有轨电车制动系统设计方案

1 有轨电车制动系统设计方案 第 1 章 绪论 题背景： 自从世界上第一个地铁系统于 1863年在英国伦敦建成运行以来，尽管经历了各种曲折的发展过程，但世界各主要大城市无不以轨道交通系统作为城市骨干公共交通系统。现在的城市轨道交通系统可分为大运量系统、中运量系统、小运量系统，各自包括城市快速铁路、地下铁道；轻轨铁路、独轨系统、线性电机小截面地铁、自动导向系统；有轨电车系统。不同运量的城市轨道交通系统适用于不同规模的城市，地铁系统适用于大规模城市，在我国例如北京、上海、广州、 深圳、天津、南京、杭州 等大城市都已 形成了一定规模的地铁系统，同时成都、 沈阳、西安、宁波、重庆 等城市的地铁系统正在修建过程中，对于规模相对较小的城市，有轨电车则具有很强的竞争力， 有轨电车作为现代化 城市轨道 交通的一部分，具有运力大、运行和建设成本低、对环境无污染、快捷、舒适的特点 ，其中低地板有轨电车还具有乘客上下方便，甚至可以照顾到老人和残疾人的特点。 所以也有很多城市在修建有轨电车系统，例如大连、长春的有轨电车一直在运行，也有部分大中城市在规划或者已经开始修建有轨电车系统。 制动系统是城市轨道交通运输车辆最为关键的设备之一，制动系统性能的好坏，关系到车辆综合技术水平和运行品质能否提高， 更为重要的是它涉及到城市轨道车辆的行车安全，所以制动系统是城市轨道车辆所有设备中综合技术难度最高的， 因此，各国在发展城市轨道交通运输的过程中，都把提高制动技术作为一个重要项目进行研究。而作为有轨电车，对制动系统的要求更高，这是因为不同于一般的城市轨道交通系统，有轨电车不是在封闭线路上运行的，而是在路面上与汽车混跑，所以 有轨电车是制动、缓解操纵最为频繁的，往往每隔几秒钟的时间就要连续进行制动和缓解操纵，而且为了能够随时停车，对制动距离要求得非常短 ， 这就要求制动系统具有 非常高的灵敏度和非常短的空走时间。作为有轨电车关键技术的制动系统，其技术水平在不断 2 提高，国外先进的有轨电车制动系统主要采用微机控制直通电空制动或油压制动系统，采用再生制动和空气（或油压）制动的复合制动方式。近几年，国内研制的新型有轨电车，采用了大量新技术，但由于国内还没有一种能适用于现代有轨电车的先进、成熟的国产制动系统，到目前为止，制动系统是城市轨道车辆上唯一没有实现国产化运用的产品。 所以 研制具有自主知识产权的、达到国际先进水平的制动系统，将使我们摆脱对进口产品的依赖，不仅为国家节约大量的外汇，还会带动相 关产业的发展，促进民族工业的发展。 同时，国产城市有轨电车制动系统的研制成功和推广应用，还会提高我国城轨交通制动技术的水平，使制动技术上一个新的台阶，促进技术进步。所以研制具有自主知识产权的、达到国际先进水平的制动系统，将使我们摆脱对进口产品的依赖，不仅为国家节约大量的外汇，还会带动相关产业的发展，进而促进民族工业的发展。同时，国产城市轨道交通制动系统的研制成功和推广应用，还会提高我国轨道交通制动水平的技术，促进技术进步。目前国内很多车辆厂、研究所以及部分高校都在致力于先进轨道交通制动技术的研究，相信不久的 将来我国的城市轨道交通车辆就会使用技术先进并且完全国产化得制动系统。 内外发展现状 制动系统是城轨车辆的关键部件之一，制动系统性能的好坏，关系到车辆综合技术水平和运行 品质是否可靠 ，因此，各国在发展城轨交通运输的过程中，都把提高制动技术作为一个重要项目进行研究。 城市轨道交通车辆制动技术水平是随着城市轨道交通的发展而不断提高的，制动系统的发展经历了纯空气制动、空气制动为主 电空 制动为辅，直到今天的以电制动为主、空气制动为辅的过程，制动控制技术也由空气控制、电气控制发展到计算机控制。 世界上第一个地铁系统 于 1863年在英国伦敦建成，经过一百多年的发展，各种城市轨道交通系统遍布全球，由于种种原因 ，欧洲发达国家及日本的城市轨道交通运输非常发达，城市轨道交通车辆种类较多，主要有地铁车辆、跨坐式（单轨）车辆、悬挂式车辆、有轨电车，其中地铁车辆是最重要的城市轨道交通车辆，其制动技术水平非常高。欧洲、日本的大部分城市轨道交通车辆制动系统采用的是德国法国 司 ，日本 公司的产品，这些公司的制动系统具有行业领先的技术水平，性能先进、可靠性高，以 再生制动、 3 电阻制动组合方式的电制动是主要的制动方式，在额定满载载荷情况下，电制动的制动力可以满足车辆减速至 5前从技术上讲，电制动甚至可以达到使列车停车的能力。 从上世纪 20 年代起，中国的许多大城市都建设了有轨电车系统，新中国成立以后，有轨电车系统被慢慢拆除，到今天只剩下大连和长春两座城市还在运行有轨电车。我国的城市轨道交通系统建设于 1965 年始于首都北京，经过 40 多年的发展，目前已有北京、上海、天津、广州、南京、深圳建成里程不等的地铁系统，重庆、武汉也已经开行了轻轨系统，还 有成都、西安、沈阳、杭州等城市的地铁系统正在建设当中。包括地铁、轻轨以及有轨电车在内，我国已经基本实现了城市轨道交通车辆的国产化，但作为关键技术的制动系统还依赖进口，成为唯一没有实现国产化的部分，我国的地铁车辆主要采用德国 诺尔）公司，日本 博泰斯克）公司的制动系统， 最新研发的大连有轨电车“大连人”号采用 日本 博泰斯克）公司的产品。为了在制动系统实现国产化，很多科研机构以及高校都在做这方面的研究，技术比较领先的有 中国北车集团四方车辆研究所，该机构承担了国家发 展和改革委员会下达的城市轨道交通车辆制动系统国产化项目，进行城市轨道交通车辆制动系统研制。西南交通大学、同济大学等高校也在做该方面的研究，并已经有了一定成果。 第 2 章 有轨电车制动概述 动基本概念 动的基本概念 列车制动是人为 地 利用制动力使列车减速、停车、阻止其运动或加速的统称。对于列车，人为地使其减速或阻止其加速的外力是由列车制动装置产生的，它与列车运动的方向相反，由轨道作于车轮，叫制动力。通常制动装置是指能产生制动作用的整套机构，包括制动机、基础制动装置、手制动（ 停放 制动）装置 。制动装置是通过司 4 机操纵制动控制器发出的制动指令，指挥制动控制部分向基础制动的制动缸送风，是制动缸获得必须得空气压力，经基础制动装置的放大变换，最终形成列车制动力。制动作用的解除叫做缓解，包括分布操纵的部分解除和一次操纵的彻底解除。 动方式 制动方式可以按制动时列车动能转移方式、制动力获取方式和制动源动力的不同进行分类。 （ 1） 按制动时列车动能的转移方式不同，列车的制动可以分为摩擦制动和动力制动。摩擦制动通过摩擦把动能转化为热能，然后消散于大气；动力制动把动能通过发电机转化为电能，然后将电能从列 车上转移出去。 常用的摩擦制动方式主要有闸瓦制动和盘形制动，在高速动车组和有轨电车制动系统中会用到磁轨制动也属于摩擦制动。 常用的动力制动方式主要有电阻制动和再生制动。电阻制动是把由列车动能转化出来的电能直接消耗在随车安装的制动电阻上转化为热能，通过通风设备把热量散掉；再生制动是把电能通过牵引传动的变流器逆向变换，再把电能返回电网。 车的制动可以分为粘着制动与非粘着制动，这是按照制动力产生是否依赖于轮轨之间的粘着关系而划分的。 闸瓦制动、盘形制动、电阻制动和再生制动均 属于粘着制动，并且制动力的大小也受粘着限制；磁轨制动则属于非粘着制动，其制动力的产生只取决于制动体和钢轨之间的摩擦或电涡流作用。 车制动可以分为空气制动方式和电气制动方式。 以压缩空气为源动力的制动方式称为空气制动方式，包括闸瓦制动、盘形制动等；以电位源动力的制动方式称为电气制动方式，包括动力制动、磁轨制动等。 轨电车制动系统特点 轨电车基本特点 有轨电车是牵引动力和运输载体一体化的城市旅客运载工具，具有以下特点： 5 成组使用、编组固定，编组较短；可单列 运行，也可两列连挂运行； 1. 编组各车之间采用密接式车钩，整体运用维修，大修前不解体； 2. 两端均可操纵，不需转向； 3. 通过网络或电缆实现同步牵引、调速、制动等重联功能。 轨电车制动系统的特点 （ 1） 由于有轨电车是动力分散，列车制动装置是指动车制动装置和拖车制动装置的组合，它们共同形成的完整的制动系统，强调系统的概念； 用电气制动和空气制动的复合制动，各自制动力的调整需要一个制动系统来完成；空气制动部分采用电空制动机； 车减速度作用一致； 充 分发挥再生制动的效果； 分利用粘着。 有轨电车制动的总体要求 制动是有轨电车运行的主要也是最重要工况之一，制动系统的有效性和好坏直接影响列车安全第一系列重要环节，因此制动系统必须满足响应方面得基本要求。 （ 1） 安全性要求，具有足够的制动能力，满足制动距离的要求，保证有轨电车在规定的制动距离内停车，同时要考虑因粘着不足情况下因防滑控制引起的制动距离延长； 动减速快，制动作用灵敏可靠，有轨电车前后车辆制动、缓解作用一致； 正常制动过程中，应 尽量充分发挥动力制动能力，以降低运行成本； 制动力不会衰减； 动系统应根据乘客量的变化，具有载荷调整能力，以减少制动时的纵向冲动； 6 到紧急情况是，能使有轨电车在规定距离内停车，紧急制动除了可由司机操纵外，必要时还可由行车人员利用紧急制动按钮进行操纵； 动系统故障等危及行车安全的事故时，应能自动起紧急制动作用 ； 了车体、转向架这些大部件，各种车载设备也应考虑轻量化设计，制动系统的供风设备、制动控制装置等分布在各车上，也要满足轻量化要求； 了要满足可靠性要求，还要易于维护保养、便于维修。 第 3 章 有轨电车制动系统的组成、原理及控制 对于有轨电车制动系统，根据其采用电气制动和空气制动复合制动的特点，可以分为电气制动和空气制动两大部分。 图 3轨电车制动系统组成示意图 7 气制动 气制动原理 传统的机车车辆制动机有两 种类型 空气制动机和电空制动机，电空制动机是在空气制动机基础上引入电控（电磁、电子或微机控制）部分构成的，它们都可以简称为空气制动。 空气制动系统的制动原动力来自压缩空气，制动力的产生依赖于轮轨接触，属于摩擦制动。其制动指令发出、传递，制动力产生、控制都需要压缩空气。 空气制动系统由供风系统、制动控制装置、基础制动装置组成。供风系统由空气压缩机及其附件（干燥装置、油水分离器、调压器、安全阀）、储风缸、管路及其附件、压力表等组成，具体组成形式与产品型号有关。制动控制装置从整个控制原理上分为两类：直通式空气制动 机和自动式空气制动机。 通式空气制动机 直通式空气制动机是通过制动阀把总风缸的压缩空气直接变成经列车管（制动管）而进入制动缸，其压强大小反映制动力大小的压缩空气，直接在制动缸得到所需制动力。直通式空气制动机的制动阀结构简单，操纵上只有制动、保压、缓解三个位置。 图 3通式空气制动机原理示意图 8 直通式空气制动机的工作原理：列车管充气，制动缸增压，产生制动作用；列车管排气，制动缸减压，缓解制动。当列车分离时，列车管和制动缸处于排空状态，无制动力、无法制动。 直通式空气制动机的特点：构 造简单，对短编组列车来说操作灵活，可以用制动阀直接调节制动缸的压力。但对于较长编组列车，制动时，列车前部制动缸充气早、增压快；后部制动缸充气晚、增压慢；缓解时，列车前部制动缸排风早、缓解快；后部制动缸排气晚、缓解慢；容易形成较大冲动。 动式空气制动机 自动式空气制动机是通过制动阀改变制动管的空气压力，以此压力变化为控制信号，控制列车制动机的三通阀（或分配阀），使制动缸获得所需要的空气压力，再经过基础制动装置的。三通阀由主活塞、滑阀、节制阀等组成，外接列车管、副风缸管。 自动式空气制动机的工作 原理：通过三通阀的作用，列车管排气减压，制动缸充风，产生制动作用；列车管充气增压，制动缸排风、制动缓解。 自动式空气制动机的特点：结构复杂，制动时，列车各车辆制动缸的充气来自就近的副风缸；缓解时，制动缸通过就近的三通阀排气，自动制动阀控制制动管的排风减压或恢复充气，列车前后部制动和缓解动作一致性较直通式好，列车冲动较小，适用于编组较长列车。 有轨电车采用微机控制直通式空气制动机。 9 图 3动式空气制动机原理示意图 气制动控制原理 动控制的要求 （ 1） 制动性能要求 （ a） 满足规定的制动距离要求 从系统制动能力上，首先要满足紧急制动距离要求，另外从制动力控制上要满足定点停车等制动距离的要求。 （ b） 满足规定的减速度要求 满足具体规定的有轨电车的制动减速度、制动平均减速度的要求。 1）满足制动力上升时间的要求 从司机制动控制器置于制动位的瞬间到制动缸的压力上升到规定值所需的时间称为制动力上升时间。从满足紧急制动距离、减少制动空走时间及距离的角度，制动力上升时间要尽量短。 2）满足制动平稳性要求 制动平稳性要求采取有轨电车各车的制动力同步上升、电制动与空气制动的 转换或协调要平顺、制动力与车厢重量成正比、采用密接车钩等减小纵向冲动的措施。在满足制动平稳性的前提下，制动力上升时间也不能太短，否则也会引起纵向冲动，因此对制动指令采用限制上升斜率的平滑措施。 制动精度是指制动距离精度、制动减速度精度、制动调速精度。 1） 制动距离精度 是指在需要精确定点停车的场合，如在车站站台停靠时，车厢门要求对准站台上停车位的标志线，以利于旅客乘降。 2） 制动减速度精度 有轨电车的制动指令和制动力的控制都是按照减速度规定的，但制动系统最终提 10 供给列车的是力 纵向减速力，如果把指 令、制动力、列车质量、列车速度视为一个控制系统的各个变量的话，那么完全可以做到用闭环系统实现既定的列车减速度，并且具有很高的精度。 3） 速度控制精度 在目标速度控制模式下，列车控制系统不断地向牵引或制动系统发出指令，使列车出现牵引、惰行、制动等工况，维持列车运行于目标速度，因此，速度控制精度不是单纯的制动控制精度问题，但却与制动力控制的响应和精度有关。 动控制系统 电气指令式制动控制系统按其电气指令传递方式可分为数字指令式制动控制系统和模拟指令式制动控制系统；按制动控制装置的不同分为电磁式空气制 动控制系统、气压式制动控制系统和微机制动控制系统。 通式电空制动系统 电气指令式制动控制系统按其对空气制动控制方式的不同，分为自动式和直通式。 自动式是在自动空气制动机的基础上增加了电气指令控制系统对列车管压力的控制，通过同时对各车辆的列车管的减压增加，使各车辆的三通阀同时作用，加快列车整体的制动及缓解速度，提高了自动空气制动机的性能。 直通式是采用电信号来传递制动和缓解指令的直通空气制动系统。司机通过电气指令控制装置对各车辆的制动信号管的压力空气进行控制，用该制动管的压力使各中继阀工作，最 终获得制动缸压力。直通式具有响应快、一致性好、控制方便的有点，但也存在一个致命缺点，一旦列车分离就将会失去制动能力。 由于直通式制动控制系统具有上述优点，现在的有轨电车制动控制系统大多采用直通式空气制动、配以电气指令式的制动控制系统。 制动控制系统是制动系统在司机和其他控制装置的控制下，产生、传递制动信号，并对各种制动方式进行制动率分配、协调的部分。目前的制动控制系统主要有空气制动控制系统和电控制动控制系统。 11 图 3通式电空制动供风系统 机控制制动系统原理 有轨电车各车辆上的制 动控制装置由制动控制单元（ 写 继阀、空重调整阀、紧急制动电磁阀等组成。当列车需要制动时，向电气制动控制装置发出制动信号，电气制动控制装置控制电气制动产生作用，并将实际制动力的等值信号反馈到把计算结果相应的电信号送到 继阀进行流量放大后使制动缸获得相应的压力。 拖车常用制动时，制动控制装置的动作过程与动车基本相同，由于 没有电气制动，所以不必进行电气制动与空气制动的协调，所需制动力全部通过 后由中继阀使制动缸产生相应的制动力。 紧急制动时，紧急制动指令线失电，紧急制动电磁阀失电，来自紧急制动电磁阀通过向中继阀提供压力指令，中继阀根据压力指令，将总风压力送往制动缸产生制动力。 动力的控制 对于动力制动，可以直接通过牵引变流器控制再生制动电流来得到所需的制动力；对于空气制动，制动力是由电空制动的控制计算机计算并控制的，因此，在制动装置设计阶段，要采用反向计算，根据基础制动装置产生 的制动力，结合制动力算法采用的闸瓦压力、摩擦系数、平均作用半径、车轮滚动园半径、传动效率等参数，反 12 算出制动缸空气压力。 在制动过程中，制动控制计算机则进行正向计算，根据制动指令对应的制动减速度、当前速度、列车重量，计算出制动力大小，然后进行电气制动和空气制动的分配，根据电气制动优先原则，发出电制动请求指令，再根据电制动力的反馈，决定空气制动力的大小。 拟型 及其控制 模拟制动控制阀 作用是把制动控制单元 于受电 磁阀的控制，其空气压力能连续且无级的变化，此压力作为控制信号控制中继阀的供风、排风的工作空气压力。 气部和排气部够成，电流通过电磁铁线圈时产生吸引力打开供气阀，而供给压力空气，同时压力空气返回到电空变换阀的膜板室，将呈出与电磁阀的吸引力平衡状态时会关闭供气阀，只要改变经过电磁铁线圈的电流大小，就能控制电磁阀吸引力的大小，进而可以任意设定空气压力。 用原理 当接受到电气指令，电磁阀励磁，柱塞动作使排气活塞上升，排气活塞在上升过程中，使供排气阀接触排气阀座 而关闭排气孔后， 压力空气从上部将供、排气阀顶开 ，供排气阀由供气阀脱离，从供气管路 b，称为中继阀的预控压力。同时，压力空气流入到膜板上面的气室，将达到电气指令所需的压力，膜板及排气活塞被它下压，接触到排气阀座，而关闭供气通路，达到平衡位置。 到平衡状态后，若增加指令电流，电磁阀的输出力使柱塞克服膜板承受的压力，上顶排气活塞，产生上述相同作用，空气流到 中继阀管的压力达到指令电流对应的压力，就关闭供气管路，再回到平衡位置，形成阶段制动。 13 1 2 3 4 5图 3P 阀原理图 图 3气制动位） 14 在平衡状态，输出侧平衡腔有与输出相同的空气压力，因此，电磁阀向上的压力大于膜板上方的空气压力，故供排气阀经过排气活塞被柱塞上顶，同时自动开始供气，直到平衡腔的压力达到规定值，形成保压位，在该位，如果出现泄露，能够自动补风。 达到平衡状态后，若指令电流下降，电磁阀的输出力小于膜板承受的压力，下压排气活塞，与供排气阀脱离，中继阀管 c，经过排 气管路排到大气，形成阶段缓解。 中继阀管的压力，即平衡腔的压力降低到等于指令电流对应的压力，排气活塞就开始上升，排气阀座落到供排气阀，使排气管路关闭，重新回到平衡位置。若指令电流归零，电磁阀的输出也为零，排气活塞受到膜板上方压力，下移使排气阀座脱离供排气阀，中继阀管路 d、 c 通路排入大气，形成一次彻底缓解。 图 3压位） 15 图 3气缓解位） 拟型 的控制 控制模拟型 的驱动电流，就能够控制电空制动力，模拟型 的特点 是必须有驱动电流控制装置，在制动控制单元 是由微机进行精确的电流控制的。 模拟型 能够产生与电流大小成比例的空气压力，很容易形成不通过微机就能够实现的备用制动。 模拟型 是其响应、控制精度与 的结构及性能关系很大，必须完善控制方法才能得到较好的控制精度和响应特性；二是存在特性滞后。 由于模拟型 的结构中存在多方面的非线性因素，如移动间隙、干摩擦、膜板和弹簧弹性的非线性等，引起控制电流增大行程和减小的返回行程，同样电流对应的输出空气压 力不等的现象。滞后特性引起的制动力与制动指令的不唯一性，可以采用输出电流值补偿方法，消除电空变换阀的自身带来的滞后，通过这种补偿控制，同时也能消除后续空气压力控制阀尤其是中继阀结构特性的滞后。 制动缓解时，为了使电空变换阀准确的处于缓解位，系统对电空变换阀电磁阀励 16 磁电流进行电流偏差控制。 继阀原理 在制动控制单元 算机完成了电气控制量到空气空置量的转换后，需要一个空气通路断面较大，能够通过较大风量的输出元件，这个功能通常由一个专用的空气压力控制阀 中继阀来完成。 图 3例放大，并不具备压力运送功能的中继阀。该中继阀为双膜板结构，上膜板的下腔引入来自 膜板的下腔引入来自紧急电磁阀的紧急制动预控压力，两张扁平膜板的有效面积相同，具有高位优先功能。由于这样两种压力（高位优先压力和二次压力）的相差，供排气阀杆滑动，从而执行供气阀的开闭以及二次压力的供给或排气。 制动位：控制信号压力（ 到下膜板的上下腔，供排气阀杆上移打开供气阀，来自制动风缸的压力空气（一次压力），经供气阀和供气阀座开口部变为二次压力空气（ 流出送往制动缸管，制动缸压 力上升，供排气阀为供气位，中继阀处于制动位，如图 3 图 3继阀原理图 17 图 3继阀原理图（制动位） 保压位：制动缸压力上升时， 下膜板的上下腔的压力排气阀杆被宰弹簧力作用下向下移，供气阀被压住到供气阀座，而停止一次压力空气的流出，即停止向制动缸管充气；同时，供排气阀杆与供气阀地面接触，封闭二次空气压力不会排出，供排气阀处于为平衡位，制动缸压力维持不变，中继阀处于保压位，如图 3 图 3继阀原理图（保压位） 18 缓解位：当控制信号压力（ 低，供排气阀杆由于 的压力而向下移动，二次压力空气经过供排气阀杆内的通路排出到大气中，供排气阀为排气位，此时制动缸压力下降，处于缓解过程，中继阀处于缓解位，如图 3示。 图 3继阀原理图（缓解位） 紧急制动位：此时控制信号压力（ 止下降，上下膜上移与供气阀地面接触，供排气阀又处于供、排气阀同时封闭的重叠状态，制动缸压力维持不变，中继阀又处于保压位，实现制动阶段缓解，如图 3 图 3继阀原理图（紧急制动位） 19 气制动基础制动装置 有轨电车基础制动装置主要采用空气盘形制动器，同时采用磁轨制动器作为补充制动器，以满足制动距离的要求。 图 3形制动器 图 3轨制动作用原理 气制动 气制动原理 电气制动（简称电制动）是动力制动的一种，是利用电力传动装置产生制动力的 20 动力制动方式。 对于牵引电机，当转差率大于 1时，转子的转向与磁场旋转的转向相反。电机在正常运行时，倘若突然改变定子的相序即可获得这种运转状态，此时电机将急剧趋于停转，若 不能及时切断电源，转子将加速至相反方向旋转，称为反接制动状态。 如果电机在正常运转时，突然降低定子的供电频率，转子的机械惯性将使之维持在高于旋转磁场的转速上，这时转差率变为负值，进入发电机状态。电机转轴上的机械能变成电能回馈给电网或消耗在电阻上。在有轨电车下坡或高速运行需要制动时极易实现上述运行状态，称为再生制动或电阻制动。 有轨电车在制动时，电传动装置，也称为牵引控制单元（ ，接受电制动指令，将牵引电机转变为发电机，有轨电车惯性力通过车轴驱动发电机，将动能 转化为电能，再通过不同的方式处理这些电能。在电制动工况，牵引控制单元充当制动控制单元的角色。 气制动特性 电制动特性是指按预定控制规律实现的电制动力随列车速度变化的特性。根据电制动速度范围、制动功率、电空复合制动调节要求，电制动力可以调节成等制动功率或等着动力两种特性。在等制动功率特性下，在中高速范围内制动力随速度降低而增大，制动力与速度乘积等于制动功率，在低速下受最大制动电流限制，取不随速度变化的等制动力电力特性；在等制动力特性中，整个速度范围内制动力保持不变，但制动力的大小受牵引电机制动功率 和制动电流的限制。 21 图 3制动特性曲线图 有轨电车制动工况所需要的制动力特性与牵引特性相似，一般希望在高速下制动力要小，以减小施加制动时引起的纵向冲动，随着速度的降低，希望制动力越来越大，以满足制动距离、制动平均减速度的要求。由以上两种特性可以看出，等制动力特性一般不适合独立承担制动减速的要求，而要与具有等制动功率特性的其他制动方式复合使用。 在电空复合制动模式下，电制动力可以实时调整为所需大小，而不按预定规律调整；在等速模式下，电制动力根据目标速度控制指令系统给出的减速要求，实时调节制动力的 大小。 气制动的控制 由于在有轨电车上电制动通常为再生制动，电制动力的控制根据制动控制单元的控制指令、电制动允许条件、整列或单元控制模式等条件，由牵引逆变器实现。 在过电分相或高压部分故障等情况下，可以切换为电阻制动，但此时必须有辅助电源维持支流环节的初始供电，以维持牵引电机的励磁分量。 电制动力的大小控制是按上述制动力特性调节的，但从操纵上又可以分为独立操纵和非独立操纵。独立制动是指类似机车电阻制动或再生制动那样独立使用电制动，当电制动力不足时，再加上空气制动；非独立操纵是指在任何需要制动的时 候，完全由自动控制单元决定复合制动模式下电制动与空气制动的时机以及制动力大小的分配。 动指令及其传输 动操纵及制动功能设置 制动系统产生制动作用的指令来自司机制动控制器。根据行车过程中对列车减速效果的期望，司机根据操纵经验，可以选择制动控制器的手柄位置以获得所需的制动力。在有轨电车制动系统中，通常把手柄位置信息作为制动指令送到列车网络，由网络主控制计算机编码并传输到各节车的制动控制装置，通过计算及控制，在基础制动 22 装置中产生制动作用。 根据列车运行减速、停车等制动要求，制动系统的制动功能一 般分为常用制动和紧急制动，这两种制动功能都可由司机在运行中根据需要直接操纵。常用制动使用电制动或电制动与空气制动的复合制动，而紧急制动通常只采用空气制动，即纯空气制动。 气指令模式及传输 有轨电车的电空系统采用电气指令式制动控制系统，制动指令一般是由司机制动控制器送出的，交给列车信息控制网络传输给各车的制动控制装置。除了司机制动控制器，制动指令还可能来自列车运行监控记录装置、列车自动控制系统车载设备、司机安全装置等，制动指令经由传输系统送到制动控制装置，最终在基础制动装置产生制动力。 电气式制动 指令按指令形式和传输方式可分为数字指令和模拟指令。 字指令 所谓数字指令是由 0 和 1 组成的 2 进制数，在用 3 位数字组合时，可以形成 8种不同的组合。在制动控制上， 0和 1分别对应制动控制线的通断电，可以产生 7级制动级位，如果采用更多的制动控制线，可以得到更多的制动级位，通常对于有轨电车来说，常用有 7 级制动即可满足要求。 数字指令可以用两种方法获得，一是在司机制动控制器内部把反映司机操作位置的指令变换成标准电平的数字量，然后用数字通信方式把指令传送给列车网络，这种方式在司机制动控制器内部安装转换电路或 计算机；二是在司机制动控制器内部先形成控制电压的开关量，经过多条控制线送到列车网络，由网络主机完成标准数字量的变换，这种方式不需要在司机制动控制器内部安装转换电路或计算机。 拟指令 模拟指令是指用模拟电量反映司机制动控制器的级位信息，模拟电量可采用电压、电流、频率、脉宽、相位等信号来传递制动指令，以这些模拟量的大小来表示制 23 动要求的大小。 在原理上，采用连续变化的模拟指令可以实现制动的无级操纵，在操纵上，采用模拟指令虽然比数字指令更为方便，但纯粹的无级操纵不方便找到合适的操纵位置，因而应用不多 ，往往在司机制动控制器的手柄上再加上参考定位机构。 采用模拟指令对指令传输的设备性能要求很高，一旦设备性能不能满足要求，可能造成制动指令精度下降，影响制动效果。 气指令传输 在有轨电车上，司机制动控制器发出的制动指令，在正常的传输情况下一般交由列车信息控制网络来完成，列车网络对于来自司机控制器的牵引、制动等指令是优先传送的；在设备出现故障的情况下，可以通过备用传输线向全列车传送。 令方式与制动控制模式 压量指令模式 在不同的制动系统中，司机制动控制器发出的制动指令 的形式、含义都是不同的。 对于自动空气制动机，当司机操纵制动手柄置于常用制动某个位置时，自动制动阀对制动管排风减压，压力降低到低于定压达到减压量时，制动控制装置的控制阀把该减压量变成制动缸对应的压力。 司机操纵结果是把手柄置于制动区某位置，这是通过把列车制动管与自动制动阀的排风口相连，把制动管压力降低到该位置对应的减压量，该减压量信息在制动管中以空气压力波形式向列车后部传递，每车的三通阀根据减压量大小输出相应的空气压力到制动缸。 自动空气自动机的制动指令是制动管的减压量，信息传递形式是压力波，实际传播速度低 于大气中的声速。 速度指令模式 对于电气指令，当司机操纵制动手柄置于常用制动某个位置时，实际就把反映手柄位的信息，以数字量形式经列车网络传送到各车制动控制装置，在计算机的计算和 24 控制下，找出该级位、此时列车速度对应的列车制动减速度，再与车辆总重等数据计算出此时所需制动力，控制中继阀向制动缸输出相应的空气压力。 采用电气指令的空气制动机，其制动指令的本质是制动手柄位对应的列车制动减速度，指令信息形式是制动级位的数字量，传播速度大大高于声速，对应了制动控制的等制动率控制模式。 合制动 有轨 电车采用电气制动与空气制动，在运行过程中优先使用电气制动，当电气制动不能满足制动要求时，空气制动自动补充，这种制动方式称为复合制动。 合制动设计原则 复合制动协调方式的选择是根据设计原则来定的，根据动车、拖车的空气制动部分投入的顺序和方式的不同，形成以下几种控制原则： （ 1） 节能原则 根据制动力的需要，先把全部制动力由动车电制动承担，在电制动力不足的情况下，先由拖车空气制动补充，拖车的制动力全部发挥出来，整列车或列车单元的制动力还不够得话，才使用动车的空气制动。这样，动车的电制动一直处于满足制动 需求的最大状态，列车运行总能耗最低。 按节能原则设计的制动控制系统，动车的空气制动最晚投入使用，保证了电气制动的绝对优先，但这样存在两个问题：一是只能按照一动一拖或几辆动拖车为单位，或整列车进行制动力的协调控制，控制单元内部尤其是动拖车之间的制动力与减速度要求可能不一致，有可能引起纵向冲动，影响乘坐舒适度；二是动车和拖车的闸瓦磨耗程度相差较大，更换周期也相差较多，增加了维修组织的复杂性以及维修成本。 在需要制动的时候采用电气制动优先，但需要空气制动补充时，始终按照动车、拖车空气制动时间投入、 空气制动率相同的方式控制制动力。这样，虽然在投入顺序上电制动优先，但由于要兼顾动拖车等制动率的空气制动力，不能完全发挥电制动力。 25 考虑舒适性原则的时候，在任何情况下，制动力都要与本节车的总重量相适应，满足统一的制动减速度。这样列车减少了引起纵向冲动的因素，改善了乘坐舒适性，但这种设计也最大程度的限制了电制动力的发挥。 制动控制采用的设计原则，实际上体现了制动系统的控制策略。 合制动作用控制 般制动工况下的协调关系 采用节能原则作为控制策略的制动系统 当再生制动力大 于动车所需必要制动力时 拖车： 把（拖车所需制动力） -（再生制动力） -（动车所需必要制动力） 的制动力，作为补足空气制动力输出。 计算的结果即补足空气制动力即使为零，为了保证再生制动失效时补足空气制动的迅速响应，要保证制动缸有一定量的空气压力作为初始压力，这对于复合制动控制很重要，因为再生制动与空气制动可能经常转换。 动车： 全部为再生制动，为了保证再生制动失效时补足空气制动的迅速响应，要保证增压汽缸油一定量的空气压力作为初始压力，原因同上述。 当再生制动力小于或等于动车所需必要的制动力时 拖车： 全部为 空气制动。 动车： 把（动车所需必要的制动力） -（再生制动力）的制动力作为补足空气制动力输出。 合模式下电气制动与空气制动切换 在有轨电车运行过电分相区切处于再生制动工况时，也存在一种自动切换控制的特殊情况，此时电制动与空气制动的协调关系如图所示： 26 图 3动过电分相时电制动与空气制动的协调关系 合制动的粘着控制 动粘着 制动力的极限受到粘着力的限制，鉴于有轨电车的制动系统本来就属于一种分散方式布置于各车，从这一点看，总的制动粘着利用率接近 100%。相比 而言，牵引粘着利用率要低的多，但由于交流异步牵引电机良好的自身再粘着性能，所以动轴的牵引粘着利用可以高于拖车轴的制动粘着系数，且再生制动工况下，动车每制动轴的粘着仍然可以高于从轴的空气制动粘着。 如果基础制动装置采用踏面制动，则有利于粘着系数的提高；如果基础制动装置采用盘形制动，则需要采用增粘措施提高粘着系数，避免或减少制动滑行的发生。 粘控制 为了提高轮轨间粘着系数，可以使用踏面清扫装置，尤其在轮轨表面附着油污、树叶等杂质的情况下。设置踏面清扫装置的主要目的是改善轮轨接触面粘着条件，清楚表 面附着的油污等杂质，同时可以改善车轮踏面的圆度，对车轮踏面上的微小表面损伤起到修复作用。 踏面清扫装置为空气直动式，清扫装置的动作受控于踏面清扫控制系统的指令，踏面清扫的动作在车轮发生空转、滑行和速度在 30km/h 以上三种条件下施行。气缸 27 内为活塞和间隙自动调整装置，活塞杆头部与闸瓦连接，闸瓦为树脂合成材料，闸瓦可以方便的更换，打开闸瓦托座上的锁闭装置，即能将闸瓦由内向外的方向取出。 图 3面清扫装置的控制 滑控制 滑控制的必要性及设备 当制动系统给转向架轮轴上的制动 盘施加制动力时，轮对转速迅速减小。一旦制动力过大超过轮轨接触区域的粘着力，轮周速度与车速将出现速度差，车轮与轨面之间产生滑行，甚至车还在行驶，车轮已经停止转动，即发生“抱死”。滑动摩擦下的制动力会比正常粘着时减小约四倍，不但急剧减小了制动力又延长了制动距离，危及行车安全。 车轮高速滑行会导致轮对踏面与轨面互相擦伤，滑行距离越长擦伤深度越大，可能造成车轮不易恢复转动的严重后果，所以，有轨电车对制动过程中可能出现的滑行必须进行有效地控制。 有轨电车采用由电气制动和空气制动的复合制动，因此电气制动再生制动车轮防滑 系统和空气制动车轮防滑系统，均含有列车速度的测速装置和车轮防滑（ 控制模块。每个基础制动装置的制动缸处都单独设置有防滑控制设备。 过分析每个车轴的速度信号，推算列车速度，称为第五轴速度，以此作为标准，凡速度低于该标准，则认为该轴发生滑行。 28 行检测 速度传感器安装在电机的非传动轴端。其主要用途有： （ 1）各车轮直径大小不一致造成转速存在差异，此差异可以通过设定控制牵引电机的逆变器频率予以消除。逆变器频率设定依据： 1 行进时按 4 台并联电机中转数最低的电机设定频率； 2 再生时按 4 台并联电机中转数最高的电机设定频率。 （ 2）空转检测 （ 3）控制制动器 （ 4）运行方向检测和控制主电路 （ 1）减速度检测 各轴的减速度超过规定值时，报检测到滑行。 （ 2）速度差检测 在发生标准速度规定量的速度差时，报检测到滑行。 行控制 对来自各轴的速度信号，对其取样求出有轨电车基本速度，实时进行各轴之间的相对比较，按各个轴进行粘着恢复控制。 如果处于电气制动工况，检测到滑行时则进行再 生模式选择；如果是空气制动时检测到滑行，则控制阀输出针对该轴制动缸压力的缓解指令，使制动缸排气。 用制动 在制动指令系统发生故障而失效，不能使用常用制动时，为保证行车安全，要设置一套备用制动装置。 29 用制动方式 用方式 正常的制动系统可以采用电气制动指令，也可以采用空气制动指令两种方式，备用制动也可以采用以电压为控制信号的的电气指令备用方式或者空气减压指令备用方式。根据制动系统备用的范围，可以是只备用指令及传输部分，也可以备用到制动力控制部分，甚至是备用除基础制动装置之前的 一整套制动控制系统。 第一种，只备用电气指令及其传输。如果司机制动控制器的指令产生部分以及网络传输发生故障时，用另外一套独立的电气指令并传输到备用系统与原系统的接入点，该接入点在制动控制计算机之前，制动指令由计算机接收，制动力的计算和 第二种，备用电气指令及其传输，并延伸到 的控制。如果指令产生部分、网络传输、制动控制单元发生故障时，用另外一套独立的电气指令并传输到备用系统与原系统的接入点，该介入点在制动控制计算机之后，制动指令由 直接接受，制动力大小已含 在指令中，直接控制 第三种，备用除基础制动装置之前的一整套制动控制系统。用一套独立的空气制动系统，不依赖原有系统的指令及传输、制动控制、 换，直接产生空气压力到原有系统的中继阀，备用制动是一套完整的自动空气机，包含分配阀。 用功能 备用制动系统的制动功能可以和原有正常制动系统一样，维持有轨电车制动作用和制动效果，也可以采用部分功能备用，如只备用常用制动，或常用制动中的部分操作级位。由于制动功能降级使用，在列车实际运行中，必须降速运行，一般通过规程规定，列车要到前方站等待救援、入段 ，备用列车投入使用。 在有轨电车上，发生故障投入备用制动时，必然是严重故障发生并启动紧急制动，因此需要停车，根据故障应急处理条例，排除或维修故障部位，无法排除故障的设备，则采取隔离措施，然后通过人工转换，投入备用制动装置。 30 用制动装置 用电气指令 原指令发生装置，多为直流控制电源经过司机制动控制器，形成开关信号，即靠直流电压的有（ 和无（ 0V） 表示制动级位。根据国外有轨电车的运营和维修经验，对于一个成熟的有轨电车产品以及其制动系统，发生投入备用制动的情况是很少的，在备 用模式下，应采用最简单但要高度可靠的方式实现有限的制动功能，而不必追求电气指令采用可以直接传输到每节车辆的信号方式。 图 3一种备用指令形式及其产生电路原理图，图中所示的制动备用指令电路，只能形成四级制动，经司机制动控制器的联动转轴，根据司机制动操纵级位，可以选择四个级位作为备用制动指令。 图 3动系统的备用指令 一般的电气指令采用直流电源，常用 上的直流电，采用交流电源作为指令信号，有利于较长距离的传送，同时也便于改变电压适用 图 3指令信号，车辆制动控制装置内部的接收、变换而形成的 直接反映了制动力的大小。 31 图 3动系统的备用指令变换电路 P 阀的驱动 在备用模式下， 自制动备用指令电路的直流驱动信号，直接加在 补偿因温度变化引起驱动电流变化，从而导致制动力控制精度下降，在 电流取样，由控制电路补偿温度变化引起电磁线圈电阻变化，也可以直接使用负温度系数电阻进行补偿。 32 第 4 章 方案设计 动系统组成 有轨电车制动系统采用微机控制直通电空制动， 由空气制动和动力制动两种制动装置组成， 主要包括制 动指令发生及传输系统，制动控制系统，再生制动装置，基础制动装置，风源系统，气动系统附件等 。 制