优化制动方法在客运架空索道中的应用研究「索道减速原理图」

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张毅珏 衣宝龙
国家客运架空索道安全监督检验中心 北京 100007

摘 要：索道在紧急情况下能否进行合理而有效的制动，对保证索道设备和乘客的安全至关重要。在实际运行中，惯性载荷量根据工况而变化，不同的工况下要求的制动力大有不同，因此，如何更有效的制动是索道设计和使用中关注的焦点。文中从改变压力，流量调节，改变落闸次序与模块化调节制动四个方面探讨了优化制动的方法。

关键词：客运架空索道；制动安全；优化制动；惯性载荷量

中图分类号：TH235 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2020）02-0052-06

0 引言
TSG S7001—2013《客运索道监督检验和定期检验规则》中对于制动加速度做如下规定：工作制动应当平稳；当出现可能危及乘客、设备或者其他人员安全的情况下需要紧急制动时（不包括两个制动器同时动作的情况），循环固定抱索器架空索道制动系统的制动加速度应在0.3~1.25 m/s2 范围内，脱挂抱索器架空索道应在0.5~1.25 m/s2 范围内，往复式、脉动式架空索道和缆车应当在0.5~2 m/s2 范围内。

1 客运索道的制动方式
根据各客运架空索道的布置、载荷的不同，为满足规范要求的制动加速度，客运架空索道的制动方式分为三种：工作制动、安全制动以及紧急制动，其中，工作制动的制动加速度较小，用于实现正常停车；安全制动制动的加速度适中，用于实现一般安全保护下的停车；紧急制动加速度较大，用于实现重要功能的紧急停车。从制动形式分类，客运架空索道的制动方式有电气
制动和机械制动两种。电气制动是指由电机产生一个与转向相反的电磁力矩，作为制动力使电机停止转动。机械制动是指以摩擦阻力作为制动力使索道停止转动。工作制动器（高速闸）、紧急制动器（低速闸）均为机械制动。相对于机械制动，电气制动方法更科学，对设备损伤小，定位准确，制动效果较好，但遇到突然断电时无法有效保障制动。机械制动容易产生机械撞击，对设备、结构等损伤较大，制动效果不如电气制动精准，但不受突然断电的制约。在实际应用中，采取电气制动与机械制动相结合的方式，以保证索道在任何情况下都能安全有效的制动。

2 优化制动落闸的方法分析
客运架空索道的惯性力包括：运载索带动的转动部件的惯性力( 包含索道两端的驱动迂回轮的惯性力和线路托压索轮的惯性力)、运载索的惯性力、运载工具的惯性力、乘客的惯性力、驱动装置的惯性力( 索道驱动系统中包含电机、联轴器、减速器等)。在实际运行中，惯性力是随工况变化而变化的。对于其中两种极端的工况：满载下行，空载上行（最大惯性载荷条件）和满载上行，空载下行（最小惯性载荷条件）而言，若要保证制动加速度在规范要求内，则制动力不可能是恒定的。因此，在客运索道的制动器设计方面加入了相应的改进措施：如低速闸/ 高速闸液压二次制动控制方法、节流阀控制流量制动、可控硅控制分步落闸、液压单元模块化调节制动等优化制动的方法。

2.1 液压系统二次制动
液压系统二次制动控制过程如图1 所示，制动器（G1、G2）制动时液压缸泄油经二位三通换向阀11.a回油箱。当换向阀11.a 的电磁铁1CT 动作时，液压缸压力油经换向阀11.a、溢流阀7b 回油箱，此时溢流阀7b 起背压阀作用，制动器的压力保持在背压阀设定的压力，由于液压缸G1、G2 中没有完全泄压，制动器制动力只有部分作用在制动面上。经过延时后，二位二通换向阀12 的电磁铁2CT 打开，制动液压缸的压力油经换向阀12 直接回油箱，此时制动力完全作用在制动面上。制动器闭合。整个制动过程中，制动器制动力分两次作用在驱动轮上，完成液压二次制动。

此过程中，溢流阀7b 为最关键部件，可以通过设置背压阀压力值，控制二次制动的分级压力值，从而达到调节制动力的要求，使得客运架空索道的制动加速度保持在安全规范的要求内，从而保障有效而稳定地停车。以某脱挂抱索器索道为例，该索道制动液压系统最高工作压力为13 MPa，系统额定工作压力为10 MPa。溢流阀7a 的压力设定为13 MPa，二次制动的压力设定为4 MPa，即溢流阀7b 的压力调整为4 MPa。在索道调试现场，专业人员应根据实际工况进行调整，以满足规范要求的制动加速度。

当运行速度为4.97 m/s 时，该脱挂索道负荷试验记录见表1，由此可知，该二次制动方式可以很好地满足不同工况下的制动加速度要求。

高速闸液压二次制动的原理与低速闸类似。在实际应用中，多选用高速闸液压二次制动。但对于集中载荷普遍较大、产生惯性载荷较大的往复式索道而言，采用低速闸二次制动可以达到更好的制动效果。

1. 空气滤清器 2. 吸油过滤器 3. 液位温度计 4. 电动机 5. 齿轮泵 6. 压力过滤器 7a、7b. 溢流阀
8a、8b. 手动泵 9a、9b. 球阀 10. 单向阀 11a、11b. 球式电磁换向阀 12. 二位二通换向阀
13. 耐震电接点压力表 14. 储能器 15a、15b. 压力表开关 16a、16b. 耐震压力表 17a、17b、17c、17d. 单向节流阀 G1、G2、G3、G4. 液压缸
图 1 制动液压系统图

2.2 节流阀控制流量节流制动
通过调节图1 中单向节流阀17.a~17.d 液压油的流量大小也可以控制制动力的大小，从而起到调节制动的效果。节流阀控制流量的节流制动与上述低速闸/ 高速闸液压二次制动相配合，可以对制动调节功能起到优化作用。

2.3 可控硅调节分步落闸方式
当线路客运架空索道距离较长、惯性载荷差别较大时，会选择使用2~3 个制动器。对于有两个工作制动器的客运架空索道，可以通过可控硅控制模块进行监控，实时根据索道运行状态下的电机负荷（电枢电流/ 扭矩）大小情况决定安全制动和紧急制动时索道停车所需要的制动力大小，从而采取不同形式的落闸控制方式。此种方式的制动形式，通过改变不同工作制动器落闸时间而达到优化制动的效果。

以某脱挂抱索器架空索道为例，分级落闸主要有以下3 种主要形式：
1）工作制动器1、2 同时立即动作该制动等级通常出现在满载下行，空载上行的工况下，此时惯性载荷最大。为保证制动加速度在规定范围内，需要最大的制动力。此时电力拖动系统将势能转化为电能送回电网，系统做负功，电机电枢电流最小。
2）工作制动器1 在索道速度为0.3 m/s 时动作，而工作制动器2 立即动作该制动等级通常出现在空载或惯性载荷适中的情况下。此时系统所需制动力要求不大，只需其中一个工作制动器工作即可，待速度降至0.3 m/s 时，另外一个工作制动器再落下。
3）工作制动器1 和工作制动器2 都在索道速度为0.3m/s 时动作该制动等级通常出现在满载上行，空载下行的工况下。此时电力拖动系统克服阻力矩做正功，电机电枢电流最大。这种情况下，即使没有制动力，系统也会在阻力作用下减速停车，因此工作制动器1、2 都在速度降为0.3 m/s 时动作即可。

当运行速度为6.07 m/s 时，该索道某次全面检验中的相关负荷试验数据如表2 所示。

在满载下行，空载上行工况下，需要最大的制动力，按下工作制动按钮后，工作制动器1 和工作制动器2 立即同时制动。两次负荷试验制动时间分别为10.22 s和9.84 s，对应的制动加速度在规范要求范围内；空载工况时，所需制动力可由一个工作制动器制动满足，两次负荷试验制动时间分别为8.65 s 和8.88 s，对应的制动加速度在规范要求范围内；满载上行，空载下行工况时，索道自身惯性阻力即可满足制动要求，两个工作制动器最后落下，两次负荷试验制动时间分别为12.91 s和12.71 s，对应的制动加速度在规范要求范围内。该分级落闸制动方式可以很好地满足不同工况下的制动加速度要求。

2.4 液压单元模块化调节制动方式

液压单元模块化调节制动方式适用于线路距离较长、惯性载荷差别较大的索道，常用于脱挂抱索器索道。液压单元控制驱动大轮制动器有两种不同的运行情况。液压单元控制驱动大轮制动器1（工作制动器），并独立于控制紧急制动器的第二个相同液压单元运行和液压单元控制驱动大轮紧急制动器，而输入轴上的电磁工作制动器由PLC 驱动。在两种运行情况下，液压单元只控制一个大轮制动器（工作制动器或者紧急制动器）。在下文图示中均由制动器F 表示该制动器。液压单元由控制系统控制。控制系统依据编程设定的减速曲线来调节制动功能。

2.4.1 液压单元的介绍
如图2 所示，液压单元包括电动泵液压单元（34、35）、手动泵液压单元36、用于运行的制动器供油系统（9~16）、用于制动器维护的供油口18 以及电动泵液压单元的控制装置，其中包括电动泵液压单元的控制压力开关4、蓄能器7、减压阀37。

图 2 液压单元结构示意图

2.4.2 液压单元运行情况
1）制动器松闸控制
当正常运行制动器松闸情况下，液压单元操作步骤为：控制系统发出信号，向流动开启型方向控制阀10通电，使液压油循环流向方向控制阀（12、13），方向控制阀11 以及隔离阀16。同时，流动关闭型方向控制阀（12、13）通电换向；流动开启型方向控制阀11 不再通电。止回阀38 关闭。如图3 所示。此时，蓄能器7 中的油排到制动器供油系统中。制动器松闸。

图 3 制动器松闸示意图

2）模块化制动自动控制
如图4 所示，在正常运行时，控制系统发出制动请求，工作制动器和紧急制动器（彼此独立）接收关于制动轨道上接触压力的指令，隔离阀（16）处于打开状态，压力下降使制动器压力达到传感器（14）指示的接触压力值。工作制动器依据编程设定的调节操作继续制动，紧急制动器在非工作必要情况下不会制动。工作制动器依照控制系统中编程设定的减速曲线控制方向控制阀（10、11），使其交替开启和关闭流动，调节液压系统中压力，从而控制工作制动器抱闸的力度。同时，方向控制阀（12、13）通电，制动器油缸中的油通过方向控制阀11 流回油箱。实现了依据编程设定的减速曲线调节制动。

图 4 调节制动示意图

3）紧急制动请求
如图5 所示，当有紧急制动请求时，控制系统控制方向控制阀（10）断电，方向控制阀（11）通电。方向控制阀（12）和（13）断电。此时不再向制动器油缸供油，液压油直接流回油箱，制动器直接落闸。

图 5 紧急制动示意图

2.4.3 模块化调节制动的应用实例
以某大型脱挂抱索器索道全面检验时制动负荷试验为例，结合表3、图6 和图7 具体说明模块化调节制动。由表3 可知，当运行速度为5.92 m/s 时，该索道的工作制动为电气制动，机械制动不参与工作，电气制动在任何工况下制动时间相差不多。安全制动与紧急制动都是机械制动。其中，安全制动为模块化调节制动，用于正常工况下的停车。紧急制动为制动器直接落闸,当
索道出现极端情况时迅速落闸停车。

图6 为安全制动的制动器压力曲线图。其中，横轴为时间，左侧纵轴为速度值，右侧纵轴为制动闸压力值。绿色为实际速度曲线、橘色和红色曲线组成的菱形区域可视为控制系统设定好的减速速度曲线范围。黑色曲线为制动闸压力值。

黑色曲线代表的工作制动器制动闸的压力高低起伏，表明方向控制阀（10）、（11）交替开启和关闭流动，调节液压系统中工作制动闸的压力，从而控制工作制动器抱闸的力度，使得绿色的速度曲线基本保持在菱形区域内，以达到制动平稳的目的。

图 6 安全制动器压力曲线图

图7 为紧急制动的制动器压力曲线图，黑色曲线所表示的紧急制动器压力值一瞬间降为0，说明紧急制动闸直接落闸，绿色的速度曲线不再落在控制系统设定的减速区域内。索道快速紧急停车后，黑色曲线恢复，完成紧急停车过程。

图 7 紧急制动器压力曲线图

3 总结
平稳制动是关乎索道运行安全性和舒适性的关键所在。文中就如何实现优化制动做了一定的探讨和研究。在文中所述的改变压力、流量调节、改变落闸次序与模块化调节制动四个方面提出的优化制动方法中，液压系统的二次制动和控制流量节流制动往往结合在一起，共同作用在制动过程中。对于液压系统的二次制动，将背压阀安装在高速闸或是低速闸，需要根据索道的线路设计、类型及其惯性负载等因素而综合考虑。一旦方案确定，二次制动形式也随之固定。当索道在各个工况下的惯性负载差异过大时，也存在一定的局限性。可控硅调节分步落闸方式相对更灵活一些，但需要有两个工作制动器。不论是哪一种制动方式都各有利弊，需要在索道设计时和使用时综合考虑，选择更适合的制动方式，根据系统压力调整等基本要求，不断调试，并作好记录，以更灵活、更有效地制动方式保障客运索道稳定运行，保证乘客的人身安全。

参考文献
[1] 吴鸿启, 刘京本. 客运架空索道安全技术[M]. 北京:人民交通出版社，1996.
[2] TSG S7001—2013 客运索道监督检验和定期检验规则 [S].
[3] 龚国芳. 提升机液压站二级制动油压的确定[J]. 煤矿机械, 1994(4): 13, 14.