0.引言

地铁列车虽然和动车组列车采用统一的动力供给方式，但是地铁列车的运行要求是启动和制动过程精确迅速，站点与站点之间的运行时间间隔较短，大约为5~10min，并且在额定载荷工况下列车自重大约为t，这意味着列车的运动惯性极大，这些都对地铁列车制动系统提出较高的工作要求，列车制动系统高效稳定的运行是列车安全性的重要保证。

1.空气制动系统简介

1.1电空混合制动原理

地铁列车的动力分布和动车组列车相似，都是采用动力分散式设计，地铁列车的车厢基本可以分为拖车和动车两种类型，但是不同类型的列车会采用不同形式的车厢排布方式，其中列车的动力来源是动车部分，拖车部分则是用来装载乘客以及货物，地铁列车是采用接触网供电的方式为列车提供电能，通过受电弓和变压器为牵引电机提供驱动动力。地铁列车在常规情况下的制动是通过牵引电机的反转提供制动力实现的，电机的反转产生的能量一部分会反馈给接触网，但是大部分的能量都变成热能被消耗，电机制动方式的最大优点是最大限度地减少机械结构的磨损并且制动效率较高，但是也存在着一些缺点，即偶尔会出现制动力不足的问题，为了解决这个问题地铁列车都会加入空气制动系统，空气制动系统大致由风源系统、控制系统、执行机构3部分组成，其中控制系统是空气制动系统的核心，主要由微机控制单元、制动控制单元、制动控制操作系统组成，空气制动的实现过程是通过加大车轮踏面与瓦闸之间的摩擦力将列车的动能转化成热能，从而起到降低列车车速的目的，由于车轮踏面与瓦闸摩擦力的增大会导致车轮的过度磨损，所以在常规状态下是不会使用空气制动系统的，只有在电机制动系统制动力不足时才会短时间内使用空气制动系统。

现在为了优化地铁列车的制动效率会采用先电机制动后空气制动的制动控制方式，在列车发出制动指令后，设定电机制动速度阈值，电机开始反转为列车提供制动力电机反转产生的电能会反馈给接触网为下一次制动过程提供能量，在列车达到电机制动速度阈值时，电机制动系统停止工作，电机断电完全停止工作，接下来启动空气制动系统，产生的制动力会直至列车停车，完成电空混合制动工作过程。

1.2空气制动辅助方式

空气制动系统有两种施加给车轮制动力的控制方式，分别为等磨耗和等黏着。等磨耗方式是以拖车和动车共同作为控制对象，将空气制动力平均分配给所有的列车车轮，在这种情况下列车的制动闸瓦压力是大致相同的，所以列车的车轮踏面的磨损程度将是相同的；等黏着方式是以拖车作为优先控制对象，车轮的黏着力本质上和制动力是相同的，但是车轮在行驶过程中会附带一定程度的滑动以及上下振动，为了和制动力进行区分所以称之为黏着力，在整个控制过程中设定车轮的黏着力阈值，优先为拖车提供空气制动力，在达到设定的黏着力阈值时就不再为拖车车轮提供制动力，此时列车会达到一定的减速度，如果该减速度没有达到规定的要求就会为动车车轮提供空气制动力，在该辅助方式下，动车和拖车的车轮黏着力会达到一致，所以称该方式为等黏着。

2.辅助方式对比分析

为了分析两种辅助方式对于车轮踏面温度变化的影响规律，以武汉地铁二号线所运行列车作为仿真对象，以ABAQUS有限元软件作为仿真实验平台，采用多种列车运行工况对车轮踏面进行仿真计算，为了仿真计算的简化并且列车车轮是轴对称结构，所以在列车仿真过程中只需要选取车轮的1/36进行建模。

武汉地铁二号线是横跨武汉市东西方向的地铁线路，全线共设有38个车站，线路全长60.8km，列车采用6节编组B型列车，最高运行速度为80km/h，为了尽可能地模拟真实环境下列车制动时车轮踏面的变化，本文设计了3种仿真环境：第1种是列车在额定载荷下，列车的电机制动正常，以常规的制动减速度进行减速，常规制动减速度为0.8m/s2；第2种是列车在额定载荷下，列车的电机制动正常，以最大制动减速度进行减速，最大自动减速度为1.0m/s2；第3种是列车在额定载荷下，列车的电机制动完全故障，由空气制动系统进行制动，以最大制动减速度进行减速。

2.1电机制动正常，常规制动减速度减速

在额定载荷工况下，地铁列车的自重大约为t，牵引电机反转产生的制动力可以达到kN，根据牛顿运动定律a=F/m可知，常规的制动减速度可以完全由电机制动系统提供，两种辅助方式是根据空气制动力进行分析的，在列车没有达到额定最大减速度时基本不会施加空气制动力，所以在该工况下，两种辅助方式对于车轮踏面温度的影响没有很大的区别。

2.2电机制动正常，最大制动减速度减速

对于等磨耗辅助方式，由于将动车和拖车共同作为控制对象，在两种车厢上施加的空气制动力是相同的，所以两种车厢的车轮踏面的温度变化也是大致相同的；对于等黏着辅助方式，由于优先以拖车作为控制对象，所以在仿真过程中只对拖车车轮进行计算，需要补充的空气制动力不是很大，完全在拖车车轮的制动力阈值内，不需要考虑对动车车轮补充空气制动力。

对比两种辅助方式的仿真结果可以得出：等磨耗的车轮踏面温度变化幅度和峰值均小于等黏着，这是由于在等磨耗方式下，拖车和动车车轮的空气制动力大致相同，车轮所产生的热负荷被所有车轮共同分担；在等黏着方式下，车辆产生的热负荷基本都由拖车车轮承担，动车车轮基本不参与空气制动过程。

2.3电机制动故障，最大自动减速度减速

在电机制动完全故障时，列车所有的制动力全部来自于空气制动系统，等磨耗的仿真过程与上一节相似，但是要增加施加在车轮上的制动力。等黏着的仿真过程需要拖车和动车车轮依次参与，施加在拖车的制动力阈值肯定无法满足列车最大自动减速度的要求，所以在达到拖车的制动力阈值之后，还需要在动车车轮上施加制动力。两种辅助方式车轮的温度变化的规律趋近相同，但是温度变化的峰值依旧存在差异。这是由于在采用等磨耗辅助方式时，虽然动车和拖车车轮共同分担热负荷，但是列车全部的制动力都来自车轮，所以车轮温度的变化要比电机制动正常时剧烈，等黏着辅助方式的拖车车轮已经达到了制动力阈值，再增加可能会严重磨损车轮，拖车车轮的空气制动力略大于等磨耗方式，并且大部分热负荷依旧由拖车车轮承担，出现相似的温度变化规律，而车轮温度的峰值则有所差异。

作者：王宇鑫

本文刊发于《中国高新科技》杂志年第22期

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