电机械制动系统在地铁列车中的应用

电机械制动系统在地铁列车中的应用

姜爽 孟科

沈阳地铁集团有限公司运营分公司 辽宁 沈阳 110000

摘要：目前，地铁列车广泛应用空气制动这一传统的摩擦制动方式。空气制动系统的动力源需要历经电流—空气压力能—机械摩擦的转换过程，存在电能转化为空气压力能这个中间环节，降低了能量利用率。空气制动系统的制动信号传输虽然是电气指令式，但产生制动力的信号也仍然要经历电—空气压力—机械作动的转变，响应速度和控制精度不高。随着地铁列车电气化的发展和电气电子技术的进步，将电能直接转化为机械驱动能、电信号直接转化为机械作动信号的电机械制动系统，已成为地铁列车的新一代制动系统。

关键词：地铁列车；电机械制动；系统

随着世界经济的快速发展，城市人口以及机动车数量急剧增加，城轨列车作为城市轨道交通中的重要载运工具，因其自身载运量大，速度快，零阻塞等诸多优点受到人们的青睐。大多数城轨列车采用的是电空制动，但电制动和空气制动两者特性上的固有差异，导致电空制动存在闸片磨损、乘坐舒适度稍差以及制动能量浪费等问题。地铁列车空气制动系统存在电能转化成空气压力能的中间环节，限制了制动响应速度和控制精度的进一步提高。

一、慨述

城轨列车的制动力通过轮轨之间的粘着产生，轮轨之间能够达到的最大制动力是轮轨之间最大粘着力，制动系统通常设有滑行保护功能以免超过最大黏着力发生滑行。列车在减速运行时，当列车的制动力逐接近轮轨问的最大粘着力时，若制动力继续增大将使车轮被闸瓦抱死发生滑行现象，列车的制动力将立即减小。因此，城轨列车需要保证较高的粘着系数来提供可靠的制动减速度。在列车的制动过程中车轮时有发生滑行现象，造成制动力减弱及轮对擦伤等情况，严重影响行车安全，因此车轮的防滑功能对城轨列车制动系统非常重要。电制动系统主要是依靠城轨列车的牵引系统，将制动过程中的动能转化为电能返回给直流母线。电制动过程中无闸瓦和轮对之间的机械摩损，具有控制精度高、制动平稳、响应速度快等优点。电制动系统也会受电网电压、电机电流等各种条件的制约，因而，目前主流的城轨列车在常用制动时通常采用两种方式相互配合，优先使用电制动进行能量回收再利用，当列车减速到一定范围时会引起电制动力不足，再由空气制动补充。随着科技的进步和设备的不断完善，空气制动将仅作为紧急制动和停放制动使用，在常用制动中所占比例会越来越小，列车制动系统逐渐过渡到常用制动全部采用电制动的模式。

二、地铁列车电机械制动系统方案

地铁制动源动力来自于空压机提供的空气压力能; 来自BECU( 制动电子控制装置) 的制动指令需要经过减压阀、中继阀等多个阀类部件，最终将制动压力传递至空气制动单元。电机械制动系统采用电机直接驱动闸片/闸瓦，利用闸片与制动盘或闸瓦与车轮踏面的摩擦而产生制动力。与空气制动相比，省去了电能转化为空气压力能的中间环节。其制动源动力来自于电能，BECU 发出的制动指令直接传递至每个电机械制动单元，可实现每个车轮的独立控制。

电机械制动系统适用于各型地铁列车，可满足不同轴重、不同运营速度列车的需求，对地铁列车电机械制动系统方案进行介绍。

1、电机械制动系统组成。地铁列车电机械制动系统采用微机控制方式，可实现动力制动与摩擦制动复合制动功能。电机械制动系统主要组成部件包括电机械制动控制装置和电机械夹钳单元，地铁列车上的电机械制动系统及其主要组成部件。电机械制动控制装置为系统的控制部件，电机械夹钳单元为摩擦制动的执行器，均采用电机驱动。所有电机械夹钳单元相互独立，制动控制装置可对每一个电机械夹钳单元进行独立控制，即制动力的控制实际上是轮控/盘控形式。根据具体应用中安装空间及安装位置的需要，制动控制装置可采用集中式或分布式设计。为便于电机械制动控制装置与夹钳单元间布线，制动系统采用分布式方式在转向架附近就近安装，可减少线缆长度，设置2 台电机械制动控制装置，分别为网关制动控制装置( GBCE) 和智能制动控制装置( SBCE) ，这两种装置均具有本转向架制动及防滑控制等功能。其中，具备网关功能的GBCE 还可通过MVB( 多功能车辆总线) 等方式与列车其他系统进行通信，具有制动力计算、分配、与电制动力混合作用等功能。此模式下每个制动控制装置控制4 套电机械夹钳单元。每辆车设置1套备用电池，电池管理模块集成于控制装置内部，当列车DC 110 V 控制电源失电时，自动切换为由备用电池供电，充分保证制动能力。

2、电机械制动系统的网络架构。电机械制动系统的网络架构可灵活配置，根据制动控制装置的选型和实际项目需要，可配置为无制动内网和有制动内网两种模式。其中，无制动内网模式下，每套控制装置均需配备列车网络接口，制动控制装置间通信通过列车网络实现;有制动内网模式下，根据冗余度等要求可以减少带列车网络接口的网关制动控制装置数量，以不带列车网络接口的智能制动控制装置代替，制动控制装置间通信通过制动内网实现。一般情况下，列车总线采用MVB 或以太网，制动系统内网采用CAN。其中，GBCE 是带MVB 接口的网络制动控制装置，SBCE 为本地制动控制装置，两者之间通过CAN 进行联系。全列车分2 个CAN 网段，每个网段包含3辆车的6 台制动控制装置节点。每个网段中部署2台GBCE，其中，1 台为主控，另外1 台为冗余。同时，各架制动控制装置均设有以太网接口，贯穿全列车组网，用于系统维护。

3、电机械制动系统功能。电机械制动系统可具备空气制动系统的所有功能，包括常用制动、紧急制动、保持制动、停放制动、制动隔离、载荷调整、冲动控制、滑行控制、预压力和电制动预衰减校正( 补偿) 、制动不缓解检测功能、制动力已施加状态检测功能、停放制动力已施加状态检测功能、自诊断功能、救援与回送、远程缓解( 选配) 、空压机启停控制、故障诊断，以及数据日志与数据的存储等。同时，由于电机械制动系统中电机械夹钳单元通过对电机的精确控制可实现闸片间隙智能调整，因而具备闸片/闸瓦磨耗的在线监测功能。这是电机械制动系统独有的特性之一。

4、电机械制动系统可靠性。电机械制动系统和空气制动系统在制动指令产生、指令传输和制动摩擦副这些环节上基本无差别，主要区别在于动力传递方式的不同。对于动力传递环节，电机械制动系统取消了大部分气路元件，并且制动缸组件采用更简单的机械传动结构，因此系统的零部件数量比空气制动系统更少。此外，空气制动系统包含较多气路元件，且气路元件通常比较容易出现故障。因此，电机械制动系统在零部件数量和动力传递可靠性方面比空气制动系统更具优势。另外，电机械制动系统的执行机构采用单元制动器形式，可独立接收制动控制信号以实现每个盘形制动单元的制动与缓解。理论上，当某一制动器发生故障时，对于列车而言仅损失了该单元制动器的摩擦制动力。对于空气制动系统而言，由于气路连通极易造成1 套制动装置发生故障，引起多套甚至一辆车的制动力损失。由此可见，电机械制动系统在提供制动力层面上具有更高的可靠性。

结论

1) 电机械制动系统采用电能直接驱动摩擦副，省去了空气制动系统将电能转化成压力空气能的中间环节，简化了系统结构，提高了系统可靠性。

2) 电机械制动系统可实现地铁列车的制动动力源、制动控制和制动执行的分布化、全电气化和高度智能化。

参考文献：

［1］ 赵雷延．地铁牵引电传动系统关键控制技术及性能优化研究[D]中国铁道出版社，2018．