城市轨道交通车辆构造项目五课件

1、项目5 1城轨交通车辆制动系统目录5.15.25.3制动系统基础知识电制动与空气制动典型制动系统介绍 5.1 制动系统基础知识 5.1.1 制动系统的基本概念制动系统制动与缓解制动装置与制动系统5.1 制动系统基础知识 5.1.1 制动系统的基本概念1.制动与缓解制动是指人为地通过制动装置使车辆减速或阻止其加速的过程。从能量变化角度分析，制动过程是一个能量转移的过程，即将列车运行的动能人为控制地转化成其他形式能量的过程。 而制动力则是指使车辆减速或阻止其加速的外力，制动机是产生并控制制动力的装置。 （1）制动。5.1 制动系统基础知识 5.1.1 制动系统的基本概念1.制动与缓解缓解是对已经施

2、行制动的列车，解除或减弱其制动作用。对于运动的列车而言，列车在停车后启动加速前或列车在运行途中限速制动后加速前均要解除制动作用，即施行缓解作用。 （2）缓解。5.1 制动系统基础知识 5.1.1 制动系统的基本概念2.制动装置与制动系统 制动装置是在车辆中产生制动力，使列车减速、停车的一套机械、电气装置，一般将机械装置称为基础制动装置，而将电气控制的部分称为制动机。制动作用的性能对保证车辆安全和正点运行具有极其重要的作用，制动装置也是提高列车运行速度和线路输送能力的重要条件之一。 （1）制动装置。5.1 制动系统基础知识 5.1.1 制动系统的基本概念2.制动装置与制动系统 制动系统的组成。制

3、动系统由动力制动系统、空气制动系统及指令和通信网络系统组成。 动力制动系统。动力制动系统一般与牵引系统连在一起形成主电路，包括再生反馈电路和制动电阻器，将动力制动产生的电能反馈给供电接触网或消耗在制动电阻器上。 （2）制动系统。5.1 制动系统基础知识 5.1.1 制动系统的基本概念2.制动装置与制动系统 空气制动系统。空气制动系统由供气部分、控制部分和执行部分组成。供气部分有空气压缩机组、空气干燥器的风缸等；控制部分有电-空转换阀、紧急阀、称重阀、中继阀等；执行部分主要是指基础制动装置，主要有闸瓦制动装置、盘形制动装置等。 指令和通信网络系统。指令和通信网络系统是传递司机指令的通道，也是制动

4、系统内部数据传递交换及制动系统与列车控制系统进行数据通信的总线。 （2）制动系统。5.1 制动系统基础知识 5.1.1 制动系统的基本概念2.制动装置与制动系统 制动系统的作用。制动系统的主要作用如下： 车辆在运行过程中，司机通过制动装置使列车减速、停车或停止加速。 防止车辆在长大下坡道运行时加速。 防止城轨车辆在停车线或检修线上自动溜放而实施停放作用等。 （2）制动系统。5.1 制动系统基础知识 5.1.2 城轨交通车辆制动系统的要求（1）具有足够的制动力，保证在规定的制动距离内停车；一般城轨车辆的制动距离在200 m以内。 （2）制动装置能方便司机灵活操纵、动作迅速、停车平稳准确，车组前后

5、车辆制动、缓解作用一致。 （3）新型城轨车辆普遍采用电制动和空气制动的联合制动方式。 （4）能确保城轨车辆在长大坡道上运行时，制动力不衰减，使列车能匀速平稳下坡。 5.1 制动系统基础知识 5.1.2 城轨交通车辆制动系统的要求（5）制动装置能根据客流量的大小自动进行空、重车制动力大小的调整，减少制动时的纵向冲击。 （6）具有紧急制动性能。遇到紧急情况时，能使电动车组在规定距离内安全停车。紧急制动作用除由司机操作外，必要时还可由行车人员利用紧急停车按钮（紧急阀）进行操纵。 （7）电动车组在运行中发生诸如列车分离、制动系统故障等危及行车安全的事故时，应自动起紧急制动作用。 5.1 制动系统基础知

6、识 5.1.3 制动方式制动方式是车辆制动时动能的转移方式或制动力的获取方式。 （1）按动能转移方式，制动方式分为摩擦制动和电制动。 摩擦制动。即通过摩擦方式将动能转变为热能散发到空气中，包括闸瓦制动、盘形制动和磁轨制动。 5.1 制动系统基础知识 5.1.3 制动方式电制动。电制动又称动力制动，即制动时将动能通过发电机转化为电能，再将电能送回电网或变成热能散发到空气中。动力制动包括再生制动和电阻制动。 再生制动。再生制动将动能转化为电能后，供车辆的其他负载使用或反馈回电网；节约能源，又减少制动时对环境的污染，基本上无磨耗，属于最理想的制动方式。 电阻制动。电阻制动是将发电机发出的电能加于电阻

7、上，电阻发热，电能转变为热能。 5.1 制动系统基础知识 5.1.3 制动方式（2）按制动力的获取方式，制动方式分为黏着制动和非黏着制动。黏着制动应用广泛，闸瓦制动和盘形制动属于黏着制动；高速铁路广泛使用的磁轨制动和涡流制动属于非黏着制动。 5.1 制动系统基础知识 5.1.4 制动技术的发展（1）人工制动方式。有轨电车主要采用此种方式，其主要制动设备有刹车钢丝、木质闸瓦等。 （2）机械式制动方式。其主要制动设备有杠杆传动机构、铸铁闸瓦等。 城轨车辆制动技术大概经历了以下五个发展阶段： 5.1 制动系统基础知识 5.1.4 制动技术的发展（3）借鉴铁路机车车辆的空气制动方式。其主要制动设备有空

8、气指令自动空气制动机、铸铁闸瓦或合成闸瓦等。 （4）电气指令式制动控制系统方式。其主要制动设备有电气指令直通式制动机、合成闸瓦等。 （5）计算机控制制动系统方式。其主要制动设备是计算机控制电气指令、新型基础制动装置。城轨车辆制动技术大概经历了以下五个发展阶段： 5.1 制动系统基础知识 典型案例1.模块化的设计理念 空气压缩机及制动车辆制动系统风源系统的其他相关冷却和干燥设备共同组装为“风源模块”，安装在每辆Mp车上。根据某地铁2号线车辆制动系统的特点，将制动控制装置及相关设备组装为“制动控制集成”，安装在每辆车上。 5.1 制动系统基础知识 典型案例2.基础制动装置 图5-1 带停放制动装置

9、和不带停放制动装置的踏面式制动单元5.1 制动系统基础知识 典型案例3.自动磨耗补偿装置和闸瓦 图5-2 NC3443型合成闸瓦5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 电制动是动车的制动方式，制动时通过电机角色的转换将车辆的动能转化为电能，从而使车辆减速或停车的制动方式称为电制动或动力制动。电制动具有独立的滑行保护和载荷校正功能，动车装备有：1个三相调频调压逆变器（VVVF），1个牵引控制单元（DCU），1个制动电阻，4个自冷式三相交流电机M1、M2、M3、M4(每轴配一个，相互并联)。 5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 1.再生制动 如图5-3所示，当城轨车辆施行常用制动作

10、用时，电动机M变成发电机状态运行，将车辆的动能变成电能，电能经VVVF逆变器整流成直流电反馈于接触网，供列车所在接触网供电区段上的其他车辆牵引用和供给本车的其他系统，即再生制动。 再生制动取决于第三轨(或接触网)的接收能力，也即取决于网压高低和负载利用能力。 5.2 电制动与空气制动 图5-3 再生制动原理5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 2.电阻制动 如图5-4所示，如果制动列车所在的接触网供电区段内无其他列车吸收该制动能量，VVVF则将能量反馈在线路电容上，使电容电压XUD迅速上升，当XUD达到最大设定值1 500 V时，DCU启动能耗斩波器模块A14上的门极可关断晶闸管（ga

11、te turn off thyristors，GTO）V1，GTO打开制动电阻RB，制动电阻RB与电容并联，将电机上的制动能量转变成电阻的热能消耗掉，称为电阻制动。 5.2 电制动与空气制动 图5-4 电阻制动原理5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 3.制动模式 常用制动1快速制动2紧急制动3弹簧停放制动4保压制动55.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 （1）常用制动。在常用制动模式下，电制动和空气制动一般都处于激活状态。一般情况下，电制动能满足车辆制动要求，当电制动不能满足制动要求时，气制动能够迅速、平滑地补充，实现混合制动作用。 （2）快速制动。快速制动具有以下特点：电制

12、动不起作用，仅空气制动；受冲击率极限的限制；主控制器手柄回到“0”位，可缓解；具有防滑保护和载荷修正的功能。 3.制动模式 5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 （3）紧急制动。紧急制动的特点如下：失电制动，得电缓解；电制动不起作用，仅空气制动；高速断路器断开，受电弓降下；不受冲击率极限的限制，在1.7 s内即可达到最大制动力的90%；紧急制动实施后是不能撤除的，列车必须减速，直到完全停下来（零速封锁）；具有防滑保护和载荷修正的功能。3.制动模式 5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 （4）弹簧停放制动。弹簧停放制动缸充气时，停放制动缓解；弹簧停放制动缸排气时，停放制动施加；还

13、附加有手动缓解的功能。 （5）保压制动。保压制动的作用是防止列车在停车前的冲动，使列车平稳停车，其通过ECU内部设定的执行程序来控制。3.制动模式 5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 制动控制的基本原则包括常用制动优先原则、常用制动混合原则和常用制动力的分配原则。 （1）常用制动优先原则。第一优先再生制动，第二优先电阻制动，第三优先摩擦制动(气制动)。 4.制动控制的原则 5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 （2）常用制动混合原则。 电制动无故障状态下的制动原则。在DCU无故障状态的情况下，电制动始终起作用，提供常用制动所需的制动力(AW0AW2)。制动指令值同时送至所有的

14、DCU和ECU，并由它们分别根据车辆的载荷情况计算所需的制动力。 电制动与气制动混合的控制原则。电制动与气制动之间的融合(混合)应是平滑的，并满足正常运行的冲击极限。气制动用来填补所要求的制动需求和已达到的电制动力之间的差额。 4.制动控制的原则 5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 （3）常用制动力的分配原则。常用制动力分为电制动力和气制动力。电制动力的分配原则：由于车辆编组每单元为三节，假设每单元自己提供制动力，总共需要300%的制动力。而电制动时只有动车能提供制动力，每单元的三节车中只有两节动车，因此每节动车承担150%的制动力。空气制动力的分配原则：由A车、B车和C车组成的单元

15、车则需300的气制动力，每节车的气制动控制单元根据本车的载荷重量负责本车100的制动力。 4.制动控制的原则 5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 制动控制系统是制动系统在司机或其他控制装置（ATC）的控制下，产生、传递制动信号，并对各种制动方式进行制动分配、协调的部分。 目前，制动控制系统主要有空气制动系统和电气指令式制动控制系统。 5.制动控制系统的分类 5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 （1）空气制动系统。当以压力空气作为空气制动信号传递和控制制动介质时，该制动系统称为空气制动系统，又称空气制动机。 （2）电气指令式制动控制系统。以电气信号来传递制动信号的制动控制系统

16、，称为电气指令式制动控制系统。地铁车辆普遍采用电气指令式制动控制系统，而电气指令式制动控制系统又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。 5.制动控制系统的分类 5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 数字指令式制动控制系统。数字指令式是指由0到1组成的二进制数，在用3位数组合时，除000外，还有001、010、011、100、101、110、111这7组组合。在制动控制上，使0对应制动控制线OFF，1对应制动控制线（根），可以得到更多2n-1级的制动。北京地铁曾研制和采用了这种方式的制动机，就操作方便性来说，通常7级制动已基本够用。利用上述原理传递制动指令的控制系统，称为数

17、字指令式制动控制系统。5.制动控制系统的分类 5.2 电制动与空气制动 5.2.1 电制动 模拟指令式制动控制系统。模拟指令式制动控制系统与数字指令式制动控制系统基本相同。唯一的区别是从驾驶室送往各车辆的制动电气指令是使用模拟量传递的，所以称为模拟指令式制动控制系统。从控制系统可获得无限级制动力，即可控制制动的细微调节，因此比较适宜于ATC控制的列车。5.制动控制系统的分类 5.2 电制动与空气制动 5.2.2 空气制动 1.空气制动系统的组成空气制动系统由供气系统装置、基础制动装置（常见有闸瓦制动装置和盘形制动装置）、制动控制单元和防滑装置组成。 （1）供气系统装置。供气系统装置的主要作用是

18、产生一定压强的压缩空气，并将其储存在风缸中，供制动装置、车门控制装置（气动门）、车辆转向架的空气弹簧减振悬挂装置等使用。供气系统装置主要由压缩机、空气干燥器、压力控制装置、管路等组成。5.2 电制动与空气制动 5.2.2 空气制动 1.空气制动系统的组成（2）制动控制单元。制动控制单元是制动的核心部件，它的主要作用是接受计算机制动控制单元的指令，然后指示制动执行部件动作，完成制动。 （3）防滑装置。防滑装置主要是当车轮与钢轨黏着不良时，对制动力进行控制的装置。它用于防止车轮打滑，以免擦伤车轮踏面。防滑装置包括4个防滑排风阀和4个轴端速度传感器。 5.2 电制动与空气制动 5.2.2 空气制动

19、2.基础制动装置基础制动装置是空气制动装置的执行装置，是产生制动力的执行装置。一般单元制动器都将制动缸传动机构、闸瓦间隙调整器以及悬挂装置连在一起，形成一个紧凑的装置。我国地铁车辆采用德国克诺尔制动机厂生产的单元制动器的较多。5.2 电制动与空气制动 图5-5 两种单元式制动缸 (a)PC7Y型 （b）PC7YF型（带停车弹簧制动器）5.2 电制动与空气制动 5.2.2 空气制动 3.闸瓦闸瓦是指制动时压紧在车轮踏面上产生制动作用的制动块。闸瓦分为铸铁闸瓦和合成闸瓦。铸铁闸瓦按含磷量的不同可分为中磷铸铁闸瓦和高磷铸铁闸瓦，合成闸瓦是以树脂、石棉、石粉、硫酸钡等材料为主热压而成的。合成闸瓦必须通

20、过在其背部加钢背来增加抗压强度，合成闸瓦由钢背和摩擦体组成。5.2 电制动与空气制动 5.2.2 空气制动 3.闸瓦（1）合成闸瓦的主要优点。 摩擦性能可按需要进行调整。可改变、调整配方和工艺，从而可以充分地利用轮轴间的黏着系数。 耐磨性能好，使用寿命长。合成闸瓦的耐磨性能好，使用寿命一般为铸铁闸瓦的310倍。 对车轮踏面的磨耗小，可延长车轮的使用寿命。 质量轻。合成闸瓦的质量一般只为铸铁闸瓦质量的1/31/2。 可避免磨耗铁粉的污损及制动喷射火星而引起的火灾事故。 摩擦系数比较平稳，并能保证有足够的制动力。 5.2 电制动与空气制动 5.2.2 空气制动 3.闸瓦（2）合成闸瓦的主要缺点。

21、热龟裂。如果闸瓦与车轮接触不良，将在车轮踏面上产生局部过热，形成热斑点，发生热龟裂。 车轮的钩状磨耗。在制动频繁的区段上使用合成闸瓦会使车轮温度升高。车轮踏面呈现沟状磨耗，这是由合成摩擦材料局部摩擦热膨胀引起的。温度越高时，这种磨耗在车轮踏面的外侧越容易发展。沟状磨耗是由于闸瓦横向摩擦造成的。研究制动时的踏面温度分布，便可以判断车轮踏面容易发生沟状磨耗的位置。 车轮的凹形磨耗。在冬天积雪地区使用合成闸瓦时，会发生凹形磨耗。这是由于水介入闸瓦摩擦表面所引起的。 5.2 电制动与空气制动 典型案例1.制动控制装置 某地铁2号线的每辆车均配备一套制动控制装置，带有司机室的拖车Tc制动控制单元内部配备

22、有总风低压压力开关，将信号串联至紧急回路，可进行带有空车及重车调整的常用制动、紧急制动、滑行保护等的控制，此外还具有自我诊断等诸多功能。 （1）电子控制单元。（2）制动控制单元。5.2 电制动与空气制动 典型案例2.列车防滑系统 城轨车辆的车轮滑动保护系统一般采用基于单轴的滑动检测和矫正功能，即每个轴配备一套速度传感器和防滑阀，可用于速度传感器与测速齿轮间间隙的调整。 城轨车辆的空气制动系统，又称为机械制动系统或摩擦制动系统，是指在城轨车辆制动系统中将空气压力转换为基础制动装置摩擦力的制动装置。我国的城轨车辆最常用的空气摩擦制动方式是闸瓦制动和盘形制动。5.2 电制动与空气制动 典型案例3.空

23、气制动系统的结构原理 图5-5 两种单元式制动缸 (a)PC7Y型 （b）PC7YF型（带停车弹簧制动器）5.2 电制动与空气制动 典型案例4.城轨车辆的风源系统 图5-7 活塞式空气压缩机5.3 典型制动系统介绍 5.3.1 EP2002制动系统 EP2002制动系统是德国克诺尔公司生产的新一代产品，是电气指令式制动控制系统，其核心部件是EP2002阀。传统的城轨交通车辆一般使用一个制动系统控制单元控制两台转向架的车控方式，而EP2002制动系统则采用一台EP2002阀控制一个转向架的架控方式。 5.3 典型制动系统介绍 5.3.1 EP2002制动系统 EP2002制动系统包括空气压缩机、

24、空气干燥塔、大小储风缸、控制单元和检测点，采用模块化设计。EP2002制动系统的主要特点是结构紧凑、质量轻、安装方式多样、使用维护方便。 1.EP2002制动系统的组成 5.3 典型制动系统介绍 图5-8 EP2002制动系统在整个列车控制中的位置注：ATO为automatic train operation的简称，即自动列车运行； ATP为automatic train protection的简称，即自动列车防护5.3 典型制动系统介绍 5.3.1 EP2002制动系统 EP2002阀的核心部件是三个机电一体化的电磁阀，即智能阀（smart valve）、远程输入/输出阀（RIO valve

25、）和网关阀（gateway valve）。智能阀是机电一体化的产品，包括一个安装在气阀上的电子控制部件。智能阀产生电控制动信号直接控制气阀，对转向架的电控制动和车轮滑行进行控制。RIO阀除具有智能阀的所有功能外，还可以通过硬线与其控制的转向架上的牵引控制单元进行通信，使电制动和空气制动协调工作。网关阀除具有RIO阀的功能外，还具有制动管理的功能。1.EP2002制动系统的组成 5.3 典型制动系统介绍 5.3.1 EP2002制动系统 供气单元主要由空气压缩机、空气干燥器、储风缸、供气压力控制装置等组成。供气装置的主要作用是向列车提供压缩空气，即作为风源系统。它产生的压缩空气不仅是制动系统的风

26、源，还是列车其他制动设备的风源，如空气弹簧、升弓风缸、刮水器等使用的风源。供气单元的所有部件被集中集成在一个安装架上。 1.EP2002制动系统的组成 5.3 典型制动系统介绍 图5-9 国内某地铁车辆的EP2002制动系统的基础制动装置的分布5.3 典型制动系统介绍 5.3.1 EP2002制动系统 EP2002制动系统的优点如下：(1)单点故障不会影响运营。如果一个EP2002阀出现故障，只会导致一个转向架制动力丢失；同时，丢失部分可以在同一制动总线单元内重新分配。 (2)系统集成度高。通过高度集成降低了产品重量，使其比传统产品轻30%，系统高度集成同时可以节省安装空间，减少布管和布线数量

27、。 2.EP2002制动系统的优点 5.3 典型制动系统介绍 5.3.1 EP2002制动系统 (3)制动响应时间缩短。EP2002制动系统的制动响应时间小于1.5 s，比常规制动系统的制动响应时间缩短约0.2 s。 (4)提高制动精度。常规制动控制系统提供给制动缸的制动力约为0.02 MPa，而制动控制系统提供给制动缸的制动力精确度可以达到0.015 MPa。 (5)空气消耗量减少。由于EP2002阀靠近转向架安装,从EP2002阀到制动缸的管路长度减小,所以在制动时的空气消耗量将减小，同时空气泄漏量也将减小。 2.EP2002制动系统的优点 5.3 典型制动系统介绍 5.3.1 EP200

28、2制动系统 (6)可靠性高，故障率低。根据克诺尔的计算,EP2002制动控制系统的故障率比常规制动控制系统的故障率减少了50%左右。 (7)控制精确度高。EP2002制动控制系统可以根据每个转向架的载荷压力调整施加在本转向架上的制动力,比常规制动控制单元以每节车载荷压力进行制动力控制更加精确和优化。 (8)维护工作量小。EP2002制动控制系统部件集成化程度较高,需要维护的部件较少,大修期从常规制动控制系统规定的6年提高到9年。 2.EP2002制动系统的优点 5.3 典型制动系统介绍 5.3.1 EP2002制动系统 (9)总体成本降低。EP2002制动控制系统的产品价格基本与常规制动控制系

29、统的产品价格相同。但是使用EP2002制动控制系统,电气线路、大部分分散部件及管路几乎消失。同时由于安装和调试时间缩短、后期维护费用降低等原因,制动控制系统的总体成本将低于一般制动控制系统的总体成本。 2.EP2002制动系统的优点 5.3 典型制动系统介绍 5.3.1 EP2002制动系统 EP2002制动系统的缺点如下：（1）关键部件维修难度大。EP2002阀的技术含量高且集成化程度高,出现故障时,基本上都需要将整个阀送回制造厂家进行维修,维修周期长。 （2）互换性差。阀出现故障,只能够用相同类型的阀进行更换。 （3）无直观的故障显示代码。没有直观的数字故障代码显示功能,工作人员只能通过专

30、用软件才能查找故障，这便加大了故障处理的难度。 3.EP2002制动系统的缺点 5.3 典型制动系统介绍 5.3.2 KBWB制动系统 KBWB模拟式电气指令制动控制系统是由英国的Westinghouse公司（已并入德国克诺尔制动机公司）设计的制动系统，系统按照模块化原则设计将计算机制动控制单元、空气制动控制单元、风源等设备安装在一个高度集成的模块内，能够实现自我诊断、故障保护显示，且重量轻、结构简单、便于维护。5.3 典型制动系统介绍 5.3.2 KBWB制动系统 KBWB模拟式电气指令制动控制系统很好地适应了城轨列车站间距短、速度高、加速及停车频繁等要求，KBWB模拟式电气指令制动控制系统

31、由电制动(动力制动)系统和空气制动系统组成，采用脉冲宽度调制（pulse width modulation,PWM）传递制动指令，制动控制单元采用4个电磁阀进行EP（电空）转换，对控制室充、放气实行闭环控制。KBWB模拟式电气指令制动控制系统具有反应迅速、制动力大、制动距离短、停车精度高、安全可靠等特点。 1.KBWB制动系统的特点 5.3 典型制动系统介绍 5.3.2 KBWB制动系统 KBWB制动系统实现了空气制动与电制动的高度结合，在系统上保证了车辆运行的安全。列车制动时不仅满足了电气优先的要求，还实现了电空制动的平滑过渡，设有冲动限制以提高乘客乘坐的舒适度。1.KBWB制动系统的特点 5.3 典型制动系统介绍 5.3.2 KBWB制动系统 KBWB制动控制系统的特点可概括为以下几点： （1）采用模拟式电气指令制动控制系统，模拟方式为PWM。 （2）采用“拖车空气制动滞后控制”的制动控制策略，充分利用动力制动。 （3）采