低地板轻轨车辆制动技术分析

摘 要 介绍了 目前 国内外低地板轻轨车辆采用的制动技术,并阐述其工作原理和联合作用模式。具体说明了制动系统组成,以及采用的两级液压制动装置与比例控制液压制动装置。 分析 总结 了低地板轻轨车辆制动系统方案。

关键词 轻轨车辆,制动技术,液压制动装置

低地板轻轨车一般是指地板面距轨面高度为250～350ｍｍ的车辆,设多关节,能够通过小半径曲线(最小曲线半径可达16ｍ);由于其地板面低,便于旅客上下车,甚至可以不修站台,大大降低了系统的整体造价。低地板轻轨车虽然结构比较复杂,但与整个轨道 交通 投资降低相比,所增加费用是非常少的,可使轨道交通不仅在特大城市 发展 也能扩展到大中城市,以改变整个国家的城市交通发展格局。因此轻轨交通越来越受到各国重视。

第一代低地板轻轨车在中间部分设低地板进口,低地板大约占车长的10%～15%,后经改进可达到车长的50%。第一代低地板轻轨车采用常规高转向架,分段式低地板,车内需要台阶过渡;第二代低地板轻轨车其低地板约占整车的60%～70%,车内还需要台阶向高地板区过渡;第三代低地板轻轨车的动力转向架采用独立轮对,取消车轴,动力转向架上方的中间通道也可以做成低地板,从而实现车辆内100%低地板。低地板轻轨车的结构复杂性和交通适用性使其列车制动系统具有很明显的自身特点。

1 低地板轻轨车制动系统的特点 低地板轻轨车的常用制动系统一般有两种,即电制动与机械制动。优先采用无磨耗的电制动,而机械制动作为电制动的补充在低速时使车辆减速并制动。机械制动装置通常有两种作用方式:一种为电磁式,制动螺线管通过连杆将制动力传至轮对;一种为压缩空气作用式,即所谓“气制动”。电磁螺线管制动被欧洲的有轨电车大量采用,突出优点是在寒冷气候下无气制动所发生的冻管 问题 ,欧洲称之为电-机械制动。另外,车辆在车辆段或车场停放时还需要一套停放制动装置。上述制动装置的联合作用情况见图1。

随着低地板轻轨车的发展,车辆底部空间越来越小,电-机械制动与空气制动难以满足要求,为此新型的电液制动装置得以很快发展。

比较典型的是西门子公司为美国波特兰市制造的ＳＤ-600型70%低地板轻轨车制动系统,它由4种制动装置组成:①电制动(ＥＤ制动);②有源与无源制动(ＥＨ/ＡＰ制动);③有源电液制动(ＥＨ/Ａ制动);④磁轨制动(ＭＴ制动)。4种制动装置的联合作用模式见表1。轻轨车由3节车体组成,最高运行速度88ｋｍ/ｈ。两端为Ａ车与Ｂ车,装有动力转向架,每根轴上装一台交流牵引电动机和盘形制动装置。中间车体(Ｃ车)装有4个独立车轮组成的走行部分,每个外侧装一套盘形制动装置。Ａ车、Ｂ车与Ｃ车均装有磁轨制动器。

2 低地板轻轨车制动系统的结构组成

低地板轻轨车制动系统的结构组成包括控制系统和基础制动装置两部分。

2.1 低地板轻轨车制动系统实例介绍

1)9500型低地板轻轨车制动系统

日本熊本引进的Ａｄｔｒａｎｚ公司制造的2辆编组的9500型低地板轻轨车制动系统,其电制动为再生/电阻混合制动,机械制动为弹簧液压盘形制动,此外还附加磁轨制动。在660～720Ｖ网压范围内电制动为再生制动,超过720Ｖ转换成电阻制动。弹簧液压缓解盘形制动器的液压缸装在主电动机近旁,制动盘装在主电动机轴端,制动时弹簧压缩液压缸活塞,闸片夹紧制动盘;缓解时油压将液压缸活塞顶回,闸片松开。磁轨制动器装在转向架左右两边的主动轮与从动轮之间,由24Ｖ蓄电池供电。常用制动时,先用电制动将车速降至5ｋｍ/ｈ,再用弹簧制动器直至停车。紧急制动时,电制动器、弹簧制动器、磁轨制动器同时动作。制动系统组成见图2。

2)5000型低地板轻轨车制动系统

日本某公司与德国西门子公司制造的5000型100%低地板轻轨车的最高运行速度为60ｋｍ/ｈ(设计速度80ｋｍ/ｈ),系5辆固定编组,由5个车体和3个转向架构成。

制动系统采用再生制动优先的电气制动。速度在3ｋｍ/ｈ以下时,液压盘形制动产生作用直至停车。电磁吸着式磁轨制动作为安全制动,并带有停放制动功能。制动指令扩大器可将司机控制器发出的7段制动指令信号转变成模拟制动指令信号,制动控制装置(ＢＣＵ)接受制动指令后,对绞接车辆以转向架为单位、对非铰接车辆以车辆为单位进行制动控制,并根据指令通过主变换装置控制再生制动,并接受反馈信号进行空电运算。较早采用是开环方式的电空转换阀,现在采用的新型结构是压力传感器与两位三通电磁阀(或三位电磁阀)组合的闭环方式。

2个没有转向架的车体采用由前后有转向架的车体浮动吊装的连结结构,分为Ａ车和Ｂ车的驱动转向架,以及Ｅ车的拖车转向架3种。每个驱动转向架上装2台额定功率100ｋＷ的电动机,在牵引电动机上内藏盘形制动;驱动单元安装在转向架构架侧梁上,左右各1台,控制前后的独立车轮。为实现低地板化(地板距轨面高330ｍｍ,距站台高30～80ｍｍ),左右车轮没有车轴联结,而采用短小车轴的独立弹性车轮。拖车转向架采用所有轴都能制动的结构,各车轮上设置有盘形制动。

2.2 低地板轻轨车的基础制动装置

由于轻轨车的结构特点, 目前 在轻轨车上广泛采用的基础制动装置主要为转向架液力制动系统,将液力制动与弹簧储能制动相结合能很好地满足车辆制动的要求。根据制动要求分两级液压制动(ＥＨ/ＡＰ)和比例控制液压制动(ＥＨ/Ａ)。转向架液力制动装置均由压力产生单元与压力控制单元组成。两级液压制动系统其结构坚固、简单、可靠,并且不需要附加电信号装置。

两级液压制动设备原理见图3。在常用制动车辆低速运行、电制动减少机械制动接替时,用第1制动级施加制动,这时溢流阀⑥将阀④打开,压力经由阀⑥降至所调节的水平;在车辆停车状态,打开第二个控制阀④,压力全部解除并由弹簧力施加最大制动力。为减少冲动以保证舒适度,阀⑦用于对制动引起的减速度进行调节;在关闭阀④后,电液泵①实施制动缓解。弹簧储能器缓解后,泵被关断,压力通过止回阀⑤保持。

比例控制液压制动装置在制动过程中采用的机械制动是通过输入变化的电信号成比例调节输出压力。压力产生单元与压力调节单元的结构原理均与两级系统相对应,但压力调节单元功能不同。比例控制液压制动装置原理见图4。压力产生单元与连在蓄能器⑥上的电气压力开关11一起工作,由蓄能器经比例压力调节阀⑦无级调节所需要的制动缸压力。比例调节阀还可进行有效的防滑保护,当车轮有抱死危险时,可很快减少制动力。比例控制液压制动装置还可用于弹簧储能制动。

国内厂家也已生产多种低地板轻轨车。根据低地板所占比例(70%)和我国实际 应用 情况,基础制动采用空气制动作为电制动补充。比较典型的是大连 现代 轨道 交通 有限公司采用日本技术研制的ＤＬ6ＷＣ型轻轨电车,整个系统结构简单。其空气制动系统由螺杆式压缩机气源系统、空气制动控制系统和盘制动系统组成。空气制动系统采用7级控制阀,控制中继阀输出7档制动压力,使司机能够在驾驶时根据不同的情况采取不同的制动措施。空重车调节阀可根据乘客的数量自动调节制动力的大小,保持制动系统制动减速度恒定。由于在轻轨电车上使用了电阻制动,在其空气制动回路上加入一个控导阀(线性的控制阀),将电阻制动力的电信号,转换成气压控制信号,控制中继阀相应减少输出压力,以达到空气制动补偿电阻制动的不足。

由于转向架结构关系,动力转向架每轴一般只装一个制动盘,单元制动缸和夹钳安装在构架前后两端横梁上;而非动力转向架大多为轴桥式独立车轮结构,每轴两盘式制动器安装在车轮外侧。

3 结语

根据 分析 ,可提出低地板轻轨车制动系统的设计方案如下:

1)低地板轻轨车制动系统一般采用电空制动系统,制动控制装置(ＢＣＵ)接受制动指令后,对绞接车辆以转向架为单位、对非铰接车辆以车辆为单位进行制动控制。电制动优先,一般在车速为3～8ｋｍ/ｈ时施加机械制动作为补充。

2)为适应轻轨车的结构要求,100%低地板轻轨车应采用电液制动装置;而70%低地板轻轨车可采用空气制动装置。因多数采用弹性车轮故其安装位置较困难。

3)为保证地面行车安全,设置磁轨制动。紧急制动工况时电制动、机械制动与磁轨制动同时起作用,紧急制动减速度可达2.5ｍ/ｓ2。

4)停放制动须满足空车在35‰以上坡道上的停车要求。电液制动装置停放制动作为最大常用制动力。

同济大学铁道与城市轨道交通 研究 院在研制电空制动系统、电磁制动装置、单元制动及停放制动装置以及液压制动技术方面都进行了较深入的研究和应用。其中电磁制动技术研究已获得铁道部部级奖,这也为低地板轻轨车制动装置的研制做了必要的准备。

参考 文献 [2] ＰＯＬＬＡＣＫＭ.低地板轻轨车在北美应用的可行性[Ｊ].电力牵引快报,1996

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