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地铁车辆基础制动装置

地铁车辆基础制动装置介绍了地铁车辆基础制动装置的特点，分析了踏面制动和盘形制动的不同，得出盘形制动的优势。

地铁车辆基础制动装置【1】

摘要：介绍了地铁车辆基础制动装置的特点，分析了踏面制动和盘形制动的不同，得出盘形制动的优势。

关键词：地铁车辆制动盘形制动

1 概述

随着我国城市化进程的发展，城市吸引力不断扩大，人口集聚力不断增强，大、中城市人口数量屡创新高。

为了更好的缓解城市交通拥堵的问题，许多城市选择了建设轨道交通来改善交通状况。

地铁车辆的运行速度也由最初的60km/h，逐渐提高到80 km/h、100 km/h，甚至更高。

车辆在高速运行中必须依赖制动系统调节列车运行速度和及时准确地在预定地在预定地点停车，保证列车安全正点地运行。

制动系统是地铁车辆安全可靠运行的基本保障，通常包括空气制动机、基础制动装置、手制动机。

基础制动装置是确保地铁车辆行车安全的最重要的措施之一，它最基本的功能是吸收制动动能并将之转化为热能散发到空气中。

基础制动装置分为两类：一类是由踏面和闸瓦组成摩擦副的踏面制动;一类是由制动盘和闸片组成摩擦副的盘形制动。

2 地铁车辆制动的特点

地铁与铁路虽都属于轨道交通，但地铁车辆主要在城市内运营与铁路运输还是存在一些区别，在车辆制动方面主要有以下特点。

2.1 制动频繁

地铁车站之间距离较近，平均在1公里左右，这必然带来车辆须频繁启动、制动，以满足乘客上、下车的需要。

而铁路运输两个车站之间的距离通长在几十公里以上。

2.2 制动减速度大

地铁站间距短，要提高乘客旅行速度只有增加启动加速度和制动减速度。

因此地铁车辆紧急制动平均减速度一般要求大于等于1.2m/s2, 而铁路机车车辆和动车组的紧急制动平均减速度一般为0.7-1.2 m/s2。

2.3 制动精度高

地铁车站站台上均安装有屏蔽门系统，因此车辆定点停车的精度要求比铁路机车车辆和动车组高，一般在00mm左右。

这些特点要求地铁车辆制动系统须有稳定的摩擦副和良好的控制精度能力以及承受频繁制动热负荷的性能。

3 盘形制动与踏面制动比较

3.1 制动对车轮的影响

(1)踏面制动的热负荷

从热应力角度考虑：评价赫兹接触应力和热应力共同作用引起的车轮损伤, 如图1所示, 图1中横坐标为车轮踏面最大热应力，纵坐标

为轮轨接触最大赫兹接触压力, 区域a是常用制动区, 区域b是少量制动区, 区域c是危险区。

图1 车轮热损伤评价示意

图2 车轮踏面非正常磨耗

在制动频繁、热负荷较大的城轨车辆上，使用热负荷性能较高的合成闸瓦，导致制动过程中产生总热能的90%以上被车轮吸收。

因此当车轮踏面最高热应力位于赫兹接触应力和热应力共同作用的危险区域，导致车轮踏面异常损伤。

在上海地铁、广州地铁、北京地铁均批量出现过车轮踏面非正常磨耗。

(见图2)车轮踏面异常磨耗将会恶化轮轨匹配关系，严重影响行车安全。

(2)盘形制动

由于盘形制动是由制动盘和闸片组成摩擦副，制动过程中产生的热能对车轮不产生直接影响。

3.2 轮缘润滑对制动系统的影响

(1)踏面制动

在曲线多、弯曲半径小的城轨线路上，为了减少轮缘和钢轨的磨损和降低车辆通过曲线时的噪声，均采用轮缘润滑。

由于润滑剂残留在车轮踏面和钢轨上，降低了轮轨间的粘着系数和摩擦系数，使制动力难以保证，列车紧急制动距离将被延长。

这给高密度行车的地铁车辆运行留下了安全隐患。

(2)盘形制动

盘形制动的摩擦系数不受轮轨间的状态影响，制动力在曲线上不会发生可以得到保证。

3.3 成本的影响

车辆基础制动装置的成本是包含设备购置费和运营成本的全寿命成本。

(1)踏面制动

踏面制动的全寿命成本主要由设备购置费、闸瓦消耗、车轮磨损等构成。

经过某条使用踏面制动地铁线路统计1年有526条轮对需要旋修，其中274条轮对发生非正常磨耗，占52.1%。

全年旋修轮对每条平均被切削8.89mm。

地铁车辆的车轮直径一般为840mm，磨耗到限的车轮直径是770mm，则1条轮对1年被切削量占12.7%。

这大大缩短了轮对的使用寿命，增加轮对成本。

(2)盘形制动

盘形制动的全寿命成本主要由设备购置费、闸片消耗。

采用盘形制动，将减少车轮踏面非正常磨耗，延长轮对镟修周期，有利于延长车轮使用寿命。

从设备购置费来看，盘形制动要比踏面制动高出20%左右。

从材料消耗来看，虽然每辆车使用的闸片数量比闸瓦大，但由于闸片使用寿命普遍高于闸瓦，因此费用基本相同。

从长期运营来看，踏面制动缩短了轮对的使用寿命，增加了轮对成本的支出。

4 盘形制动计算

我们以4动2拖b 型地铁车辆为例，计算不同速度下制动时列车的制动距离、制动盘片压力、轮/轨粘着力。

制动距离：

s = v2 /

整列车的平均减速度：

a1= v * a2 / (v + 2 * a2 * t1)

整列车的瞬间减速度：

a2= sum(a3) - g * sin(a) /

(a3：单量车瞬时减速度;a：倾角;mr：整车的转动惯量;m：全部车辆惯量)

制动盘片压力：

p= f / k

f：每个制动盘的制动力;k：每个制动盘的有效摩擦面积;

必需的轮/轨粘着力：

= / m * g

f2：动力制动在轮径上的减速度;mr：每个转向架的转动惯量;m：每个转向架的惯量

具体计算结果见表1

表1

从表1计算结果可以看出制动盘片压力、制动距离、轮/轨粘着力均满足地铁车辆制动的要求。

5 结论

(1)在地铁车辆运行速度在100km/h及以上的城市轨道交通线路上，应采用盘形制动方式。

(2)在曲线多、弯曲半径小的城市轨道交通线路，采用盘形制动更加安全。

(3)根据我国各地城市轨道交通车辆的运营情况，综合分析运营维护成本可以看出，采用盘形制动方式综合性价比更好。

参考文献：

g.donzella(意大利).闸瓦制动对实心车轮残余应力水平的影响.国外机车车辆工艺,2000,(5):38-45.

王京波.合成闸瓦对车轮热影响的研究.铁道机车车辆,2003,23(2):77-82.

地铁车辆再生制动能量吸收装置设置的分析【2】

摘要：随着国内各城市轨道交通建设的发展，节能减排需求日趋明显，本文从目前国内外轨道交通再生制动能量吸收装置使用情况出发，分析了各类装置的优缺点，着重介绍了逆变至中压型再生制动能量吸收装置，并讨论了成都市地铁10号线一期工程再生制动能量吸收装置设置、经济性等，最后展望逆变至中压型再生制动能量吸收装置在轨道交通行业的应用前景，作为今后轨道交通节能减排的参考。关键词：再生制动;逆变至中压型;轨道交通;节能减排

1.概述

轨道交通作为一种大运量、高密度的交通工具，它在城市公共交通中扮演着越来越重要的角色，其列车运行具有站间运行距离短、运行速度较高、起动及制动频繁等特点。

目前轨道交通普遍采用的vvvf动车组列车，其制动一般为电制动(再生制动、电阻制动)和空气制动两级制动，运行中以再生制动和电阻制动为主，空气制动为辅。

传统的列车电阻制动做法是将制动电阻装设在车辆底部，当再生电阻不再起作用时采用空气制动。

传统的列车电阻制动产生的大量热量散发在地铁隧道内，在大运量、高密度的运行条件下，使地铁洞体的温升加剧，增加了环控系统的压力。

随着科技的进步和技术的发展，人们在节约能源、减少排放、环境保护方面意识逐渐增强，在全球倡导节能、低碳的今天，城市轨道交通中的再生制动能量回收利用问题得到了全世界轨道交通界的广泛关注。

在城市轨道交通系统中，对有效利用城市轨道电动车组再生制动所产生的电能以减少城市轨道交通运营的用电量，同时改善城市轨道交通公共场所的环境以消除对城市环境和人民身体的影响是非常重要的。

因此在牵引供电系统中装设电能吸收装置对再生制动所产生的电能进行吸收、储存和再利用是必要的，人们在这方面进行了有益的探

索。

2.再生制动能量吸收装置技术发展现状

目前再生制动能量吸收装置类型主要分三大类，即消耗型(主要包括电阻耗能型)、储能型(主要包括电容、电池、飞轮)和回馈型(低压回馈型和中压回馈型)。

较常用的有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型四种方式。

其主要工作原理是：当处于再生制动工况的列车产生的制动能量不能完全被其它车辆和本车的用电设备吸收时，牵引网电压将很快上升，网压上升到一定程度后，牵引变电所中设置的再生能量吸收装置投入工作，吸收掉多余的再生电流，使车辆再生电流持续稳定，以最大限度地发挥再生制动性能。

几种再生制动能量吸收装置接线方式如下：

2.1电阻耗能型

电阻耗能型再生能量吸收装置主要采用多相igbt斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式，根据再生制动时直流母线电压的变化状态调节斩波器的占空比，从而改变吸收功率，将直流电压恒定在某一设定值的范围内，并将制动能量消耗在吸收电阻上。

该装置控制简单和直观，可以取消(或减少)列车电阻制动装置，降低车辆投资，提高列车动力性能;能够降低隧道温度、减少闸瓦制动对闸瓦的消耗和闸瓦制动粉尘、净化隧道环境，国内有比较成熟产品制造，价格较低;判断是否有再生能量需要吸收的判断条件完善，不

会引起误判，造成电能的额外消耗。

但是该装置对再生能量不能有效利用;电阻散热导致环境温度上升，设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，需设置相应的通风动力装置，增加相应的投资。

2.2电容储能型

电容储能型再生能量吸收装置主要采用igbt逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组中，当供电区间内有列车起动、加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去并进行再利用。

电容储能装置具有储能(储存车辆再生能量)和稳压(稳定牵引网电压)两种工作模式。

两种工作模式可以相互切换。

该技术有效利用了列车制动时再生能量，节能效益好;直接接在牵引网或变电所正负母线间，再生能量直接在直流系统内转换，对系统不会造成影响;该装置为静态电容储能装置，维护和元器件更换较为方便。

装置的缺点是目前国内无成功的运行经验，国外产品价格较高;电容发生故障时，装置无法继续正常工作。

2.3飞轮储能型

该产品对变电所直流空载电压、母线电压的跟踪判断，确定是否有列车在再生制动且再生能量不能完全被本车辅助设备和相邻车辆吸收，当判断变电所附近列车有再生能量需要吸收时，飞轮加速转动，储存能量;当判断变电所附近有列车启动牵引用电时，飞轮转速降低，

作为发电设备向牵引网反馈电能。

该产品除具有电能吸收功能外还具有稳压功能，该技术有效利用了列车制动时再生能量，具有节能效益;直接接在牵引网与回流轨间或变电所正负母线间，再生能量直接在直流系统内转换，对系统不会造成影响。

但是飞轮毕竟是高速转动机械产品，尽管采用了真空环境和特殊轴类制造技术，但难免担心其使用寿命是否能满足要求，维护维修是否方便。

国内外成熟产品极少，投资经济性差。

2.4逆变回馈型

逆变回馈型再生能量吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率三相逆变器，该逆变器的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上;当再生制动使直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。