軌道交通制動系統(tǒng)該怎么創(chuàng)新

1、Word文檔 軌道交通制動系統(tǒng)該怎么創(chuàng)新 近年來，隨著我國交通事業(yè)的進(jìn)展，對于軌道交通載運(yùn)工具的要求也日益提高。無論是運(yùn)營的高速化還是維護(hù)的智能化都對軌道車輛制動系統(tǒng)提出了更高的要求。 01軌道交通制動系統(tǒng)的進(jìn)展及其規(guī)律 制動系統(tǒng)的進(jìn)展 從19 世紀(jì)初蒸汽機(jī)車所采納的人力制動到今日高速列車所采納的微機(jī)掌握直通電空制動系統(tǒng)，軌道車輛制動系統(tǒng)技術(shù)的每一次重大變革不外乎圍圍著制動力的源動力轉(zhuǎn)變或制動指令傳輸方式的變化。 早期蒸汽機(jī)車和車輛的制動始終采納人力制動，即制動員根據(jù)司機(jī)的笛聲指令，以人力作為源動力通過轉(zhuǎn)動制動手輪絞動制動鋼絲，使閘瓦貼靠車輪踏面，從而產(chǎn)生摩擦力使得車輪轉(zhuǎn)動減慢直至停止。由于手

2、制動機(jī)存在制動力弱，不能由司機(jī)一人操作等缺陷，很快就被非人力的制動機(jī)所替代。 1844 年，英國鐵路用真空制動機(jī)取代了手制動機(jī)。真空制動機(jī)是以大氣壓作為制動力的源動力，利用真空度造成的負(fù)壓推動制動缸帶動閘瓦貼靠車輪踏面，以施加制動。真空制動系統(tǒng)在機(jī)車上設(shè)有真空泵、制動閥和真空制動缸，在車輛上則僅有真空制動缸，整列車的制動缸全部用制動管連通。司機(jī)通過操縱制動閥轉(zhuǎn)變制動管中的真空度，此時真空制動缸中便產(chǎn)生壓力差，從而實(shí)施階段制動或緩解。這種制動系統(tǒng)的特點(diǎn)是構(gòu)造簡潔，但制動力不大，而且海拔越高制動力越小。 1869 年，美國喬治 韋斯汀豪斯制造了人類第一臺直通式空氣制動機(jī)，開啟了采納壓縮空氣作為制動

3、力的源動力時代，即空氣制動系統(tǒng)時代。直通式空氣制動機(jī)使制動力上限突破了大氣壓的限制，其產(chǎn)生的制動力遠(yuǎn)高于真空制動機(jī)。 1872 年，喬治 韋斯汀豪斯在直通式空氣制動機(jī)的基礎(chǔ)上增設(shè)給氣閥、三通閥和副風(fēng)缸后創(chuàng)造了自動空氣制動機(jī)，它不但克服了直通式空氣制動機(jī)在列車分別時的平安性問題，而且實(shí)現(xiàn)了空氣制動機(jī)性能的飛躍。自動空氣制動系統(tǒng)以壓力空氣作為制動信號傳遞以及制動力施加的介質(zhì)，即司機(jī)通過掌握列車管壓力的增減傳遞緩解或制動指令至各車輛的三通閥，三通閥通過掌握壓縮空氣通路使制動缸壓力排向大氣或使副風(fēng)缸內(nèi)的壓縮空氣充入制動缸，實(shí)現(xiàn)列車的緩解或制動。 自動空氣制動機(jī)的性能隨著其關(guān)鍵部件三通閥結(jié)構(gòu)的升級換代而

4、不斷提升，歷經(jīng)一個多世紀(jì)連續(xù)至今。自動空氣制動機(jī)采納壓縮空氣作為制動力的源動力，基本滿意了列車噸位提高對加大制動力的需求；但由于制動信號也借助于列車管內(nèi)壓力的變化傳遞，隨著對列車制動過程中舒適性要求的提升或列車編組的增加，已難以滿意軌道交通車輛的進(jìn)展需求。因此，20 世紀(jì)中葉開頭消失了電空制動機(jī)，即在保留以壓縮空氣作為制動力的源動力基礎(chǔ)上用電信號傳遞制動指令，使列車上各輛車的制動響應(yīng)和全都性得到明顯提升。 隨著計算機(jī)技術(shù)的進(jìn)展，20 世紀(jì)80 年月開頭消失微機(jī)掌握直通式電空制動系統(tǒng)。它不但使傳遞的制動指令更加豐富、牢靠，而且使制動過程的掌握更符合平安、牢靠、舒適的要求，基本滿意了城軌和高鐵等高

5、端列車的需求。 制動系統(tǒng)的進(jìn)展規(guī)律 從近2 個世紀(jì)的軌道交通制動技術(shù)進(jìn)展歷程可以看出，軌道交通車輛制動機(jī)進(jìn)展的脈絡(luò)沿著制動力的源動力和制動指令傳遞方式2 個維度演進(jìn)，如下圖所示。 制動力的源動力進(jìn)展已經(jīng)受了由人力到大氣壓力，再到壓縮空氣（在一些特別車輛上，由于安裝空間等因素，也有用液壓這種壓力流體替代）的演化歷程，無論是可實(shí)現(xiàn)的最大制動力還是制動性能都有了大幅度的提高。但是，這類制動系統(tǒng)（以微機(jī)掌握直通式電空制動系統(tǒng)為例）的制動指令和制動力施加仍舊需要經(jīng)過電空轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)和壓縮空氣的作用環(huán)節(jié)，即首先將電信號通過電空閥（EP 閥）轉(zhuǎn)換為預(yù)控壓力信號，再經(jīng)過中繼閥放大流量后，壓縮空氣才能按指令進(jìn)入制

6、動缸內(nèi)，推動制動缸的活塞桿移動，從而帶動閘瓦貼靠踏面或閘片貼靠制動盤，最終通過輪軌關(guān)系形成制動力。這一制動力的建立過程需要較長時間（1 3 s），不但響應(yīng)慢，而且掌握精度受空氣壓力和制動缸摩擦阻力等因素的影響極大，更是難以實(shí)現(xiàn)空氣部分和基礎(chǔ)制動的實(shí)時監(jiān)控，致使系統(tǒng)的智能掌握和智能維保舉步維艱。因此，空氣制動系統(tǒng)已經(jīng)很難再發(fā)生根本性的變革。 制動指令傳遞方式從以司機(jī)鳴笛聲為信號進(jìn)化到利用列車制動管壓力變化的空氣波沿列車長度方向傳遞，使列車制動實(shí)現(xiàn)了司機(jī)一人操縱的基本要求；在空氣波傳播速度的范圍內(nèi)提高了列車制動、緩解的全都性。但隨著列車編組、載重的不斷增加，以空氣波傳播速度為極限的制動指令傳輸方式

7、嚴(yán)峻影響了列車的制動性能和乘坐舒適性。當(dāng)制動指令傳遞方式升級為利用電信號的變化，其傳播速度提升了近100 倍。這不但可極大地提高列車的制動性能和乘坐舒適性，而且開啟了列車制動信號智能化的演進(jìn)。 電機(jī)械制動技術(shù) 電機(jī)械制動（EMB）技術(shù)是一種利用電能直接驅(qū)動基礎(chǔ)制動中的摩擦副產(chǎn)生摩擦力，從而使得運(yùn)動減緩或停止的制動技術(shù)。它是一種能夠替代空氣制動系統(tǒng)的新型制動系統(tǒng)，既繼承了電空制動系統(tǒng)的制動指令傳遞方式，又直接用電能作為制動力的源動力，通過電動機(jī)驅(qū)動閘瓦或閘片。其中，電動機(jī)可由電信號直接掌握，中間不需要通過空氣（液壓）的轉(zhuǎn)換、放大（下圖）。同時，電機(jī)械制動將電能直接驅(qū)動機(jī)械摩擦副，真正地實(shí)現(xiàn)了軌道

8、交通車輛制動系統(tǒng)的全電氣化。這使得制動系統(tǒng)的響應(yīng)和掌握精度在空氣制動系統(tǒng)基礎(chǔ)上大幅提升，使制動過程的智能化掌握和系統(tǒng)的智能化維保成為可能，必將成為新一代制動系統(tǒng)的進(jìn)展方向。 02EMB 技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀 EMB 系統(tǒng)在航空、汽車和軌道交通領(lǐng)域都有代替原空氣、液壓制動系統(tǒng)的趨勢。其中，航空、汽車領(lǐng)域已有成熟產(chǎn)品推廣運(yùn)用，軌道交通領(lǐng)域還處于研發(fā)階段，尚未投入市場。 航空領(lǐng)域 EMB 技術(shù)最早是在航空領(lǐng)域提出的，被稱為飛機(jī)的全電剎車。20 世紀(jì)70 年月提出多電飛機(jī)（EMA）的概念，當(dāng)時稱為全電飛機(jī)。多電飛機(jī)是基于優(yōu)化整個飛機(jī)動力系統(tǒng)的設(shè)計需要而進(jìn)展的概念，指的是將飛機(jī)的發(fā)電、配電和用電集成在一個系統(tǒng)內(nèi)

9、，實(shí)行發(fā)電、配電和用電系統(tǒng)的統(tǒng)一規(guī)劃、統(tǒng)一管理和集中掌握。 由于多電飛機(jī)的進(jìn)展需求，功率電傳（PBW）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。功率電傳是指利用電功率代替飛機(jī)上的其他能源驅(qū)動機(jī)上的各種作動系統(tǒng)，其中包括飛行掌握系統(tǒng)中的作動器、起落架收放裝置、防結(jié)冰裝置、剎車裝置、環(huán)境掌握發(fā)動機(jī)起動和燃料泵等。也有人認(rèn)為，電傳操縱（FBW）加上功率電傳就是全電飛機(jī)。功率電傳作動器的種類主要有3 種：機(jī)電作動器（EMA）、電靜液作動器（EHA）、電液伺服泵作動器（ESPA）。目前關(guān)于功率電傳作動器的討論主要集中在EMA 和EHA上，其中，EHA 作為液壓系統(tǒng)的備用系統(tǒng)已經(jīng)在很多飛機(jī)上得到應(yīng)用。相較于EHA，EMA 完全取消了

10、液壓部件，修理費(fèi)用更低，被認(rèn)為是一種更經(jīng)濟(jì)有用的功率電傳作動器。 基于多電飛機(jī)的進(jìn)展需求，同時伴隨永磁材料、大規(guī)模功率器件和微處理技術(shù)的進(jìn)一步進(jìn)展，20 世紀(jì)80 年月人們開頭進(jìn)行全電防滑剎車系統(tǒng)的探究。首先是美國空軍與飛機(jī)剎車系統(tǒng)公司Loral Aircraft Braking Systems 的電剎車討論，1982 年在A-10 攻擊機(jī)上勝利進(jìn)行了一系列測試。1998 年12 月8 日，美國Goodrich公司與美國空軍合作，在愛德華空軍基地勝利試飛了第一架裝有全電防滑剎車系統(tǒng)的F-16C 飛機(jī)。2021 年，Honeywell Aircraft Landing Systems 公司的全電

11、剎車系統(tǒng)在X-45A 原型無人作戰(zhàn)機(jī)上完成首次勝利試飛，預(yù)示全電剎車技術(shù)已經(jīng)較為成熟。2021 年，龐巴迪公司對裝備了英國Meggitt 集團(tuán)的全電剎車系統(tǒng)驗(yàn)證機(jī)勝利地進(jìn)行了首次飛行試驗(yàn)，成為民用航空的重要標(biāo)志大事。 目前，全電防滑剎車系統(tǒng)已勝利應(yīng)用在大型民航飛機(jī)上，如波音787。 汽車領(lǐng)域 汽車領(lǐng)域EMB 技術(shù)的討論興起于20 世紀(jì)90 年月，這一討論最初是由世界上一些知名的汽車公司發(fā)起的。2021 年，瑞典SKF 集團(tuán)展出的第一款Bertone-SKFFILO 概念車使用了SKF 的線控技術(shù)。2021 年，美國通用汽車公司推出裝有EMB 系統(tǒng)和燃料電池的Autonomy（自主魔力）跑車。2

12、021 年，德爾福公司研發(fā)了一種通過電動制動鉗操控后輪制動的混合線掌握動系統(tǒng)。2021 年，世界上第一款安裝EMB 系統(tǒng)的汽車由澳大利亞PBR 公司開發(fā)。之后，這家公司又與美國通用汽車公司合作開發(fā)了Sequel 概念汽車，其安裝了EMB系統(tǒng)。 EMB 系統(tǒng)最早應(yīng)用在混合動力制動系統(tǒng)車輛上，采納液壓制動和電制動2 種制動系統(tǒng)，這種混合制動系統(tǒng)是全電制動系統(tǒng)的過渡方案。布雷博公司在2021 年北京車展上展出的制動系統(tǒng)和奧迪公司的R8 e-tron 量產(chǎn)車都是采納前輪液壓、后輪電機(jī)械制動的方案。由于2 套制動系統(tǒng)共存，使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本偏高。 EMB 技術(shù)在汽車上的另一個應(yīng)用是電機(jī)械駐車制動系統(tǒng)（

13、EPB）。傳統(tǒng)的機(jī)械式駐車制動系統(tǒng)是通過司機(jī)操縱駐車手柄，帶動制動蹄片張開或制動卡鉗活塞移動完成駐車的，其制動力完全來自司機(jī)，而EPB 系統(tǒng)則是通過電動機(jī)施加制動力，駐車時司機(jī)只需操作按鈕（EPB 開關(guān)），由電子駐車制動系統(tǒng)中的 ECU 掌握電動機(jī)工作完成駐車制動的。EPB 最早是由美國天合公司（TRW）開發(fā)的，2021 年在菲亞特中高檔轎車Lancia 上開頭使用，現(xiàn)已成為北美和歐洲眾多車型的標(biāo)準(zhǔn)配置。 03軌道交通EMB 技術(shù)的進(jìn)展 軌道交通車輛制動系統(tǒng)進(jìn)展至今，已經(jīng)完成了傳輸制動指令的電氣化。對于制動力施加的電氣化，目前已經(jīng)消失了電阻制動、再生制動、渦流制動等，但是這些涉及 電的制動方式

14、，由于其本身特點(diǎn)、適用局限性或者經(jīng)濟(jì)性和合理性因素，至今難以成為列車的平安制動方式。而制動系統(tǒng)最重要的使命是保證軌道車輛的平安性，確保在任何突發(fā)狀況下，軌道車輛都能夠在規(guī)定的距離內(nèi)平安停車。電機(jī)械制動系統(tǒng)作為原有空氣制動系統(tǒng)的替代品，能夠在保證平安制動的前提下，實(shí)現(xiàn)制動系統(tǒng)的全電氣化。 EMB 系統(tǒng)主要包含電機(jī)械夾鉗單元、制動掌握裝置和幫助緩解裝置3 個模塊。 電機(jī)械夾鉗單元包括電機(jī)械制動缸和基礎(chǔ)制動裝置，基于原空氣制動夾鉗單元接口進(jìn)行匹配性設(shè)計，由電機(jī)械制動缸替代原空氣制動缸。一般每輛車設(shè)置8 套。 每個制動掌握裝置包括EBCU 板卡組、電機(jī)械掌握單元板卡組、備用電池及電源管理板卡等，可以依

15、據(jù)整車設(shè)計的需要每輛車設(shè)置1 套或每個轉(zhuǎn)向架設(shè)置1 套。 幫助緩解裝置用于實(shí)現(xiàn)手動緩解及制動隔離功能，即通過安裝于車廂內(nèi)的隔離/ 緩解按鈕或車輛底架的幫助緩解裝置操控停放制動的緩解及實(shí)現(xiàn)制動隔離。在手動緩解狀態(tài)下，電動機(jī)的輸出力允許超過斷電鎖死機(jī)構(gòu)的最大鎖止力。幫助緩解裝置與制動掌握裝置具有互鎖功能。 EMB 技術(shù)是軌道車輛領(lǐng)域一種全新的制動技術(shù)。國外曾有公司在二十幾年前做過探究，但由于當(dāng)時的電子電器技術(shù)等因素致使討論沒有連續(xù)。近年來，由于相關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，以及該技術(shù)在飛機(jī)、汽車等交通工具中的勝利應(yīng)用，為該技術(shù)在軌道交通車輛中的研發(fā)、應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)和范例。 上海六轡機(jī)電科技有限公司和同濟(jì)

16、高校的一些師生，自2021 年起開頭進(jìn)行適用于軌道交通車輛EMB 技術(shù)的自主討論、系統(tǒng)開發(fā)及樣機(jī)研制。他們研制的第四代電機(jī)械制動樣機(jī)（采納盤形制動形式），作為中國中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司下一代地鐵樣車的一部分在2021 年德國柏林軌道交通技術(shù)展InnoTrans 中展出，如下圖所示。目前，該團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行系列化的樣機(jī)研發(fā)，包括適用于高鐵、地鐵、低地板有軌電車、中低速磁懸浮等各種軌道車輛的電機(jī)械制動樣機(jī)。 04軌道交通EMB 技術(shù)優(yōu)勢和前景展望 EMB 技術(shù)因其本身具有的獨(dú)特優(yōu)勢，為軌道車輛制動的進(jìn)展供應(yīng)了新的進(jìn)展方向。 技術(shù)優(yōu)勢 EMB 系統(tǒng)極大地提高了軌道車輛的制動性能。在目標(biāo)制動力的

17、響應(yīng)時間上，采納電動機(jī)驅(qū)動的EMB 系統(tǒng)相比于空氣制動系統(tǒng)縮短了70% 以上，參見下圖。 相比于空氣制動系統(tǒng)的強(qiáng)非線性（制動缸壓力精度20 kPa）和大時滯特性（響應(yīng)延遲在1 s 以上），電機(jī)械制動系統(tǒng)完全彌補(bǔ)了上述2 點(diǎn)的不足，見下圖 中階段制動與階段緩解過程中電機(jī)械制動制動缸的推力與制動指令的跟隨性。試驗(yàn)臺試驗(yàn)結(jié)果證明，電機(jī)械制動系統(tǒng)不但制動力掌握精度高，而且其響應(yīng)速度能夠跟隨頻率按1 Hz正弦變化的目標(biāo)指令，如下圖所示。 EMB 系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)輪控，每個電機(jī)械夾鉗單元都可以單獨(dú)掌握，其制動力冗余度極高。 EMB 技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度制動閉環(huán)掌握，也可以實(shí)現(xiàn)列車級制動力安排策略優(yōu)化。EMB 系統(tǒng)

18、由于其響應(yīng)快速、掌握精度高等特點(diǎn)，為討論新型的智能防滑掌握制造了條件。如需利用防滑過程中黏著系數(shù)的改善效應(yīng)，就需要更高精度、更快速度的防滑掌握，EMB 系統(tǒng)則能夠達(dá)到上述的要求。 EMB 模塊化與輕量化的設(shè)計，簡化了制動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，取消了氣路管路、風(fēng)缸、閥組、塞門等，每輛車的質(zhì)量減小了200 kg以上。 EMB 技術(shù)采納電能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能產(chǎn)生摩擦力的方式，中間無須將電能轉(zhuǎn)化為氣體或液體的壓力能，降低了制動力傳輸過程中的效率損失，提高了能源利用率。 EMB 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了制動系統(tǒng)的全電氣化。因此可對制動系統(tǒng)進(jìn)行全面檢測以及智能診斷，做到對系統(tǒng)動態(tài)信息的實(shí)時感知，實(shí)現(xiàn)對故障的快速定位與處理。EMB 系統(tǒng)的易檢測和模塊化功能為實(shí)