新型城市軌道動車組制動系統方案設計

摘　要: 為了解決國產新型城市軌道交通車輛的關鍵技術之一 制動系統,作者根據在200 km/ h 電動車組制動系統研制工作中積累的經驗,提出了新型城市軌道電動車組制動系統的設計原則,并擬定了適用于新型城市軌道電動車組的制動系統設計方案。該方案能滿足不同要求的城市軌道電動車組。關鍵詞: 城市軌道車輛, 電動車組, 制動系統
采用有軌交通緩解大中城市日益嚴重的城市公共交通問題已逐漸成為共識。國家已開始有計劃地開發新型城市軌道交通車輛。城市軌道交通大多采用動力分散的電動車組。上海鐵道大學根據幾年來在200 km/ h 電動車組制動系統研制[ 1 ]工作中積累的經驗,以及城市軌道電動車組的特點,設計了城市軌道電動車組的制動系統。
1 　設計原則
新型城市軌道電動車組制動系統應具有如下功能:(1) 常用制動,即動力制動與空氣制動一起作用;(2) 緊急制動,僅由空氣制動作用;(3) 適應ATP 操作;(4) 制動力無級調整;(5) 動力制動力與空氣制動力自動配合,空氣制動力= 所需制動力-動力制動力;(6) 防沖動作用;(7) 防滑功能;(8) 空重車自動調整;(9) 充分利用動力制動的滯后充氣功能;(10) 系統自檢并顯示;(11) 故障導向安全;(12) 備用制動控制;(13) 停放制動。
2 　方案設計
城軌電空制動系統是微機控制的模擬式直通電空制動系統。如圖1 所示,該系統由制動控制系統和基礎制動裝置組成。
2. 1 　制動控制系統
該系統由制動信號發生與傳輸部分、微機制動控制單元(MBCU) 、氣制動控制單元(PBCU) 和轉向架制動控制單元組成。
2. 1. 1 　制動信號發生與傳輸部分該部分主要由制動控制器、調制及邏輯控制器、制動指令線等組成[ 2 ] ,其主要任務是產生制動信號并將信號傳遞到各車輛的MBCU 或PBCU 。常用或緊急制動指令,是由司機操縱制動控制器產生的,根據總體設計要求,制動控制器也可與牽引控制器合二為一。在司機室,另有緊急制動按鈕開關、停放制動開關和備用制動切換開關等。
　

圖1 　微機控制的模擬式直通電空制動系統

　　調制器用于將制動控制器的指令轉換成相應的脈寬調制信號。邏輯控制器根據司機的操作,通過邏輯電路,使指令線在相應的工況下發出相應的指令信號。它還同時接收ATP 發出的指令。制動指令線主要有:
①PWM 線,2 根,傳遞常用制動信號模擬量至各車的MBCU 。
② 緊急制動線,2 根,其中1 根為開關線,另1 根為回線,前者串接了各個控制緊急制動的開關,如司機緊急制動按鈕開關、總風欠壓開關等,后者將緊急制動指令送至各PBCU 。緊急制動為失電制動。
③ 制動/ 運行信號線,列車處于制動態態時為DC110V 高電平,處于運行狀態時為低電平。
④ 停放制動指令線,當需要施行停放制動時,受司機控制,處于DC110V 高電平。
⑤ 強迫緩解指令線,司機控制列車強迫緩解時,處于DC110V 高電平。
⑥ 緩解不良指令線,當某輛車的制動缸緩解不良時,通過該車的MBCU 使指令線處于DC110V 高電平,供牽引控制單元進行聯鎖控制,以防擦輪。
⑦ 制動力不足指令線,當列車施行常用全制動(或接近常用全制動) 時,若MBCU 檢測到制動力不足時,則使其處于DC110V 高電平;通過調制及邏輯控制器切換為緊急制動,以導向安全。
2. 1. 2 　微機制動控制單元MBCU
MBCU 是微機控制直通電空制動系統的關鍵部件,它主要用來完成如下工作:接受制動指令、空重車信號和速度信號;根據列車運行速度、車重和常用制動指令計算所需的常用制動力;按充分發揮動力制動能力的原則, 進行動力制動與空氣制動的配合控制;常用制動時進行防沖動控制,提高舒適性;實現拖車利用動車動力制動能力的滯后充氣控制;檢測輪對速度,進行防滑控制;檢測制動系統狀態,自動記錄并顯示故障信息[3 ] 。
2. 1. 3 　氣制動控制單元PBCU
PBCU 是由EP 閥、緊急電磁閥、空重車限壓閥、中繼閥、強迫緩解電磁閥、傳感器等組成的氣動元件集成箱。它是將制動指令由電信號轉變為相應空氣壓力信號的部分。它與MBCU 一起構成微機控制直通電控制動系統的制動缸壓力控制。其中EP 閥用于將電信號轉換成相應的空氣壓力信號;中繼閥將該壓力信號進行流量放大后,把壓力空氣送至轉向架;緊急電磁閥在緊急制動時失電,同時將壓縮空氣通過空重車限壓閥直接送至中繼閥;強迫緩解電磁閥在緩解發生困難時用來進行緩解控制;傳感器用來反饋壓力信號,供MBCU 采樣控制。
2. 1. 4 　轉向架制動控制單元
　由轉向架中繼閥、防滑電磁閥和速度傳感器組成。轉向架中繼閥用于進一步將PBCU 中繼閥送來的空氣壓力進行流量放大, 以提高制動缸充氣速度。速度傳感器用于檢測輪軸轉速, 以便MB CU 進行防滑控制。當MB CU 檢測到某軸發生滑行時, 控制該軸的防滑電磁閥適當排除制動缸壓力空氣, 以降低該軸的制動壓力, 防止車輪擦傷。
2 . 2 　基礎制動裝置
基礎制動模式可根據城軌動車組車型的不同、減速度要求的不同進行選擇, 常用的有踏面制動和盤型制動2 種方式。　　城軌電動車組的踏面制動裝置應采用帶有閘瓦間隙自動調整裝置的單元制動缸, 對應每個車輪安裝1 套單元制動缸。為保證動車組在坡道上能安全停放, 每個輪對上應安裝1 套停放制動裝置, 停放制動裝置可與單元制動缸合成一體, 成為帶停放制動的單元制動缸。圖2 所示為適用于踏面制動的帶停放制動和不帶停放制動的單元制動缸。

圖2 　適用于踏面制動的單元制動缸

在軸重較大且減速要求較高的電動車組上, 如果安裝空間容許, 可以考慮采用盤形制動裝置。拖車可采用軸盤式盤型制動裝置, 動車可采用輪盤式盤型制動裝置或仍采用踏面制動裝置。圖3 所示為軸盤式盤型制動裝置和盤型制動用的單元制動缸( 不帶停放制動) 。圖4 所示為輪盤式盤型制動裝置和盤型制動用的單元制動缸( 帶停放制動) 。

圖3 　軸盤式盤型制動裝置及單元制動缸

圖4 　輪盤式盤型制動裝置及單元制動缸( 帶停放制動)

2. 3 　備用制動控制系統
由備用控制器、備用制動指令線和備用制動控制單元等組成,為簡單的直通電空制動系統。當微機控制直通電空制動系統發生故障后,司機可利用該備用制動控制系統使列車低速運行,以便將旅客運送到下一車站或將列車開回車輛段。備用控制器由司機操縱可產生3 個制動級別指令,該指令為DC110V 高電平信號,通過備用制動指令線,將指令傳至各車的備用制動控制單元;備用制動控制單元通過硬件電路控制EP 閥開閉來實現制動或緩解。備用制動為純空氣制動,制動力僅考慮空重車限壓。
3 　結　論
以上的制動系統方案是可行的,能適用于各種城軌電動車組。其中的關鍵部件,如PWM 信號傳遞、EP 單元的控制等已在200 km/ h 電動車組制動系統中采用。實際應用效果良好,證明上述方案是可行的。
參考文獻:
[ 1 ] 　吳萌嶺,姜靖國,應之丁等. 我國高速電動車組系統的研究[J ] . 鐵道車輛,1999 , (4) :15.
[ 2 ] 　陳龍安,吳萌嶺,姜靖國等. 高速電動車組制動用電器信號及其傳送[J ] . 鐵道車輛,1998 , (8) :21.
[ 3 ] 　胡口波,龍海濤. 模糊控制在200 km/ h 電動車組制動系統電空轉換裝置中的應用[J ] . 鐵道機車車輛,1998 , (4) :31