低地板有轨电车_制动系统技术现状

1、低地板有轨电车制动系统技术现状赵春光韩晓辉樊贵新王新海王正杰齐政亮1低地板有轨电车概述城市的快速发展带来了诸如拥 堵、污染等问题，也带来了中心城 和卫星城之间、城市和郊区之间更 紧密的联系。更加环保、舒适、便 捷的低地板有轨电车应运而生，满 足了人们绿色、便捷出行的需要， 成为了城市交通网络系统中重要的 一个组成部分。我国从2000年以后，城市轨道 交通事业蓬勃发展，自2012年以来， 各地开始纷纷规划有轨电车项目，如 苏州、佛山、南京、武汉、成都、广 州、深圳等城市。长春、大连、沈阳 等城市已经开始有轨电车运营。低地板有轨电车由于车门入口 面积大、地板离地面近，乘客乘降 非常方便，尤其可以使

2、一些特殊乘 客更加方便地享受公共交通；低地 板有轨电车可采用模块化设计，通 过增加或减少车厢数量来适应不同摘要：介绍低地板有轨电车制动系统的技术现状，从系统组成、原理以及典型功能等方面进行了阐述。在今后的发展过程中，电液制动系统将会成为低地板有轨电车制动系统的主要形式。小型化、轻量 化、模块化是低地板有轨电车制动系统的发展趋势。 关键词：低地板有轨电车；制动系统；液压制动；磁轨制动中图分类号：U482.1U260.35的运量需求；低地板有轨电车采用 电力驱动，没有尾气污染和发动机 噪声，清洁环保，符合绿色出行的 理念；低地板有轨电车并不只能在 市区运行，更多地是沟通新区与市区 或联络中心城与卫

3、星城之间的运输系 统，可以发挥交通运输系统更大的作 用，提高整个运输系统的效率。低地板技术主要依靠缩小轮径 和改变车轴的方式实现。第 1 代低地板技术采用传统的 转向架形式。车厢内地板在转向架区域采 用高地板，其余部分 采用低地板。这样的 方式最多可以实现 约50%的低地板面积（图1）。由于车厢 内存在台阶，乘客流 动不便。第2代低地板车 在拖车转向架上采用了独立轮结构，使得整个车内低地 板的面积增多。但是在动车转向架 上仍然采用轮对结构，这样的配置 使得低地板面积可以扩大至约70%（图2）。随着技术的进步，牵引电机直 驱的动车独立轮技术成熟，导致第3 代100%低地板车的出现。轮对上面 高出

4、的部分用座位覆盖，使得整车全 部低地板（图3），乘客畅通无阻。低地板技术的不断进步导致对 于地板以下转向架部分的空间有着 越来越严格的要求。为了满足这个 要求，低地板有轨电车制动系统也 在不断探索、进步。2 低地板有轨电车制动系统低地板有轨电车制动系统的发图1 第1代低地板模型图2 第2代低地板模型图3 第3代低地板模型赵春光：中国铁道科学研究院机车车辆研究所，助理研究员，北京 10008142MODERN URBAN TRANSIT 1 / 2014 现代城市轨道交通 展伴随着低地板车的发展，在不断 适应整车的要求。现有低地板有轨 电车主要采用电制动+机械制动的方 式。常用制动时优先采用电制

5、动模 式，在电制动力不足时启动机械制 动方式进行补充。与传统地铁车辆 制动系统相比，低地板有轨电车制 动系统有着自己的特点。（ 1 ） 紧急制动减速度更大。 由于低地板有轨电车在城市中运行 有时会与其他社会车辆共用路权。 因此，要求其具有较大的紧急减速 度，以保证紧急情况能够及时停 车。由于轮轨黏着的制约限制了车 辆的最高减速度，因此，在低地板 有轨电车制动系统中引入磁轨制 动，利用电磁力提供磁轨与轨道之 间的压力。这种方式一般可以额外 提供一部分减速度，使得整车减速 度可以达到3 m/s。（2）高度的模块化、小型化设 计。受到车辆各系统安装空间的限 制，各系统，包括制动系统，都要 向着高度模

6、块化、小型化发展。需 要尽可能减少所占空间，简化与转 向架的接口。提高维护简便性。在低地板有轨电车机械制动系统发展进程中，伴随着市场需求和工 业技术的促进和推动，产生了空气制 动、液压制动、磁轨制动等适用于低 地板有轨电车的机械制动系统。3 空气制动方式低地板有轨电车的空气制动方 式与传统的直通空气制动方式原理 一致。都是依靠压缩机把压缩空气 储存于风缸之内。通过电气信号控 制输出一定压力的空气给制动器， 最终依靠闸片和制动盘这一对摩擦 副实现空气制动。对于低地板有轨电车空气制动 系统，需要系统中各个组成部分尽 可能小型化，或者把控制装置等模 块安装在车上，以配合转向架非常 小的空间。对于夹钳

7、单元等基础制动部 件，通过改变安装方式、缩小闸片 托尺寸等方法尽量避开转向架上其 他部件，以满足小型化要求。空气制动方式可以在第1代低地板 有轨电车上运用。也有部分第2代70% 低地板有轨电车使用。然而目前的空 气制动系统由于体积较大，较难适用 于70%和100%的低地板有轨电车。如果未来随着空气制动技术的 突破，各部件体积明显减小，空气 制动系统也可能在低地板有轨电车 上广泛应用。4液压制动方式由于液体介质可以比较安全 地达到较高压力，也就是说可以在 输出同等制动力的前提下具有较小 的体积，因此，液压制动系统非常 符合低地板有轨电车的要求。近年 来，尤其是在70%和100%低地板有 轨电车上

8、得以广泛应用。图4是一个典型的100%低地板有 轨电车液压制动系统。该系统接收 列车控制单元的指令，通过系统中 的制动控制单元把制动指令分别传 达给各车的液压制动单元，再由液 压制动单元输出合理的液压压力给 基础制动装置，完成制动动作。其 构成如下。4.1 动车液压制动单元动车液压制动单元负责动车上 的制动指令到输出液压之间关系的 转换，用以控制被动型液压夹钳单 元的输出力，从而实现各种制动、 缓解以及信号反馈等功能。动车液磁轨磁轨主动夹钳单元蓄能器速度传感器电机电机液压制 动单元液压制 动单元液压制 动单元蓄能器手动泵制动盘电机 被动夹钳单元手动泵蓄能器电机制动盘磁轨磁轨制动控制单元BCU阀

9、控制板阀控制板液压管 手动缓解管 电气连接线列车控制单元图4 低地板有轨电车液压制动系统现代有轨电车低地板有轨电车制动系统技术现状 赵春光等图5 动车液压制动单元排空，以保证维护者安全。4.1.2 压力调整及输出压力调整及输出包括2位2通电 磁阀V1、比例阀V2、过滤器、压力 传感器S2等。接到制动指令时，电磁阀V1失 电，比例阀V2根据输入电流调整输 出压力，压力传感器S2对输出压力 进行监控，反馈给控制装置。当缓解时，比例阀V2失电，不 向外输出压力，同时V1得电，防止 泄露过多引起蓄能器压降过快。过滤器防止外界污染制动单元。4.2 拖车液压制动单元拖车液压制动单元负责把拖车 得到的制动指

10、令转换成液压输出，压制动单元包括压力产生部分和压 力控制部分2个主要模块（图5）。 4.1.1 压力建立及储存压力建立模块包括电机、液压 泵、过滤器、溢流阀、单向阀、压 力传感器S1、蓄能器、测点。电机带动齿轮泵将液压油建立 起压力并通过过滤器把高压液压油 从单向阀输送到蓄能器。在压力建 立过程中，传感器S1负责监控压力 的变化，当系统压力到达120 b a r时 关闭电机；随着系统工作，蓄能器 压力下降，到达90 bar时，电机重新 开启，为系统建立压力。系统压力 从0到120 b a r建立时间在30 s内，其 中从90 bar到120 bar约在12 s之内。 单向阀确保压力油只可以从泵

11、向外输出。当传感器发生故障或其 他原因造成系统压力到达120 b a r 后还不停止，溢流阀会启动，溢流 压力设为140 b a r，以防止蓄能器 损坏。在电机工作时，温度计会监 控系统温度， 若温度过高( 初设 60)，会停止电机工作，以防止电机损坏或温度过高带来的其他危险。 建立起来压力的液压油储存在蓄能器中，隔膜式蓄能器预充氮气 压力为80 bar，容积1.4 L或2.8 L。 约可以提供715次制动动作。图6 拖车液压制动单元蓄能器管路的测点可以监控蓄 能器里的油液压力。手动卸荷阀用 于在进行系统维护时对蓄能器进行用以控制主动型制动夹钳单元，并 完成防滑控制指令以及反馈各种相 关信号。

12、拖车液压制动单元包括压 力产生部分和压力控制部分2个主要 模块（图6）。4.2.1 压力建立及储存拖车液压制动单元的压力建立 及储存方式与动车的一致。4.2.2 压力调整及输出车辆正常运行时，电磁阀V4得 电，保持比例阀与输出口联通。比 例阀V2依照输入电流，调整并输出 压力，保持弹簧式被动制动夹钳处 于缓解状态。在缓解时电磁阀V1保 持得电状态，切断比例阀V2的泄油 通道，减少比例阀V2漏泄。当接到控制模块制动指令时， V4得电，V2依据输入电流改变输 出压力，V1失电保证比例阀泄油畅 通，从而使得弹簧停放缸按照要求 输出制动力。当安全环路被切断时，V4失 电，切换至紧急制动模式。电磁阀 V

13、5保持得电状态。压力油从V4经过 溢流阀2排出，从而把弹簧制动夹钳 压力按要求施加。当列车停稳，需要施加停放制 动时，V4、V5同时失电，压力油经 过V5完全排出，从而使得弹簧制动 夹钳的力全部施加。在整个制动过程中传感器S2负责 监控输出压力并反馈给控制系统。 4.3 制动盘、闸片液压制动用制动夹钳单元的制 动盘和闸片分拖车和动车用2种。对于拖车，制动盘装在车轮或 车轴上。对于动车，制动盘可装在车轮 或车轴上，也可以装在电机轴和车 轮之间的环节。低地板有轨电车制动盘直径350400 m m，摩擦副摩擦系数约0.35（与地铁车制动盘相同）。4.4 制动夹钳单元制动夹钳单元有主动和被动 2 种形

14、式。主动夹钳单元（图7）是在 液压作用下制动，液压消失缓解。蓄能器液压单元图7 主动制动夹钳单元蓄能器液压单元图8 被动制动夹钳单元储能装置，当液压消失时制动力最 大，反之制动力减小，直至缓解。 4.5 速度传感器速度传感器用来监控拖车每个 车轮。拖车每个车轮配备1个双通道 速度传感器，分别给制动控制单元（BCU）和中央控制单元（CCU）或 牵引控制单（TCU）传送速度信号。 4.6 制动控制单元和阀控制板制动控制单元和阀控制板都是制动系统的控制部分，负责依据不 同工况需求发出制动指令并完成制动 系统状态反馈收集。同时还监控系统 运行温度并完成防滑控制功能。5 磁轨制动装置由于低地板有轨电车有

15、时需要 与城市路面车辆共享路权，因此， 较地铁车辆需要具备更高的减速 度，以应对可能出现的紧急情况。 这要求低地板有轨电车需要具备有 不依赖轮轨黏着的磁轨制动装置。磁轨制动装置的主要工作原 理是利用电磁体的吸力，使制动电 磁铁与钢轨接触并产生正压力，列 车运行时便会与钢轨作用产生摩擦 力，达到制动减速的目的。如图 9 所示， 电磁线圈是磁轨 制动装置的重要部分，当线圈加电 时，磁场生成。摩擦体与钢轨是磁 体系统的2个磁极，二者之间有气 隙，阻隔磁路。磁轨制动装置通过弹簧悬挂装 置可与钢轨顶面保持一定距离，当 线圈通电时，磁轨制动装置就会通 过自身的磁力被钢轨吸住，并通过 钢轨与摩擦体构成闭合磁

16、路，则钢 轨与摩擦体之间产生较大的吸力， 相对运动时就会产生摩擦制动力。电缆防护层线圈导向框铁芯气隙7 mm磁路摩擦体隔磁板钢轨工作状态通电起始状态未工作状态被动制动夹钳单元（图8）依靠弹簧图9 磁轨制动原理图现代有轨电车低地板有轨电车制动系统技术现状 赵春光等制动力大小由电磁吸力和摩擦系数 确定。磁轨制动装置的制动力传输 至转向架，并通过构架传至车辆。 磁轨制动装置用弹簧悬挂在转向架 上，不会增加额外的簧下质量。线 圈断电后，磁轨制动器通过弹簧力 或气缸压力与钢轨分离，并使其回 到初始位置。这种非黏着制动具有以下特点。 (1）一般只在特殊情况使用，减轻制动盘的热负荷，并有效缩短 制动距离。(

17、2）使用时由于钢轨和电磁铁 之间相对摩擦，起到了一定清洁钢 轨的作用。而其使用频率并不高， 所以，不会对钢轨造成损害。6低地板有轨电车制动系统基 本功能低地板车制动系统的功能依据 不同的车辆使用要求而异，主要有 以下几种典型的功能。6.1 常用制动功能常用制动采用电制动+液压制动 的方式。Technical Situation of Low-Floor Tram Braking SystemZhao Chunguang, Han Xiaohui, Fan Guixin, et al.Abstract: The paper describes current technical situatio

18、n of low-floor tram braking system, and makes introduction from the aspects of the system composition, theory and typical functions. In the future course of development, the electro-hydraulic braking system will become the main type of low-floor tram braking system. Small in size, light in weight an

19、d modular design are development trend for low-floor tram braking system.Keywords: low-floor tram, braking system, hydraulic brake, magneticrail brake(1）通过速度信号、载重信号 以及所需的减速度，由CCU或TCU 计算出需要的制动力。并结合可用 电制动能力计算出液压制动需要提 供的制动力。(2）依据拖车先补液压制动的 原则，由CCU或TCU对制动力进行 分配。拖车上进行防滑控制。(3）当拖车液压制动力不够 时，依据需求由动车进行液压制动 力补充。6.2 最大常用制动最大常用制动采用电制动+磁轨 制动+拖车液压制动的方式。最大常用制动过程中实施防滑控制。通过速度信号、载重信号以及 所需的减速度，由C C