城市轨道交通制动系统技术发展趋势

■ 王新海 韩晓辉 宫明兴 焦标强

城市轨道交通制动系统技术发展趋势

■ 王新海 韩晓辉 宫明兴 焦标强

介绍城市轨道交通车辆制动系统近年来的研究热点和技术发展趋势。这些热点既是车辆运用提出的新要求，也是技术进步的必然结果。具体包括无油空气压缩技术、铝合金材料盘形制动技术和新型架控制动控制技术。无油空气压缩技术可以省去空压机内的油路，减少润滑油对下游后处理设备、甚至是制动管路的不利影响，降低运用成本；铝合金材料制动盘有利于减少簧下质量、提高有效载荷，减少对轨道的动力作用；新型架控制动系统进一步突出了空气制动控制、防滑控制等车辆本地执行功能和制动力管理与分配、空压机管理等列车层面的功能，系统层次更加清晰、合理。

无油空气压缩技术；铝合金制动盘；新型架控制动系统；制动系统；城市轨道交通

1 无油活塞空气压缩技术

1.1 背景

随着铁路行业对用气质量的提高，要求压缩气体的无油无水程度也在不断提升，无油空压机正在快速的发展过程中。铁路行业国内外空压机生产厂家也在不断开展对无油空压机的深入研究与开发工作。截至目前，部分无油空压机逐渐在全球投入运行。虽然目前无油空压机在铁路行业的应用还很有限，但是凭借无油的突出特点，有望在将来的铁路市场占据一席之地。

无油空压机按压缩方式主要分为往复式和回转式。往复式主要包含活塞空压机，回转式主要包含螺杆空压机和涡旋空压机。无油活塞空压机又分为半无油活塞空压机和全无油活塞空压机。无油螺杆空压机按润滑方式分为水润滑和干式两种。

铁路行业目前主要采用活塞空压机和螺杆空压机两种形式。螺杆压缩机适用于低压、中小流量范围。活塞压缩机适用于高压、中小流量场合及较小排气量的各种压力范围。水润滑无油螺杆空压机对环境要求苛刻且结构复杂，不适用于铁路领域；干式无油螺杆空压机排量在3 m3/min以上，小排量无法满足出口压力要求，也不适用于铁路应用。铁路行业对于车辆空压机主要有如下特殊要求：耐用、抗冲击，耐污，耐温，低噪声，低振动，易维护，低生命周期成本。针对铁路应用领域，全无油活塞空压机是理想的解决方案。

1.2 活塞空压机工作原理

当活塞空压机的曲轴旋转时，通过连杆的传动，活塞便做往复运动，由气缸内壁、气缸盖和活塞顶面所构成的工作容积则会发生周期性变化。活塞空压机活塞从气缸盖处开始运动时，气缸内的工作容积逐渐增大，这时，气体即沿着进气管推开进气阀进入气缸，直到工作容积变到最大时为止，进气阀关闭；活塞空压机活塞反向运动时，气缸内工作容积缩小，气体压力升高，当气缸内压力达到并略高于排气压力时，排气阀打开，气体排出气缸，直到活塞运动到极限位置为止，排气阀关闭。当活塞空压机活塞再次反向运动时，上述过程重复出现。总之，活塞空压机的曲轴旋转一周，活塞往复一次，气缸内相继实现进气、压缩、排气的过程，即完成一个工作循环。

1.3 全无油活塞空压机特殊结构

全无油活塞空压机与油润滑活塞空压机原理基本相同，主要区别在于改用密封材料自润滑代替润滑油润滑。

（1）气缸：气缸由铝合金制成，其内表面经过特殊处理，以保证更小的摩擦和更长的使用寿命。

（2）活塞：由铝合金制成，每个活塞上装有密封环及导向环，密封环及导向环均采用先进的自润滑材料制成，以保证更小的摩擦和更长的使用寿命。

（3）连杆：活塞与连杆之间通过特殊的销连接，其配备了全封闭免维护轴承，同时在设计中避免了轴承的超温使用。每个连杆与曲轴之间也均使用了全封闭免维护轴承。

（4）气阀：用长寿命阀保证空压机在铁路行业的特殊使用要求。

1.4 全无油活塞空压机优缺点

优点：（1）更加洁净的压缩空气输出，空压机所输出的压缩空气中仅含有极少量的固体污染物及冷凝后的液态水，空压机下游所设置的净化处理单元可有效将其去除，完全没有液态润滑油或油蒸汽，不会造成下游管路污染；（2）适用压力范围广，不论流量大小，均能达到所需压力；（3）热效率高，单位耗电量少；（4）适应性强，即排气范围较广，且不受压力高低影响，能适应较广阔的压力范围；（5）减少了维护成本，日常维护检修工作更少，有效降低材料及人工成本；（6）低寿命周期成本，没有润滑油的输出，净化处理单元中的过滤部件负担将明显减轻，过滤滤芯的维护更换周期可明显延长；（7）没有润滑油，有效解决了低温启动问题；（8）没有润滑油，降低了对机组运转率的要求。

缺点：（1）排气不连续，有气流脉动；（2）运转时有较大振动。

2 铝合金制动盘技术

颗粒增强铝基复合材料制动盘简称铝合金制动盘，轨道交通车辆采用铝合金制动盘具有如下优点：

（1）铝合金制动盘质量轻，密度小于铸铁和铸钢材料，采用铝合金制动盘可降低城轨车辆质量，特别是簧下质量，车辆簧下质量减小还可达到减轻车辆振动、降低噪声、提高乘坐舒适度、降低轨道振动及对线路周边环境不良影响等效果。车辆质量减轻后，其运行过程的能量消耗必然降低，因此车辆的节能环保指标会大大提高。

（2）铝基复合材料具有导热性好、耐磨性好、摩擦系数稳定等优点，采用铝基复合材料制动盘替代传统钢铁材料制动盘，不仅可以显著减少制动盘质量，还可以延长使用寿命、减少运用成本、提高安全可靠性。良好的导热性使得铝合金制动盘更能适应频繁制动所带来的制动热负荷变化，其产生热疲劳裂纹的概率大大降低。

美国Duralcan公司已生产出性能优良的SiC/Al356复合材料，并已投放市场，但利用这种工艺方法制备铝基复合材料需要价格较为昂贵的真空设备。美国Ford公司、日本Toyata公司均已将SiC颗粒增强Al基复合材料应用到轿车制动盘上，并进行了大量检测试验。Wabco BSI公司采用轻合金制作铁路制动装置，每个制动盘从球铁的115 kg减轻到Al-MMC盘的65 kg，每轴可达到减轻质量200 kg。德国ICE-1线路上的高速列车也采用了铝基复合材料制动盘进行了模拟制动试验，效果良好。

我国自20世纪90年代开始，部分高校及科研院所就已开展过铝基复合材料制动盘的研制工作（粉末冶金法、搅拌铸造法、喷溅法等），但由于研制难度较大，制造工艺复杂，其研制成果大多集中在实验室样件试制方面，尚不具备批量化生产成熟产品的能力。

北京纵横机电技术开发公司在充分调研国内外铝基复合材料制动盘生产制造技术基础上，综合国内铝基复合材料行业的技术能力，提出了独特的制造工艺，经过多年经验摸索和技术积累，目前已掌握了铝基复合材料制动盘的批量生产工艺；铝合金制动盘摩擦副顺利完成了1∶1制动动力实验及相关疲劳实验，所生产的铝合金制动盘各项性能指标均优于国外同类产品。

3 模块化的新型架控制动系统

3.1 EP09架控制动系统典型架构

EP09架控制动系统典型架构见图1。主要具有如下特点：（1）基于CAN总线的分布式控制系统，每个制动控制单元（EP09/G、EP09/S）通过CAN总线组成一个网络控制单元；（2）EP09/S控制单元具有本地（本架）电空制动和防滑控制功能，EP09/S控制单元只有紧急制动等基本的I/O接口，需要从CAN总线接收常用制动控制命令；（3）EP09/G控制单元除了具有本地（本架）电空制动和防滑控制功能及基本I/O接口外，还具有I/O扩展接口和列车总线接口，具有网关的作用，同时还起着列车或本网段的制动力管理作用。

图1 EP09架控制动系统典型架构

3.2 接口能力及高性能要求与小型化的矛盾

制动控制单元具有的本地（本架）电空制动和防滑控制功能任务比较固定，可以进一步小型化和模块化。

不同的应用要求对制动系统的接口能力提出了更高要求，包括网络接口方式和多种模拟量的扩展要求，同时对制动系统的故障诊断、事件存储、系统测试的要求都在不断提高，受制动架控控制单元的机箱限制，现有结构网关单元的扩展能力有限。

3.3 架控制动系统模块化解决方案

基本思路：基本的架控制动控制单元基于现有EP09/S架构，具有本地（本架）电空制动和防滑控制功能基本的I/O接口，可作为系统基本固定的标准模块。将EP09/G的本架制动防滑控制与I/O扩展、多功能车辆总线（MVB）接口及制动力管理分开，即将EP09/G拆分为一个基本的本架制动控制单元和一个列车制动管理器。

图2 EP09/G模块化架控制动系统架构

图3 架控制动系统集散式系统架构

EP09/G模块化架控制动系统架构见图2。

3.4 架控制动系统集散式系统架构

架控制动系统集散式系统架构见图3。主要具有如下特点：（1）靠近转向架安装的制动控制单元只有一种模块，实现了按转向架配置的制动控制单元模块化和标准化；（2）列车制动管理器（TBM）的主要功能是制动力管理，相当于一个制动系统的中央控制器，TBM不再需要制动压力控制功能，不再有电磁阀等机电或气动部件和气压接口，是一个完全的电子电气装置；（3）TBM不再受制于机电混合结构的机箱限制，可以具有更多的I/O扩展能力和网络接口方式，可以采用更高性能的处理器提升制动系统的故障诊断、事件存储、系统测试功能。

4 制动系统行业技术规范编制

初步统计，截至2014年12月31日，我国内地已有22个城市拥有94条建成并正式运营的城市轨道交通线路，运营总里程达到2 886 km，配置车辆数将近15 000辆。未来10年，将新建城市轨道交通线路约5 000 km，届时车辆总数将达到40 000辆。

但是，就城市轨道交通车辆制动系统而言，目前国内还没有一套统一的标准体系。

2015年7月1日，中国城市轨道交通协会技术装备专业委员会颁布中城装备［2015］60号文，发布了《城市轨道交通车辆电空制动系统通用技术规范》、《城市轨道交通车辆电空制动系统装车后的检验规则》、《城市轨道交通车辆空气制动防滑系统技术规范》3个系统性的技术规范，并于2015年10月1日正式试行。相关规范的试行，对于规范市场行为，规范制动系统的生产、运用、检修等，有着非常重要的意义。后期，关于制动系统的部件类技术规范，包括风源装置、制动控制单元、基础制动类部件（制动夹钳单元、踏面制动单元、制动盘、闸瓦、闸片），也即将发布。

王新海：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，研究员，北京，100081/100094

韩晓辉：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，研究员，北京，100081/100094

宫明兴：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，工程师，北京，100081/100094

焦标强：中国铁道科学研究院机车车辆研究所/北京纵横机电技术开发公司，副研究员，北京，100081/ 100094

责任编辑 高红义

U260.35

A

1672-061X（2015）04-0033-03