制动控制系统

制动控制系统是空气制动系统的核心，它接收来自驾驶室控制器或自动驾驶系统（ATO）的指令，并采集车上各种与制动有关的信号，将指令与各种信号通过微处理器进行计算，得出列车所需的制动力，再向动力制动系统和空气制动系统发出制动信号。动力制动系统进行制动的同时将实际制动力的等值信号再反馈给制动控制系统，制动控制系统通过运算协调动力制动和空气制动的制动量，空气制动系统将制动控制系统发来的制动力信号经流量放大后使执行部件产生相应的制动力，这就是制动控制系统的主要功能。

6.6.1 制动控制系统的组成

制动控制系统主要由电子制动控制单元 （EBCU）、空气制动控制单元 （BCU）和电气指令单元等组成。它在整个制动系统中的位置如图6－23所示。

图6－23 制动控制系统框图

1.电子制动控制单元

随着电子技术的迅速发展，特别是微机技术的发展，列车制动控制不再靠驾驶员的判断，而由微型计算机综合列车运行中的各种相关参数，经过运算、判断、分析后给制动系统发出精确的指令，使制动系统发出动作。以微型计算机为中心的电子控制装置被称为电子制动控制单元 （EBCU）、微机制动控制单元 （MBCU）或制动控制电子装置 （BCE）。

电子制动控制单元的主要功能如下：

①接收驾驶员控制器或ATO的指令，并与牵引控制系统协调列车的制动和缓解。设有紧急制动电路，当紧急制动指令发出时，列车能迅速调用全部空气制动能力实行紧急制动。

②将接收到的动力 （电气）制动实际值经转换阀进行转换，将电信号转换成为气动信号发送给空气制动控制单元 （BCU）。在保证电制动优先的条件下，空气制动能自动进行列车制动力的补偿，并将制动所需压力传递给基础制动装置，从而使列车制动力保持不变。

③控制供气系统中空气压缩机组的工作周期，监视主风缸输出压力等参数。如果供气系统中某台设备发生故障，它能及时调用备用设备填补。

④在列车制动过程中始终收集列车所有轮对速度传感器发来的速度信号，对轮对在制动中出现的滑行进行监视，一旦发现滑行，将立即发出防滑信号并控制防滑电磁阀动作，实施防滑措施。

⑤对列车制动时的各种参数和故障进行监视和记录，故障记录可以在列车回库后用便携式计算机读出各种故障信息。

电子制动控制单元从硬件上来说只是一台微型计算机和一些输入、输出设备，而起主要作用的是它的控制软件。随着制动控制软件的编制水平不断提高，电子制动控制单元的功能也越来越完美。

2.空气制动控制单元

空气制动控制单元是制动系统中电气制动和空气制动的联系点，也是电子、电气信号与气动信号的转换点。

一般空气制动控制单元是由各种不同功能的电磁阀和气动阀组成，但根据各制造厂商的产品系列和电气指令的模式不同也有很大差别。下面将详细介绍各种制动系统的结构、组成及制动控制原理。它们的结构和组成不尽相同，但基本都由以下几类部件组成：

①内部有不同腔室及联通各腔室通路的阀体。

②控制腔室及各通路的活塞和阀门。

③控制活塞、阀门的膜板、弹簧、顶杆和铁心。

④控制顶杆和铁芯的电磁线圈。

⑤与各阀体内部各通路相连接的输入、输出接头。

⑥电－气或气－电转换部件等。

3.电气指令单元

现代城市地铁几乎都采用了电气指令单元来迅速、准确、可靠地传递来自于驾驶员控制器或有自动驾驶系统发出的指令。电气指令单元也从根本上改变了传统使用空气压力的变化来传递制动信号或作为制动力唯一来源的状况。早期的城轨车辆也曾使用过电磁直通式空气制动机，驾驶员通过控制器对每辆车上的制动电磁阀和缓解电磁阀进行励磁和消磁，以控制列车管中的压力空气的压力变化，使各辆车的制动阀动作，产生制动和缓解作用。但这种电磁制动机的电气信号产生过于简单，传递方式也需依靠有触点电器的动作作用，其准确性和可靠性都很难得到保证，故障率也高。随着电子技术的发展，出现了新的电气指令传递方式，即电气指令控制线的方式。这种制动方式能够实现列车制动、缓解迅速，作用灵活无冲动，有效利用轮轨黏着，缩短制动距离。按其指令方式的不同又可分为数字指令式和模拟指令式制动控制系统。

1）数字式电气指令制动控制系统

数字指令式制动控制系统实际上是使用了3根常用制动的电器指令线并通过对应的3个常用电磁阀各自得电 （相当于数字1）或失电 （相当于数字0）组成的组合。0和1在组成3位数字时，除000外，还有001、010、011、100、101、110、111共7组组合。这7种组合就是7种不同的数字指令，当用来控制制动系统时就会得到7级不同的制动力级别。所以数字指令实际上是开关指令的组合，属于分档控制。这样的分档控制指令是通过具有多块气动膜板的中继阀动作，最后使制动缸获得恒定的7级压力。如果采用更多的指令线，即可获得更多的制动指令，但根据一般的经验，7级指令已经基本满足使用要求。

这种指令操纵灵活，可控性能好。我国自行制造的北京地铁车辆使用的SD型制动控制系统即为数字指令式制动控制系统。

2）模拟式电气指令制动控制系统

模拟式电气指令制动控制系统可以实现无级制动控制和连续操纵。常用的模拟电信号有电流、电压、频率和脉冲信号等，这些模拟量可以传递制动控制的信号。理论上，模拟式电气指令制动控制系统的操纵性能比数字式的更方便，但它对指令传递的设备性能要求较高。

目前，上海地铁和广州地铁使用的电气指令制动控制系统即为模拟式电气指令制动控制系统。从驾驶员控制器发出的指令经调制器转换为脉冲宽度信号，即采用脉冲宽度调制方法（简称PWM），不同的脉冲宽度表示不同的制动等级。制动指令传递到每节车的微机制动控制单元。微机制动控制单元采集列车的运行速度和本车的负载信号，对制动指令进行修正并给出制动力值，根据动力制动优先的原则，计算出所需补充的空气制动力的数值，用电气指令传送给电－空转换阀，电－空转换阀向中继阀输出空气压力指令。中继阀起着压力空气流量放大的作用，它将足够的压力空气送入制动缸，以实现不同等级的制动作用；或者将空气排出制动缸，以实现不同程度的缓解作用。

从目前趋势来看，脉冲宽度调制的模拟式电气指令制动控制系统，是较为先进的轨道交通车辆制动控制系统。

6.6.2 制动控制策略

1.制动控制策略

1）恒制动率控制

城轨车辆载客情况变化很大，无论空载、满载或超员，都应保证列车的减速度与驾驶员制动命令相对应。因此，列车控制系统必须检测各节车辆的负荷重量，对应于各动车和拖车的负载重量变化而自动调整各级制动缸压力。在运行过程中驾驶员控制器的各制动级位都可保持恒定制动率，得到恒定减速度。

列车载重量信号是以列车关门后空气弹簧储存的压力为参考值的。列车控制系统将每节车相应空气弹簧的压力信号通过压力传感器转换为电压信号后，按照空载和满载的极限值设定上下限，作为车辆负载的电压输出。

2）空气制动滞后控制

实现指令减速度目标，列车编组内的各节车有多种分担制动力的方法。过去一般采用的控制方法是各节车各自承担自己需要的制动力，即均匀制动方式。采用这种控制方式，拖车所需的制动力将全部由自己的空气制动系统承担，拖车的闸瓦磨耗要比有电气制动的动车快得多。

随着近年来逆变控制三相感应电动机牵引系统的大量应用，由于三相感应电动机自身具有良好的黏着特性，使黏着系数的期望值大大提高，即可以最大限度地使用电制动力而不会发生滑行。因此，各节车在分担制动力时，在其利用黏着力不超过限制的范围内，进一步提高动车的制动力而减少拖车的制动力，以实现最大程度利用动力制动的目的。所以，采用VVVF控制或斩波控制的列车，可以取得较高的期望黏着系数，在不超过黏着限制的范围内充分利用动车的电气制动力，不足部分再由拖车的空气制动力补充。这样可以大大节约能源，有效降低拖车机械制动的磨耗。这种控制方式称为空气制动滞后控制。

以 “两动一拖”编组的拖车空气制动滞后补充控制方式如图6－24所示。

图6－24 “两动一拖”编组的拖车空气制动滞后补充控制方式

3）拖车空气制动优先补足控制

拖车空气制动优先补足控制方式也是拖车所需要的制动力，首先由动车的动力制动承担，但当再生制动力不足时，则先由拖车的空气制动来补充，再由动车的动力制动力补足。当再生制动失效时，动、拖车空气制动均起作用。

在这种控制方式下，动车的空气制动力不会超过本节车自己所需的制动力，即空气制动力的黏着利用不会超过黏着限制，单纯再生制动力的设定可以比较高。因此在拖车空气制动优先补足控制方式下，动车的再生制动力可以承担的拖车制动力比拖车空气制动滞后补充控制方式更高，节能效果更好。直流斩波调速和交流变频调速的城市轨道交通车辆都可以采用拖车空气制动优先补足控制方式。采用这种方式的 “一动一拖”编组的拖车空气制动优先补足控制方式如图6－25所示。

图6－25 “一动一拖”编组的拖车空气制动优先补足控制方式

2.（常用）制动混合原则

（1）电制动无故障状态下的制动原则 在DCU无故障状态情况下，电制动始终起作用，提供常用制动所需的制动力 （AW。～AW。）。制动指令值同时送至所有的牵引控制系统 （DCU）和电子控制单元（ECU），并由它们分别根据车辆的载荷情况计算所需的制动力。

（2）电制动与气制动混合的控制原则 电制动和气制动之间的融和 （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。

（3）制动力的分配 电制动力的分配原则：车辆编组每单元为3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3节车中只有2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：每节车有独立的空气制动控制ECU及部件，在所有假定的恶劣条件下 （电压低于DC1500V、滑行影响及AW3载荷情况下），由 “两动一拖”编组组成的单元车则需300％的空气制动力，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）电制动与空气制动的配合 DCU与ECU之间有信号交换 （如电制动实际值、电制动故障信号、电制动滑行保护等），以供ECU计算DCU是否提供所必需的300％的制动力，并确定是否需要进行气制动补充或完全代替。

（5）踏面清扫设置 为了清洁轮对踏面，同时使气制动的响应时间最小，制动指令发出后，制动缸获得30～50k Pa的压力，制动闸瓦即向车轮踏面施加一个制动力。

（6）紧急制动距离的计算 设制动初速度为80km／h，AW0～AW2载荷时，制动距离≤204m；AW3载荷时，制动距离≤215m。

（7）停车制动 采用弹簧制动，空气缓解。停车制动能使超员载荷 （AW3）的列车在40％0的坡度上停放。

操作训练

实训项目一：制动系统的保养

实训装置：长春轻轨制动系统

实训目的：掌握制动系统的结构及工作原理；能够熟练使用工具对制动系统进行调整

实训方法：见表6－3

表6－3 制动系统保养的内容、工作步骤、检验标准

实训项目二：供气设备的检修

实训装置：VV120空气压缩机设备检修

实训目的：掌握供气设备的结构及工作原理；能够熟练使用工具对供气设备进行调整

实训方法：见表6－4

表6－4 VV120空气压缩机的检修内容、步骤及检验标准

续表

续表

思考题

1.制动方式有哪些种类？各有什么特点？

2.空气制动系统由哪些部分组成？

3.简述空气制动系统的控制方式。

4.供气系统由哪些部分组成？描述空气压缩机的工作原理。

5.说明空气干燥器的结构。

6.说明单元制动器的结构组成及工作原理。

7.简述制动管路系统的组成。

8.简述制动控制系统的组成。

9.说明制动系统拆装的步骤。

10.供气设备拆装时有哪些注意事项？

11.说明供气设备拆装的步骤。

实训题

1.查阅资料，做一个城市轨道交通车辆制动新技术的调研报告。

2.完成制动盘及制动闸片的外观检查。