文/曾憲華 上海軌道交通設備發(fā)展有限公司 （200233）

曾憲華(1979年~ )，男，碩士。2005年畢業(yè)于同濟大學鐵道與城市軌道交通研究院，獲得車輛工程碩士學位?，F(xiàn)為上海軌道交通設備發(fā)展有限公司磁浮開發(fā)部高級設計師，主要從事中低速磁浮車輛的開發(fā)工作。

一、引言

上海中低速磁浮列車由上海電氣（集團）總公司和上海磁浮工程技術(shù)中心聯(lián)合開發(fā)，具有自主知識產(chǎn)權(quán)。低速磁浮列車具有噪聲低、轉(zhuǎn)彎半徑小、爬坡能力強等優(yōu)點，適用于城市內(nèi)部、近郊和旅游景區(qū)的交通運輸，與地鐵、輕軌配合，能構(gòu)成合理的城市軌道交通體系。

列車制動系統(tǒng)和供風系統(tǒng)根據(jù)中低速磁浮車輛制動能力及救援支撐能力要求高、車下空間狹小的特點，并結(jié)合了壓縮空氣清潔無污染、液壓壓力高的優(yōu)點，采用控制及原動力為氣壓、執(zhí)行部分為液壓的方式。三輛車空氣管路系統(tǒng)配置相同,車輛之間采用軟管將列車主風連通。

根據(jù)《中低速磁浮交通車輛通用技術(shù)條件（送審稿）》的劃分，將與壓縮空氣相關(guān)的設備分成制動系統(tǒng)和供風系統(tǒng)，制動系統(tǒng)僅包括發(fā)揮制動功能的裝置，如制動控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)制動裝置；將除制動系統(tǒng)以外的其他用風設備統(tǒng)統(tǒng)歸于供風系統(tǒng)，如風源、空氣懸掛、救援支撐裝置及管路等。

表1 系統(tǒng)基本參數(shù)

二、制動系統(tǒng)

制動系統(tǒng)負責列車調(diào)速與安全停車，制動方式有常用制動、快速制動和緊急制動，緊急制動獨立于常用制動和快速制動，為純空氣制動。系統(tǒng)由制動控制系統(tǒng)和基礎(chǔ)制動裝置組成，制動控制系統(tǒng)采用微機控制的模擬式直通電空制動系統(tǒng)，由MBCU（微機制動控制單元）和PBCU1（氣制動控制單元）組成；基礎(chǔ)制動裝置采用氣-液轉(zhuǎn)換增壓驅(qū)動模式，由增壓缸和制動夾鉗組成。

1.制動控制系統(tǒng)

制動控制系統(tǒng)負責將列車的制動指令，轉(zhuǎn)化成列車制動需要輸出的氣壓信號。如圖1所示，接收信號有列車線信號，來自CCU（列車控制單元）的網(wǎng)絡信號和來自DCU（牽引控制單元）的信號；輸出氣壓信號到制動隔離閥。

(1) MBCU

MBCU采用標準機箱，由電源、CPU、EP控制、I/O等模塊組成，安裝在車廂內(nèi)的電器柜中。MBCU將制動指令轉(zhuǎn)換成列車制動所需的電信號，此外負責制動系統(tǒng)、供風系統(tǒng)與列車通訊，具體功能如下：

①根據(jù)列車速度、車重和制動指令計算所需的制動力。

②按照優(yōu)先、充分發(fā)揮動力制動能力的原則，進行動力制動與空氣制動的配合控制。

③進行防沖動控制，通過控制動力制動與空氣制動間的平滑過渡及減速度的變化率，提高乘坐舒適性。

④負責空壓機的部分功能控制與故障檢測。

⑤信息檢測與報告。檢測制動系統(tǒng)和供風系統(tǒng)狀態(tài)，自動記錄故障并顯示有關(guān)信息，及時向CCU（列車控制單元）發(fā)送信息，并能夠接受CCU的信息與指令。

(2) PBCU1

PBCU1是一塊集成氣路屏，是將制動力的電信號轉(zhuǎn)化成氣壓信號來控制氣壓原動力的裝置。如圖2和圖3所示，PBCU1由制動電磁閥、緩解電磁閥、緊急電磁閥、均壓閥、空重車閥、中繼閥、壓力開關(guān)、壓力傳感器、測試接口等組成。

制動時，PBCU1根據(jù)MBCU發(fā)來的電信號，驅(qū)動制動電磁閥和緩解電磁閥動作，將來自制動風缸的空氣壓力轉(zhuǎn)換成與制動指令相對應的預控制壓力，預控制壓力通過緊急閥、空重車閥到達中繼閥，打開中繼閥中制動風缸與制動缸（增壓缸）的通路，最后使制動缸（增壓缸）獲得要求的空氣壓力。

緊急制動時，來自制動風缸的壓縮空氣經(jīng)過緊急電磁閥，到達空重車閥，經(jīng)過空重車閥的調(diào)整，根據(jù)車輛載荷形成預控制壓力，最后使制動缸（增壓缸）獲得要求的空氣壓力。

緩解時，MBCU發(fā)出緩解指令，PBCU1中的緩解電磁閥打開，將預控制壓力排向大氣，中繼閥中切斷制動風缸通向制動缸（增壓缸）的通路，打開制動缸（增壓缸）通向大氣的通路，制動缸（增壓缸）排氣。

圖2 PBCU1氣路原理

均壓閥將兩路來自空氣彈簧的壓力信號進行平均后，一方面，由壓力傳感器將信號傳給MBCU，在常用制動時用于車輛載荷計算；另一方面，在緊急制動時用于控制經(jīng)過空重車閥形成的預控制壓力與車輛載荷相對應。

圖3 PBCU1和PBCU2

2.基礎(chǔ)制動裝置

基礎(chǔ)制動裝置由增壓缸（氣液轉(zhuǎn)換器）和制動夾鉗組成。一個增壓缸驅(qū)動一副制動夾鉗。每個懸浮模塊配置一套基礎(chǔ)制動裝置，增壓缸安裝于懸浮架縱梁側(cè)面的安裝板上，制動夾鉗安裝于電磁鐵外側(cè)極板的中間。每輛車中間的三個懸浮架左右兩個懸浮模塊各安裝一套基礎(chǔ)制動裝置，共6套。頭尾懸浮架的懸浮模塊已設置了安裝接口，可根據(jù)制動力需求調(diào)整配置數(shù)量。

如圖4和圖5所示，該制動夾鉗屬于浮動式夾鉗。制動時，增壓缸壓力升高，驅(qū)動夾鉗主動側(cè)內(nèi)的油缸建立液壓，活塞推出，驅(qū)動該側(cè)閘片壓向F軌外側(cè)；當外側(cè)閘片接觸F軌后，隨著活塞繼續(xù)推出，夾鉗主動側(cè)整體向外移動，繼而克服夾鉗被動側(cè)復位彈簧的壓力，將其拉向F軌，直至內(nèi)側(cè)閘片貼靠F軌，并最終形成壓力。這樣，在閘片和F軌之間產(chǎn)生摩擦力，該摩擦力由與閘片相連的制動拉桿傳遞到懸浮架上，再通過牽引拉桿傳遞到車體，形成列車的制動力。緩解時，增壓缸內(nèi)壓力排掉，夾鉗主動側(cè)的活塞復位，該側(cè)閘片脫離F軌，與此同時，夾鉗被動側(cè)的復位彈簧開始伸長，使夾鉗被動側(cè)閘片首先離開F軌，最后，兩側(cè)復位彈簧達到力的平衡，制動夾鉗實現(xiàn)完全緩解。

由于低速磁浮車輛運行中，電磁鐵與F軌之間的距離在一定范圍內(nèi)浮動，而制動夾鉗安裝在電磁鐵上。在制動時，安裝在電磁鐵上的制動夾鉗與F軌的相對高度也有不斷變化的趨勢，而制動夾鉗的結(jié)構(gòu)設計不適合克服很大垂向摩擦力。因此，采用腰形彈簧來補償電磁鐵的垂向運動，而保持制動夾鉗與F軌的垂向相對位置。而垂向止擋用來防止電磁鐵與F軌之間距離變化過大，從而保護腰形彈簧免受過渡拉伸。

圖5 制動夾鉗

F軌的材質(zhì)選用優(yōu)質(zhì)橋梁鋼，熱軋成型，與閘片的摩擦面屬于非加工面。制動閘片采用銅基粉末冶金材料。

三、供風系統(tǒng)

供風系統(tǒng)負責列車的供風、救援支撐、空簧充排氣等功能，由供風模塊、PBCU2（氣路控制單元）、救援支撐裝置、空簧排風裝置等組成。

1.供風模塊

為滿足中低速磁浮列車低噪聲要求，該系統(tǒng)采用了具有噪聲低特點的壓縮機。為工程化應用積累經(jīng)驗，選用了兩種空氣壓縮機，且參數(shù)略有不同。一種是渦旋式空氣壓縮機，另一種是滑片式空氣壓縮機，見圖6。兩種空壓機的參數(shù)見表2。

表2 空氣壓縮機參數(shù)

由于車下空間狹小，采用一般的雙塔干燥器不能滿足安裝空間尺寸需求。故空氣處理采用兩個通用過濾器和排水電磁閥強排，去除壓縮空氣中的水分，再通過一個除油過濾器去除空氣中的油分。因為采用的空氣壓縮機的排氣質(zhì)量較好，經(jīng)后冷卻器的出口溫度不高，只比環(huán)境溫度高3～5℃，在出口處用過濾器通過電磁閥每隔一段時間強制排水，再用一個除油過濾器自動排除殘油，能夠達到使用要求。

2.PBCU2

PBCU2負責列車除制動系統(tǒng)外壓縮空氣的分配，將傳統(tǒng)的管式器件更換成板式器件，都集成在一塊氣路板上，此模塊化設計、方便維修。PBCU2由過濾器、單向閥、板閥、調(diào)壓閥、電磁閥、壓力開關(guān)、壓力傳感器、測試接口等組成。在對來自主風管或者地面風源的壓縮空氣進行分配之前，對壓縮空氣進行二次過濾，以更好的保證各用風系統(tǒng)的風源質(zhì)量（圖7）。

圖6 滑片式和渦旋式空壓機

圖7 PBCU2氣路原理

PBCU2將自主風管或者地面風源的壓縮空氣分配到主風缸、制動風缸、空簧風缸和救援支撐風缸，并且用風過程中，主風缸向其他3個風缸及時補給；同時，PBCU2將懸掛風缸的壓縮空氣分配到各高度閥；將救援支撐風缸的壓縮空氣分配到電磁閥，電磁閥根據(jù)列車指令給救援支撐增壓缸充風或排風。

3.救援支撐裝置

該裝置由“增壓缸＋支撐油缸＋支撐輪”組成，增壓缸將來自PBCU2中電磁閥的氣壓轉(zhuǎn)換成液壓，并按一定比例提高，實現(xiàn)增壓，進而驅(qū)動支撐油缸；支撐油缸在液壓驅(qū)動下，將支撐輪頂出，使列車支撐滑橇離開F軌，列車依靠救援支撐裝置支撐，在牽引力的驅(qū)動下，低速運行，實現(xiàn)緊急情況下的救援。

一個懸浮模塊配置一套救援支撐裝置，包括：1個增壓缸、4個支撐油缸、4個支撐輪，一輛車配置10套救援支撐裝置。增壓缸安裝于懸浮架縱梁側(cè)面的安裝板上，支撐油缸和支撐輪安裝于抗側(cè)滾片梁安裝座內(nèi)。

考慮經(jīng)過軌縫時，有些支撐輪懸空，因此救援支撐的壓力已設置了安全余量來應對此工況。

4.空簧排風裝置

空簧排風裝置位于高度閥與空氣彈簧之間，該裝置根據(jù)懸浮系統(tǒng)的指令將相應空氣彈簧的壓縮空氣排光。這樣，在懸浮失效時，該點支撐滑橇與軌道接觸，只承擔該行走機構(gòu)自身部分重量，而不承擔車體載荷，以避免懸浮失效時該點支撐滑橇與F軌之間過大的壓力，減少列車運行阻力和支撐滑橇的磨耗。

該排風裝置由20個兩位三通電磁閥構(gòu)成，每個電磁閥對應一個空氣彈簧，20個電磁閥分裝在4個盒子內(nèi)，每個盒子對應一個高度閥，因此車輛采用4點支撐，并在左右兩側(cè)空簧之間設置壓差閥。

5.其他

列車的管路采用不銹鋼薄壁鋼管，接頭選用防松性能良好的卡套式接頭。

氣路中關(guān)鍵處采用了帶電觸點的塞門，以便于隨時監(jiān)測塞門所處的開關(guān)位置，便于排除誤操作；增壓缸內(nèi)設置了行程開關(guān)，隨時檢測油量，以便及時補油，方便設備維護。

四、國內(nèi)外技術(shù)水平和發(fā)展現(xiàn)狀

中低速磁浮發(fā)展較快的有日本、韓國，在國內(nèi)進行中低速磁浮開發(fā)的主要有兩個聯(lián)合體，一個由上海電氣（集團）總公司—上海磁浮工程技術(shù)中心－西南交通大學組成，另外一個由北京控股集團有限公司－唐山車輛廠－國防科技大學組成。日本的車輛最成熟，已于2005年愛知世博會時投入商業(yè)運營；韓國計劃2012年開通商業(yè)運行線——仁川機場線；國內(nèi)兩個聯(lián)合體的工程化樣車在2008年先后達到試驗速度100km/h，證明已經(jīng)基本掌握了中低速磁浮交通系統(tǒng)技術(shù)，但距離商用還有一些距離。至于制動系統(tǒng)和供風系統(tǒng)，日本和韓國的車輛采用的是液壓制動系統(tǒng)，供風系統(tǒng)只給空氣彈簧供風，列車上不設氣液轉(zhuǎn)換增壓裝置。國內(nèi)兩個聯(lián)合體采用相同的設計理念，都是微機控制模擬式直通電空制動控制系統(tǒng)加氣液轉(zhuǎn)換增壓的模式，后一聯(lián)合體車輛的制動系統(tǒng)和供風系統(tǒng)由幾家廠商共同承擔，而本車制動系統(tǒng)和供風系統(tǒng)由上海龐豐機電科技有限公司獨立研制，并特別使用了具有低噪聲特點的空氣壓縮機，突出了中低速磁浮車輛低噪聲的優(yōu)點；另外，本車制動控制系統(tǒng)還于2009年裝車于上海地鐵1號線增擴編列車，現(xiàn)已投入正式載客運營，性能達到了1號線進口車輛的水平。

五、小結(jié)

上海中低速磁浮列車的制動系統(tǒng)和供風系統(tǒng)設計符合中低速磁浮交通系統(tǒng)的特性，自2007年裝車運用以來，試驗結(jié)果符合設計指標，性能穩(wěn)定，基本滿足工程化要求。建議在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進一步完善，以全面滿足可靠性、可用性、可維護性和安全性（RAMS）的要求。