基本原理和特点的认知

项目8　SD型数字式电气指令式制动系统

【项目描述】

SD型数字式电气指令式城轨车辆制动系统是由原长春客车厂和铁道科学研究院共同研制的国产直通式电空制动机，这种制动机是按数字指令传递制动信号，是数字式电气化指令式，主要制动执行装置是一个七级膜板式中继阀。经过多年来的运行考验证明，这种制动机能满足城轨车辆运用的特殊要求，而且运行可靠，目前北京地铁仍有部分地铁车辆在继续使用。

【学习目标】

通过本项目学习，应能熟练掌握SD型数字式电气指令制动控制系统构成及工作原理。

【能力目标】

1.能分析SD型数字式电气指令制动控制系统基本原理。

2.能说明SD型城轨车辆制动机的基本组成和特点。

3.能分析SD型城轨车辆制动机的制动原理及控制过程。

任务1　SD型电空制动机系统组成、基本原理和特点的认知

【活动场景】

在有多媒体的教室进行教学，教师可组建模型或利用多媒体展示城轨车辆SD型数字式电气指令制动控制系统的基本原理及其特点。

【任务要求】

1.掌握SD型数字式电气指令制动控制系统的基本原理。

2.了解SD型数字式电气指令制动控制系统的组成及特点。

【知识准备】

1.SD型电空制动机的发展背景

城市轨道交通具有站间距短、列车加速及停车频繁等特点，因此城轨车辆的制动系统在具有响应时间短、动作快、制动距离短、操作灵活、停车平稳和准确等要求；同时，由于城市轨道交通车辆自身轻，车辆制动率受乘客负载影响大，因此，在各种条件下均须保证车辆制动率恒定。近20年以来，城市轨道交通车辆大多采用大功率电子逆变器来进行电制动（包括再生制动和电阻制动），但在实施电制动过程中，开始的电制动电流上升有一定的延迟，而停车时，电制动电流下降很快。因此，在上述两种情况下，由空气制动来进行电制动力不足的补偿，从而达到恒定制动率。

北京地铁在早期的列车上采用由长客和铁科院等单位研制的国产SD型电空制动机，属于直通式电空制动模式。按照指令传递区分，其属于数字电气指令式；按照制动执行装置区分，属于七级膜板中继阀控制方式。该系统经过多年的运营考验，已完全适应和满足了地铁车辆所固有的特殊要求，直至今日，北京地铁仍有部分列车采用SD型电空制动机。

2.SD型电空制动机的基本作用原理

SD型电空制动机与英国威尼斯汀豪斯（Westing-house）公司韦斯特科德制动装置相仿，属于直通式电空制动机制式。按指令传递系统，为数字式电气指令式；按制动执行装置区为七级膜板中继阀。数字式电气指令制动控制系统是指0和1两个数字，在组成3位数时，除000外，还有001，010，011，100，101，110，111共7组数字组合。这样的数字式指令实际上是使用3根常用制动指令线并通过对应的3个电磁阀各自得电（相当于1）或失电（相当于0）组成的组合，从而获得7个不同级别的制动指令。因此数字指令实际上就是开关指令的组合。这样的分级控制的制动指令再通过具有多块气动膜板的七级中继阀动作，使制动缸获得恒定的七级压力。如早采用更多的指令线，可以获得足够多的制动指令和相应的制动缸压力，但根据一般的判断和需要，七级制动挡位已基本满足制动要求。

SD型电空制动机的基本作用原理是：根据运行的需要，司机操纵制动控制器发出制动指令或缓解指令，控制七级中继阀的3个电磁阀交替励磁和失磁，将空重车调整阀的输出压力输入到七级中继阀的相应膜板室内进行加减法运算，从而输出7个等增量压力供给制动缸以产生不同级别的制动作用，或者使制动缸压力空气经七级中继阀排向大气发生缓解作用。当空气制动和电制动配合使用时，控导阀将有电制动作用时检测出的电流信号按一定比例变换成空气压力信号输入到七级中级阀的混合器里，与指令压力进行减法运算，使电制动力不足指令压力部分由空气制动进行补充。

3.SD系统的基本组成

SD型电空制动机是直通式电空制动机，采用数字式电气指令，七级膜板中继阀为控制单元。主要组成包括：七级中继阀、制动控制器、空重车调整阀、空电转换器、紧急电磁阀、故障缓解电磁阀、控导阀、双向阀和备用电磁阀等组成，其控制框图如图8.1所示。

图8.1　SD型电空制动机系统框图

（1）SD型电空制动机的控制器

制动控制器是司机用来操纵列车进行制动与缓解作用的装置。制动控制器在司机的操纵下向列车发出制动和缓解指令，即向SD型电空制动机的电制动控制单元和七级中继阀发出指令。制动控制器共有8个不同的位置，分别为“运转位”和1～7的7个常用“制动位”。

（2）七级中继阀

七级中继阀相当于一个加减法运算器，依靠电气控制，进行压缩空气的加减法运算，根据制动指令，控制制动缸充气或排气，达到制动和缓解的效果，主要依据空重车调整阀输出的车重信号，来实现不同载荷下的制动和缓解。其作用是将电信号转换成电磁阀的空气压力信号，它将来自制动控制器的指令信号通过3个电磁阀的相互作用，把空气压力输入到膜板室，按照不同的组合方式输出7个逐级增加的常用制动空气压力值和一个紧急制动空气压力值给制动缸。同时接收来自控导阀（EP阀）的空气压力值，通过混合器的减法运算，减去电制动产生的制动力，使七级中继阀最终输出作为补充电制动力不足部分的空气制动压力值。

（3）空重车调整阀

空重车调整阀相当于一个称重装置，它根据空气弹簧提供的压力信号（也就是车辆载荷信号）大小，输出相应的空气压力，并经七级中继阀来控制进入制动缸的空气压力，从而保证车辆保持恒定的制动率。采用前后转向架对角的两个空气弹簧压力信号作为车重信号，基本上准确地反映了车辆载荷信号。

（4）空电转换阀

空电转换阀是把车辆负载变化信号输送给电制动及牵引系统的一个空电变换器，其作用是使电制动和牵引能力与车辆载荷相匹配，并随车辆载荷变化而实时调整。

（5）控导阀（EP阀）

控导阀的主要作用是将电制动制动力大小的电信号转变为空气压力信号输送给七级中继阀中的混合器，通过混合器的运算，来补偿电制动力的不足。当电空制动配合时，该阀将检测出的电制动电流信号转换成空气压力信号，将此信号输出，通过七级中继阀混合器的运算，实现电空制动的协调配合。

（6）紧急电磁阀

紧急电磁阀是为保证行车安全而设置的，当施加紧急制动或制动系统发生故障及列车发生意外分离时，紧急电磁阀失电动作，通过七级中继阀产生紧急制动作用，从而保证列车安全。

（7）故障缓解电磁阀

故障缓解电磁阀的作用是在正常制动系统发生故障而施加紧急制动后，通过制动控制器无法缓解的情况下而设置的一套备用缓解装置，对列车制动进行缓解。

（8）备用电磁阀

备用电磁阀的作用是当正常制动系统发生故障时，司机仍能操作列车制动/缓解，保证列车正常运行。其主要包含备用制动电磁阀和备用保压电磁阀。

（9）双向阀

双向阀是七级中继阀与备用制动系统交替使用而设置的一个转换阀。其作用是用来切换正常制动系统和备用制动系统。

4.SD型电空制动机的特点

（1）优点

SD型电空制动机相比以往的各种自动式电空制动机，具有以下特点：

①该型制动系统配备有空重车调整装置，可根据车辆载荷的变化自动调整制动力，制动时，能达到恒定的减速度，有效地减少了列车纵向冲击力，使停车更加平稳。

②制动缸压力具有七级变化，便于调速，各级压力及上升时间基本一致，稳定准确，操纵灵活方便。

③制动、缓解作用快，空走时间短，缩短了制动距离。

④与列车自动控制系统接口容易，可实现定位停车。同时与电制动配合简单。在充分保证电制动优先作用情况下，可自动进行空气制动补偿，整个制动过程制动力基本不变，减少了闸瓦磨耗，提高乘坐舒适性。

⑤配备紧急电磁阀，当列车发生分离或断电故障及施加紧急制动时，确保投入全部空气制动能力施加紧急制动，确保行车安全。

⑥配备备用制动系统，在正常制动系统发生故障时，保证列车运行安全性，提高运营效能。

⑦系统结构简单，集成化程度高，重量较轻，整个装置除制动控制器、备用制动开关等外，其他装置均集中安装在一块集成板上，简化了空气管路；维修保养简单，提高故障维修效率，该制动装置采用O型密封圈、橡胶膜板，简化了结构，且作用可靠，延长了检修期。

（2）缺点

虽然SD型电空制动机在制动性能上有很大的提高，但仍存在不少的缺点：

①由于采用级位控制，控制精度较低。

②控导阀制作相对复杂，易受材料及制造工艺的影响。

【任务实施】

建立相应模型，利用学习小组形式进行交流学习，熟练掌握SD型数字式电气指令制动控制系统的基本原理、主要组成及各部件的作用。

【效果评价】

评价表

续表

任务2　SD型电空制动机主要部件的构造及作用原理的认知（1）

【活动场景】

利用模型或多媒体对SD型数字式电气指令制动控制系统的组成进行讲解学习。

【任务要求】

1.熟练掌握SD型数字式电气指令制动控制系统的主要组成部分。

2.了解SD型数字式电气指令制动控制系统的各组成部分的作用及动作原理。

【知识准备】

通过任务1的学习与完成，我们知道SD型电空制动机主要由七级中继阀、制动控制器、空重车调整阀、空电转换器、紧急电磁阀、故障缓解电磁阀、控导阀、双向阀和备用电磁阀等组成，由于内容较多，因此我们将在任务2和任务3中详细和分析各组成部分的结构与作用原理。

1.七级中继阀的结构与基本原理

七级中继阀主要通过3个常用电磁阀的相互励磁和消磁将来自制动控制器的指令信号转换成空气压力，使压力进入膜板室内，按照不同的组合方式相加减，得到7个逐级增加的空气压力，输送给制动缸产生制动和缓解作用。它是一个用电气控制的，并能进行加减法运算的电空阀。

（1）七级中继阀的构造

七级中继阀的上部由3个常用电磁阀（CZF1，CZF2，CZF3）和压力给排部分组成，中部为混合器，下部为膜板组。具体结构如图8.2所示。

1）常用电磁阀

采用Q23×D型电磁阀；额定工作电压DC110V。主要由：阀体1、线圈2、铁芯3、弹簧4组成。它有3个空气通道：上部阀口连接大气、侧面通路连通膜板室、下部通路连通通路28，主要接收来自空重调整阀输出的车重载荷信号。

2）压力给排部分

连通总风缸到制动缸或制动缸到大气的机构。主要由给排阀弹簧5、给排阀6、大阀口7、作用杆8、节流孔9、均衡活塞10和均衡膜板11组成。作用杆8的空心通路与大气相连通，均衡活塞下侧连通大气，作用杆下端与混合器活塞杆相接触。当膜板室充入压缩空气时，作用杆8向上移动，关闭排气口，打开给排阀6，总风缸的压缩空气经通路（43）、大阀口7、通路（20）与制动缸连通，使压缩空气进入制动缸，进行制动施加；当膜板室的压缩空气排除后，作用杆8向下移动，带动给排阀6动作，关闭大阀口7，作用杆8上排气口与大气接通，使制动缸经通路（20）与大气接通，排气缓解。当均衡膜板11上方的M室空气压力与作用在膜板组上的空气压力相等时，作用杆8处于中间位置，给排阀6压在大阀口7上，作用杆8上的排气口与给排阀下部接触，切断通路（20）与作用杆8排气口，使制动缸空气压力处于保压状态。给排阀6柱塞上装有两个O形密封圈，柱塞上方与制动缸连通，减少给排阀背压。作用杆8上装有两个O形密封圈，空心通路与大气连通，均衡活塞10下方连通大气，作用杆下端与混合器活塞杆相接触。

图8.2　七级中继阀的结构与原理

1—阀体；2—线圈；3—铁芯；4—弹簧；5—给排阀弹簧；6—给排阀；
7—大阀口；8—作用杆；9—节流孔；10—均衡活塞；11—均衡膜板；12—活塞杆；
13—活塞；14—混合器膜板；15—常用制动膜板组活塞；16—常用上膜板；
17—中活塞；18—常用中膜板；19—下活塞；20—常用下膜板；
（8），（13），（20），（28），（43），大气—通路

3）混合器

主要由混合器膜板14、活塞杆12和活塞13组成，膜板上方的N室通过通路（13）与控导阀连通，下方E室通过通路（8）与紧急电磁阀连通。用来将控导阀输出的空气压力（电制动力对应转换的空气压力）与常用制动作用力进行减法运算，协调电空制动配合。

4）膜板组

主要由3个膜板16，18，20和活塞15，17，19组成。各膜板的有效作用面积之比为S上：S中：S下=7：6：4。3个膜板构成3个气室C1，C2，C3，分别与CZF1，CZF2和CZF33个常用电磁阀连通。主要是将制动控制器的制动电气指令，通过常用电磁阀的励磁消磁变为相应的空气压力，使列车施加相应的制动力。

5）空气通道

具体空气通道及作用见表8.1。

表8.1　膜板组的空气通道

（2）七级中继阀的作用原理

1）常用制动

以一级制动为例。当施加常用一级制动时，仅CZF1加电励磁，此时压缩空气由空重车调整阀经通路（28），CZF1下阀口进入气室C1，空气压力作用在C1室上下膜板16、17上，根据C1室上下膜板有效面积比S上：S中=7：6，产生向上的一级作用力，通过活塞杆15传递给作用杆8，使作用杆8上移，打开给排阀，此时，总风缸压力通过空气通路（43）经大阀口、通路（20）进入制动缸，同时经节流孔9进入均衡活塞上侧M室，平衡膜板组的作用力，产生一级制动力，作用原理见图8.3所示。

图8.3　常用制动一级制动时七级中继阀作用原理示意图

（浅灰度为车重载荷信号，中灰度为总风压力空气信号，深灰度为制动压力空气信号）

2）保压

当制动缸的压力（M气室压力）与作用在膜板组上的压力平衡时，作用杆下移，在给排阀弹簧作用下关闭大阀口，使七级中继阀处于保压状态，从而保证制动缸压力不变。当制动缸压力需求变化时，给排阀均能自动排除或补偿空气压力，保证制动缸压力不变，从而保证制动力恒定，作用原理如图8.4所示。

图8.4　一级制动七级中继阀作用原理示意图

（浅灰度为车重载荷信号，中灰度为总风压力空气信号，深灰度为制动压力空气信号）

3）缓解

当发出制动缓解指令时，CZF1失电消磁，C1室的压缩空气经CZF1上方排气口排向大气，此时，均衡膜板受到向下的作用力，推动均衡活塞及作用杆向下移动，作用杆与给排阀分离，连通制动缸与大气之间的通路，同时也连通给排阀上端、M气室与大气间的通路，使制动缸处于缓解状态，其作用原理如图8.5所示。

常用制动1～7级制动、保压及缓解动作过程完全一致。

常用制动时由司机操作制动控制器，使3个常用电磁阀CZF1，CZF2，CZF3交替励磁和消磁，3个膜板室C1，C2，C3分别充排气，根据其组合形式的不同，制动缸有7个压力值。常用制动1～7级电磁阀励磁和消磁、膜板室排列组合见表8.2。

图8.5　一级制动七级中继阀作用原理示意图

（深灰色为制动压力空气信号）

表8.2　常用制动电磁阀的消磁、膜板室排列组合

注：“+”代表加电励磁；“-”代表失电消磁。

当空重车调整阀输出压力一定时（即车重载荷信号一定），制动缸各级压力如图8.6所示。

图8.6　制动缸各级压力的调整

4）紧急制动

紧急电磁阀正常情况下均处于加电励磁，当施加紧急制动时，紧急电磁阀失电消磁，压缩空气由空重车调整阀经通路（8）进入中继阀E室，推动均衡活塞向上移动打开给排阀，导通总风缸与制动风缸，制动过程与常用制动过程一样。同时，压缩空气进入均衡活塞上方的M室，使七级中继阀处于保压状态。紧急制动施加时，为防止制动叠加，产生过制动，电磁阀CZF1，CZF2，CZF3失电消磁，C1，C2，C3室压力空气经电磁阀CZF1，CZF2，CZF3排气，有效地防止产生制动叠加，此时，制动缸压力比常用制动七级压力高10%左右。

2.电空制动的配合

当空气制动与电制动配合使用时，要求空气制动力随着电制动力的增加（或减少）实时进行相应的减少（或增加），保持恒定的总制动力。总制动力恒定依靠七级中继阀中的混合器来完成。

当施加1级常用制动时（2～7级过程相同），电磁阀CZF1加电励磁，膜板室C1充气，假设其压力为P1，如果没有电制动力（即混合器膜板上方N室无压力空气），制动缸压力为P2，则有如下关系：

式中　S1——C1膜板室膜板有效面积；

　SM——均衡膜板的有效面积。

此时，如果有电制动力，电制动力通过控导阀转换成相应的空气压力P3，则对应关系如下：

式中　P2——有电制动时制动缸压力值；

　P3——控导阀输出的压力值；

　SN——混合膜板的有效面积。

由此可见，制动缸压力P2与电制动力对应的空气压力P3相关。当电制动力发生作用时，电制动力对应的空气压力经通络（13）进入混合器膜板室，其向下的作用于C1室向上的作用相减，使总风缸压力进入制动缸，保持0.06MPa预压力，克服制动缸缓解弹簧作用力，使闸瓦贴靠车轮，作好电制动力变化时空气制动补偿的准备。当电制动力减少时，控导阀输出的压力随之下降，此时，制动缸的压力随即增加，以实现制动力的补偿，保证总之动力的要求。

3.空重车调整阀

空重车调整阀是根据车辆载荷的变换，自动输出一个空气压力信号，通过七级中继阀保证车辆恒定制动率。

空重车调整阀的信号来源于车辆的二系弹簧（即空气弹簧）。考虑到车辆载荷的不均衡，该信号采用前后转向架的对角两个空气弹簧压力平均，这样就能准确地反映出载荷的大小。

空重车调整阀由上部的压力给排部分、中部的弹簧调整部分和下部的空气弹簧压力平均运算部分组成，其结构如图8.7所示。

图8.7　空重车调整装置的结构图

1—弹簧；2—给排阀；3—均衡活塞杆；4—节流孔；5—均衡活塞；6—膜板；7—上调整弹簧；
8—上调整螺母；9—下调整弹簧；10—下调整螺母；11—活塞杆；12—大活塞；13—大膜板；
14—小活塞；15—小膜板；（24），（27）—空气通路

（1）空重车调整的组成

①压力给排部分：弹簧、给排阀、均衡活塞杆、节流孔、均衡活塞和膜板。

②弹簧调整部分：上调整弹簧、上调整螺母、下调整弹簧和下调整螺母。

③空气弹簧压力平均运算部分：活塞杆、大活塞、大膜板、小活塞和小膜板。

（2）空重车调整装置的动作原理

1）空车时

空气弹簧输出空气压力，通过P1和P2通路进入气室A和B中，给大活塞12向上的推力，当与下调整弹簧的反力相平衡时，使大小膜板处于水平位置，这时活塞杆11与均衡活塞杆3相接触而无作业力，关闭大气通路。空重车调整阀的输出压力由上调整弹簧来调整，在上调整弹簧作用下，均衡活塞杆向上运动，打开给排阀2，切断与大气通路的连接，使空气压力通过给排阀（处于打开位置）、通路（27）供给七级中继阀，同时，由通路（24）传来的总风缸压力空气经节流孔4作用于均衡活塞5上，当均衡活塞上方的空气压力与上调整弹簧的作用力相平衡时，均衡活塞下移，给排阀在弹簧1作用下下移关闭阀口，切断与通路（27）的连接，停止向七级中继阀供气，此时，七级中继阀输出的压力相当于上调整弹簧的调整压力值。当空车状态时，空气弹簧压力为0.26MPa，空重车调整阀输出压力调整为0.3MPa，运行中，若输出压力低于0.3MPa时，空重车调整阀动作，自动补充至0.3MPa。

2）车重载荷增加时

空气弹簧压力增加，大小膜板气室的压力随之增加，下调整弹簧受压，活塞杆推动均衡活塞向上移动，关闭大气气路，打开给排阀，使总风缸通过通路（24），（27）向七级中继阀输出压力，同时，通过节流孔向均衡活塞作用，当均衡活塞上下作用力相平衡时，停止输出空气压力。当两个空气弹簧压力均为0.42MPa时，空重车调整阀输出压力设计值为0.42Mpa；当空气弹簧压力由0.26MPa逐渐升至0.42MPa时，空重车调整阀的输出压力由0.3MPa增至0.42 MPa，呈线性增长关系，具体如图8.8所示。

图8.8　空重车调整装置压力输出

3）当车重载荷减少时

空气弹簧压力下降，均衡活塞下移，均衡活塞杆离开给排阀，通路（27）及均衡活塞上侧的压力空气排向大气，直至均衡活塞上侧的压力空气作用力与空气弹簧作用在膜板上的作用力平衡为止。此时均衡活塞上移，与给排阀接触，切断大气通路，处于保压状态，此时，输出压力与车辆载荷相适应。

4）出现空气弹簧破裂而无压力信号时

由于上调整弹簧的作用，可保证在任何情况下输出空车时的压力信号。

【任务实施】

利用多媒体，采取小组讨论的形式对SD型数字式电气指令制动控制系统各主要组成部分进行学习，同时对各部分作用及内部空气通路进行熟练掌握。

【效果评价】

评价表

任务3　SD型电空制动机主要部件的构造及作用原理的认知（2）

【活动场景】

利用模型或多媒体对SD型数字式电气指令制动控制系统的组成进行讲解学习。【任务要求】

1.熟练掌握SD型数字式电气指令制动控制系统的主要组成部分。

2.了解SD型数字式电气指令制动控制系统的各组成部分的作用及动作原理。

【知识准备】

1.空电转换阀

空电转换阀由差动变压器部分和压力传感部分组成。

（1）空电转换阀的结构

具体结构如图8.9所示。主要作用是一个空电转换装置，将空气压力信号转换成电信号，将车辆载荷信号转换成电信号，向牵引系统提供车重信号，以便牵引系统根据载荷信号实时调整牵引力和电制动力。

①差动变压器部分：是将压力传感器部分的机械位移转换成相应的电压（或电流）值，主要由引线抽头、线圈、铁芯及外壳组成。

②压力传感部分：由S形模板、活塞、杆、弹簧及阀体组成。

空电转换阀仅有一条通路连接空气气路，空重车调整阀通过通路（32）向空电转换阀输出压力。

（2）动作原理

空重车调整阀输出的压力空气通过通道（32）进入空电转换阀内，推动活塞6压缩弹簧5，通过杆4带动铁芯2向上移动，这时在差动变压器的初级线圈中，通入交流电使差动变压器的初级线圈励磁，产生以铁芯为中心的交变磁通，次级线圈产生感应电压，感应电压随铁芯位移而变化，从而向牵引系统提供车重载荷信号。当铁芯处于中间位置时，次级线圈电压差值ES为零，当铁芯位置偏离中心位置越大，次级线圈电压差值成正比例增加，反之减少。空气压力与差动变压器输出电压关系如图8.10所示。

图8.9　空电转换阀的结构

1—线圈；2—铁芯；3—阀体；4—杆；5—弹簧；
6—活塞；7—S形模板；（32）—通路

图8.10　空气压力与差动变压器输出电压关系

2.控导阀

控导阀是一个电空转换装置，主要是将电制动检测出的电流信号按一定的比例转换成空气压力信号输出给七级中继阀，在七级中继阀的混合器内将该信号与制动控制器给出的相应制动级位的空气指令压力值相比较，以便确定是否由空气制动来补偿电制动力的不足，从而保证总制动力的恒定。由电磁部分和空气作用部分组成。

（1）控导阀结构

控导阀的具体结构如图8.11所示。它主要由3部分组成。

①电磁部分：由顶杆、外壳、线圈、铁芯、钢球及引线组成部分。

②空气作用部分：由弹簧、给排阀、作用杆、节流孔、活塞及膜板组成。其中通路（48）连接总风缸，通路（14）连接七级中继阀混合器N室。

③空气通道：具体空气通道及作用见表8.3。

表8.3　空气通路

图8.11　控导阀的结构与原理

1—弹簧；2—给排阀；3—作用杆；4—节流孔；5—活塞；6—膜板；7—顶杆；
8—外壳；9—线圈；10—铁芯；11—钢球；12—引线；（48），（14）—空气通路

（2）控导阀动作原理

①当电磁部分失电消磁时（不使用电制动）：铁芯10、顶杆7、活塞5处于最下端位置，七级中继阀混合器N室通过通路（14）和作用杆3与大气相连接，在给排阀2的弹簧1作用下切断通路（14）。此时无电制动作用。

②当电磁部分加电励磁时（使用电制动）：线圈9通过电流，铁芯向上移动，推动顶杆及活塞，给排阀关闭大气通路，作用杆顶开给排阀，通过通路（48）及（14）连通总风缸和七级中继阀混合器N室，在N室中进行混合运算。同时，N室中的压力空气通过通路（14）及节流孔4作用在膜板6上，当铁芯向上的磁力与活塞向下的作用力平衡时，给排阀在弹簧1的作用下关闭阀口，切断总风缸与七级中继阀混合器N室的空气通路，使控导阀处于保压状态。此时施加电制动。

当电磁部分线圈电流增加时（电制动力增加），铁芯又向上移动，打开给排阀阀口，向七级中继阀混合器N室供风，N室压力增高，通过混合器的运算来确定是否补偿电制动力的不足。

【注意】控导阀向七级中继阀混合器N室输出压力的大小与控导阀线圈的电流有关，电流越大，输出压力越大，反之越小。同时，控导阀的输出压力与电制动时输出的电流信号不成线性关系，主要原因是由磁性材料的特性所决定，可通过引入控制线路获取较好的线性关系。由图8.12可以看出：虚线1为控导阀输出特性曲线，当线圈输入电流增大时，输出压力变化率呈下降趋势。虚线2为控制线路特性曲线，当输入电流增加时，输出电流变化率呈上升趋势，利用这一特点，可获取控导阀输出压力与电制动输出电流的线性关系。

3.紧急电磁阀

（1）紧急电磁阀的结构

紧急电磁阀是当常用制动发生故障时，为保证车辆安全而设置的紧急停车的一种电磁阀。正常情况下处于加电励磁，若出现失电消磁，列车将施加紧急制动。其额定工作电压为：DC110V，工作电压范围为：DC79～DC124V。主要由阀体、线圈、铁芯、上阀口、阀、弹簧及下阀口组成。其结构如图8.13所示。

图8.12　控制特性曲线

1—控导阀特性；2—控制线路特性；
3—综合输出特性

图8.13　紧急电磁阀的结构与原理

1—阀体；2—线圈；3—铁芯；
4—上阀口；5—阀；6—弹簧；
7—下阀口；（55），（58）—空气通路

（2）紧急制动发生的情况

紧急制动发生的情况（不仅限于以下情况）：①车钩分离时；②常用制动故障时；③制动控制线路故障或中断时；④司机控制器置于紧急位时；⑤紧急制动按钮按下时；⑥列车自动控制系统发出紧急制动指令时。

（3）动作原理

紧急电磁阀是正常时处于加电励磁状态，通电后线圈产生电磁力，铁芯3向下移动，克服弹簧6的反推力，关闭下阀口7，切断通路（58）与大气的连通，同时，通过通路（55）使七级中继阀紧急制动气室E与大气的连通。当进行紧急制动时，电磁阀失电消磁，铁芯在弹簧作用下向上运动，关闭上阀口4，通过通路（58），（55）导通空重车调整阀与七级中继阀紧急制动气室E，产生紧急制动。当紧急电磁阀恢复励磁后，铁芯向下运动，关闭下阀口，连通大气与七级中继阀紧急制动气室E，气室E中空气排向大气，制动机进行缓解。

【注意】紧急电磁阀在选型上应能可靠工作，满足城市轨道交通车辆控制电源波动。

4.故障缓解电磁阀

故障缓解电磁阀（又称强迫缓解电磁阀）与紧急制动电磁阀结构完全相同，主要作用是切断空重车调整阀与紧急电磁阀的空气通路，并使紧急制动缓解，正常时处于失电消磁状态。

故障缓解电磁阀通路（55）与紧急电磁阀通路（58）相连，当紧急制动后不能缓解时，使用故障缓解电磁阀进行缓解，此时，故障缓解电磁阀励磁，关闭下阀口，打开上阀口，使七级中继阀紧急制动气室E通过紧急电磁阀通路（55），（58）与故障缓解电磁阀通路（55）连通，将七级中继阀紧急制动气室E中的压力空气排向大气，使车辆强迫缓解。

【注意】在使用备用制动系统中，故障缓解电磁阀一直处于加电励磁状态。

5.备用制动电磁阀

为保证行车安全，城市轨道交通车辆除配备常用制动机紧急制动外，还配备一套备用制动系统。当常用制动故障时，使用备用制动系统，确保车辆运营安全。备用制动系统的电磁阀有两个，一个作为备用制动使用（BZF1），另一个作为备用保压使用（BZF2）。备用制动电磁阀由O形密封圈柱塞阀构成的压力供排部分和MFZ1-4D型110V直流电磁阀组成。具体结构如图8.14所示，（a为备用制动电磁阀；b为备用保压电磁阀）。

SD型数字式制动系统属于直通型电空制动，依靠两个电磁阀的交替励磁来获取制动和缓解；依靠两个电磁阀加电励磁时间的长短来获取不同的制动力。

图8.14　备用电磁阀的结构与原理

1—阀体；2—线圈；3—铁芯；4—柱塞；5—O形密封圈；6—弹簧；
（33），（36），（37），（38），（39），（40）—空气通路

【小贴士】备用制动电磁阀空气通路：通路（37）连接备用保压电磁阀通路（36），通路（38）连接大气，通路（40）连接总风缸。备用保压电磁阀空气通路：通路（36）连接备用制动电磁阀通路（37），通路（33）连通双向阀和安全阀并通向制动缸，通路（39）连通大气。

（1）备用制动系统使用条件

①备用开关置于缓解位。

②使故障缓解电磁阀励磁，缓解紧急制动，切断空重车调整阀至紧急制动后电磁阀的空气通路。

（2）动作原理

①备用制动系统制动时（备用制动开关置于制动位）：备用制动电磁阀BZF1加电励磁，备用保压电磁阀BZF2失电消磁。BZF1铁芯3在吸力作用下克服弹簧6力压迫柱塞4向下移动，切断通路（37）与大气的通路，压缩空气流向：总风缸—通路（40）—通路（37）—通路（36）—通路（33）—双向阀通路（63）—双向阀通路（17）—制动缸，施加制动。

②备用制动系统保压时：备用制动电磁阀BZF1失电消磁，加电励磁。BZF1柱塞4在弹簧6力作用下推动铁芯3上移，切断通路（40）和通路（37）的连通，BZF2铁芯吸力作用下克服弹簧力压迫柱塞向下移动，切断通路（36）与通路（33）的连通，停止向制动缸供风，此时制动缸处于保压状态。

③备用制动系统缓解时（备用制动开关置于缓解位）：备用制动电磁阀BZF1和备用保压电磁阀BZF2均失电消磁。备用制动电磁阀BZF1切断通路（40）和通路（37），导通通路（37）与大气的连通；和备用保压电磁阀BZF2导通通路（36）与通路（33），压缩空气流向：制动缸—双向阀通路（17）—双向阀通路（63）—通路（33）—通路（36）—通路（37）—大气，制动缓解。

【注意】备用制动系统使用时，应先将备用开关置于缓解位。

6.双向阀

双向阀是为了由常用制动系统向备用制动系统转换，改变制动缸进气通路而设置的，由阀体、阀芯、O形密封圈和3条空气通路组成，其结构如图8.15所示。

【小贴士】双向阀空气通路：通路（17）连通制动缸；通路（19）连通七级中继阀；通路（63）连通备用保压电磁阀BZF2通路（33）。

动作原理：

图8.15　双向阀

1—阀体；2—阀芯；3—O形密封圈；
（17），（19），（63）—空气通路

①常用制动时：七级中继阀输出压力空气通过通路（19）进入双向阀，推动阀芯2向右移动，切断备用制动系统与制动缸通路，经通路（17）进入制动缸，施加制动；也可使制动缸压力空气经通路（17）（19）及七级中继阀进行排气，缓解制动。

图8.16　安全阀的结构与原理

1—调整螺柱；2—阀体；3—弹簧

②备用制动时：总风缸压力空气经备用制动电磁阀BZF1、备用保压电磁阀BZF2、通路（63）进入双向阀，推动阀芯2向左移动，切断常用制动系统与制动缸通路，经通路（17）进入制动缸，施加制动；也可使制动缸压力空气经通路（17）（63）、备用保压电磁阀BZF2及备用制动电磁阀BZF1排气，缓解制动。

7.安全阀

安全阀的结构如图8.16所示。当使用备用制动系统时，压力空气直接由总风缸提供，为防止制动缸压力过高，特此设置安全阀，由此可见，安全阀应用于备用制动系统中，它由调整螺柱1、阀体2、弹簧3及钢球4组成。

【小贴士】

SD型数字式制动系统安全阀设定压力值为3.0MPa。

动作原理：当使用备用制动系统时，制动缸压力若超过设定值后，制动缸内压力空气将克服弹簧3力推动钢球4向上移动，将超过规定值的压力排向大气，当制动缸压力恢复时，钢球4在弹簧3的作用下关闭制动缸与大气的通路，从而保证备用制动时制动缸压力。安全阀设定压力值可通过调整螺柱1来调整。

【任务实施】

利用多媒体，采取小组讨论的形式对SD型数字式电气指令制动控制系统各主要组成部分进行学习，同时对各部分作用及内部空气通路进行熟练掌握。

【效果评价】

评价表

任务4　SD型电空制动机的综合作用分析

【活动场景】

创建各组成部件模型，利用多媒体学习城轨车辆SD型数字式电气指令制动控制系统的制动原理及制动过程，并通过各模型搭建该控制系统。

【任务要求】

1.掌握SD型数字式电气指令制动控制系统的制动原理。

2.掌握SD型数字式电气指令制动控制系统的制动过程。

3.能够利用模型独立搭建SD型数字式电气指令制动控制系统。

【知识准备】

如图8.17所示是SD型电空制动机的作用原理图，SD型电空制动机的作用共可分运转位、常用制动位、紧急制动位和备用制动位，下面分别进行分析与学习。

图8.17　SD型电空制动机综合作用

1.运转位（非制动位）

当司机室制动控制器手柄置于运转位（牵引或惰行）时，七级中继阀的常用电磁阀CZF1、CZF2、CZF3、控导阀、备用制动电磁阀、备用保压电磁阀和故障缓解电磁阀均处于失电消磁状态，紧急电磁阀GZF处于加电励磁状态。此时七级中继阀各膜板室均于大气相连通，制动缸内压力空气通过双向阀、七级中继阀排向大气，制动缸处于缓解状态。其空气通路如下：

（1）制动缸压力流向

制动缸压力空气—双向阀通路（17）—双向阀通路（19）—七级中继阀通路（20）—七级中继阀空心作用杆（8）—大气通路。

（2）七级中继阀内空气流向

①膜板室C1、C2、C3压力空气分别通过CZF1、CZF2、CZF3排向大气。

②紧急制动气室E内压力空气—七级中继阀通路（8）—紧急电磁阀GZF通路（55）—大气通路。

③七级中继阀气室N内压力空气—七级中继阀通路（13）—控导阀通路（14）—控导阀空心作用杆（3）—大气通路。

（3）空重车调整阀空气流向

空重车调整阀接收来自空气弹簧的压力（车重载荷信号）输出相应的压力空气，以备应用，具体空气流向如下：

①常用制动使用：空重车调整阀通路（27）—七级中继阀通路（28）—七级中继阀常用电磁阀CZF1、CZF2、CZF3下阀口。

②牵引系统车重载荷信号使用：空重车调整阀通路（27）—空电转化器通路（32）—空电转化器气室D。

③紧急制动使用：空重车调整阀通路（27）—故障缓解电磁阀通路（62）—故障缓解电磁阀通路（59）—紧急电磁阀通路（58）—紧急电磁阀下阀口（7）。

2.常用制动位

常用制动分为有电制动和无电制动（电制动失效或故障）两种状态。此时备用制动开关置于运转位，备用电磁阀和保压电磁阀均处于失电消磁状态。

（1）有电制动

当司机室制动控制器手柄置于常用制动1～7级，电制动首先投入，将检测出的电制动电流信号输入控导阀，通过控导阀转换成相应的压力空气，进入七级中继阀混合器内，根据总制动力的大小施加空气制动，其空气通路如下：

①总风缸压力空气—控导阀通路（48）—进入平衡膜板上侧室。

②总风缸压力空气—控导阀通路（48）—控导阀通路（14）—七级中继阀通路（13）—进入七级中继阀混合器气室N；进入七级中继阀混合器N室的压力空气向下的作用力与膜板组向上的作用力相减之后，若该作用力之差使膜板上移，推动作用杆打开给排阀向制动缸充风，此时制动缸压力即为补偿电制动力的不足；若该作用力之差使膜板下移或保持不动，则电制动力满足制动要求。

（2）无电制动

当司机室制动控制器手柄置于常用制动1～7级，七级中继阀的3个电磁阀交替励磁和消磁，制动缸可得到7个级别的制动压力，此时，紧急电磁阀处于加电励磁状态，其空气通路如下：

空重车调整阀通路（27）—七级中继阀通路（28）—进入常用电磁阀下阀口—进入常用气室C1、C2、C3，膜板组上移，作用杆打开给排阀，此时打开以下通路：

①总风缸压力空气—七级中继阀通路（43）—进入给排阀—七级中继阀通路（20）—双向阀通路（19）—双向阀通路（17）—制动缸。

②总风缸压力空气—七级中继阀通路（43）—进入平衡膜板气室M。

③总风缸压力空气—七级中继阀通路（43）—给排阀柱塞上方。

此时，车辆处于制动工况，其他通路与运转位相同。

【小贴士】当制动控制器手柄由制动位1～7级逐级移动时，制动系统发生阶段制动作用；反之，制动系统发生阶段缓解作用。

3.紧急制动位

当紧急制动时，七级中继阀的3个常用电磁阀和紧急电磁阀均失电消磁，制动系统触发紧急制动，其空气通路如下：

空重车调整阀通路（27）—故障缓解电磁阀通路（62）—故障缓解电磁阀通路（59）—紧急电磁阀通路（58）—紧急电磁阀通路（55）—七级中继阀通路（8）—进入七级中继阀气室E，此时混合器活塞推动作用杆上移，顶开给排阀，打开以下气路：

①总风缸压力空气—七级中继阀通路（43）—七级中继阀给排阀口—七级中继阀通路（20）—双向阀通路（19）—双向阀通路（17）—制动缸。

②总风缸压力空气—七级中继阀通路（43）—进入平衡膜板气室M。

③总风缸压力空气—七级中继阀通路（43）—给排阀柱塞上方。

当发生紧急制动时，七级中继阀E室充风，3个常用电磁阀失电消磁，膜板室C1，C2，C3压力空气排向大气，有效地避免了制动的叠加（紧急制动和常用制动同时动作）。

【小贴士】紧急制动制动压力比7级常用制动压力高10%左右。

4.备用制动位

当常用制动系统故障或失效时，司机操作备用制动开关，通过备用制动电磁阀、备用保压电磁阀和故障缓解电磁阀的励、消磁保证行车安全（具体励、消磁状态见表8.4）。备用制动开关设置4个位置，分别为运转位、故障缓解位、制动位及保压位，具体见表8.4。

表8.4　SD型电空制动机的备用制动位

注：“+”代表加电励磁；“-”代表失电消磁。

正常制动时，备用开关置于“运转位”，备用制动电磁阀、故障缓解电磁阀失电消磁。空气通路为：总风缸压力空气—备用制动电磁阀通路（40）；故障缓解电磁阀通路（59）（62）连通。

当正常制动故障或失效时，此时列车发生紧急制动，备用制动系统投入使用。首先将备用开关置于“故障缓解位”，故障缓解电磁阀加电励磁，切断通路（62）；同时，导通以下通路：七级中继阀E室—七级中继阀通路（8）—紧急电磁阀通路（55），此时紧急电磁阀失电消磁，导通通路（55）和（58）—紧急电磁阀通路（58）—故障缓解电磁阀通路（59）—大气通路，使七级中继阀E室空气排向大气，给排阀关闭。此时制动缸压力—双向阀通路（17）—双向阀通路（19）—七级中继阀通路（20）—七级中继阀空心作用杆—大气通路，紧急制动得以缓解。

当备用开关置于“制动位”，列车投入备用制动，备用制动电磁阀、故障缓解电磁阀加电励磁，此时空气通路如下：总风缸压力空气—备用制动电磁阀通路（40）—备用制动电磁阀通路（37）—备用保压电磁阀通路（36）—备用保压电磁阀通路（33）—双向阀通路（63）—推动双向阀阀芯左移—双向阀通路（17）—制动缸，车辆施加备用制动。

当备用制动开关置于“保压位”，备用制动电磁阀失电消磁，备用保压电磁阀、故障缓解电磁阀加电励磁，此时切断备用制动电磁阀通路（37）（40）和备用保压电磁阀通路（36）（33），制动缸呈保压状态。

此时，若需缓解备用制动，将备用开关置于“故障缓解位”，故障缓解电磁阀加电励磁，备用制动电磁阀、备用保压电磁阀失电消磁，空气通路如下：制动缸压力空气—双向阀通路（17）—双向阀通路（63）—备用保压电磁阀通路（33）—备用保压电磁阀通路（36）—备用制动电磁阀通路（37）—备用制动电磁阀—备用制动电磁阀通路（38）—大气通路，备用制动缓解。

【任务实施】

建立相应模型，利用学习小组形式进行交流学习，熟练掌握SD型数字式电气指令制动控制系统的基本原理，主要组成及各部件的作用。

【效果评价】

评价表

项目小结

SD型电空制动机是直通式电空制动机，主要通过一个七级膜板中继阀对制动系统进行控制，通过七级中继阀的3个电磁阀各自得电（相当于1）或失电（相当于0）组成的组合，从而获得7个不同级别的制动指令；分级控制的制动指令再通过具有多块气动膜板的七级中继阀动作，使制动缸获得恒定的七级压力。

SD型电空制动机的基本作用原理是：根据运行的需要，司机操纵制动控制器发出制动指令或缓解指令，控制七级中继阀的3个电磁阀交替励磁和失磁，将空重车调整阀的输出压力输入到七级中继阀的相应膜板室内进行加减法运算，从而输出7个等增量压力供给制动缸以产生不同级别的制动作用，或者使制动缸压力空气经七级中继阀排向大气发生缓解作用。当空气制动和电制动配合使用时，控导阀将有电制动作用时检测出的电流信号按一定比例变换成空气压力信号输入到七级中级阀的混合器里，与指令压力进行减法运算，使电制动力不足指令压力部分由空气制动进行补充。

SD型电空制动机主要由七级中继阀、制动控制器、空重车调整阀、空电转换器、紧急电磁阀、故障缓解电磁阀、控导阀、双向阀和备用电磁阀等组成；SD型电空制动机的作用共可分运转位、常用制动位、紧急制动位和备用制动位。

思考与练习

1.什么是SD型电空制动机？有何特点？

2.SD型电控制动机主要由哪几部分组成？

3.什么是制动控制器？

4.SD型电控制动机系统中七级中继阀的作用是什么？

5.空重车调整阀、空电转换器、紧急电磁阀、备用电磁阀、故障缓解电磁问、控导阀的主要作用是什么？

6.简述SD型电空制动机的基本作用原理？

7.SD型电空制动系统常用制动是怎样形成的？

8.SD型电空制动系统紧急制动是怎样形成的？

9.SD型电空制动系统快速制动是怎样形成的？

10.SD型电空制动系统保持制动是怎样形成的？