基于窄轨变轨距动车组的制动系统方案设计

刘晓妍,李 晶,陈永哲

(兰州工业学院 汽车工程学院，甘肃 兰州 730050)

随着“一带一路”理念的提出，为提高轨道交通跨国运输能力，变轨距车辆的研发成为发展的必然需求。黄运华、李芾等人[1-3]设计了一款基于独立旋转车轮的变轨距转向架并对其进行了动力学分析，适应1 435 mm和1 520 mm轨距；日本[4-6]变轨距动车组运营于新干线，适用轨距为1 067 mm和1 435 mm；西班牙的TALGO[7-8]、CAF等公司研发运营了适用于多种轨距的轨道列车。目前主要的研究均集中在改变轮对内侧距上，如何顺利的跨轨互联成为了研究重点，但制动系统作为动车组非常重要的系统之一，不同轨距下速度等级也直接影响着制动控制，因此制动系统也必须适应变轨距动车组的特殊要求进行全新的方案设计，首先基于窄轨变轨距动车组对制动系统主要装置以及结构方案进行了设计，然后提出了一套制动系统控制方案，最后进行了参数校核，对于窄轨动车组的制动系统设计具有一定的参考意义。

1 窄轨变轨距动车组结构及技术参数

对于变轨距动车组而言，如何变轨、变轨距转向架的结构、基础制动装置的布置方式、制动形式直接影响着制动系统整体方案。因此，首先对窄轨变轨距动车组动力转向架的整体结构进行介绍，主要结构包括安装两个独立旋转车轮的半构架、永磁轮毂电机、悬挂装置、制动装置以及牵引装置等[9]。其中基础制动装置采用轮盘制动方式，全列车的夹钳制动单元中，1/2具有停放制动功能，提供带手动调整功能的闸片间隙自动调节器。图1(a)、(b)所示分别为两种轨距下动力转向架结构状态，根据结构以及材料初步确定关键系统的重量以及主要尺寸，如表1所示。

表1 窄轨变轨距动车组技术参数

2 制动系统装置设计及方案结构

2.1 制动装置布置方案

窄轨变轨距动车组制动系统采用微机控制模拟式EP2002电磁阀组成的架控制动系统[10]，每个转向架配置一套制动控制单元，基础制动装置采用轮盘制动单元，其中一套设置停放制动功能，主要包括主供风单元、辅助供风单元、制动控制单元以及基础制动装置等，如图2所示。

(a) 600 mm轨距转向架状态

图2 制动系统组成

窄轨变轨距动车组的常用制动、紧急制动和防滑控制等功能主要通过制动控制单元实现，主要包括微机控制的电空制动控制单元和空气防滑控制装置等。停放制动、空簧充风等辅助功能主要靠辅助控制模块实现，如图3所示。其结构主要集成了停放控制用的电磁阀、止回阀、压力开关及空簧供风用的溢流阀、减压阀、塞门等部件。

图3 辅助控制模块

每辆车设置1个主供风单元组成，其中由总风管对总风缸进行充风，同时也为制动风缸进行充风，在制动风缸前端设置一个单向阀以避免总风压力下降后，制动风缸的风反向充入总风管。

文章提到的动车组共设置2套风源系统，均安装在M车上，为其制动系统提供洁净、干燥的压缩空气[11]。风源系统由以下部件组成：空气压缩机组、空气净化处理单元、管路组件冷却器、安全阀、油过滤器、托架等，如图4所示。

图4 风源模块组成

2.2 制动系统结构方案

制动系统能够满足常用制动、紧急制动、停放制动、防滑保护等多种工况，制动系统逻辑结构方案如图5～6所示。

图5为每辆车单个转向架制动系统方案结构，由于该转向架结构特殊，采用独立旋转车轮且没有设置一系悬挂装置，左右两侧车轮分别通过半构架结构联系在一起，因此在运行过程中处于同侧的车轮速度近似相等，特殊的结构导致设置速度传感器应区别于普通车辆，制动系统将车轮的速度传感器进行对角布置，这样的布置可以通过制动控制最大程度避免车轮出现异常磨耗、打滑。

图5 单个转向架制动系统结构方案

图5中的a、b、c结构为制动软管，其中a位置的制动软管将同侧构架的前后车轮联系在一起，方便制动控制。由于此车辆需要满足600 mm以及1 067 mm轨距下车辆的正常运行，因此，b结构制动软管的长度应长于常规车辆，并满足运动限界要求，通过运动仿真确定横向、纵向、垂向最大位移来进行校核，其长度必须保证轨距差的一半(单侧)即233.5 mm的冗余量。c结构需要与车体底架结构连接，提供制动信号，保证整个动车组协调运行。

图6 空簧通风系统结构方案

图6为空簧通风系统的结构方案简图，图中压差阀用于调整左右空气弹簧的压力，两侧空气弹簧通过高度控制阀与主供风单元以及制动控制单元连接，保证在空车和重车工况下车辆的地板面高始终保持一致，在站台时便于乘客上下车，转向架枕梁型腔用作附加气室。

3 制动系统控制方案

由第1节中表1可知，该变轨距动车组运营速度为70/120 km/h，其速度等级等同于市域通行动车组列车，取其为8编组列车制动系统采用4+4车CAN网络，如图7所示。每个CAN单元中配置2个负责与列车网络通信的制动控制单元，通过以太网总线接收制动指令和电制动信息，并计算出本单元中各个转向架上应施加的空气制动，然后通过制动系统CAN总线传送给本单元的各架控的制动控制单元。

图7 制动控制单元的配置方案

3.1 电空配合方案

制动系统常用制动采用电空混合制动方式，优先采用电制动，空气制动作为补偿，电制动不足时平均分配空气制动力到可用转向架上，并采取全列车合理分配的原则，电制动故障的车辆作为拖车处理。

整车制动力由牵引系统和制动系统分别组成，制动力计算方法如式(1)，即

F整=φ·M整·k，

(1)

式中：φ是制动力系数，根据运营工况而定；M整是整车质量；k是制动级位，范围0～100%。

制动级位可通过图8的逻辑方式计算，每辆车有2个EP2002制动控制单元，负责与本单元内的CCU通信，再通过TMCS实现与列车的通信，执行制动指令TSB范围在-100%～0%，确定常用制动级位，以此确定减速度β。

β=φ×10-2×TSB，

(2)

式中：β是制动减速度；φ是制动力系数；TSB是制动指令，范围为-100%～0%。

图8 制动级位逻辑原理

整车质量可通过图9的逻辑模块实现信号检测，空气弹簧的压力信号通过空气管路传递给本车辆的空气制动控制装置(辅助控制模块)进行通信，TCMS把车重信号反馈到本单元的CCU中，实现空簧压力调整以此调整地板面高。当出现空气弹簧破裂或电空转换电路的输出小于空车的信号时则按空车车重的100%计算；当电空转换电路的输出大于超员时的车重信号时，则按超员载荷的100%计算。另外，此载荷信号还传递给牵引控制装置，以控制牵引力和再生制动力的大小。

图9 车辆载荷计算逻辑原理

在空载工况下，两种轨距状态车重相同，整车制动力的计算如式(3)，即

F空=φ·M空·k.

(3)

在超员满载工况下，两种轨距车重不同，整车制动力计算如式(4)，即

(4)

根据表1参数计算空载和满载状态下需要的制动力大小。在空载工况下，取制动级位k为100%，整车制动力由式(3)计算可得。

M空=3.7×103g=362 kN,

F空=φ·M空·k=383.72 kN.

超员满载工况时，两种轨距状态车辆的载重不同，因此整车制动力也随之发生变化，通过空气弹簧压力进行车重信号的传递，进而改变整车制动力。600 mm轨距运行时载重取10 t，1 067 mm轨距运行状态下取满轴重15 t，取φ为1.06计算整车制动力。

当取制动级位k=100%时根据式(3)计算整车制动力，在600 mm轨距运行时，按满轴重计算，即

M重600=4×10×103g=392 kN，

F重600=φ·M重600·k= 415.52 kN.

在1 067 mm轨距运行时，按满轴重计算，即

M重1067=4×15×103g=588 kN,

F重1067=φ·M重1067·k= 623.28 kN .

在列车制动时，列车整体实际的空气制动力按式(5)进行计算，即

F气=F整-F电，

(5)

式中：F整是整列总制动力；F电是整列实际电制动力；F气是整列空气制动力。

对于窄轨变轨距动车组，动力转向架4个独立旋转车轴均为动力轴，拖车转向架均为非动力轴，单动车转向架和单拖车转向架需要补充的空气制动力需要分别进行计算。

3.2 制动系统整体逻辑

当列车发出制动指令进行制动时，制动指令同时发给牵引、制动及网络系统，牵引系统将电制动相关信息(电制动能力值、电制动实际值、电制动退出等)发送到以太网总线，然后传输给制动系统，如图10所示。空气制动在接收到制动指令后，采取延迟采集电制动能力值进行电空配合计算，延迟采用电制动实际值进行电空配合计算，并完成空气制动补偿。低速电空混合由电制动退出信号触发，电制动退出信号发出后开始以一定的斜率撤出，同时空气制动以相同的斜率增加。

图10 电空混合整体逻辑

4 制动系统关键性能校核

根据EN14531-1对制动能力进行初步计算，减速度作为制动系统关键参数，决定着列车的行驶安全以及能否准点停车[12]，此时应满足如下条件：当列车在平直干燥线路以最高速度运行时，从给出制动指令到列车停止，列车平均减速度要求a常≥1.0 m/s2，a紧≥1.2 m/s2，计算输入边界条件如表2所示。

表2 纯空气制动工况下计算输入边界条件

根据表1取列车空载为29.6 t、满载为112 t。在表2给定边界条件下，求得列车制动减速度，如表3所示。

表3 不同工况下减速度计算结果

由表3可知，常用制动以及紧急制动减速度整体上均满足a常≥1.0 m/s2、a紧≥1.2 m/s2，初步校核制动减速度满足制动设计条件。

5 结语

基于窄轨变轨距动车组在明确技术参数的前提下提出了适用于窄轨变轨距动车组的制动系统方案，并对其结构布置、逻辑实现进行了设计，最后对于制动系统方案的可行性对制动系统关键性能参数进行了校核，经初步校核，该系统满足使用要求。