电子机械制动夹钳的设计及其试验研究*

杨 磊,苗 峰,王 帅,周宇航,骆 凯,张敬斌

(中车青岛四方车辆研究所有限公司 技术中心,山东 青岛 266031)

0 引 言

近年来,国内城市轨道交通快速发展,截至2020年底,我国开通运行城市轨道交通的城市达43个,总里程约7 655 km,其中地铁和有轨电车占到了90.8%[1]。

目前,城市现代轨道车辆正向着智能化、全电化、绿色化方向发展,传统的空气制动和液压制动已无法满足车辆新的发展趋势。

电子机械制动(EMB)具有控制性能好、系统简单、重量轻、维护成本低以及能源利用效率高等优点,具备代替城轨车辆原空气制动和液压制动系统的潜力[2]。EMB技术最早于20世纪70年代在国外的航空领域出现,由于其响应快、重量轻、体积小、不需要液压介质,使其逐渐在商用客机领域得到了广泛应用。

美国Goodrich公司和UTC Aerospace Systems公司分别把研制的EMB应用在A-10攻击机和RQ-4B型全球鹰无人机上。英国MEGGITT公司开展了空客A220客机全电刹车系统试验研究,法国Safran集团[3]为波音787客机研制了EMB系统,实现了其商业化应用。

在国内航空领域,中南大学是较早开展全电刹车技术的高校。张涛等人[4]进行了无刷直流电机控制系统的软硬件设计,梁柏强等人[5]利用模糊自适应PID控制方法,进行了其伺服控制的研究。西北工业大学的陈晓雷等人[6-10]在全电刹车技术的防滑、滑移率控制的稳定性、滑模极值搜索控制策略、传感器的故障诊断与补偿、非线性PI控制等方面进行了大量研究工作,使得全电刹车技术在无人机领域得到了成功应用。

以上这些研究主要集中在飞机制动领域,且着重于制动系统的控制算法研究,但并未对EMB夹钳进行详细研究。

在汽车领域,20世纪90年代,德国Continental Teves公司[11-13]申请了EMB专利,该EMB采用中空式电机,制动器的齿轮系传动部件与电机同轴,且位于中空电机的内部。德国的Bosch、Siemens公司[14,15]提出了一种利用连杆机构和楔形结构进行传动的结构方案,该方案可借助制动盘的运动方向实现自增力效果,从而减小了其制动电机的尺寸。Continental Teves、Bosch、Siemens等公司也在其开发的产品验证了EMB技术在汽车领域的可行性。瑞典的Haldex、意大利的Brembo等厂商,推出了商用化的EMB产品。目前,奥迪R8-etron等车型应用了EMB技术。

但是,由于汽车领域用的EMB夹钳的缓解间隙较小,无法解决大缓解间隙、大总调整量的问题。

轨道交通领域开展EMB技术研究较晚。德国Knorr-Bremse公司[16]自20世纪80年代至今持续进行轨道车辆EMB的研究,2019年公布了最新的地铁车辆EMB样机。2002年,日本交通局[17]开发了弹簧被动式EMB,在鹿岛1000型低地板有轨电车上进行了试验研究。2008年,日本铁道综合技术研究所[18]设计了一种内接摇动式行星减速机的EMB夹钳。

在国内,同济大学[19]自2014年开始开展了轨道车辆EMB的研究,目前已经开发了地铁车辆和中低速磁浮车用EMB,但同济大学的相关研究未涉及有轨电车车型。

笔者针对有轨电车制动系统的需求特性,对电子机械制动夹钳进行研究,确定电子机械制动(EMB)夹钳工作原理和主要结构,通过计算确定其电机、传动机构的设计参数,并对其进行仿真验证,通过性能和环境试验对其样机进行测试。

1 EMB夹钳功能及技术参数

1.1 功能分析

笔者以国内某有轨电车为目标车型,研发电子机械制动(EMB)夹钳,该有轨电车采用两动车一拖车编组形式,原车采用液压制动系统。

动车安装一台制动控制单元和两台液压制动夹钳,拖车安装一台制动控制单元和四台液压制动夹钳;制动控制采用车控方式,即一台制动控制单元控制本车所有制动夹钳。

有轨电车液压制动系统架构如图1所示。

图1 有轨电车液压制动系统架构图

液压制动夹钳安装于车轴轴端,采用浮动式结构,主要由钳体、闸片、连接杆、液压弹簧缸、液压缸等组成。动车夹钳具有停放制动(驻车制动)功能,拖车夹钳不具有停放制动功能。

液压制动夹钳结构如图2所示。

图2 液压制动夹钳

为了便于EMB夹钳的试验和推广,笔者设计的EMB夹钳需保证和原液压制动夹钳接口相同。

EMB夹钳需具备以下功能:

(1)制动施加和缓解。满足在全输出力范围的输出力精确控制,实时输出实际制动力电信号;

(2)停放制动及断电输出力保持。在施加状态断电时,输出力能够保持,24 h内制动力衰减<5%;

(3)磨耗间隙自动补偿。保证缓解间隙的稳定,不随闸片和制动盘的磨耗而改变;

(4)辅助缓解。可以使用通用工具通过机械方式实现输出力缓解,且机械缓解后制动力不再自动施加;机械缓解后,系统再次上电不影响正常制动功能;

(5)维护便利。采用模块化的设计理念,便于维护和检修,更换闸片时夹钳能自动回退到初始状态。

1.2 设计参数

针对以上功能和性能需求,笔者确定的EMB夹钳技术参数如表1所示。

表1 技术参数表

2 EMB夹钳结构及其原理

2.1 结构方案

EMB夹钳主要由电机作动器、钳体、闸片及连接杆组成,安装接口与原液压制动夹钳的相同。

EMB夹钳结构如图3所示。

图3 EMB夹钳结构图

根据钳体结构特点,电机作动器采用电机输出轴与丝杠输出轴平行布局方式,电机输出轴作为减速增矩机构的输入轴,减速后的旋转运动通过丝杠副转换为直线运动,通过杠杆最终实现闸片和制动盘的夹紧;

笔者在丝杠后端放置载荷传感器,用于制动力的实时测量。在电机尾端布置电磁制动器,用于失电力保持。电机输出轴伸出电磁制动器用于紧急情况下的人工缓解。

EMB夹钳的结构原理如图4所示。

图4 EMB夹钳结构原理图

电机作动器是EMB夹钳的动力输出单元,是EMB夹钳的核心部件,其工作原理如图5所示。

图5 EMB电机作动器原理图

EMB夹钳控制器得到制动指令后,使电磁制动器得电,释放电机转子轴,通过控制电机的励磁电压控制电机转子的旋转运动;

电机转子的旋转运动通过传动装置转换为压紧制动盘的直线运动;

载荷传感器将输出力实时反馈给电机控制器,电机中的位置传感器反馈电机转子的位置;

控制器根据载荷值和位置信号,实现电机作动器输出力和缓解间隙的精确闭环控制;

需要停放制动时,电磁制动器失电,锁定电机轴,实现制动力长期保持稳定。

2.2 电机作动器计算模型

2.2.1 电机计算模型

电机作动器系统为多轴传动系统,可以通过将多轴系统简化为单轴系统进行计算。

EMB多轴传动系统简化示意图如图6所示。

图6 EMB多轴传动系统简化示意图

制动工作过程分为空载加速、输出力上升和输出力稳定3个阶段。

空载加速阶段受力平衡方程为:

(1)

根据传动过程能量守恒定律,有:

(2)

式中:JM—电机转子的转动惯量;ω1,ω2,ωn—第1,2,n轴旋转角速度;J1,J2,Jn—第1,2,n轴转动惯量。

由式(2)可以得出:

(3)

将式(3)代入式(1),可以得出电机电磁转矩与传动机构输出扭矩关系:

(4)

输出力上升阶段的运动方程为:

(5)

式中:θM—电机轴转角;L—电机作动器输出轴位移;P—丝杠副导程;k—减速机构传动比;Fz—电机作动器输出力。

输出力稳定阶段的受力方程为:

(6)

式中:Fmax—电机作动器最大输出力。

根据目标力的特性曲线和响应时间的要求,通过上述公式计算得出所需电机的转矩和转速参数。

2.2.2 丝杠选型计算

接下来笔者进行丝杠的选型计算。

丝杠选型计算公式如下:

(7)

(8)

(9)

通过对式(7～9)进行计算,确定滚珠丝杠技术参数。

3 电机作动器仿真

笔者应用多体动力学仿真软件Simpack建立了传动机构及承载结构件系统全尺寸三维动力学模型(模型参数包括机构柔性参数、摩擦参数、结构公差参数以及阻尼参数),应用多域仿真软件Simulink建立了控制系统和电机模型,并由控制系统、电机模型和动力学模型组成联合仿真模型。

仿真参数如表2所示。

表2 仿真参数表

笔者对EMB夹钳28 kN夹紧力施加过程进行仿真计算,其结果如图7所示。

图7 仿真曲线

仿真计算结果表明:笔者设计的EMB夹钳能够施加28 kN的输出力,响应时间(从制动指令发出到达到90%目标力)为230 ms;其中,空行程部分响应时间为180 ms,输出力从零上升到最大值时间为55 ms;输出力的最大超调量为1.5 kN,稳态误差为±0.3 kN。

丝杠的实际位移为2.6 mm,传动机构及承载结构件的变形量为0.6 mm。230 ms时,母线电流瞬时值出现较大波动,约为-20 A～135 A。原因是电机由空行程阶段转为瞬间堵转阶段,反电动势骤减,加上力闭环控制,电机会出现正反转现象。此时,脉冲电流的持续时间约为0.1 ms,波动区间的电流有效值约为35 A,驱动器功率器件选型要有足够余量。输出力达到28 kN后,母线电流较小,有效值约为9.36 A。

4 EMB夹钳样机及其测试

根据上述计算分析结果,笔者设计制造了EMB夹钳,其接口形式适用于国内某型现代有轨电车。

夹钳样机如图8所示。

图8 EMB夹钳样机

为了验证研发的EMB夹钳性能是否满足设计要求,笔者对样机进行了性能测试、环境适应性测试。

4.1 性能测试

EMB夹钳是制动系统的执行装置,电子制动控制器将目标力指令发送给电机驱动器,由驱动控制器驱动EMB夹钳实现输出力施加和缓解动作。

笔者搭建的性能试验平台如图9所示。

图9 EMB夹钳性能试验平台

笔者分别给定8 kN、16 kN、28 kN阶跃和1 Hz正弦目标加紧力进行夹钳动作测试,其夹紧力跟随曲线如图10所示。

图10 目标力响应测试曲线

测试数据表明:EMB夹钳能够施加28 kN的输出力;实际力刚达到目标力值时,会有一定的超调量,这是由于夹钳快速响应,闸片接触到制动盘时会产生一定的碰撞,超调量小于1.4 kN;响应时间(从制动指令发出到达到90%目标力)小于300 ms,系统稳态误差为±0.5 kN;

对于不同的目标输出力,夹钳能够很好地跟随;1 Hz正弦波跟随拟合度较好,力衰减1.5%,滞后15 ms。

其他测试的性能参数如表3所示。

表3 性能参数测试值

4.2 环境适应性测试

利用试验室环境,笔者模拟了EMB夹钳安装在转向架构架上的环境状态,环境适应性测试包括冲击振动试验、高低温试验以及IP防护等级试验。

EMB夹钳环境适应性试验如图11所示。

图11 EMB夹钳环境适应性试验

试验方法按照IEC 61373-2010《铁路设施.机车车辆设备.冲击和振动试验》、TB/T 3431-2015《机车车辆制动夹钳单元》、GB/T 4208-2017《外壳防护等级(IP代码)》进行。

笔者分别在模拟环境中和模拟环境后进行性能测试,试验数据不再赘述。

试验结果表明,笔者所设计的EMB夹钳满足使用环境要求。

5 结束语

针对有轨电车的制动需求,笔者提出了一种EMB夹钳设计方案和关键设计参数,运用联合仿真的方法验证了EMB夹钳的设计性能,最后通过性能测试及环境适应性测试对EMB夹钳样机进行了试验。

研究结果表明:

(1)EMB夹钳具有输出力施加和缓解、停放制动、磨耗间隙自补偿及人工辅助缓解功能,满足有轨电车制动系统的功能需求;

(2)EMB夹钳结构紧凑,不需要流体能量传输介质,能有效降低维护工作量;

(3)EMB夹钳各项性能参数满足有轨电车制动系统的性能要求,能够很好地跟随控制指令,响应快、精度高,并能够适应车辆振动、高低温及防护性能等环境适应性要求,具备工程应用条件。

在后续的研究工作中,笔者还将对EMB夹钳全寿命周期内各个关键零部件的可靠性和维护周期做进一步的研究。