第３１卷第６期 ２０１１年１２月 铁道机车车辆 ＲＡＩＬＷＡＹ Ｌ０Ｃ０Ｍ０ＴＩＶＥ＆ＣＡＲ ＶｏＬ ３１ ＮＯ．６ Ｄｅｃ． ２０１１ 文章编号：１００８—７８４２（２０１１）０６—００６６一Ｏ４ 地铁车辆制动系统空气制动施加方式及特点分析 刘 卓 （沈阳地铁有限公司，辽宁沈阳１１００１１） 摘要 对地铁车辆电空混合制动方式及空气制动施加方式进行介绍，并利用有限元仿真软件对等黏着、等磨耗 两种空气制动施加方式下，车轮踏面的温度变化情况进行仿真分析。通过踏面温度影响及踏面磨耗影响说明了两 种空气制动施加方式的特点。 关键词地铁车辆；空气制动；等黏着；等磨耗 文献标志码：Ａ 中图分类号：Ｕ２６０．３５１ １地铁车辆制动方式简介 ２ 电空混合制动原理简介 地铁车辆编组基本采用动力分散动车组的形式，其 车辆的基本类型分为动车（Ｍ－ｃａｒ）和拖车（Ｔ－ｃａｒ）两种。 动车带有牵引电机，在给车辆提供必要的牵引驱动 力的同时当列车需要减速时，还以通过电机反转的方式 将列车动能转变为电能反馈到电网或通过电阻发热的 形式消散于大气。电机反转的过程给列车提供了一个 以常用制动为例，当列车控制系统发出制动指令 后，首先采用的是电制动，将电制动产生的电能反馈到 电网或通过电阻发热的方式耗散于大气；当列车速度继 续下降到一定速度值时，电制动开始退出，空气制动逐 步代替电制动，列车停止后，列车制动系统再自动对列 车施加一个保持制动。 ３空气制动施加方式介绍 必要的制动力，以此达到制动的目的。正常情况下，地 铁车辆有较强的电制动能力，这种制动方式没有机械磨 损，制动力大，效率高，可以实现这类车型动能的回收， 因此优先采用ｌ＿】］。 空气制动方式是通过车轮踏面与闸瓦摩擦生热将 列车制动过程中当电制动力不足，或列车电制动出 现故障无法施加需要补充空气制动时，通常可以采用以 下两种方式： 方式１：等黏着方式 优先以拖车空气制动作为补充，直至拖车空气制动 力达到某一黏着力限制，如果此时制动力还不能使列车 列车动能转换为热能，并最终耗散于大气。空气制动方 式需要通过车轮踏面与闸瓦之间的摩擦来产生制动力， 车轮踏面与闸瓦的摩擦过程必然带来车轮踏面的磨损， 因此一般在电制动力不足的情况下空气制动才投入使 用 ］。动车和拖车都配备有空气制动装置，都可以通过 空气制动的方式来实现列车减速的目的。 空气制动系统主要由风源系统、控制系统和执行装 置（基础制动装置）３个部分组成。其中控制系统是制 动系统的核心，主要由带有防滑控制的制动微机控制单 元（ＥＢＣＵ）、制动控制单元（ＢＣＵ）和空气制动控制屏组 成。制动控制系统基本机构如图１所示［３ ］。 Ｔ Ｃａｒ ＭＶＢ Ｍ Ｃａｒ 达到规定减速度，则再以动车空气制动力作为补充；该 方式下动车、拖车的轮轨黏着力基本保持一致，因此称 之为等黏着控制方式。 方式２：等磨耗方式 将需要补充的空气制动力在各车平均分配，即动 车、拖车均施加相同的空气制动力。该方式下动车、拖 车空气制动闸瓦压力基本一致，空气制动过程对动车、 拖车车轮踏面的磨耗也基本一致，因此称之为等磨耗方 式。 ４两种空气制动施加方式对比分析 ｌ ］墅 匦 Ｈ ｌ ｌＤＶ ＤＶＩ ｌＤＶ『 旦 Ｊ ｎＬ上Ｊ～ —Ｌ ４．１ 车轮踏面 温度场影响对比分析 为了研究等黏着制动方式与等磨耗制动方式对车 ｊ ｙＪ 【 轮踏面热负荷的影响程度，特利用有限元分析软件对两 种方式下制动时列车车轮踏面的温度场变化情况进行 了仿真计算。由于车轮为轴对称结构，因此仿真过程中 图１ 制动控制系统基本结构示意图 刘卓（１９６３一）男，辽宁沈阳人，高级工程师（收稿日期：２０１１一Ｏ４—２９） 第６期 地铁车辆制动系统空气制动施加方式及特点分析 表１ 车轮材料仿真计算性能参数 只取车轮的１／３６进行建模［５］，以ａｂａｑｕｓ有限元仿真软 件作为仿真平台，以沈阳地铁２号线目前线路及车辆条 件作为仿真建模的基础，模拟列车以不同制动工况在线 路上持续运行时车轮踏面的温度变化情况。计算性能 参数见表１，有限元网络划分及车轮温度分布云图如图 ２。 车轮踏面热流密度的大小： Ｗ ｑ ：Ｓ——ｆ 式中ｗ为每个车轮平均制动力；Ｓ 为车轮旋转一周闸 瓦在踏面上扫过的面积。 （ａ）有限元网格划分 （ｂ）仿真过程车轮温度 示意图 分布云图示意图 图２车轮有限元仿真模型 （１）仿真初始条件 沈阳地铁２号线全线共有ｌ９座地下车站，正线全 长２１．８６ ｋｍ，平均站间距１．６５ ｋｍ。列车编组形式 ３Ｍ３Ｔ，最高运行速度８０ ｋｍ／ｈ，Ａｗ。载荷下车辆轴重 不大于１４ ｔ。 （２）仿真工况 共对下列３种工况进行了仿真计算： ①Ａｗ。载荷，列车电制动正常情况下，以正常的 制动减速度（０．８ ｍ／ｓ ）进行停车制动； ②Ａｗ。载荷，列车电制动正常情况下，以最大常 用制动减速度（１．０ ｍ／ｓ ）进行停车制动； ③Ａｗ。载荷，１辆车电制动故障情况下，以１．０ ｍ／ｓ 的制动减速度进行停车制动。 ４．１．１ 电制动正常，列车以正常制动减速度进行停车 制动，两种空气制动方式的影响对比分析 图３为沈阳地铁２号线列车牵引电制动特性曲线， 沈阳地铁２号线列车Ａｗ。载荷下列车总重为３０３ ｔ，而 ＡＷ。载荷下电制动所能提供的制动力从牵引制动特性 曲线上可以看出约为２５０ ｋＮ。由于列车制动减速度。 一Ｆ／ （Ｆ为列车总制动力；ｍ为列车总重），计算可知 在列车电制动正常发挥的情况下，不需要空气制动既可 以实现０．８ ｍ／ｓ 的停车制动。 ｚ ＼Ｒ盟 ｚ ＼ 馨 擦器 ， 懈卅 列车速度／（ｋｍ・ｈ ） ＋牵引力（Ａｗ ，ＤＣＩ ３５０ Ｖ）—・一牵引力（ＡＷ ，ＤＣ１（ＤＯ Ｖ） ＋牵引力（ＡＷ ，ＤＣ１ ５００ Ｖ） ｔ牵引力（ＡＷ３，ＤＣＩ ８００ Ｖ）— 阻力（ＡＷ３） ＋电制动力（ＡＷ３，ＤＣ１ ８００ Ｖ） ＋｝ ＿制动力（ＡＷ３，ＤＣ１ ６５０ Ｖ）一电制动力（ＡＷ３，ＤＣＩ ５００ Ｖ）＋牵引力（Ａｗ — 牵引力（ＡＷｏ） ＋电制动力（ＡＷ２） ＋电带０动力（ＡＷ９ 图３牵引电制动特性曲线 由于等磨耗和等黏着的制动方式均是针对空气制 动而言，在电制动正常发挥的情况下，列车速度在５ ｋｍ／ｈ以上时基本不施加空气制动，车轮踏面温度不会 发生明显变化，因此该工况下等磨耗和等黏着两种制动 方式对列车的影响没有明显的区别。 ４．１．２电制动正常，列车以最大常用制动减速度进行 停车制动，车轮踏面温度场影响对比分析 沈阳地铁２号线列车最大常用制动减速度值为 １．０ ｍ／ｓ ，列车电制动正常工作时通过制动计算可知， 列车制动时若电制动完全施加，可达到０．８ ｍ／ｓ 的制 动减速度。而若要实现列车ｌ－０ ｍ．／ｓ 的减速度就必须 同时补充空气制动。下面利用有限元分析软件分别对 等黏着和等磨耗两种空气制动施加方式下车轮踏面的 ６８ 铁道机车车辆 第３１卷 温度变化情况进行仿真计算。仿真结果分析如下。 图４为列车电制动正常工作的情况下，采用等黏着 制动方式施加空气制动时拖车车轮踏面的温度变化曲 线。由于等黏着方式下优先施加拖车空气制动，而该工 况下全列车所需补充的空气制动力完全在拖车黏着限 制范围之内，动车不需要再补充空气制动。因此仿真计 算过程仅对拖车车轮踏面温度变化情况进行分析。 图５为列车电制动正常工作的情况下，采用等磨耗 制动方式施加空气制动时动车、拖车车轮踏面的温度变 化曲线。由于在该制动方式下，动车、拖车所施加的空 气制动力基本一致，因此，动车、拖车车轮踏面的温度变 化情况也基本保持一致。 ２００ １５０ ｐ ｌ０ｏ ．１Ｉｌ 川Ｗ Ｗ… ｌ ＼Ｊ＼ ｌ 赠 ｜ｆ Ｉｎ ㈧ … 州 水 制 ５０ Ｊ ０ ３．０ ５．０ 时间／ｓ 图４电制动正常工作。列车以等黏着方式 施加空气制动时拖车车轮踏面温度变化曲线 ２００ ｌ５０ １００ 赠 ｌＩ＾ ｝ 。 ’ ５０ Ｎ ０ １．０ ３．０ ５．０ ７．０ ｌ０ 时间／ｓ 图５电制动正常工作时， 列车以等磨耗方式施加 空气制动时车轮踏面温度变化曲线 从图４、图５可以看出，列车在相同的初始条件下 进行车轮踏面热负荷仿真计算时，采用等黏着制动方式 时，每次都优先以拖车空气制动作为补充，通常情况下 动车基本不施加或很少施加空气制动。此时拖车车轮 踏面工作温度高于动车车轮踏面，拖车车轮踏面最高温 度达到１２０℃。 而采用等磨耗制动方式时，由于需要补充的空气制 动力被平均分配在每个动车、拖车上，此时拖车车轮踏 面承受的热负荷被动车车轮踏面分担 因此该方式下拖 车车轮踏面温度要小于采用等黏着制动方式，从图５可 以看出此时车轮踏面最高温度为７９℃。 ４．１．３ １辆车电制动故障时，列车以最大常用制动减 速度进行停车制动，车轮踏面温度场影响对比 分析 １辆车电制动故障工况下，通过制动计算可知，列 车制动时若电制动完全施加，可达到０．６ ｍ／ｓ。的制动 减速度。因此所补充的空气制动力要能实现０．４ ｍ／ｓ 的制动减速度。下面利用有限元分析软件分别对该工 况下利用等黏着和等磨耗两种空气制动施加方式时，车 轮踏面的温度变化情况进行仿真计算。仿真结果分析 如下。 图６为１辆车电制动故障的情况下，采用等黏着制 动方式施加空气制动时拖车车轮踏面的温度变化曲线。 此时全列车所需补充的空气制动力仍没有超出拖车黏 着力限制，因此动车不需要补充空气制动。因此仿真计 算过程仅对拖车车轮踏面温度变化情况进行分析。 图７为１辆车电制动故障的情况下，采用等磨耗制 动方式施加空气制动时拖车车轮踏面的温度变化曲线。 由于在该制动方式下，动车、拖车所施加的空气制动力 基本一致，因此，动车、拖车车轮踏面的温度变化情况也 基本保持一致。 ３０Ｏ ２５０ ２Ｏ０ ｝ｌＩ Ｉｌ１Ｉ １５ｏ ’ 赠ｌ００ ５０ ０ ３．Ｏ ５．Ｏ 时间／ｓ 图６ １辆车电制动故障时。 列车以等黏着方式施加 空气制动时拖车车轮踏面温度变化曲线 ２ＯＯ ｌ５Ｏ ｐ １００ ． ｌＩ ｝ ㈣； Ｉ ｌ 撼 ｌ。”１ ’捌 赠 ｌ 、 ５０ ＼ Ｊ０ ３．０ ５．０ 时间／Ｓ 图７ １辆车电制动故障时。 列车以等磨耗方式施加 空气制动时车轮踏面温度变化曲线 第６期 地铁车辆制动系统空气制动施加方式及特点分析 从图６、图７可以看出，列车在相同的初始条件下 进行车轮踏面热负荷仿真计算时，采用等黏着制动方式 ５ 结论 地铁车辆在电空混合制动控制系统在施加空气制 时，每次都优先以拖车空气制动作为补充，通常情况下 动车基本不施加或很少施加空气制动。此时拖车车轮 动时，可以采用等黏着的施加方式也可以采用等磨耗的 施加方式，其特点如下： （１）列车电制动正常工作，且按正常制动级位进行 停车制动的条件下，列车制动过程基本不使用空气制 动，因此等黏着和等磨耗两种纯空气的制动模式均几乎 对踏面不会产生不良影响。 踏面工作温度将远远高于动车车轮踏面，拖车车轮踏面 最高温度达到２７２。Ｃ。 而采用等磨耗制动方式时，由于需要补充的空气制 动力被平均分配在每个动车、拖车上，此时拖车车轮踏 面承受的部分热负荷被动车车轮踏面分担，因此该方式 下拖车车轮踏面温度要小于采用等黏着制动方式，从图 ７可以看出此时车轮踏面最高温度为１６４。Ｃ。 ４．２ 车轮踏面磨耗影响对比分析 ４．２．１ 电制动正常，制动减速度适中工况 （２）在电制动发生故障或制动减速度过大时，采用 等黏着的施加方式拖车车轮踏面温度明显高于动车车 轮踏面，拖车车轮踏面磨耗速度将明显高于动车，且拖 车车轮踏面发生擦伤的概率要大于动车。 （３）采用等磨耗的施加方式拖车、动车车轮踏面的 磨耗速度基本一致，但由于动车会频繁同时施加电、空 两种制动方式，其总制动力大于拖车，因此动车车轮踏 面发生擦伤的概率要远大于拖车。 综上所述，等黏着和等磨耗两种空气制动施加方式 在列车电制动正常工作时，对踏面的影响相差不大，但 电制动发生故障或制动减速度过大时则各有一定的利 弊，在此仅对两种方式的特点进行简单分析说明，各地 由４．１的相关计算结果可知，在电制动正常工作的 情况下，若以正常的制动级位进行停车制动，则列车速 度在５ ｋｍ／ｈ以上时，基本不需要施加空气制动。因此 等磨耗制动控制方式和等黏着制动控制方式对车轮踏 面的磨耗没有明显的影响。 ４．２．２ 电制动停止工作，或制动减速度过大需要补充 空气制动工况 铁公司在进行车辆设计时应根据实际需求情况优先选 取。 在电制动停止工作或制动减速度过大需要空气制 动进行补充制动力时，若采用等黏着制动控制方式时由 于拖车频繁施加空气制动，而动车施加空气制动相对较 少，因此拖车车轮踏面磨耗速度将明显大于动车车轮， 且过高的制动力容易导致拖车的车轮发生擦伤。 若采用等磨耗制动控制方式时，各车均承受相对较 参考文献 ［１］孙延焕．再生制动吸收设备的应用介绍［Ｊ］．电气化铁 道，２００５，（３）：４０—４１． ［２］王文健．轮轨滚动接触疲劳与磨损耦合关系及预防措施 研究［Ｄ］．西南交通大学，２００８． ［３］崔红光．浅谈国内地铁车辆制动系统［Ｊ］．四机科技， ２００７，（１）：７－１０． 小的摩擦制动力，动车、拖车车轮踏面磨耗情况基本一 致。但是，采用该控制方式时，由于动车经常同时施加 电制动和空气制动，其总制动力要大于拖车总制动力， 在该种情况下，如果车辆防滑装置工作不良将有可能导 致动车车轮擦伤。在该控制方式下，拖车车轮发生擦伤 的概率相对较小。 Ｅ４］ 内田清五著．陈 贺译．日本新干线列车制动系统 －ＪＭ］．北京：中国铁道出版社，２００４． ［５］曹玉璋．传热学［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社， ２００１ Ａｉｒ—Ｂｒａｋｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｅｔｒｏ Ｖｅｈｉｃｌｅ Ｂｒａｋｅ Ｓｙｓｔｅｍ Ｌ ＵＺｈｕｏ （Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ｍｅｔｒｏ Ｌｔｄ．，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１１ Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｍｅｔｒｏ ｖｅｈｉｃｌｅ ａｒｅ ｓｈｏｒｔ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｓｔａｔｉｏｎｓ，ｆｒｅｑｕｅｎｔ ｐｒｏｐｅｌｌｉｎｇ ａｎｄ ｂｒａｋｉｎｇ，ｈｉｇｈ ｂｒａ— ｋｉｎｇ ｄｅｃｅｌｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ａ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｄｕｃｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｂｒａｋｅ ｆｒｅｑｕｅｎｔｌｙ．Ｔｈｅ ｍｅｔｒｏ ｖｅｈｉｃｌｅ ｂｒａｋｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｑｕｉｔｅ ｃｏｍｐｌｉｃａｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅｓｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｅｔｒｏ ｖｅｈｉｃｌｅ；ａｉｒ ｂｒａｋｅ；ｅｑｕａｌ ａｄｈｅｓｉｖｅ ｆｏｒｃｅ；ｅｑｕａｌ ｗｈｅｅｌ ｗｅａｒ