干货国产地铁车辆制动系统

本文介绍国产地铁车辆制动系统的主要性能及采用的德国克诺尔制动机公司生产的模拟式电控制动系统的主要组成部件及作用原理。其中，微处理制动控制与车轮滑行控制电子单元，以及制动控制单元BCU是该模拟式电控制动系统的核心控制部件。制动控制单元的所有部件集中地装在一个单独的具有气路的集成板上，结构紧凑，便于检修维护。

地下铁道作为特大城市快速轨道交通的主要模式，其运输能力大，单方向高峰运输能力为人次／h以上，并具有准时、快速、舒适、安全的特点，能充分利用地下空间，对环境不产生污染。

我国的城市化建设还将会有历史性的大发展。虽然我国城市轨道交通建设的时机总体上比发达国家晚20~30年，但现在我国城市轨道交通建设在世界上是规模最大、速度最快的。

2.1地铁车辆制动系统的特点

(1)地铁的站间距离比较短，一般都在1km左右。由于站间距离短，列车的调速及停车都比较频繁。为了提高运行速度，必须使列车起动快、制动距离短。

这就要求地铁车辆的制动装置具有操纵灵活、运用迅速、停车平稳、准确和制动力大等特点。

(2)地铁列车中的动车具有两台或四台牵引电动机，这就为采用电制动提供了基本条件。电制动有许多优点，例如无机械磨损等。这对于空气制动来说是无法实现的。电制动有再生制动和电阻制动两种。电制动的制动功率大，尤其是在较高的速度范围内，它不仅制动力大，效率高，而且再生制动能回收能量，从而产生一定的经济效益。但由于它在低速范围内只能使用电阻制动，其制动力较小。且当列车速度降到某一速度时，必须及时补上空气制动。在整个速度范围内，要充分发挥各种制动方式的作用，适应地铁列车自动控制而协调配合，以获得最佳的制动性能。

(3)地铁列车的乘客量波动大。无乘客（空车工况）仅地铁车辆自重，相对来说是较轻的(为了降低能耗，地铁车辆车体的材质采用铝合金和薄壁不锈钢型材等)，因此，乘客量对车辆总重有较大的影响，易引起制动率的变比。制动率变化过大，对列车制动时要保证一定的减速度、防止车轮滑行及减小车辆间纵向冲动都是不利的。因此，制动系统应具有在各种乘客量的工况下，使车辆制动率基本恒定的性能。

2.2地铁车辆简介及技术参数

国产交流传动地铁列车是具有自主知识产权的国家计委立项的重大科研攻关项目，由中国南(北)方机车车辆工业集团公司组织，南京浦镇车辆厂总体牵头进行研制开发。

该车将缩小国产地铁车辆与国外地铁车辆在铝合金车体、VVVF变压变频逆变器以及车辆启、制动平稳性和运行可靠性上的差距。

国产地铁车辆空气制动系统由供气部分、控制部分和执行部分三个主要部分组成。

国产地铁车辆有三种类型，分别称为A车、B车和C车，A车为无动力装有空压机组的的拖车，一端设有驾驶车；B车为设有受电弓、并设有辅助空压机的动车；C车为动车。

列车的近期编组为6辆车一列。为A—B—C—B—C—A；远期为8辆编组，即A—B—C—B—C—B—C—A。B、C车一般为固定编组，其连接采用半永久车钩，而B、C车与A车之间的连接则采用半自动密接式车钩(即机械挂钩为自动的，电气连接为人工的)。

列车技术参数

最高运行速度80km／h

结构设计速度km／h

挂钩速度3km／h

反向驾驶时的最高速度10km／h

常用制动冲击率极限0.75m／s3

额定电压DCV

受电弓处电压范围DCl-V

牵引逆变器额定输出容量kVA

牵引电机额定小时功率kW

辅助逆变器额定输出容量80kVA

动力车轴重16t

列车动力性能参数

启动平均初始加速度1m／s2

到达80km／h时的剩余加速度0.m／s2

最大减速度1.2m／s2：

当列车恒力矩启动时，其平均加速度为1.m／s2，计算粘着系数为0.。

在AW2载荷、半磨耗轮径、额定接触网压V工况下，列车在35％的坡道上，达到最高速度80km／h时，具有的剩余加速度为0.9m／s2。

在AW2载荷，接触网压v、制动平均减速度不小于1.0m／s2的条件下，列车制动计算粘着系数为0.。

列车载荷能力及自重载重

列车编组形式为2Tc+2M+2M’(Tc为带司机室的拖车；M为带受电弓的动车；M’为动车)。定员坐席AWl，定员车载AW2(6位旅客／m2)，超员车载AW3(9位旅客／m2)。具体载荷人数见表l，计算质量时按每人60kg计算。

表1具体载荷能力及载荷

3.1供风系统

供风系统由空压机组、双塔干燥器、安全阀、压力开关、测试接口、软管及除制动以外的用风单元组成。

空压机供风量为1.2m3／min，工作压力为~0kPa。干燥器为双塔干燥器，并设有安全阀。除制动系统外，还有气笛、刮雨器、空调机、空气弹簧、车钩、受电弓等用风设备。

每辆车上设有三个风缸，其中，一个L的总风缸，一个80L的空气悬挂系统（空气弹簧）风缸，一个L制动风缸。

3.2制动控制单元（BCU）（如图1所示）

图1制动控制单元原理示意图

制动控制单元是空气制动的核心，主要有模拟转换阀a、紧急阀e、称重阀c、均衡阀d等组成，这些部件都安装在一块铝合金的气路扳上。犹如电子分立元件安装在印刷线路板上一样。同时，在气路板上装置了一些测试接口（j、k、1、m、n）。因此，要测量各个控制压力和制动缸压力，只要在这块气路板上测试即可。这样就显得非常方便。同样，整个气路板的安装、调试和检修都很方便。

制动控制单元的主要作用是将来自微处理机ECU的电子模拟制动信号通过模拟转换阀a转换成与其相对应的预控制(空气)压力，这个预控制压力是呈线性变化的，同时也受到称重阀c和防冲动检测装置的检测和限制，最后使制动缸和停车制动缸获得符合制动指令的气制动压力。

制动控制单元的工作原理如下：

当压力空气从制动风缸进入制动控制单元BCU后，分成三路，一路进入紧急阀e，一路进入模拟转换阀a，另一路进入均衡阀d，其流传图如下：

图2模拟转换阀

整个制动控制单元犹如一个放大器。

模拟转换阀（如图2所示）是由一个电磁进气阀（类似控导阀）、一个电磁排风阀及一个气电转换器组成。当进气阀的励磁线圈收到微处理机的制动指令时，吸开阀芯，使制动风缸的压力空气通过进气阀转变成预控制压力CV1并送向紧急阀e。与此同时，具有CV1的压力空气也送向气电转换器和排风阀，而气电转换器将压力信号转换成相对应的电信号，马上馈送回微处理机，让微处理机将此信号与制动指令比较。当小于或大于制动指令时，则分别继续开大进气阀或关小进气阀并开启排风阀，直到预控制压力CV1增高或降低到制动指令的要求为止。从模拟转换阀出来的CV1压力空气通过管路板进入紧急阀（如图3所示）。

图3紧急阀

它实际上是一个二位三通电磁阀，它的三个通道分别与模拟转换阀输出口、制动风缸及称重阀进口相连接。在常用制动时，紧急阀励磁，紧急阀使模拟转换阀与称重阀相通，而切断与制动风缸的通路；在紧急制动时，紧急阀不励磁，紧急阀使制动风缸与称重阀直接相通，而切断模拟转换阀与称重阀的通路，这时预控制压力CV1越过模拟转换阀而直接进入称重阀。

当预控制压力CV1经过紧急阀时，由于阀的通道阻力使预控制压力略有下降，这个从紧急阀输出的预控制压力称为CV2。同样，CV2压力空气也通过管路板进入称重阀。

称重阀（如图4所示）为杠杆膜板式。

图4称重阀

称重阀主要是用来限制过大的制动力。由于模拟转换阀输出的预控制压力是受微处理机控制的，而微处理机的制动指令本身根据车辆的负载、车速和制动要求而给出的，因此，在常用制动中，称重阀几乎不起作用，仅起预防作用，以防模拟转换阀控制失灵。而主要作用是在紧急制动时。由于紧急制动时预控制压力是从制动风缸直接经紧急阀到达称重阀，中间没有受模拟转换阀的控制，而紧急阀也仅仅作为通路的选择，不起压力大小的控制作用。所以，在紧急制动时，预控制压力只受称重阀的限制，即为最大的预控制压力。

同样，预控制压力CV2流经称重阀时也受到阀的通道阻力，压力有所下降，成为预控制压力CV3，并通过管路板进入均衡阀（如图5所示）。

图5均衡阀

从D2孔进入均衡阀的CV3压力空气，推动具有膜板的活塞上移，首先关闭通向制动缸的排气阀V2，然后进一步打开进气阀V1，使制动风缸经接口R进入均衡阀的压力空气通过进气阀V1、经接口C充入制动缸，制动缸活塞被推出，带动闸瓦紧贴车轮产生制动作用。从上述作用中可看出，均衡阀能迅速进行大流量的充、排气。大流量压力空气的压力变化是随预控制压力CV3的变化而变化，并且相互间的压力传递比为1：1，即制动缸压力与CV3相等。

同样，缓解指令也由微处理机发出，模拟转换阀接到缓解指令后，将其排气阀打开。使具有预控制压力CV1、CV2、CV3的压力空气都通过此阀向大气排出。由于CV3压力空气排出，均衡阀活塞在其上方的制动缸压力空气作用下移动，于是均衡阀中的进气阀关闭，排气阀打开，使各制动缸中的压力空气经开启的排气阀排出，列车得到缓解。

3.3单元制动缸

由于地铁车辆的底架下方与转向架之间没有足够的空间来容纳基础制动部件，特别是底架与转向架之间的空间更小。因此，国产地铁车辆采用单元制动缸。它是由克诺尔公司生产的。其类型有两种，即一般的PC7Y型单元制动缸（如图6所示）和具有弹簧制动器(也称停放制动器)的PC7YF型单元制动缸（如图7所示）。

图6PC7Y型单元制动缸

图7PC7YF型单元制动缸

PC7Y型与铁路双层客车和准高速客车上用的“单元制动缸”基本相同。PC7YF型单元制动缸中的弹簧制动器为利用弹簧力来推动杠杆，从而使闸瓦贴靠在车轮上，产生闸瓦压力以达到制动的目的，它主要在车辆停放时制动用。而它的缓解，则需要使用压力空气向弹簧制动器中充气才能使弹簧压缩，从而使制动缓解。因此，弹簧制动器也使用电磁阀进行控制，其操作也集中在驾驶室里进行。具有弹簧制动器的停车制动缸安装在转向架上处于对角线的两个车轮的一侧，而另一对角线的两个车轮的一侧只安装无弹簧制动器的单元制动缸。

PC7Y型单元制动缸由制动缸、传递杠杆、闸瓦间隙自动调整机构和复原机构等组成。闸瓦间隙自动调整机构在闸瓦磨耗后，能对增大的闸瓦间隙自动进行调整，使之符合规定的间隙大小。复原机构可在更换闸瓦时用。

具有弹簧制动器的单元制动缸还具有附加的功能，即以弹簧作动力的组合件，并带有可自动复位的人工辅助缓解装置。

单元制动缸中的制动部件及传动组合件，在制动时使制动缸活塞的外移经过杠杆带动调节套及里面的推杆和与其相连的闸瓦，以3：1的倍率向车轮施加制动压力。当制动缸排气时，活塞的缓解弹簧及扭簧使传动组合件复位，从而达到制动缓解目的。

闸瓦间隙自动调整器中的推杆的伸长，是用于修正由于闸瓦磨耗所增加的间隙。在更换磨耗到限的闸瓦时，必须使推杆复位，这个机构允许在不卸下螺栓或防尘皮腔的情况下而使推杆复位。

PC7YF型单元制动缸中的弹簧制动器及传动组合件，其弹簧力是通过离合器、非自锁螺纹推杆及牵引套筒传到制动缸。若不用压力空气对停放制动进行缓解时，也可用人工的方法，这时，只须将辅助的缓解销用手拔出，即可使弹簧制动器缓解。当然，在缓解前要将制动缸中的压力空气排出。这样的做法是将弹簧的作用力与传动部件分离，并只需充一次气就可使制动器复原，并为弹簧制动器再次使用做好准备。

供气系统（如图8所示）要为三辆车提供足够所需的干燥压力空气，在供气过程中有安全阀和压力开关实现对空气压力的监控。安全阀的锁定值为0kPa，压力开关是空压机电动机的控制元件，它的开启压力为kPa，切断压力为0kPa。整个供气系统为空气制动、受电弓升降、空气悬挂系统、风笛、刮雨器及空调系统的紧急回风门的关闭等提供压力空气。空气双塔干燥器输出的压力空气通过截断塞门和主风管到达每辆车的总风缸、制动风缸、空气弹簧风缸。驾驶室内的双针压力表的白色指针显示主风管压力，红色指针显示制动缸压力。

图8供气系统及部件（Tc车有）

在空气制动系统（如图10所示）中，由制动风缸进入制动控制单元的压力空气，在微处理机和制动控制单元的控制下，进入各个制动缸，中间要经过数个截止阀和排气(防滑)阀等。排风阀仅受微处理器的防滑系统控制，在制动和缓解过程中，排风阀仅作为进出制动缸的压力空气的通道而已，不产生任何动作。

另外，主风管还通过截断塞门、脉冲电磁阀及双向阀通向具有弹簧制动器的停车制动缸。这条通路是由司机在驾驶室内操纵脉冲电磁阀来控制停放制动的施行或缓解的，而双向阀的另一端与一般的单元制动缸相连，这主要是为了防止通常制动与停放制动同时施加时造成制动力过大的安全回路。

图9受电弓升降部件（M车有）

图10空气制动系统及其部件

主风管还通过截断塞门、滤尘器、脚踏阀向受电弓气缸充风（如图9所示）。当自动手动电磁阀的励磁线圈得电时，电磁阀导通，主管向受电弓气缸充气，使受电弓升高；当励线圈失电时，阀芯动作，切断与主风管的通路而使受电弓气缸排气，受电弓落弓。当列车处于落弓状态，而主风缸内又无压力空气(例列车长时间停放)，此时要启动列车必须首先升弓，这时可使用脚踏泵向受电弓气缸供风，当然在供风前，先要人工拔起电磁阀阀芯，使其管路导通。当受电弓升起与接触网相碰，空压机立即工作，向总风缸充气，即可停止脚泵供气。

克诺尔公司的制动控制系统有一个用于控制电空制动和防止车轮滑行控制的微处理机。当列车在运行中施行制动时，将所有与制动有关的参数信号送入该微处理机中，微处理机立即计算出一个当时所需制动力的制动指令，这个指令由电—空转换器转换成一个与电指令呈一定比例的控制空气压力，然后，再由控制空气压力使制动缸充入压力空气，并使制动缸压力与控制空气压力相对应。这个制动控制系统对每一辆车都是独立的。

防滑系统是制动控制系统的一部分，它也是独立工作的，在每根车轴上都设有一个对应的排风阀，它们由防滑系统所控制，当某一轮对上的车轮的制动力过大而使车轮滑行时，防滑系统所控制的、与该轮对相对应的排风阀迅速沟通制动缸与大气的通路，使制动缸迅速排气，从而解除了该车轮的滑行现象。该系统始终监视着同一车辆上四个轮对的转速，并控制着四个对应的排风阀。

5.l电空制动控制系统

克诺尔制动机公司生产的模拟式电—空气控制制动系统，是用一条电缆贯通整个列车，形成连续回路。该列车制动系统具有操作灵活，动作迅速，停车平衡准确，制动力大及具有在各种载客量的工况下地铁制动率基本恒定的性能。

制动系统具有常用制动、常用全制动、紧急制动、保持制动、停放制动的功能，并遵循电制动优先的原则，同时还有防滑行功能。动车的制动方式为，当列车高速运行时，采用再生制动，将列车动能转换成电能；当再生的电能无法再回收时，则采用电阻制动。当车速低于10km／h时，则电制动切除，全部采用空气制动。

模拟式制动系统的操作指令是采用电控制空气、空气再控制空气的方法。制动电指令是利用脉冲宽度调制，能进行无级控制。制动方式有再生制动、电阻制动和空气(摩擦)制动三种，它们分别为第一、第二和第三优先制动。再生制动取决于接触网的接收能力，亦即取决于网压高低和负载利用能力；电阻制动承担电机电流中不能再生的那部分制动电流。再生制动电流加电阻制动电流等于制动控制要求的总电流，此电流受电机电压的限制。当地铁列车速度降到10km／h，电制动被全部切除时，所有给定的制动力全由空气制动提供。

输入信号的功能如下：

(1)制动指令：此指令是微处理机根据变速制动要求，即司机施行制动的百分比(常用制动动为%)所下达的指令。它可以是各种形式的，例如模拟电流、七级数字信号等，而国产地铁车辆所使用的是最常用的脉宽调制信号。

(2)制动信号：这个信号是制动指令的一个辅助信号。它是对正在运行的列车指示要制动了。

(3)负载信号：这个信号来自于空气弹簧。由空气弹簧的空气压力通过气—电转换器转换成电信号。此信号以客室车门关闭时的贮存信号为准。

(4)电制动关闭信号：此信号为信息信号，它的出现就意味着空气制动要立即替补即将消失的电制动。

(5)紧急制动信号：这是一个安全保护信号，它可以跳过电子制动控制系统，直接驱动制动控制单元中的紧急阀动作。

(6)保持制动：这个信号能防止车辆在停止前的冲动，能使车辆平稳地停车。它的功能分三个阶段实施。

第一阶段：

当动车车速低于lOkm／h时，保持制动并开始接受摩擦制动力，而电制动逐步消失。

在保持制动出现后，电制动的减小延迟0.3s。动车和拖车的摩擦制动力只可达到制动指令的70%。

第二阶段：

当车速低于4km／h时，一个小于制动指令的保持制动的级开始实施，即瞬时地将制动缸压力降低。这个保持制动的级取决于制动指令。这个级与时间有关，是由停车检测根据最初的状态来决定的。

第三阶段：

由停车检测和保持制动信号共同产生一个固定的停车制动级，而这个固定的级经过负载的修正并与制动指令无关。

停车制动的级只能随保持制动信号的消除而消除。

5.2电空制动控制原理

图11电空制动控制系统方框图

当微处理机根据制动要求而发出制动指令时，伴随着也出现制动信号，此信号使开关线路R1导通，这样制动指令就能通R1和R2到达防冲动限制器，以让其检测减速度的变化率是否过大。通过防冲动限制器的制动指令立即又到达负载补偿器，此补偿器实际就是一个负载检测器。它根据负载信号贮存器中所贮存的负载大小，来检测制动指令的大小，然后检测调整好的指令送至开关线路R3。为了防止制动力过大，R3只有当电制动关闭信号触发下才导通，否则是断开的。通过R3的指令又被送至制动力作用器(这里的制动力还是电信号)，中途还经过R4。制动力作用器将指令信号转化为制动力。为了缩短空走时间，因此作用器的初始阶段有一段陡峭的线段，然后再转向较平坦的斜线平稳地上升，直至达到指令要求。从作用器出来的电信号被送至电—气转换器。这个转换器是将电信号转换成控制电流，再由这个控制电流去控制制动控制单元BCU中的模拟转换阀。并且接受模拟转换阀反馈回来的电信号，从而进一步调整控制电流。它并没有真正将电信号(弱电)转换成控制空气压力。从电—空气转换器输出的控制电流直接控制BCU中的模拟转换阀，这就完成了微处理机对BCU的控制。当然在列车速度低于4km／h时，制动指令将被保持制动的级(与制动指令相对应)所替代，这在前面已有叙述。

当列车需要施行常用全制动（即%制动指令）和紧急制动时，最大常用制动信号或紧急制动信号可触发一个旁路或门电路，使它输出一个高电平来驱动开关电路R4，使制动作用器直接接受负载贮存器的信号，大大缩短信号传输时间，并使电—空气转换器工作。

还要补充说明的是：制动作用器初始阶段有一段陡峭线段，这是由于跃升元件所导致的。跃升元件是一个非稳态触发器，它可由电制动关闭信号、制动信号及制动指令信号中的任一个信号将其触发，使它输出一个高电平。同样这个高电平也可使旁路或门电路触发输出一个高电平从而使R4动作，导致制动作用器直接接收负载信号，产生了一段陡峭的线段。

5.3防滑及防空转控制系统（如图12所示）

图12防滑及防空转控制系统

当粘着状态不良时，列车的速度和车轮的速度之间将产生一个速度差，防滑控制系统就是用来控制车轮的速度，来消除这个速度差。

列车启动后，防滑系统就对每个轮对的圆周速度进行检测，然后形成一个参考速度以取代列车速度，并用排风阀来控制车辆的滑行和减速度。轮对的速度和减速度与设定的规范相比较，就形成控制排风阀的指令。

由于轮对踏面加工直径和磨耗的差别，轮对的线速度有差异，所以在防滑控制系统中设置了人工的轮径调整装置。这个装置就是5个开关，利用这些开关分合的不同位置，将车轮直径分成32挡(3mm为一挡)。将每辆车的l位轴调整到它的规定的范围，而其他轴也将会根据轴端的速度传感器传出的速度信号进行自动调整。

参考速度是：在牵引时取的四根轴中的最大速度，在制动时则取最小速度，然后让其余三根轴的速度与其相比较，以确定牵引时的空转和制动时的滑行，从而防滑控制系统将分别切断牵引回路的电源和打开制动缸的排风阀，以分别消除空转和滑行现象。

国产地铁车辆虽然缩小了与国外地铁车辆在铝合金车体、VVVF变压变频逆变器以及车辆启、制动平稳性及可靠性上的差距，但其制动系统的核心部件仍然由国外的专业厂家整机提供，因此，应尽快研制国产地铁制动机系统，以提高国产地铁的国产化率。

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