学习城轨电制动的基本知识

项目7　城市轨道交通车辆制动系统

【项目描述】

城轨车辆的制动系统,直接涉及车辆的运行性能和安全,影响乘客的舒适度。制动性能的好坏还直接关系车辆运行速度的提高和运能的增长。因此,车辆制动系统类型的选择、性能尤为重要。

【学习目标】

1.掌握城市轨道交通车辆制动的基本概念。

2.掌握制动系统的各个组成部分的功能。

3.了解城市轨道交通车辆制动控制系统最新技术。

【技能目标】

1.能熟练使用工具拆装制动系统各部件。

2.能掌握制动系统工作原理。

3.能设计绘制简单的制动系统电路及气路图。

任务1　学习城轨空气制动系统的基本知识

【活动场景】

在城轨车辆生产车间或检修现场教学,或用多媒体展示城轨车辆空气制动系统。

【任务要求】

掌握空气制动系统的控制方式及功能。

【知识准备】

(1)城轨制动的概念

制动是指人为地使列车减速或阻止其加速的过程。使列车减速或阻止其加速的力称为制动力,而产生并控制这个制动力的装置称为制动机,也称制动装置。城轨车辆制动技术制动包含以下3层含义：

①人为地使列车减速或停止。

②防止在长下坡道运行时自动加速。

③为防止自动溜放而实行的停放制动。

(2)制动装置

城轨车辆的制动装置是在城轨车辆中产生制动力,使列车减速或停车的一系列机械、电气装置。其作用的好坏对保证列车安全和正点运行具有极其重要的作用,制动装置也是保证列车与乘客的安全,是提高车辆运行速度与线路输送能力的主要条件之一。

(3)城轨车辆制动系统的发展

有轨电车人工制动(刹车钢丝、木质闸瓦)——铁路车辆人工机械(杠杆拨动式闸瓦装置)——20世纪初铁路车辆(空气制动机)——20世纪30年代(电气指令式制动控制系统)——微机控制的制动系统。

(4)城轨车辆制动系统的要求

城轨车辆制动系统应具备以下几点要求：

①具有足够的制动力,保证城轨车辆在规定的制动距离内停车。

②要求其制动装置具有操纵灵活、动作迅速、停车平稳准确等特点。

③采用电制动和空气制动的联合制动能力。

④城轨车辆在长大坡道上运行时,制动力不衰减。

⑤根据乘客量的变化,制动力具有空重车调整能力,以减少制动时的纵向冲击。

(5)制动方式

按城轨车辆制动时动能的转移方式,城轨车辆方式制动可分为摩擦制动和电制动(动力制动)两类(见图7.1)。

①摩擦制动。即制动时动能通过摩擦的方式转变为热能散发到空气中(动能-热能),这种制动方式主要包括闸瓦制动、盘形制动和磁轨制动。

②电制动,又称为动力制动。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。(动能-电能-电网或热能),动力制动包括再生制动、电阻制动两种形式。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；显然这种方式既能节约能源,又减少制动时对环境的污染,且基本上无磨耗。电阻制动是将发电机发出的电能加于电阻上,使电阻发热,将电能转变为热能。

图7.1　制动系统分类图

(6)城轨车辆的空气制动系统

空气制动,又称为机械制动或摩擦制动。目前,我国的城市轨道交通车辆最常用的摩擦制动方式是闸瓦制动方式。

1)空气制动系统的组成

城轨车辆的空气制动系统由供气系统、制动控制单元、防滑装置、基础制动装置4部分组成。

①供气系统。产生压缩空气,供制动、气动门等使用,主要由压缩机、空气干燥器、压力控制装置和管路等组成。

②制动控制单元。是车辆制动的核心部件,接受微机制动控制单元的指令,然后再指示制动执行部件动作。

③防滑装置。当车轮与钢轨黏着不良时,对制动力进行控制的装置,防止车轮打滑,擦伤车轮踏面。如图7.2所示为西安地铁2号线的防滑装置,每辆车的防滑控制装置包括4个防滑排风阀和4个轴端速度传感器,用于车轮与钢轨黏着不良时,对制动力进行控制。

④基础制动装置。如图7.3所示为两种不同类型的单元式制动缸,是产生制动力的执行装置。

图7.2　西安地铁防滑模块

2)空气制动的结构原理

如图7.4所示为城轨车辆空气制动装置的工作原理简图。城轨车辆基础制动装置一般由单元制动缸组成,它是空气制动系统的执行部件,主要由制动缸、闸瓦间隙调整器等组成。制动过程可描述为：制动缸-活塞杆-基础制动装置-闸瓦-车轮。每辆车的转向架上由4块闸瓦组成,其中两个闸瓦块装有附加的弹簧制动器,起停车制动的作用。单元制动缸特点：轻便灵活,体积小,灵敏度高。

图7.3　左PC7Y型单元制动缸,右PC7YF型单元制动缸(带停车弹簧制动器)

1-皮腔；2-开口销；3-闸瓦销；4-调整螺母；5-常用制动缸；6-常用制动缸体； 7-制动复位弹簧；8-呼吸器；9-停放制动缓解拉环；10-停放制动弹簧

图7.4　空气制动结构原理

1-制动缸；2-制动杠杆；3-闸瓦；4-车轮；5-钢轨

3)城轨车辆的风源系统

城轨车辆风源系统主要由空气压缩机(见图7.5)、风缸(见图7.6)、空气过滤装置和空气管路(见图7.7)等组成。

城轨车辆的制动系统及空气弹簧等系统所使用的压缩空气都是由空气压缩机生产的,城轨车辆的压缩机主要有活塞式空气压缩机和螺杆式空气压缩机两种。如图7.8和图7.9所示为活塞式压缩的结构原理图和实物图。活塞式空气压缩机由固定机构、运动机构、进、排气机构、中间冷却装置和润滑装置等组成。固定机构包括机体、汽缸、汽缸盖；运动机构包括曲轴、连杆、活塞；进、排气机构包括空气滤清器、气阀；中间冷却装置包括中间冷却器(简称中冷器)、冷却风扇；润滑装置包括润滑油泵、润滑油路等。活塞式空气压缩机应用广泛、技术成熟、可靠性和稳定性好,不需特殊润滑,性价比具有吸引力。

图7.5　空气压缩机装置

图7.6　主风缸及其辅助风缸

图7.7　空气过滤装置

图7.8　活塞式空气压缩机原理图

1-空气过滤器；2-电机；3-冷却器；4-风轮+黏性联轴节；5-联轴节；6-机轴；7-机轴箱； 8-低压汽缸；9-安全阀；10-油表管；11-弹簧组；12-中间法兰；13-油环；15-供给阀；
16-吸气阀；17-高压汽缸；A1-空气入口；A2-空气出口；A3-冷却空气；

图7.9　活塞式空气压缩机实物图

如图7.10和图7.11所示为城轨车辆中拖车的管路示意图及城轨车辆空气弹簧的管路示意图。

图7.10　拖车管路系统图

A-供风系统；B-制动系统；C-基础制动；G-防滑系统；L-空气弹簧系统； U-受电弓；W-车钩；X-车间供气

图7.11　空气弹簧管路系统原理图

【任务实施】

西安地铁2号线车辆的制动系统采用日本NABTESCO公司生产的制动系统,该制动系统采用车控方式,按照一动一拖为一个单元进行系统设计。

(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”,安装在每个Mp车上。根据西安地铁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。

(2)基础制动装置

西安地铁2号线的每辆车的每根轴上都配备一套如图7.12所示的带停放装置的制动和不带停放制动的踏面式制动单元,用于执行车辆的停放制动,常用制动和紧急制动。停车制动采用弹簧施加,充气缓解的形式。在空气制动有效情况下(常用制动和紧急制动),可以通过司机台上的停放制动的施加按钮(通过控制停放电磁阀K3得电)来实现施加停放制动。停放制动与空气制动使用同一套闸瓦将制动力施加在轮对上。此外配备手动缓解装置,用于在无风或空气压力低的情况下缓解停放制动。当空气压力恢复时,进行一次空气制动循环(制动-缓解),缓解机构自动复位,并为下一次手动缓解做好准备。

图7.12　带停放装置和不带停放装置的踏面制动单元

(3)自动磨耗补偿

西安地铁2号线的车辆每个踏面制动装置都配有一套闸瓦间隙自动调整器,用以保持闸瓦与车轮间的正确间隙,补偿闸瓦与车轮的磨耗。踏面间隙调整装置能保证在新车轮和新闸瓦的情况下能够顺利安装闸瓦,在磨耗到限的车轮以及磨耗到限的闸瓦能够正常施加常用和紧急制动。

(4)闸瓦

西安地铁2号线车辆的每个车轮上配有一个如图7.13所示的由Nabtesco公司提供的NC3443型合成闸瓦。闸瓦材料为无石棉材料。闸瓦的使用情况与施加制动的频率、级别、载荷情况以及电制动的使用情况均密切相关,因此闸瓦的更换周期需要根据实际情况而定,磨耗极限标记如图7.13所示。

图7.13　NC3443型合成闸瓦

【效果评价】

评价表

任务2　学习城轨电制动的基本知识

【活动场景】

在城轨车辆生产车间或检修现场教学,或用多媒体展示城轨车辆电制动系统。

【任务要求】

1.掌握城轨车辆电制动系统基本组成和结构原理。

2.掌握城轨车辆电制动发生的条件及方式和控制方式等基本知识。

【知识准备】

(1)电制动的方式

城轨车辆通过电机角色的转换将车辆的动能转化为电能从而使城轨列车减速或停车的制动方式称为电制动或动力制动。城轨车辆每辆动车装备有：一个三相调频调压逆变器(VVVF)、一个牵引控制单元(DCU)、一个制动电阻、4个自冷式三相交流电机M1,M2,M3,M4(每轴一个,相互并联)。

1)再生制动

如图7.14所示,当城轨车辆施行常用制动作用时,电动机M变成发电机状态运行,将车辆的动能变成电能,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,称为再生制动。再生制动取决于第三轨(或接触网)的接收能力,亦即取决于网压高低和负载利用能力。

图7.14　再生制动原理图

2)电阻制动

如图7.15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1800V时,DCU启动能耗斩波器模块A14上的门极可关断晶闸管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。

图7.15　电阻制动原理图

(2)制动模式

1)制动模式

城轨车辆制动模式可分为常用制动、快速制动、紧急制动、弹簧停放制动、保压制动等。

①常用制动模式。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“0”位,可缓解；具有防滑保护和载荷修正功能。

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1.7s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功能。

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；还附加有手动缓解的功能。

⑤保压制动。保压制动是为防止列车在停车前的冲动,使列车平稳停车,通过ECU内部设定的执行程序来控制。

2)城轨车辆制动控制方式

①制动控制的基本原则：常用制动优先原则；常用制动混合原则；常用制动力的分配原则。

②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)。

3)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(AW0～AW2)。制动指令值同时送至所有的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。

②电制动与气制动混合的控制原则。电制动和气制动之间融和(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常用制动力的分配原则。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,B 和C车组成的单元车则需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。

【任务实施】

下面以西安地铁2号线地铁车辆的制动控制装置和制动防滑装置为例进行本任务的实施。

(1)制动控制装置

西安地铁2号线的地铁车辆每辆车均配备一套制动控制装置,带有司机室的拖车Tc车制动控制单元内部配备有总风低压压力开关,将信号串联至紧急回路,可进行带有空重车调整的常用制动、紧急制动以及滑行保护等的控制,此外具有自我诊断等诸多功能。如图7.16所示为西安地铁2号线地铁车辆制动控制装置内部部件布局图,由图可知,其制动控制装置主要有电子制动控制单元和制动控制单元,对其作用分述如下：

图7.16　制动控制装置

1)电子控制单元

如图7.17所示是电子制动控制单元的结构原理图。电子制动控制单元具有以下功能：

①检测两个空气簧的压力并通过压力传感器进行空电转换,从而保证无论空车还是超员均可得到稳定的牵引力和制动力。

②进行电空演算,从而进行常用制动控制,并保证优先使用电制动。

③具有滑行检测和矫正功能。即测定各个车轴的速度,一旦检测出车轮滑行,则通过控制防滑阀来降低制动缸内部压力,从而尽快恢复黏着。

④提供状态监测和诊断功能。

2)制动控制单元

如图7.18所示为制动控制单元的内部气路图。制动控制单元包括常用制动和紧急摩擦制动所需的所有电空阀和压力传感器。

图7.17　电子制动控制单元

①中继阀(RV)。中继阀为气动操作阀,可将大量压缩空气由制动风缸提供给制动缸。供风压力等同于中继阀通过变载截断阀从制动/缓解和紧急阀获得的压力信号。如果压力信号保持一定,中继阀将保持恒定的闸缸压力以防泄露,并自动补充发生的任何泄露。

②空重车调整阀(VLV)。空重车调整阀为机械变压限制装置,它可将中继阀信号阀口的供风压力限制在称重紧急制动所需的压力以下。空重车调整阀只影响紧急制动的压力并正比于空气簧压力。此外通过两个连接管路上的节流孔(B05)来减小空气弹簧的压力产生波动。当没有空气簧压力信号时(例如空气簧爆裂),空重车调整阀将默认空载紧急制动值为缺省值。

③常用制动施加与缓解。电子制动控制单元通过压力传感器来感应空气簧的压力,通过总线接收常用制动指令,从而计算出制动缸的压力,并通过控制常用电磁阀中的供给阀和排气阀得电和失电,使实际的制动缸的压力与计算出的制动缸压力相符。

④紧急制动电磁阀(EBV)。紧急制动电磁阀采用得电缓解,失电制动的形式。因此车辆在正常运行期间,紧急制动电磁阀必须得电,无论何种原因导致失电,列车将立即施加紧急制动。在紧急制动施加期间,通过空重车调整阀进行空重车调节。

图7.18　制动控制单元内部气路图

(2)列车防滑系统

如图7.19所示为西安地铁2号线地铁车辆的防滑阀和速度传感器。车轮滑动保护系统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。速度传感器与测速齿轮间的间隙调整,请见转向架部分。

图7.19　防滑阀和速度传感器

【效果评价】

评价表

续表

项目小结

随着我国经济建设的不断推进,近年来城市轨道交通快速发展,国内许多大型城市都已有了地铁或轻轨,随着大量的轨道交通项目投入运营,人们的日常出行变得更加方便,可随之而来的担忧也困扰着人们：“我们经常乘坐的地铁会不会刹车失灵、会不会追尾呢?”

制动系统作为城轨车辆的重要系统,直接涉及车辆的运行性能和安全,影响乘客的乘坐舒适度。因此,车辆制动系统类型的选择、性能尤为重要。为了适应城市快速轨道车辆运行速度高、站间距离短、启动制动频繁等特点,现代城市轨道交通车辆制动系统一般均采用微机控制的电空混合制动系统。该系统包含有电制动和空气制动两种制动装置。常用制动过程中,由于电制动对设备没有磨损并且节能,因此,在电制动有效的情况下列车优先使用动车的电制动,在电制动不能满足制动需求时,电制动与空气制动进行复合制动。

思考与练习

1.简述空气制动系统的结构组成。

2.简述空气制动系统的工作原理。

3.车辆制动方式有哪几种?分别有什么特点?

4.电制动方式有哪几种?各自特点是什么?

5.简述电制动的工作原理。