160 km/h新型磁浮列車液壓制動系統(tǒng)的設(shè)計

杜慧杰 劉中華 劉 政 曲秋芬 吉振山 吳 桐

(中車唐山機車車輛有限公司，063035，唐山//第一作者，工程師)

160 km/h新型磁浮列車采用電磁永磁混合懸浮技術(shù)，牽引采用同步永磁直線電機，牽引效率高，比現(xiàn)有低速磁浮列車節(jié)能20%以上，適用于城市之間的短距離運行。其常用制動完全采用電制動，可滿足車輛正常制動、懸浮停車的需求；液壓制動不參與電制動的協(xié)調(diào)配合。

160 km/h磁浮列車液壓制動系統(tǒng)在制動夾鉗數(shù)量、夾鉗用油量和管路長度方面比有軌電車液壓制動系統(tǒng)多數(shù)倍，綜合起來，其制動用油量是有軌電車制動系統(tǒng)的數(shù)10倍，這將延緩制動響應(yīng)速度。為盡可能地縮短制動響應(yīng)時間，必須提高系統(tǒng)供油量和管路流量，同時盡可能減小制動過程的用油量。

1 液壓制動控制系統(tǒng)組成

液壓制動控制系統(tǒng)由電子制動控制單元(VSS)、液壓動力單元(HPU)、蓄能器、泵控模塊、制動夾鉗及管路等組成。其中，VSS為制動系統(tǒng)的控制元件；HPU和泵控模塊為制動系統(tǒng)的動力裝置；制動夾鉗為執(zhí)行元件；蓄能器為儲能裝置；管路為液壓油傳輸?shù)慕橘|(zhì)。

1.1 VSS

VSS的主要功能包括數(shù)字量輸入輸出、模擬量輸入、電機控制及故障存儲、人機接口。其電氣原理圖如圖1所示。

制動控制指令的發(fā)送和接收是通過緊急制動施加和強迫制動緩解2根列車制動控制硬線來實現(xiàn)的。VSS采集列車制動控制硬線指令信號，以及溫度開關(guān)、油位開關(guān)、壓力開關(guān)、壓力傳感器的狀態(tài)反饋，根據(jù)車輛制動系統(tǒng)的工作狀態(tài)，將制動緩解、主要故障及主要數(shù)據(jù)等信號通過列車制動控制硬線發(fā)送給列車控制單元，用于診斷和監(jiān)控。

緊急制動可通過安全環(huán)路觸發(fā)，緊急制動環(huán)路繼電器斷開，同時通過列車制動控制硬線反饋給列車控制單元，用于故障診斷。

1.2 HPU

每輛車安裝1套HPU，同時為10個制動夾鉗提供制動動力。制動力的大小由減壓閥(SV2)預(yù)先設(shè)定。液壓制動原理圖如圖2所示。

HPU由電機、齒輪泵、電磁換向閥、溢流閥、單向閥等組成，回路外接到蓄能器。蓄能器的充液壓力由壓力開關(guān)經(jīng)VSS控制，工作壓力為12～15 MPa。當蓄能器內(nèi)壓力低于設(shè)定下限時，電機啟動，帶動齒輪泵工作；當蓄能器充液壓力達到上限設(shè)定壓力時，關(guān)閉電機停止充液。蓄能器為系統(tǒng)儲存液壓動力，保證制動回路能夠快速建立相應(yīng)的制動壓力。

圖1 VSS電氣原理圖

M———電機;SV1———溢流閥;F1———過濾器;RV1/2/3———單向閥;SW———壓力開關(guān);AV———兩位兩通換向閥;YV2———兩位兩通電磁換向閥;YV1———兩位三通電磁換向閥;SV2———減壓閥;B1———壓力傳感器;P1/2———測試接口;A1———蓄能器;A2———制動油缸

2 制動計算

2.1 用油量校核

磁浮車輛制動管路較長(約50 m)，管路容腔較大，對制動系統(tǒng)供油量、流量和響應(yīng)時間的影響較大，本文對其進行分析。

2.1.1 緊急制動的用油量

(1)單輛車10臺夾鉗最大用油量(無磨耗)：活塞缸直徑為40 mm、油缸行程為22.2 mm時，用油量為27.90 mL，則10臺夾鉗用油量為279.0 mL。

(2) 單輛車10臺夾鉗最大用油量(閘片磨耗到限)：活塞缸直徑為40 mm、油缸在最不利條件下的最大行程為66.4 mm時，用油量為83.44 mL，則10臺夾鉗在最不利條件下的用油量為834.4 mL。

根據(jù)以上計算結(jié)果，兩個蓄能器的儲油量為2×990 mL=1 980 mL，鋼管路的儲油量為2 047.72 mL(507.92 mL+1 539.8 mL)，10臺夾鉗活塞缸最大用油量為834.4 mL，總油量為2 882.12 mL。液壓單元油箱的最大儲油量為8 000 mL，滿足制動用油需求。

2.1.2 緩解狀態(tài)下管路充滿油液的方法

由于HPU在制動管路下方，在緩解狀態(tài)下，為了避免主管路內(nèi)油液在重力作用下流回HPU油箱，在制動回路增加了兩個并聯(lián)的反向單向閥。單向閥的開啟壓力為0.01～0.05 MPa。單向閥使得制動緩解狀態(tài)下制動回路存在殘存壓力(壓力大小由單向閥的開啟壓力決定)，避免了主管路排空油液，能減少制動用油量和縮短制動響應(yīng)時間。

若在制動緩解狀態(tài)下制動主管路排空或部分排空，則會造成液壓油箱內(nèi)油位升高。通過液位開關(guān)可監(jiān)測油箱油位，若油位超過設(shè)定的警戒線，將觸發(fā)報警裝置。

2.2 制動響應(yīng)時間仿真分析

在無磨耗情況下，管路處于油液充滿狀態(tài)，制動用油量為279.0 mL；在全磨耗情況下，管路處于油液充滿狀態(tài)，制動用油量為834.4 mL。對無任何磨耗下的夾鉗和管路無空氣下的液壓制動系統(tǒng)基于圖3所示模型進行仿真計算。仿真結(jié)果如圖4所示。

圖3 液壓制動仿真模型

圖4 制動缸壓力響應(yīng)曲線

由圖4可見，減壓閥平均流量在15～16 L/min，制動油缸升壓時間在1.2 s。該仿真沒有考慮電氣延遲及液壓閥動作延遲(約0.2 s)。 綜上所述，在閘片/軌道無磨耗、管路無空氣、忽略管接頭的節(jié)流作用的情況下，制動系統(tǒng)的計算響應(yīng)時間為1.4 s。

3 結(jié)語

液壓制動系統(tǒng)采用故障導(dǎo)向原則進行設(shè)計，具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、安全性高、操作簡捷、制動響應(yīng)快、模塊化等特點，能夠滿足總體設(shè)計對液壓制動系統(tǒng)的要求。在滿足車輛運行安全的前提下，考慮設(shè)備冗余的必要性。