島四方車輛研究所有限公司 技術中心,山東 青島 266031)

0 引 言

近年來,國內城市軌道交通快速發展,截至2020年底,我國開通運行城市軌道交通的城市達43個,總里程約7 655 km,其中地鐵和有軌電車占到了90.8%[1]。

目前,城市現代軌道車輛正向著智能化、全電化、綠色化方向發展,傳統的空氣制動和液壓制動已無法滿足車輛新的發展趨勢。

電子機械制動(EMB)具有控制性能好、系統簡單、重量輕、維護成本低以及能源利用效率高等優點,具備代替城軌車輛原空氣制動和液壓制動系統的潛力[2]。EMB技術最早于20世紀70年代在國外的航空領域出現,由于其響應快、重量輕、體積小、不需要液壓介質,使其逐漸在商用客機領域得到了廣泛應用。

美國Goodrich公司和UTC Aerospace Systems公司分別把研制的EMB應用在A-10攻擊機和RQ-4B型全球鷹無人機上。英國MEGGITT公司開展了空客A220客機全電剎車系統試驗研究,法國Safran集團[3]為波音787客機研制了EMB系統,實現了其商業化應用。

在國內航空領域,中南大學是較早開展全電剎車技術的高校。張濤等人[4]進行了無刷直流電機控制系統的軟硬件設計,梁柏強等人[5]利用模糊自適應PID控制方法,進行了其伺服控制的研究。西北工業大學的陳曉雷等人[6-10]在全電剎車技術的防滑、滑移率控制的穩定性、滑模極值搜索控制策略、傳感器的故障診斷與補償、非線性PI控制等方面進行了大量研究工作,使得全電剎車技術在無人機領域得到了成功應用。

以上這些研究主要集中在飛機制動領域,且著重于制動系統的控制算法研究,但并未對EMB夾鉗進行詳細研究。

在汽車領域,20世紀90年代,德國Continental Teves公司[11-13]申請了EMB專利,該EMB采用中空式電機,制動器的齒輪系傳動部件與電機同軸,且位于中空電機的內部。德國的Bosch、Siemens公司[14,15]提出了一種利用連桿機構和楔形結構進行傳動的結構方案,該方案可借助制動盤的運動方向實現自增力效果,從而減小了其制動電機的尺寸。Continental Teves、Bosch、Siemens等公司也在其開發的產品驗證了EMB技術在汽車領域的可行性。瑞典的Haldex、意大利的Brembo等廠商,推出了商用化的EMB產品。目前,奧迪R8-etron等車型應用了EMB技術。

但是,由于汽車領域用的EMB夾鉗的緩解間隙較小,無法解決大緩解間隙、大總調整量的問題。

軌道交通領域開展EMB技術研究較晚。德國Knorr-Bremse公司[16]自20世紀80年代至今持續進行軌道車輛EMB的研究,2019年公布了最新的地鐵車輛EMB樣機。2002年,日本交通局[17]開發了彈簧被動式EMB,在鹿島1000型低地板有軌電車上進行了試驗研究。2008年,日本鐵道綜合技術研究所[18]設計了一種內接搖動式行星減速機的EMB夾鉗。

在國內,同濟大學[19]自2014年開始開展了軌道車輛EMB的研究,目前已經開發了地鐵車輛和中低速磁浮車用EMB,但同濟大學的相關研究未涉及有軌電車車型。

筆者針對有軌電車制動系統的需求特性,對電子機械制動夾鉗進行研究,確定電子機械制動(EMB)夾鉗工作原理和主要結構,通過計算確定其電機、傳動機構的設計參數,并對其進行仿真驗證,通過性能和環境試驗對其樣機進行測試。

1 EMB夾鉗功能及技術參數

1.1 功能分析

筆者以國內某有軌電車為目標車型,研發電子機械制動(EMB)夾鉗,該有軌電車采用兩動車一拖車編組形式,原車采用液壓制動系統。

動車安裝一臺制動控制單元和兩臺液壓制動夾鉗,拖車安裝一臺制動控制單元和四臺液壓制動夾鉗;制動控制采用車控方式,即一臺制動控制單元控制本車所有制動夾鉗。

有軌電車液壓制動系統架構如圖1所示。

圖1 有軌電車液壓制動系統架構圖

液壓制動夾鉗安裝于車軸軸端,采用浮動式結構,主要由鉗體、閘片、連接桿、液壓彈簧缸、液壓缸等組成。動車夾鉗具有停放制動(駐車制動)功能,拖車夾鉗不具有停放制動功能。

液壓制動夾鉗結構如圖2所示。

圖2 液壓制動夾鉗

為了便于EMB夾鉗的試驗和推廣,筆者設計的EMB夾鉗需保證和原液壓制動夾鉗接口相同。

EMB夾鉗需具備以下功能:

(1)制動施加和緩解。滿足在全輸出力范圍的輸出力精確控制,實時輸出實際制動力電信號;

(2)停放制動及斷電輸出力保持。在施加狀態斷電時,輸出力能夠保持,24 h內制動力衰減<5%;

(3)磨耗間隙自動補償。保證緩解間隙的穩定,不隨閘片和制動盤的磨耗而改變;

(4)輔助緩解。可以使用通用工具通過機械方式實現輸出力緩解,且機械緩解后制動力不再自動施加;機械緩解后,系統再次上電不影響正常制動功能;

(5)維護便利。采用模塊化的設計理念,便于維護和檢修,更換閘片時夾鉗能自動回退到初始狀態。

1.2 設計參數

針對以上功能和性能需求,筆者確定的EMB夾鉗技術參數如表1所示。

表1 技術參數表

2 EMB夾鉗結構及其原理

2.1 結構方案

EMB夾鉗主要由電機作動器、鉗體、閘片及連接桿組成,安裝接口與原液壓制動夾鉗的相同。

EMB夾鉗結構如圖3所示。

圖3 EMB夾鉗結構圖

根據鉗體結構特點,電機作動器采用電機輸出軸與絲杠輸出軸平行布局方式,電機輸出軸作為減速增矩機構的輸入軸,減速后的旋轉運動通過絲杠副轉換為直線運動,通過杠桿最終實現閘片和制動盤的夾緊;

筆者在絲杠后端放置載荷傳感器,用于制動力的實時測量。在電機尾端布置電磁制動器,用于失電力保持。電機輸出軸伸出電磁制動器用于緊急情況下的人工緩解。

EMB夾鉗的結構原理如圖4所示。

圖4 EMB夾鉗結構原理圖

電機作動器是EMB夾鉗的動力輸出單元,是EMB夾鉗的核心部件,其工作原理如圖5所示。

圖5 EMB電機作動器原理圖

EMB夾鉗控制器得到制動指令后,使電磁制動器得電,釋放電機轉子軸,通過控制電機的勵磁電壓控制電機轉子的旋轉運動;

電機轉子的旋轉運動通過傳動裝置轉換為壓緊制動盤的直線運動;

載荷傳感器將輸出力實時反饋給電機控制器,電機中的位置傳感器反饋電機轉子的位置;

控制器根據載荷值和位置信號,實現電機作動器輸出力和緩解間隙的精確閉環控制;

需要停放制動時,電磁制動器失電,鎖定電機軸,實現制動力長期保持穩定。

2.2 電機作動器計算模型

2.2.1 電機計算模型

電機作動器系統為多軸傳動系統,可以通過將多軸系統簡化為單軸系統進行計算。

EMB多軸傳動系統簡化示意圖如圖6所示。

圖6 EMB多軸傳動系統簡化示意圖

制動工作過程分為空載加速、輸出力上升和輸出力穩定3個階段。

空載加速階段受力平衡方程為:

(1)

根據傳動過程能量守恒定律,有:

(2)

式中:JM—電機轉子的轉動慣量;ω1,ω2,ωn—第1,2,n軸旋轉角速度;J1,J2,Jn—第1,2,n軸轉動慣量。

由式(2)可以得出:

(3)

將式(3)代入式(1),可以得出電機電磁轉矩與傳動機構輸出扭矩關系:

(4)

輸出力上升階段的運動方程為:

(5)

式中:θM—電機軸轉角;L—電機作動器輸出軸位移;P—絲杠副導程;k—減速機構傳動比;Fz—電機作動器輸出力。

輸出力穩定階段的受力方程為:

(6)

式中:Fmax—電機作動器最大輸出力。

根據目標力的特性曲線和響應時間的要求,通過上述公式計算得出所需電機的轉矩和轉速參數。

2.2.2 絲杠選型計算

接下來筆者進行絲杠的選型計算。

絲杠選型計算公式如下:

(7)

(8)

(9)

通過對式(7～9)進行計算,確定滾珠絲杠技術參數。

3 電機作動器仿真

筆者應用多體動力學仿真軟件Simpack建立了傳動機構及承載結構件系統全尺寸三維動力學模型(模型參數包括機構柔性參數、摩擦參數、結構公差參數以及阻尼參數),應用多域仿真軟件Simulink建立了控制系統和電機模型,并由控制系統、電機模型和動力學模型組成聯合仿真模型。

仿真參數如表2所示。

表2 仿真參數表

筆者對EMB夾鉗28 kN夾緊力施加過程進行仿真計算,其結果如圖7所示。

圖7 仿真曲線

仿真計算結果表明:筆者設計的EMB夾鉗能夠施加28 kN的輸出力,響應時間(從制動指令發出到達到90%目標力)為230 ms;其中,空行程部分響應時間為180 ms,輸出力從零上升到最大值時間為55 ms;輸出力的最大超調量為1.5 kN,穩態誤差為±0.3 kN。

絲杠的實際位移為2.6 mm,傳動機構及承載結構件的變形量為0.6 mm。230 ms時,母線電流瞬時值出現較大波動,約為-20 A～135 A。原因是電機由空行程階段轉為瞬間堵轉階段,反電動勢驟減,加上力閉環控制,電機會出現正反轉現象。此時,脈沖電流的持續時間約為0.1 ms,波動區間的電流有效值約為35 A,驅動器功率器件選型要有足夠余量。輸出力達到28 kN后,母線電流較小,有效值約為9.36 A。

4 EMB夾鉗樣機及其測試

根據上述計算分析結果,筆者設計制造了EMB夾鉗,其接口形式適用于國內某型現代有軌電車。

夾鉗樣機如圖8所示。

圖8 EMB夾鉗樣機

為了驗證研發的EMB夾鉗性能是否滿足設計要求,筆者對樣機進行了性能測試、環境適應性測試。

4.1 性能測試

EMB夾鉗是制動系統的執行裝置,電子制動控制器將目標力指令發送給電機驅動器,由驅動控制器驅動EMB夾鉗實現輸出力施加和緩解動作。

筆者搭建的性能試驗平臺如圖9所示。

圖9 EMB夾鉗性能試驗平臺

筆者分別給定8 kN、16 kN、28 kN階躍和1 Hz正弦目標加緊力進行夾鉗動作測試,其夾緊力跟隨曲線如圖10所示。

圖10 目標力響應測試曲線

測試數據表明:EMB夾鉗能夠施加28 kN的輸出力;實際力剛達到目標力值時,會有一定的超調量,這是由于夾鉗快速響應,閘片接觸到制動盤時會產生一定的碰撞,超調量小于1.4 kN;響應時間(從制動指令發出到達到90%目標力)小于300 ms,系統穩態誤差為±0.5 kN;

對于不同的目標輸出力,夾鉗能夠很好地跟隨;1 Hz正弦波跟隨擬合度較好,力衰減1.5%,滯后15 ms。

其他測試的性能參數如表3所示。

表3 性能參數測試值

4.2 環境適應性測試

利用試驗室環境,筆者模擬了EMB夾鉗安裝在轉向架構架上的環境狀態,環境適應性測試包括沖擊振動試驗、高低溫試驗以及IP防護等級試驗。

EMB夾鉗環境適應性試驗如圖11所示。

圖11 EMB夾鉗環境適應性試驗

試驗方法按照IEC 61373-2010《鐵路設施.機車車輛設備.沖擊和振動試驗》、TB/T 3431-2015《機車車輛制動夾鉗單元》、GB/T 4208-2017《外殼防護等級(IP代碼)》進行。

筆者分別在模擬環境中和模擬環境后進行性能測試,試驗數據不再贅述。

試驗結果表明,筆者所設計的EMB夾鉗滿足使用環境要求。

5 結束語

針對有軌電車的制動需求,筆者提出了一種EMB夾鉗設計方案和關鍵設計參數,運用聯合仿真的方法驗證了EMB夾鉗的設計性能,最后通過性能測試及環境適應性測試對EMB夾鉗樣機進行了試驗。

研究結果表明:

(1)EMB夾鉗具有輸出力施加和緩解、停放制動、磨耗間隙自補償及人工輔助緩解功能,滿足有軌電車制動系統的功能需求;

(2)EMB夾鉗結構緊湊,不需要流體能量傳輸介質,能有效降低維護工作量;

(3)EMB夾鉗各項性能參數滿足有軌電車制動系統的性能要求,能夠很好地跟隨控制指令,響應快、精度高,并能夠適應車輛振動、高低溫及防護性能等環境適應性要求,具備工程應用條件。

在后續的研究工作中,筆者還將對EMB夾鉗全壽命周期內各個關鍵零部件的可靠性和維護周期做進一步的研究。