地铁车辆紧急制动功能分析与计算

李 伟， 徐文海， 杜昭童， 何浩远

(中车成都机车车辆有限公司， 成都 610051)

制动系统是地铁车辆的重要组成部分，其性能好坏直接影响车辆的运行安全和综合技术水平的提高，因此，国内外在发展城市轨道交通的过程中，都把如何提高制动系统的性能作为一个重要科技项目进行研究[1]。

1 制动系统功能

目前，我国轨道交通领域使用较多的制动系统供应商主要有纳博特斯克(Nabtesco)、德国克诺尔(knorr)、北京纵横机电技术开发公司等。地铁车辆制动系统通常具有常用制动、紧急制动、停放制动、保持制动、车轮滑行保护、制动力分级控制、冲动限制、回送救援、主空压机控制、监测、诊断和故障记录等功能[2]。

1.1 常用制动

常用制动是空气制动随时与电制动进行自动配合的空电复合制动控制系统，优先采用电制动，电制动力不足时，由空气制动补充。列车正常运行时，制动系统根据ATO指令、司机控制器、ATP在列车超目标速度时的最大常用制动指令给出的制动指令进行制动施加和缓解。常用制动的减速度一般要求不小于1.0 m/s2。

1.2 紧急制动

紧急制动优先于常用制动，是根据紧急安全环路的状态施加和缓解的纯空气制动，按恒减速度控制方式实施制动控制。紧急制动环路受紧急制动电磁阀控制，通常处于通电状态，独立于常用制动，具有故障导向安全功能。紧急制动的减速度一般要求不小于1.2 m/s2。

1.3 停放制动

制动系统设弹簧储能式停放制动装置，用于列车临时停放时防止列车的前进或倒退，通过司机室停放制动按钮控制停放制动电磁阀得电、失电控制车辆的缓解、制动，防止列车长时间断电停放时，由于空气泄漏，造成单元制动缸气压下降，影响制动能力。

1.4 保持制动

随着列车速度的减小，列车电制动能力逐步减弱。所以列车低速运行中空气制动将代替电制动实施保持制动，直至整列车停车。保持制动压力由牵引指令根据列车牵引力的不断增大才会进行缓解，所以保持制动的另一个作用是防止列车在坡道上停止后再次施加牵引力，由于防止牵引力不足造成列车倒退。

由以上内容可知，紧急制动最能体现制动系统的制动性能和技术指标。因此，以某4动2拖6辆编组的铝合金A型地铁车辆为例，主要研究克诺尔公司推出的EP2002架控制动系统的紧急制动原理及相关功能验证。

2 紧急制动基本原理

紧急制动是列车在紧急情况下采用的制动方式，紧急制动一般采用纯空气的制动方式。地铁车辆的紧急制动是由紧急制动安全环路直接控制的，紧急制动环路的设计通常采用得电缓解、失电触发的控制方式。如列车由于某种情况触发了紧急制动，触发信号将传输给列车控制单元和牵引控制单元，牵引控制单元将会封锁牵引，列车无法再次牵引。因此，紧急制动触发后直到列车停止才能恢复。此外，紧急制动不受冲击极限的限制，是制动率最高的制动方式[3]。

本项目采用的德国克诺尔公司推出的EP2002架控制动控制系统的紧急制动具有启动响应快、制动平稳、制动准确度高、部件集成度高等特点，在北京、上海、石家庄、南京、广州等城市的多条地铁线路上得到广泛应用，其紧急制动作用原理如图1所示[4]。

如图1，紧急制动电磁阀是一个两位三通常开电磁阀，正常情况下处于得电状态，截断了空重阀的输出口与中继阀的输入口压力的通路，同时将中继阀的紧急制动预控压力排向大气。当紧急制动电磁阀失电时，紧急制动电磁阀将接通空重阀输出口与中继阀输入口压力的通路，从而使中继阀输出口压力等于紧急制动时制动缸压力。空重阀将根据空簧车辆载荷等信息限制其出口的最高空气压力，压缩空气进入中继阀后作用至制动缸，最终实现基础制动单元的制动力控制。

图1 紧急制动作用原理

车辆在正常运行中紧急制动的控制过程如图2所示。由制动储风缸提供的空气进入主调节器，同时主调节器接收来自转向架的载荷信号，通过主调节器的比例计算输出相应的紧急制动压力到制动缸单元。制动缸压力随载荷压力的增加而增加，从而保证车辆在任何载荷状态下的制动减速度，以达到车辆制动距离的一致性要求[5]。

图2 紧急制动控制过程图

3 紧急制动减速度与制动距离

地铁两站间距离比较短，一般都在1 km左右。由于站间距离短，列车的调速及停车都比较频繁。为了提高列车的运行速度，必须使列车启动快、制动距离短。笔者研究的是最高运行速度为80 km/h的铝合金A型车辆，其制动性能需具备安全性、稳定性和可靠性。列车的制动减速度和制动距离是综合反映制动装置性能和实际制动效果的主要技术指标，因此有必要通过计算验证列车的制动距离。

3.1 制动减速度计算

根据牛顿第二定律，理论上制动减速度的计算通常采用如下公式：

(1)

式中β为瞬时减速度，B为车辆制动力，kN；Wj为当前位置的列车加算阻力，kN；m为当前状态下的列车总质量，t；γ为轮对旋转惯性折算出的回转质量系数。

由于式(1)中，很多参数无法直接计算或测量，为简化计算在实际计算中，通常采用式(2)：

(2)

式中βa为车辆由速度v0到停车过程中的平均减速度，m/s2；v0为制动初速度，km/h；T为由v0到停车所需时间，s。

3.2 制动距离计算及验证

列车在实际的制动过程中，不论是制动停车还是调速制动，制动距离都是指从司机制动手柄置于制动位的瞬间算起，到某个速度对应的时刻或停车瞬间列车所走过的总距离。如图3所示[6]，列车的制动大致可以分为两个时间段，即空走时间段和匀减速时间段，空走时间包括制动指令传输延迟时间；制动控制装置计算分配制动力的计算周期时间；空气制动阀的响应时间；闸片与盘面间隙运动时间和制动缸压力上升到规定值的时间等，同时，系统确定以后，此空走时间为确定值，它不随初速度大小的变化而变化，本项目确定的空走时间tk=t1-t0为1.5 s。匀减速时间是指列车从初速度减速至停车或某个末速度所用的时间te。

图3 列车制动过程分析图

列车总制动距离分为空走距离和有效制动距离两部分，总制动距离为：

S=Sk+Se

式中Sk为空走距离，m；Se为有效制动距离，m。

其中空走距离可以按照匀速运动来计算，即

式中v0为制动初速度，km/h；tk为制动空走时间，s。

有效制动距离：

式中v0为制动初速度，km/h；te为匀减速时间，s；制动总时间为：t=tk+te。

根据本项目合同对紧急制动减速度的要求：紧急制动平均减速度要求大于1.20 m/s2，取其最小的制动减速度β=1.2 m/s2，分别计算不同速度等级80,60,40 km/h下紧急制动距离，以80 km/h为例，计算过程如下：

te=t-tk=17(s)

S=Sk+Se=222(m)

同理计算的60 km/h和40 km/h下紧急制动距离分别为128 m和60 m。

此外，我们组织试验人员，在平直干燥轨道试验线上针对不同的速度等级，分别对80，60，40 km/h进行紧急制动减速度和制动距离测试，每个速度等级测3次取其平均值，试验结果如表1所示。

表1结果显示，各速度等级下测试的最小减速度为1.27 m/s2大于合同要求的1.20 m/s2，满足合同要求，此外，初速度为80,60,40 km/h下的制动距离分别为194.93,92.34,42.54 m均小于理论计算距离222,128,60 m。

表1 不同速度等级下紧急制动减速度及制动距离测试结果

4 结论与建议

介绍了克诺尔EP2002架控制动系统的功能，讲述了地铁车辆紧急制动的基本工作原理，最后以不同速度等级为初速度，以项目要求的最小平均减速度的极限条件来计算车辆最大紧急制动距离，得出如下结论：

(1) 试验测得各速度等级下，紧急制动平均减速度最小值为1.27 m/s2满足项目合同要求的大于1.20 m/s2。

(2) 试验测得的初速度为80,60,40 km/h下的制动距离分别为194.93,92.34,42.54 m均小于理论计算安全距离222,128,60 m，满足相关技术要求。

[1] 冯跃.天津地铁3号线车辆国产化制动系统[J].机车电传动,2013(6):59-60,86.

[2] 许桂红.地铁制动系统的研究与仿真[D].成都：西南交通大学,2014.

[3] 董晓鹏,韩文娟.南京地铁1号线紧急制动分析[J].铁道机车车辆,2013,33(1):87-88.

[4] 段继超.地铁车辆制动控制系统设计[D].成都:西南交通大学,2012.

[5] 马喜成.上海轨道交通4号线地铁车辆紧急制动功能分析与计算[J].电力机车与城轨车辆,2007,30(3):27-30,55.

[6] 张兴宝.地铁列车制动距离及制动减速度相关问题研究[J].机车电传动,2016(5):98-101,109.