上海中低速磁浮列车制动系统与供风系统

文/曾宪华 上海轨道交通设备发展有限公司 （200233）

曾宪华(1979年~ )，男，硕士。2005年毕业于同济大学铁道与城市轨道交通研究院，获得车辆工程硕士学位。现为上海轨道交通设备发展有限公司磁浮开发部高级设计师，主要从事中低速磁浮车辆的开发工作。

一、引言

上海中低速磁浮列车由上海电气（集团）总公司和上海磁浮工程技术中心联合开发，具有自主知识产权。低速磁浮列车具有噪声低、转弯半径小、爬坡能力强等优点，适用于城市内部、近郊和旅游景区的交通运输，与地铁、轻轨配合，能构成合理的城市轨道交通体系。

列车制动系统和供风系统根据中低速磁浮车辆制动能力及救援支撑能力要求高、车下空间狭小的特点，并结合了压缩空气清洁无污染、液压压力高的优点，采用控制及原动力为气压、执行部分为液压的方式。三辆车空气管路系统配置相同,车辆之间采用软管将列车主风连通。

根据《中低速磁浮交通车辆通用技术条件（送审稿）》的划分，将与压缩空气相关的设备分成制动系统和供风系统，制动系统仅包括发挥制动功能的装置，如制动控制系统和基础制动装置；将除制动系统以外的其他用风设备统统归于供风系统，如风源、空气悬挂、救援支撑装置及管路等。

表1 系统基本参数

二、制动系统

制动系统负责列车调速与安全停车，制动方式有常用制动、快速制动和紧急制动，紧急制动独立于常用制动和快速制动，为纯空气制动。系统由制动控制系统和基础制动装置组成，制动控制系统采用微机控制的模拟式直通电空制动系统，由MBCU（微机制动控制单元）和PBCU1（气制动控制单元）组成；基础制动装置采用气-液转换增压驱动模式，由增压缸和制动夹钳组成。

1.制动控制系统

制动控制系统负责将列车的制动指令，转化成列车制动需要输出的气压信号。如图1所示，接收信号有列车线信号，来自CCU（列车控制单元）的网络信号和来自DCU（牵引控制单元）的信号；输出气压信号到制动隔离阀。

(1) MBCU

MBCU采用标准机箱，由电源、CPU、EP控制、I/O等模块组成，安装在车厢内的电器柜中。MBCU将制动指令转换成列车制动所需的电信号，此外负责制动系统、供风系统与列车通讯，具体功能如下：

①根据列车速度、车重和制动指令计算所需的制动力。

②按照优先、充分发挥动力制动能力的原则，进行动力制动与空气制动的配合控制。

③进行防冲动控制，通过控制动力制动与空气制动间的平滑过渡及减速度的变化率，提高乘坐舒适性。

④负责空压机的部分功能控制与故障检测。

⑤信息检测与报告。检测制动系统和供风系统状态，自动记录故障并显示有关信息，及时向CCU（列车控制单元）发送信息，并能够接受CCU的信息与指令。

(2) PBCU1

PBCU1是一块集成气路屏，是将制动力的电信号转化成气压信号来控制气压原动力的装置。如图2和图3所示，PBCU1由制动电磁阀、缓解电磁阀、紧急电磁阀、均压阀、空重车阀、中继阀、压力开关、压力传感器、测试接口等组成。

制动时，PBCU1根据MBCU发来的电信号，驱动制动电磁阀和缓解电磁阀动作，将来自制动风缸的空气压力转换成与制动指令相对应的预控制压力，预控制压力通过紧急阀、空重车阀到达中继阀，打开中继阀中制动风缸与制动缸（增压缸）的通路，最后使制动缸（增压缸）获得要求的空气压力。

紧急制动时，来自制动风缸的压缩空气经过紧急电磁阀，到达空重车阀，经过空重车阀的调整，根据车辆载荷形成预控制压力，最后使制动缸（增压缸）获得要求的空气压力。

缓解时，MBCU发出缓解指令，PBCU1中的缓解电磁阀打开，将预控制压力排向大气，中继阀中切断制动风缸通向制动缸（增压缸）的通路，打开制动缸（增压缸）通向大气的通路，制动缸（增压缸）排气。

图2 PBCU1气路原理

均压阀将两路来自空气弹簧的压力信号进行平均后，一方面，由压力传感器将信号传给MBCU，在常用制动时用于车辆载荷计算；另一方面，在紧急制动时用于控制经过空重车阀形成的预控制压力与车辆载荷相对应。

图3 PBCU1和PBCU2

2.基础制动装置

基础制动装置由增压缸（气液转换器）和制动夹钳组成。一个增压缸驱动一副制动夹钳。每个悬浮模块配置一套基础制动装置，增压缸安装于悬浮架纵梁侧面的安装板上，制动夹钳安装于电磁铁外侧极板的中间。每辆车中间的三个悬浮架左右两个悬浮模块各安装一套基础制动装置，共6套。头尾悬浮架的悬浮模块已设置了安装接口，可根据制动力需求调整配置数量。

如图4和图5所示，该制动夹钳属于浮动式夹钳。制动时，增压缸压力升高，驱动夹钳主动侧内的油缸建立液压，活塞推出，驱动该侧闸片压向F轨外侧；当外侧闸片接触F轨后，随着活塞继续推出，夹钳主动侧整体向外移动，继而克服夹钳被动侧复位弹簧的压力，将其拉向F轨，直至内侧闸片贴靠F轨，并最终形成压力。这样，在闸片和F轨之间产生摩擦力，该摩擦力由与闸片相连的制动拉杆传递到悬浮架上，再通过牵引拉杆传递到车体，形成列车的制动力。缓解时，增压缸内压力排掉，夹钳主动侧的活塞复位，该侧闸片脱离F轨，与此同时，夹钳被动侧的复位弹簧开始伸长，使夹钳被动侧闸片首先离开F轨，最后，两侧复位弹簧达到力的平衡，制动夹钳实现完全缓解。

由于低速磁浮车辆运行中，电磁铁与F轨之间的距离在一定范围内浮动，而制动夹钳安装在电磁铁上。在制动时，安装在电磁铁上的制动夹钳与F轨的相对高度也有不断变化的趋势，而制动夹钳的结构设计不适合克服很大垂向摩擦力。因此，采用腰形弹簧来补偿电磁铁的垂向运动，而保持制动夹钳与F轨的垂向相对位置。而垂向止挡用来防止电磁铁与F轨之间距离变化过大，从而保护腰形弹簧免受过渡拉伸。

图5 制动夹钳

F轨的材质选用优质桥梁钢，热轧成型，与闸片的摩擦面属于非加工面。制动闸片采用铜基粉末冶金材料。

三、供风系统

供风系统负责列车的供风、救援支撑、空簧充排气等功能，由供风模块、PBCU2（气路控制单元）、救援支撑装置、空簧排风装置等组成。

1.供风模块

为满足中低速磁浮列车低噪声要求，该系统采用了具有噪声低特点的压缩机。为工程化应用积累经验，选用了两种空气压缩机，且参数略有不同。一种是涡旋式空气压缩机，另一种是滑片式空气压缩机，见图6。两种空压机的参数见表2。

表2 空气压缩机参数

由于车下空间狭小，采用一般的双塔干燥器不能满足安装空间尺寸需求。故空气处理采用两个通用过滤器和排水电磁阀强排，去除压缩空气中的水分，再通过一个除油过滤器去除空气中的油分。因为采用的空气压缩机的排气质量较好，经后冷却器的出口温度不高，只比环境温度高3～5℃，在出口处用过滤器通过电磁阀每隔一段时间强制排水，再用一个除油过滤器自动排除残油，能够达到使用要求。

2.PBCU2

PBCU2负责列车除制动系统外压缩空气的分配，将传统的管式器件更换成板式器件，都集成在一块气路板上，此模块化设计、方便维修。PBCU2由过滤器、单向阀、板阀、调压阀、电磁阀、压力开关、压力传感器、测试接口等组成。在对来自主风管或者地面风源的压缩空气进行分配之前，对压缩空气进行二次过滤，以更好的保证各用风系统的风源质量（图7）。

图6 滑片式和涡旋式空压机

图7 PBCU2气路原理

PBCU2将自主风管或者地面风源的压缩空气分配到主风缸、制动风缸、空簧风缸和救援支撑风缸，并且用风过程中，主风缸向其他3个风缸及时补给；同时，PBCU2将悬挂风缸的压缩空气分配到各高度阀；将救援支撑风缸的压缩空气分配到电磁阀，电磁阀根据列车指令给救援支撑增压缸充风或排风。

3.救援支撑装置

该装置由“增压缸＋支撑油缸＋支撑轮”组成，增压缸将来自PBCU2中电磁阀的气压转换成液压，并按一定比例提高，实现增压，进而驱动支撑油缸；支撑油缸在液压驱动下，将支撑轮顶出，使列车支撑滑橇离开F轨，列车依靠救援支撑装置支撑，在牵引力的驱动下，低速运行，实现紧急情况下的救援。

一个悬浮模块配置一套救援支撑装置，包括：1个增压缸、4个支撑油缸、4个支撑轮，一辆车配置10套救援支撑装置。增压缸安装于悬浮架纵梁侧面的安装板上，支撑油缸和支撑轮安装于抗侧滚片梁安装座内。

考虑经过轨缝时，有些支撑轮悬空，因此救援支撑的压力已设置了安全余量来应对此工况。

4.空簧排风装置

空簧排风装置位于高度阀与空气弹簧之间，该装置根据悬浮系统的指令将相应空气弹簧的压缩空气排光。这样，在悬浮失效时，该点支撑滑橇与轨道接触，只承担该行走机构自身部分重量，而不承担车体载荷，以避免悬浮失效时该点支撑滑橇与F轨之间过大的压力，减少列车运行阻力和支撑滑橇的磨耗。

该排风装置由20个两位三通电磁阀构成，每个电磁阀对应一个空气弹簧，20个电磁阀分装在4个盒子内，每个盒子对应一个高度阀，因此车辆采用4点支撑，并在左右两侧空簧之间设置压差阀。

5.其他

列车的管路采用不锈钢薄壁钢管，接头选用防松性能良好的卡套式接头。

气路中关键处采用了带电触点的塞门，以便于随时监测塞门所处的开关位置，便于排除误操作；增压缸内设置了行程开关，随时检测油量，以便及时补油，方便设备维护。

四、国内外技术水平和发展现状

中低速磁浮发展较快的有日本、韩国，在国内进行中低速磁浮开发的主要有两个联合体，一个由上海电气（集团）总公司—上海磁浮工程技术中心－西南交通大学组成，另外一个由北京控股集团有限公司－唐山车辆厂－国防科技大学组成。日本的车辆最成熟，已于2005年爱知世博会时投入商业运营；韩国计划2012年开通商业运行线——仁川机场线；国内两个联合体的工程化样车在2008年先后达到试验速度100km/h，证明已经基本掌握了中低速磁浮交通系统技术，但距离商用还有一些距离。至于制动系统和供风系统，日本和韩国的车辆采用的是液压制动系统，供风系统只给空气弹簧供风，列车上不设气液转换增压装置。国内两个联合体采用相同的设计理念，都是微机控制模拟式直通电空制动控制系统加气液转换增压的模式，后一联合体车辆的制动系统和供风系统由几家厂商共同承担，而本车制动系统和供风系统由上海庞丰机电科技有限公司独立研制，并特别使用了具有低噪声特点的空气压缩机，突出了中低速磁浮车辆低噪声的优点；另外，本车制动控制系统还于2009年装车于上海地铁1号线增扩编列车，现已投入正式载客运营，性能达到了1号线进口车辆的水平。

五、小结

上海中低速磁浮列车的制动系统和供风系统设计符合中低速磁浮交通系统的特性，自2007年装车运用以来，试验结果符合设计指标，性能稳定，基本满足工程化要求。建议在现有基础上进一步完善，以全面满足可靠性、可用性、可维护性和安全性（RAMS）的要求。