寇良朋 上海軌道交通設(shè)備發(fā)展有限公司

淺析節(jié)能技術(shù)在地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

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介紹了地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)中的節(jié)能技術(shù)進(jìn)行了闡述，指出通過降低制動(dòng)初速度、對(duì)制動(dòng)能量回收和優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng)可以降低制動(dòng)能耗，并指出新的制動(dòng)技術(shù)可以進(jìn)一步降低能耗，節(jié)約能源。

地鐵；制動(dòng)；節(jié)能

Abstract: The article introduces metro train braking system development and energy saving technology of braking system. The author points out reducing braking energy consumption through lowering braking initiative velocity, recycling braking energy and optimizing braking system. New braking technology can reduce energy consumption and save energy further more.

Key words: Metro, Braking, Energy Saving

伴隨著中國城鎮(zhèn)化的進(jìn)程，中大城市的人口越來越多、越來越密集，城市交通問題也越來越突出。地鐵由于具有運(yùn)量大、速度快、安全性高等特點(diǎn)已成為城市中重要的公共交通工具。地鐵用電能來驅(qū)動(dòng)，是城市用電大戶，能源消耗總量過大是目前城市軌道交通面臨的主要問題，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國城市軌道交通系統(tǒng)能耗支出占運(yùn)輸能耗總支出的比例高達(dá) 35%，因而降低地鐵能耗是一個(gè)必須要解決的問題[1]。地鐵車輛運(yùn)行站間距一般較小，運(yùn)行過程中需要頻繁的啟停。為保證地鐵車輛安全、穩(wěn)定可靠的停下，就需要制動(dòng)系統(tǒng)可靠的工作。所謂制動(dòng)就是人為地、有控制地對(duì)運(yùn)行著的列車施加阻力，以使列車減速、停車，或阻止列車加速。制動(dòng)的實(shí)質(zhì)是能量的轉(zhuǎn)化，即列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為其它形式的能量。

除牽引系統(tǒng)外，制動(dòng)系統(tǒng)所消耗的能量占了較大比例。

1 制動(dòng)系統(tǒng)種類

自從1863年第一條地下鐵路在倫敦誕生以來[2]，地鐵列車的制動(dòng)技術(shù)隨著干線列車的制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展而不斷改進(jìn)，優(yōu)化。列車制動(dòng)形式的發(fā)展詳見表1。

表1 列車制動(dòng)形式

早期的制動(dòng)是人工操作：司機(jī)攪動(dòng)剎車鋼絲，使閘瓦緊貼車輪踏面。用摩擦力使車輪減速直至停止，列車的動(dòng)能通過閘瓦與車輪的摩擦，以熱能的形式散發(fā)出去。這種原始的制動(dòng)形式既不安全也不節(jié)能。空氣制動(dòng)機(jī)出現(xiàn)后，代替原來的機(jī)械式制動(dòng)，用壓縮空氣推動(dòng)閘瓦貼合在車輪踏面或制動(dòng)盤上。在安全性和可靠性上都有了極大的提高，廣泛應(yīng)用于鐵路、地鐵及其它軌道交通車輛上。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)30年代，出現(xiàn)了以電信號(hào)來傳遞制動(dòng)指令的制動(dòng)控制系統(tǒng)，由于采用電信號(hào)進(jìn)行傳遞制動(dòng)信息，傳輸速度得到較大提高，全列車的制動(dòng)信號(hào)一致性好，制動(dòng)時(shí)的沖擊較小，制動(dòng)距離也有所減小，提高了列車上車鉤、閘片等部件的壽命[3]。

隨著電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，列車牽引系統(tǒng)由原來的集中式向分散式發(fā)展，“火車跑得快，全靠車頭帶”在地鐵車輛的牽引系統(tǒng)中已經(jīng)很少；更多的是采用了分布式動(dòng)力系統(tǒng)。如圖1所示為上海地鐵6號(hào)線車輛牽引動(dòng)力分布，四輛編組的列車中，中間兩節(jié)為動(dòng)車（每個(gè)車軸上安裝有牽引電機(jī)），兩邊各一節(jié)為拖車（無牽引電機(jī)）。這種分布式的牽引系統(tǒng)為電制動(dòng)在地鐵車輛中的應(yīng)用提供了前提條件。目前在地鐵車輛中制動(dòng)系統(tǒng)采用電制動(dòng)+空氣制動(dòng)的電空聯(lián)合制動(dòng)形式。

2 制動(dòng)過程中使用的節(jié)能技術(shù)

制動(dòng)本質(zhì)上就是將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化出去，直至動(dòng)能為零，列車靜止。目前采用的節(jié)能措施有：

a）降低所需的制動(dòng)能量，使所需轉(zhuǎn)化的能量最少；b）對(duì)列車動(dòng)能進(jìn)行回收再利用；

c）對(duì)制動(dòng)中關(guān)鍵部件進(jìn)行優(yōu)化,降低制動(dòng)系統(tǒng)本身的能耗。

2.1 挖掘列車惰行潛能 降低制動(dòng)初速度

在主城區(qū)內(nèi)，地鐵站間距一般在1.5 km左右，距離較短，列車實(shí)際運(yùn)行過程中一直處于啟動(dòng)—加速—制動(dòng)—進(jìn)站停車的循環(huán)狀態(tài)，這種運(yùn)行模式使?fàn)恳椭苿?dòng)都消耗大量的能量。經(jīng)過充分論證、試驗(yàn)后對(duì)列車運(yùn)行的控制算法進(jìn)行優(yōu)化，列車運(yùn)行過程優(yōu)化為啟動(dòng)—加速—惰行—制動(dòng)—進(jìn)站停車的循環(huán)狀態(tài)。在保證站與站之間運(yùn)行時(shí)間不變的情況下，優(yōu)化列車速度與時(shí)間的關(guān)系，詳見圖2。由圖2可看出，優(yōu)化之后，列車運(yùn)行的最大速度降低，牽引所需能量減少；優(yōu)化之后惰行時(shí)間延長為（t3-t1）,對(duì)應(yīng)的制動(dòng)初速度由Ve降為Vc，制動(dòng)所需轉(zhuǎn)化的動(dòng)能由。另外，閘瓦的磨耗也有所減輕，使用壽命更長，降低更換頻率。根據(jù)廣州地鐵某線路統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：采用優(yōu)化控制策略后能降低能耗7%左右。

圖1 上海地鐵6號(hào)線動(dòng)力分布

圖 2 控制策略優(yōu)化前后 列車速度與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系對(duì)比

2.2 制動(dòng)能量回收

在電空制動(dòng)系統(tǒng)中除了由壓縮空氣控制的摩擦制動(dòng)外，還有動(dòng)力制動(dòng)（電制動(dòng)），基本原理是：在制動(dòng)時(shí)牽引電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能。

根據(jù)對(duì)電能的不同處理方式又分為再生制動(dòng)和電阻制動(dòng)。再生制動(dòng)是把電能通過變流器逆向變換，返回電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)能量的回收。電阻制動(dòng)是把電能直接消耗在制動(dòng)電阻上轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒊鋈?。早期的地鐵線路曾廣泛使用電阻制動(dòng)來代替空氣摩擦制動(dòng)，使地鐵列車能夠充分使用電制動(dòng)，降低制動(dòng)閘片的磨耗，使列車動(dòng)能盡量通過電阻發(fā)熱轉(zhuǎn)移出去。

再生制動(dòng)出現(xiàn)以后，一般是與電阻制動(dòng)聯(lián)合使用。再生/電阻制動(dòng)原理框圖如圖3所示。當(dāng)列車控制系統(tǒng)發(fā)出制動(dòng)指令后，列車進(jìn)入再生制動(dòng)模式，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)化成發(fā)電機(jī)，將產(chǎn)生的電能反饋回電網(wǎng)。當(dāng)處于再生制動(dòng)狀況的列車回饋出去的電流不能完全被其它車輛或用電設(shè)備所吸收時(shí)，吸收裝置投入工作，吸收掉多余的回饋電流，使其消耗在吸收電阻（R）上，從而防止制動(dòng)列車向電網(wǎng)回饋能量而使電網(wǎng)電壓升高，超出正常范圍，這樣可使車輛最大限度地發(fā)揮電制動(dòng)功能。吸收裝置采用斬波器（VT）和吸收電阻配合，根據(jù)線網(wǎng)電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器導(dǎo)通比，從而改變吸收功率，將線網(wǎng)電壓維持在某一設(shè)定值范圍內(nèi)，以保證車輛的安全運(yùn)行[4]。上海1號(hào)線直流車進(jìn)行交流化改造后，其優(yōu)良的性能可使電能的再生率達(dá)到40%左右，節(jié)約了大量電能。

2.3 優(yōu)化制動(dòng)系統(tǒng) 降低能耗

雖然列車大部分動(dòng)能被電制動(dòng)吸收，但還是有部分動(dòng)能要靠空氣制動(dòng)系統(tǒng)的摩擦制動(dòng)來消耗。由于列車在低速時(shí)（一般在3～8 km/h）會(huì)切換到空氣制動(dòng)模式，另外緊急制動(dòng)一般也是純空氣制動(dòng)，因此制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)空氣的消耗和摩擦閘片的消耗也是不少的。在電空制動(dòng)系統(tǒng)中，所需要的壓縮空氣是由安裝在車上的空壓機(jī)組件供給的，空壓機(jī)把電能轉(zhuǎn)化為電機(jī)的動(dòng)能再轉(zhuǎn)化為壓縮空氣的壓力能，由于經(jīng)過了電能—?jiǎng)幽堋獕毫δ艿霓D(zhuǎn)化，能量利用率不高，活塞式空壓機(jī)效率在50%左右[5]，隨著空壓機(jī)技術(shù)的發(fā)展，螺桿式和渦旋式空壓機(jī)在列車上也已應(yīng)用，提高了能源利用效率。在制動(dòng)系統(tǒng)中，閘片屬于消耗品，更換頻率較高，增加了維修成本。為降低更換頻率，主要是從兩方面進(jìn)行改進(jìn)：第一，在保證安全的情況下，盡量采用電制動(dòng)，降低使用空氣制動(dòng)時(shí)的列車速度，這樣可以減少需要通過閘片轉(zhuǎn)移的動(dòng)能，從而減小閘片的磨耗 ，延長閘片使用壽命；第二，更換閘片材質(zhì)，早期的摩擦材料主要是鑄鐵，由于其價(jià)格低廉、導(dǎo)熱性好在鐵路車輛上曾廣泛使用，但因磨損較快，更換頻繁[6]。有機(jī)合成材料是將金屬粉末、酚醛樹脂和摩擦調(diào)節(jié)劑等經(jīng)充分混煉而成，耐磨性性好，使用壽命可達(dá)鑄鐵的4倍以上，目前在一些車輛上應(yīng)用，效果比較顯著。

圖3 再生/電阻制動(dòng)原理

3 節(jié)能新技術(shù)的展望

在電制動(dòng)過程中，由于電網(wǎng)網(wǎng)壓的限制，會(huì)有一部分能量通過吸收電阻發(fā)熱以熱能的形式散發(fā)出去。如果能夠把這些能量也暫時(shí)儲(chǔ)存起來，在隨后的列車啟動(dòng)、加速或照明、通風(fēng)等過程中加以利用，也是能量的回收，對(duì)降低能耗、節(jié)約成本有重要意義。

目前儲(chǔ)能形式主要有：電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能電池[7]。電容儲(chǔ)能主要是在車輛制動(dòng)過程中，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，并以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存在電容中。當(dāng)列車需要啟動(dòng)或加速時(shí)再將存儲(chǔ)的能量轉(zhuǎn)化為列車運(yùn)行的動(dòng)能。儲(chǔ)能器既有布置在車下作為車下設(shè)備的形式，也有隨車布置以車載設(shè)備的形式進(jìn)行安裝的。傳統(tǒng)的飛輪儲(chǔ)能廣泛應(yīng)用于汽車和沖床上，用來暫時(shí)儲(chǔ)存能量，以順利通過傳動(dòng)裝置的“死點(diǎn)”，但傳統(tǒng)飛輪的作用幾乎都是暫時(shí)存儲(chǔ)，現(xiàn)存先用。飛輪儲(chǔ)能電池是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換和儲(chǔ)存裝置，且能夠在一定時(shí)間內(nèi)維持能量、衰減很小。具有能量密度高、重量輕、壽命長等特點(diǎn)。能在較短時(shí)間內(nèi)儲(chǔ)存制動(dòng)過程列車的動(dòng)能，并滿足車輛啟動(dòng)時(shí)能量的需要提高列車的動(dòng)力性能。電容儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能目前在地鐵車輛上應(yīng)用的還較少；隨著技術(shù)的發(fā)展，未來在地鐵車輛上會(huì)有廣泛的應(yīng)用。

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Study on Energy Saving Technology Applied in Metro Train Braking System

Kou Liangpeng Shanghai Railway Transportation Equipment Development Co,,Ltd

10.13770/j.cnki.issn2095-705x.2017.09.012

寇良朋：助理工程師，主要從事地鐵車輛制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)。