地铁车辆电制动能力及特性对空气制动的影响分析

摘要：基于同一种列车编组型式及基础数据，分析三种不同牵引系统电制动能力及特性对空气制动的影响，确认牵引系统电制动对空气制动产生影响的主要因素及空气制动受影响的主要方面，提供地铁车辆制动力管理方式和电制动能力及特性优化的方向。

关键词：电制动；空气制动；电制动能力；电制动响应特性；制动力管理

1.引言

地铁车辆的制动力主要由牵引系统的电制动力和空气制动系统的摩擦制动力组成，而基于节能环保、降低损耗的考虑，在常用制动时均优先使用电制动力，电制动力不足以满足整车制动力需求时才使用空气制动系统的摩擦制动力，列车总的制动力由空气制动系统负责。在这种情况下，牵引系统的电制动能力与特性对空气制动系统的摩擦制动力影响就比较大，以三种不同的牵引系统电制动能力及特性为例，分析在同样情况下空气制动系统的摩擦制动力的状态，为地铁车辆制动力管理方式和牵引系统电制动能力及特性提供一种优化方向。

2.车辆编组型式及基础数据

为了保证分析客观可靠，采用目前国内普遍使用的四动两拖六辆编组的B型不锈钢地铁车辆为基础进行分析。列车编组型式如下：

+Tc－Mp－M—M－Mp－Tc+

M车： 无司机室的动车

Mp车： 无司机室带受电弓的动车

Tc车： 有司机室的拖车

空气制动系统基础制动采用踏面制动方式。列车采用受电弓受流，额定电压为DC1500V。列车最高运行速度为80km/h，最大常用制动平均减速度≥1.0m/s2，不同载荷下车重见下表1。

3.电制动能力及特性

选取的三个牵引系统分别是日系、欧系以及国内主要牵引系统供应商的产品，取样其在1500V网压下的电制动能力。

3.1 日系牵引系统电制动能力及响应特性

日系牵引系统电制动能力及特性数值，见下表2。

3.2 欧系牵引系统电制动能力及响应特性

欧系牵引系统电制动能力及特性数值，见下表3。

3.3 国内主要供货商牵引系统电制动能力及响应特性

国内牵引系统电制动能力及特性数值，见下表4。

4.电制动能力及特性对空气制动系统的影响

4.1 电制动能力对空气制动的影响

4.1.1 电制动能力与整车制动力需求的对比

列车总的制动力需求公式：F=sum{M*a_e_g}

其中：F为列车总的制动力需求；

M为每节车的全部制动质量（包括旋转质量，拖车取1.05倍车重，动车取1.1倍车重）；

a_e_g为车辆的瞬时减速度。

列车的瞬时减速度计算公式如下：a_e_g=v2/2（s-t_e*v）

其中：v为列车制动时的最高速度，取80km/h；

s为列车平均减速度下的制动距离；

t_e为等效响应时间，t_e=t10+[（t90-t10）/2]，是空气制动空走时间与制动缸压力从最高压力的10%到最高压力的90%的时间的一半之和，t90取1.5s，t10为空走时间，取0.4s。

列车总的制动力需求如下：

电制动能力与整车制动力需求对比见下表：

仅从电制动能力来看，日系牵引系统和国内牵引系统在AW0和AW2载荷条件下，均要补充一定的空气制动，欧系牵引系统在AW0和AW2载荷条件下几乎不需要补充空气制动，在AW3载荷条件下需要空气制动的补充。但从表2到表4中所需粘着来看，欧系系统在进行计算时，并没有按照最大0.16的粘着限制来提供曲线。

4.1.2 不同载荷条件下制动过程中空气制动补充状态

以下是不同载荷条件下不同牵引系统时空气制动力的补充状态：

a）AW0载荷条件下空气制动补充状态见图1至图3；

b）AW2载荷条件下空气制动补充状态见图4至图6；

c）AW3载荷条件下空气制动补充状态见图7至图9。

4.1.3 影响分析

1）从高速阶段电制动能力的表现来说，欧系牵引系统和国产牵引系统的电制动在最高速度时均能发挥到最大，可以有效的减少由于电制动特性造成的高速部分电制动能力不足的问题，日系牵引系统在高速阶段无法发挥到最大，会导致空气制动在高速阶段持续深度补充，并随着速度的降低逐渐缓解；

2）电制动最大能力有所区别，导致采用不同牵引系统时，空气制动力补充的多少会所不同。从电制动最大能力来看，采用欧系牵引系统时，在AW0＼AW2载荷条件下最大常用制动时几乎可以不用补充空气制动，在AW3载荷条件下最大常用制动时需要补充少量空气制动；采用国产牵引系统时，在AW0＼AW2载荷条件下最大常用制动时需要补充少量空气制动，在AW3载荷条件下最大常用制动时需要补充多一些空气制动；采用日系牵引系统时，在AW0＼AW2＼AW3载荷条件下最大常用制动时均需要补充空气制动。当然，在考虑粘着限制0.16的前提下，在AW0载荷条件下最大常用制动时空气制动均需要补充。

4.2 电制动特性对空气制动的影响

为了便于比较，采用三种牵引系统均能发挥最大牵引力的速度区段（50km/h），假定在AW2载荷时最大常用制动状态下，惰行-制动工况下，对制动初期空气制动状态进行分析。

4.2.1制动初期空气制动力的补充状态

以下是不同牵引系统时空气制动力的补充状态：

a）在进行制动力管理设计时，制动初期采用电制动真实值进行混合制动，空气制动补充状态见图10至图12；

b）在进行制动力管理设计时，制动初期1.5s内采用电制动能力值进行混合制动，空气制动补充状态见图13至图15。

4.2.2影响分析

1）从图10到图12可以看出，在制动初期电制动的响应特性会影响到空气制动的补充状态，电制动响应速度越快，空气制动出现浪涌式补充的尖峰就越小，持续时间也会有所缩短；

2）从图13到图15可以看出，制动力管理方案对于空气制动的补充状态至关重要，制动初期1.5s内采用电制动能力值进行混合制动可以有效的减少空气制动浪涌式补充的持续时间和大小。

5.结论

在实际应用中，由于很多线路都采用了ATO运行模式甚至是无人驾驶模式，在这些运行/驾驶模式下，由于列车要根据速度-距离曲线频繁调整驾驶状态，也就会造成列车频繁的在牵引-制动之间进行切换，空气制动补充的状态比指令在惰性-制动之间进行切换更为恶劣。从以上的分析可以看出，电制动的能力和特性影响到空气制动力的施加状态，空气制动的频繁施加和浪涌式补充会加速空气制动闸瓦/闸片的磨耗，更有可能造成轮对踏面和闸瓦/闸片的异常磨耗。

采用以下措施可以有效的减少空气制动闸瓦/闸片的磨耗：

（1）提高电制动在高速区间段的制动能力；

（2）改善电制动在高速区间段的特性；

（3）提高电制动的响应速度；

（4）改善信号系统控车时的指令切换方式；

（5）在进行制动力管理方案设计时，考虑电制动响应速度，优化制动初期使用电制动能力值的时间，可以有效的减小甚至避免空气制动浪涌式的补充。

作者简介：

刘军 （1977-），男，高级工程师，沈阳中车轨道交通装备有限公司，辽宁 沈阳 110141

付建鹏（1981-），男，正高级工程师，中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116022