采用车控控制方式的铁科院制动系统

项目13　国产城轨车辆制动系统

【项目描述】

制动技术是城市轨道车辆的关键技术之一，我国国内的城轨车辆制造之初大都全套引进日本或欧洲技术；近几年，中国铁路科学研究院（以下简称铁科院）在城市轨道车辆制动系统国产化方面取得了长足发展，其独立研发的制动系统已在重庆轨道交通6号线、北京地铁15号线、沈阳地铁2号线等项目中得到应用。相比较于采用车控控制方式的HRDA制动系统和采用架控控制方式的EP2002制动系统，铁科院的制动系统设计得较为灵活，可以根据用户的需要进行系统的设计。本项将分别以应用于重庆轨道交通6号线（采用车控方式）和北京地铁15号线（采用架控方式）的铁科院制动系统为例，对采用车控控制方式和架控控制方式的铁科院制动系统进行学习。

【学习目标】

1.掌握国产城轨车辆制动系统的结构组成。

2.熟悉国产城轨车辆制动系统的网络结构。

3.掌握国产城轨车辆制动系统的作用及控制原理。

【技能目标】

1.能够说明国产城轨车辆制动系统的特点。

2.能够掌握国产城轨车辆制动系统故障的一般处理方法。

任务1　采用车控控制方式的铁科院制动系统

子任务1 系统概述及系统组成的认知

【活动场景】

在城轨车辆生产车间或检修现场教学，或用多媒体展示国产城轨车辆制动系统。

【任务要求】

1.能够掌握采用车控控制方式的铁科院制动系统的组成与特点。

2.能掌握国产城轨制动供风系统的工作原理和制动控制装置的控制电气原理。

【知识准备】

1.系统概述

国产车控式铁科院制动系统采用微机控制的模拟式电—空制动系统，控制系统采用车控方式，每辆车都配有一套电空制动控制装置（BCU），BCU内设有监控终端，具有自我诊断和故障记录功能。

空气制动系统能在司机控制器、ATO或ATP的控制下对列车进行阶段或一次性的制动与缓解。本系统具有反应迅速、操纵灵活、能与电制动混合使用、防滑控制、紧急制动等功能，是一个充分考虑安全的城轨交通车辆制动系统。

2.系统组成

如图13.1所示为采用车控控制方式的重庆6号线车辆制动系统气路原理图。

本制动系统主要包括：风源系统、制动控制系统、基础制动、空气制动防滑控制装置和空气悬挂装置。

（1）风源系统（A组）

全列车有两个压缩机单元，包括空压机启动装置、空气干燥器、安全阀等。压缩机采用螺杆式空气压缩机，TSA-0.9ARII型螺杆式空气压缩机采用380V，50Hz三相交流电驱动，可提供30.9m/min的供气量，电机额定转速为1460r/min。螺杆空气压缩机的螺杆组由两个互相啮合的螺旋形转子（或螺杆）组成，通常把节圆外具有凸齿的转子称为阳转子（或阳螺杆）；把节圆内具有凹齿的转子称为阴转子（或阴螺杆）。阴、阳转子具有非对称的啮合型面，平行安装在一个铸铁壳体内作回转运动。

TSA-0.9ARII螺杆空气压缩机系统包括空气系统、润滑油系统和冷却系统。

空气系统由空气滤清器、进气阀、主机、油气筒、油细分离器、压力维持阀和后冷却器组成。空气由空气滤清器（5）滤去尘埃后，再由进气阀（6）进入主机压缩室压缩，并与润滑油混合。与油混合的压缩空气由压缩机排至油气筒（7），经油细分离器（8）、压力维持阀（9）及后冷却器（10）之后送入干燥器中。当空压机组超过设备工作压力时，其内部的安全阀具有泄压排风作用，保护空压机组设备的安全，设定值为1250kPa。

同时在总风管路上安装有安全阀，保证总风压力不超过系统的工作压力，设定值为1000kPa。

图13.2为空气压缩机组系统原理图。

（2）制动控制系统（B组）

主要包括微机控制的模拟电空制动控制装置（B13）和辅助控制装置（B7）等，电空制动控制装置具有常用制动控制、紧急制动控制以及空气制动防滑控制等功能。

制动控制装置（BCU）由制动微机电子控制单元（EBCU）和气动执行单元（PBCU）两部分组成，EBCU和PBCU都有安装在制动控制装置机箱中。

EBCU采用6U插件机箱，由制动控制插件板、防滑控制插件板、开关量输入/输出插件板及通信插件板等组成，EBCU用于实现制动和防滑的控制计算及以与外部电气接口和通信。PBCU主要由气路集成板及其上面电磁阀、中继阀等气动执行部组成。制动控制装置根据制动指令产生要求的制动缸预控压力，再通过中继阀输出制动缸压力，制动控制装置根据空气簧的压力信号实现不同载重的压力控制，并根据纵向冲击率的限制来控制制动缸预控压力的上升速率。中继阀采用双膜板结构，有紧急制动和常用制动两个预控压力输入，输出压力根据两者之间取高的原则，由紧急制动和常用制动两个预控压力中压力较高的控制。制动气动执行部件集成在一个气动板上，易于维护和更换，与电子制动控制装置一起实现常用制动、紧急制动等功能。

图13.2　螺杆空气压缩机组系统原理图

制动控制装置电气原理图如图13.3所示，制动控制板上有4路（或）压力传感器输入通道和两路电磁阀驱动输出。制动控制板用于的制动力的实时计算，包括空电混合制动时的电制动力分配和空气制动力补充，并实施对制动缸压力控制。

制动控制装置具有自诊断功能，可以对制动系统的关键部件和性能进行监测，并通过车辆总线及时将故障信息通知列车监控系统。同时BCU还可以把故障信息记录在BCU内部的存贮介质上，并能通过测试软件将故障信息下载分析。

辅助控制装置气动原理图如图13.4所示，主要由双脉冲电磁阀、减压阀、压力开关、压力测点、滤清器、带电节点排风塞门、溢流阀等组成，用于实现停放制动的控制，提供总风压力信号和向空簧供风等功能。双脉冲电磁阀可以用脉冲电压控制转换，在外部控制电压作用下转换后，能够保持转换后的位置而不需要连续地施加控制电压。此外脉冲阀两端还有手动按钮，可以通过手动按钮进行控制转换，手动按钮为自复位方式，手控转换后不会影响脉冲阀的电压控制。因此在电信号出现故障或者需要人工干预的情况下，可人工施加和缓解停放制动。

（3）空气制动防滑控制装置

每个车的空气防滑控制装置包括4个防滑排风阀及轴装的4路速度传感器。

（4）基础制动装置

基础制动装置主要包括踏面制动和盘形制动两种形式。其中踏面制动主要由踏面制动单元缸、带停放的复合缸及闸瓦等组成；盘形制动主要由制动夹钳单元、制动盘及闸片等组成，具体构成方案见基础制动装置方案说明。

图13.4　辅助控制装置气动原理图

（5）空气悬挂装置

主要包括进行空簧充排风调节的高度阀和差压阀。

【任务实施】

描述采用车控控制方式的铁科院制动系统组成；描述采用车控控制方式的铁科院制动系统的电气原理图。

【效果评价】

评价表

续表

子任务2 系统网络结构及制动控制原理的认知【活动场景】

用多媒体展示采用车控控制方式铁科院制动系统的系统网络结构，在检修现场教学，讲解采用车控控制方式铁科院制动系统的制动控制原理。【任务要求】

1.能够掌握采用车控控制方式铁科院制动系统的系统网络结构。2.能够掌握采用车控控制方式铁科院制动系统的常用制动、快速制动、紧急制动控制过程及作用原理。

3.能够掌握采用车控控制方式铁科院制动系统制动载荷补偿原理。4.能够掌握采用车控控制方式铁科院制动系统防滑控制原理。5.能够掌握采用车控控制方式铁科院制动系统。【知识准备】1.系统的网络结构

图13.5为国产车控式制动系统的制动电气控制系统网络框图，司机控制器可以同时产生模拟和数字两种制动控制指令，模拟控制指令由列车控制系统的模拟量输入模块采集，然后通过MVB总线传送到每一个车的制动控制装置（BCU）。数字7级编码指令通过制动编码列车线直接送到BCU，当网络控制系统正常时，优先使用由网络传送的模拟制动指令，当网络系统故障无法传送制动指令时，BCU使用由列车线传送的7级数字编码指令。制动编码列车线除了传送司控器的冗余7级编码外，还用于回送时的制动控制。2.制动系统的控制过程和作用原理

列车制动采用电制动与空气制动实时协调配合、电制动优先使用、空气制动延时投入的混合制动方式。当电制动不足时，优先在拖车上补充空气制动。全列车交叉混合制动时，当总电制动力能够满足全列车制动力的需求时，各车都不需要补充空气制动；当总的电制动力不满足全列车的制动力需求时，则先在拖车上根据拖车载荷来补充剩余所需要的制动力，此时，如果总电制动力大于动车所需要的制动力时，动车上不需要补充空气制动；如果总电制动力不能满足动车所需要的总制动力时，拖车根据本车的载荷施加本拖车所需求的制动力，动车所需要空气补充的制动力也按拖车载荷比例分配到拖车上，即由拖车的空气制动进行补充，拖车上施加的总空气制动力受黏着极限限制，当拖车上的空气制动力未达到极限时，动车上不需要补充空气制动；当拖车上的空气制动力达到极限时，剩余所要补充的制动力平均分配到动车的空气制动上，每辆动车上所施加的电制动力和空气制动力的总和同样受黏着极限限制。

若在制动过程中出现电制动滑行造成制动力的损失，空气制动不进行补偿，以便于电制动的防滑控制。

在有电制动时，即使不需要施加空气制动，制动缸也要保留一定压力（30kPa左右），以补偿在电制动衰减时空气制动补充的滞后。

当列车制动在电动快要衰减时由VVVF发出一个电制动退出（衰减）预告信号，BCU收到电制动退出预告信号后，按预定速率预补空气制动。

（1）常用制动控制

常用制动采用减速度控制模式，制动控制单元根据指令的减速度和车辆载重来计算目标制动力。常用制动具有冲击率限制功能，以改善乘坐的舒适性能；常用制动采用空电混合制动并优先使用电制动。BCU根据目标制动力计算出本车应施加的制动缸目标压力。制动缸压力控制如图13.6所示，制动缸压力的控制是通过对作用风缸压力（预控压力）的闭环控制实现的。

图13.6　压力控制原理

微控制器的制动缸压力智能数字控制，是根据制动缸目标压力的和压力传感器检测的作用（预控）风缸压力以及制动缸压力，来控制E/P转换阀对作用风缸的充风或排风，实现对中继阀预控压力的闭环控制。中继阀受预控压力控制输出大流量的制动缸压力，中继阀的输出压力滞后影响在智能数字控制时进行补偿。图13.7为制动作用单元气路图。

（2）紧急制动控制

紧急制动采用纯空气制动，紧急制动是由紧急制动安全回路直接控制的，当紧急制动安全回线失电时，列车中的所有车辆即同时实施紧急制动。紧急制动一旦实施，紧急制动安全回路的控制电路可以保证紧急制动将一直保持施加状态直到列车完全停下。为了在应急情况下能缓解紧急制动，紧急制动环路中设有紧急制动旁路开关，但此旁路开关不会将紧急制动按钮开关旁路，以保证在需要时列车仍可实施紧急制动。紧急制动电磁阀是一个两位三通常开电磁阀，正常情况下处于得电的状态，切断了空重阀输出口与中继阀的紧急制动预控压力口的通路，同时将中继阀的紧急制动预控压力排向大气。当紧急制动电磁阀失电时，紧急制动电磁阀将接通空重阀输出口与中继阀的紧急制动预控压力口的通路，从而使中继输出紧急制动的制动缸压力，紧急制动作用原理如图13.8所示。

图13.7　制动作用单元气路图

图13.8　紧急制动作用原理（电磁阀得电状态）

紧急制动的载荷调节是由空重车调整阀实现的，当两路空气弹簧压力进入空重阀后，会产生一个平均载重压力，然后通过杠杆变换成相应载荷的制动缸预控压力。从而使制动缸压力能随载重的变化而调整，以保证列车制动率从空车到超员基本不变。如果平均载重压力小于预调的空车载重压力，则空重车调整阀会在预调的弹簧力作用下，产生相当于空车的制动缸控制压力，从而保证了最小制动缸压力。

（3）制动载荷补偿

常用制动的空重车调整是根据空簧压力进行控制的，即将两个转向架的空气簧（取对角位置）压力通过P-E转换装置得到与该转向架载重相对应电信号，由两个转向架载重来计算车辆载荷。根据车辆载荷情况对列车制动力进行相应调整。

当一端空气簧破裂或P-E转换电路的输出小于空车的信号或大于超员时的车重信号时，则用另一端的载重来代替以整车计算载重；当两端空气簧破裂时，则按超员载荷的2/3计算；当两端空气簧P-E转换电路的输出同时小于空车的信号时，按空车载荷计算；当两端空气簧路P-E转换电路的输出同时大于超员时信号时，按超员载荷计算。

（4）防滑控制

空气制动防滑功能在紧急制动和常用制动时都可以起作用。图13.9为防滑控制单元结构图，该控制单元具有以下特点：采用微机控制，计算速度快，检测精度高；根据速度差、减速度等多个判据的变化进行防滑控制；具有自检和故障存储功能，自动监督速度传感器和排风阀状态及控制输出状态，同时控制单元进行自监督；能进行轮径补偿；具有临轴互补功能；能充分利用黏着等；具有冲击率控制功能；用有源速度传感器，能在低速运行时（低于2km/h）还可以有很稳定的信号输出。

空气制动滑行控制系统采用速度差和减速度判据进行滑行检测。

①检测速度差：当某一轴速度低于参考速度（基准速度）达到判定滑行数值。

②检测减速度：当某一轴速度的减速度达到判定滑行数值。

当出现以上任何一种情况时，就判定该轴发生制动滑行，防滑控制系统首先会通过防滑排风阀切断中继阀到该轴制动缸的通路，对制动缸进行保压，如果滑行较大或保压后滑行持续增大，防滑阀还可排出一部分制动缸的压力空气，减小该轴上的制动力，以减小该轴上的滑动程度，使该轴恢复到黏着状态。在黏着恢复再制动充风时，防滑控制系统首先会采用阶段充风方式，一方面可以限制黏着恢复时再制动的纵向冲击率；另一方面还可以减小黏着恢复过程中的再滑行几率。

当4个轴同时出现滑行时，或4个轴的减速度都远高于正常的制动减速度时，防滑系统会定期短时缓解某一基准轴的空气制动，以便对基准速度进行周期性的修正，减小基准速度的累加偏差，以准确地控制滑动程度，从而确保了在低黏着状态下最大程度提高制动力，同时不会出现车轮擦伤。在发生严重滑行时，将切除电制动，以利于黏着恢复。

防滑控制单元在进行滑行控制时会自动限制排风和保压的持续时间，以限制空气制动力的减少时间。防滑控制单元还具有独立于主微控制器的监控微控制器，当主微控制器出现异常时，监控微控制器能够切除主微控制器的防滑控制输出，以防止空气制动力的持续减少。

（5）系统故障诊断

制动控制装置（BCU）具有系统自动检测及故障诊断功能，自检方式包括上电自动检测（POT）、在线运行自检、命令自检等方式。

上电自动检测是指在控制电源加电时自动进行的检测，上电自动检测的主要内容包括：CPU外设接口自检、EEPROM自检、E/P控制阀检测、防滑排风阀检测、MVB通信接口等。

在线运行检测是在系统正常工作时不需要外部干预也进行的自动检测，在线运行检测内容主要包括：压力传感器检测、速度传感器检测、MVB通信故障检测等。

命令自检是由监控系统（TCMS）通过车辆总线发出的系统检测指令，或由检修人员通过按压EBCU系统自检按钮启动的自检。命令自检内容可以包括上电自检和在线自检内容，同时还可以进行空气制动自动试验和故障诊断。

系统的故障诊断主要是对系统的功能进行诊断，如制动和缓解功能故障。

当诊断系统有故障时，故障信息能够通过MVB总线发送给列车监控系统（TCMS），并能够在司机显示屏显示，根据故障的影响程度，提示司机进行适当的处理。系统故障信息及发生故障前后一段时间的数据同时在BCU中存贮，BCU中的存贮显示卡采用了大容量的记录存贮介质，可以存贮大量控制数据及故障信息，存贮信息可以通过通信接口下载分析。

存贮卡中存贮的制动控制信息主要包括制动指令、作用风缸压力、制动缸压力、电制动力、E/P控制阀状态等；存贮的防滑控制信息包括各轴速度、减速度、参考列车速度、滑行检测和各防滑阀工作状态等。

【任务实施】

描述采用车控控制方式的铁科院制动系统的网络结构；描述采用车控控制方式的铁科院制动系统常用制动时压力控制原理；描述采用车控控制方式的铁科院制动系统紧急制动动作原理；描述采用车控控制方式的铁科院制动系统防滑控制原理。

【效果评价】

评价表

任务2　采用架控控制方式的铁科院制动系统

子任务1 系统概述及系统组成的认知

【活动场景】

在城轨车辆生产车间或检修现场教学，或用多媒体展示国产城轨车辆制动系统。

【任务要求】

1.能够掌握采用架控控制方式的铁科院制动系统的组成。

2.能掌握供风系统的工作原理及制动控制装置的电气原理。

【知识准备】

1.系统概述

国产城轨车辆的架控式制动系统采用架控方式的微机控制模拟式直通电空制动系统，每辆车都配有两套电空制动控制模块。

2.制动系统组成

如图13.10所示为北京地铁15号线地铁车辆制动系统气路原理图。

本制动系统提供的设备主要包括空气制动系统及相关气动控制部分等内容，主要包括：风源系统；制动控制系统：包括制动控制模块和停放制动控制模块；基础制动：盘形制动装置；防滑装置；空气悬挂辅助装置。

（1）风源系统

整列车有两套风源装置，每个动力单元内装设一套，包括空气压缩机、干燥器、油水分离器、安全阀、压力开关等。

系统采用专为铁路机车设计的TSA-0.9RⅢ型空气压缩机，为制动系统提供压缩空气。空压机采用单、双日控制。列车正常运行过程中，空压机通过网络信号进行控制；压力开关备用。正常运行时总风压力到达900kPa时，停止打风。当初充风时，两台空压机同时打风，达到900kPa时停止；当总风压力低于800kPa时，单台空压机打风；当总风压力低于750kPa时，两台空压机同时打风。

网络故障时，当压力低于700kPa时，压力开关控制空压机打风至900kPa后停止工作。

三相电机由法兰安装，机头安装于油气筒内，并且采用内置油分离器。在油气筒上还安装有油过滤器及温控单元，来控制油路循环系统。

风机后盖与蜗壳刚性连接在一起。蜗壳内装有离心式风扇，固定于机头的联轴器上。蜗壳上装有空—油冷却器，由冷却风扇对压缩空气和润滑油进行冷却。空气经过滤清器（1）并由进气阀进入机头的吸气端（3）在机头（17）的吸气终点进行压缩，压缩后的空气通过连接在机头上的排气管进入油气筒（10）内。如果空压机在无负载时启动，最小压力阀将保持关闭状态，使油气筒内迅速建立压力，从而形成润滑油的循环。当油气筒内压力达到650kPa时，最小压力阀开始打开，向空气系统输送空气。当系统压力达到设置值时，空压机停机，此时最小压力阀关闭，而保持系统压力。随后将通过卸荷阀（8）释放油气筒内的压力。空压机每次停机时，油气筒内的压力会通过气控卸荷阀自动卸放掉，最小压力阀和进气阀此时也处于关闭状态。停机时，油气筒内的压缩空气会倒流到进气口，从而使卸荷阀打开，油气筒内的压缩空气会通过空气滤清器排向大气，短时间内将压力释放到300kPa以下。剩余的压力通过进气阀上的排气小孔排出，直到油气筒内的压力为0kPa。

图13.11　空气压缩机

1—空气滤清器；2—冷却器；2.1—后冷却器；2.2—油冷却器；3—进气阀；4—压力开关；
6—安全阀；7—压力维持阀；8—卸荷阀；9—油细分离器；10—油气筒；10.1—隔板；12—温度开关；
13—放油阀；14—温控；15—油过滤器；17—机头；22—电动机；23—电加热器（可选）；
24—真空指示器；25—离心式风扇；26—联轴器；27—空气供给口；A1—空压机空气入口；
A2—压缩空气出；A4—冷却空气

该控制过程将极大地抑制润滑油产生气泡。在（7±1）s后，能够低负荷再次启动。

空气处理单元由前置过滤系统和干燥过滤系统组成。含有污染物的空气进入到前置过滤器，之后通过前置过滤器的离心作用将污染物分离出来。大体积的液体物质被收集到过滤器的液体收集部分，之后通过卸放阀进行卸放。由于空压机的连续运行的要求，此卸放阀每60s卸放一次。空气在进入干燥器之前会先经过一个高效的集成过滤单元。这个大容量的部件可以收集油以及凝聚的小水滴。收集起来的液体通过第二个卸放阀来卸放。为了保证安全这里设计安装了两个相同的卸放阀。它利用中间收集装置来进行卸放，从而将卸放带来的空气损失降到最小。此外集成过滤器还可以将气体中的固体污染物分离出来。固体颗粒物被吸附在集成过滤器的纤维上，这样就能提高部件的使用寿命。此部件的尺寸比较大，从而能够最高限度地降低污染物对设备的损坏。

由于前置过滤器的作用，进入到干燥系统的空气中的液态水的含量已经得到了很大程度的减少，但是气态水的含量仍然处在饱和状态。空气经过干燥系统之后气态水的含量将会降低到出口空气的露点值以下。空气通过干燥系统的进气口之后通过一个进气转向阀使空气进入到干燥机层中。进气转向阀通过一个被电磁阀控制的空气控制信号来驱动。此控制信号同时控制着另外一个干燥塔的卸放阀，通过这个卸放阀干燥塔将会得到泄压。一小部分经过干燥的空气将通过反吹孔进入到另一个已经卸完压的干燥塔中，之后穿过该干燥塔的干燥剂层通过卸放阀卸放入空气中。此干燥空气的反吹的作用是带走干燥剂层中吸收的水分。这个带走干燥剂中收集的水分的过程被称为再生。一个出口处的自动换向阀使得通过干燥室的空气能够进入到出气口处并且能够阻止处在再生状态的干燥室中的空气进入干燥塔。

两个干燥塔的干燥与再生是由一个时间继电器来控制的。在一个循环开始时，空气进入一个干燥塔，同时另一个干燥塔的卸放阀打开并且进行再生。在48s之后处于再生状态的干燥塔的卸放阀关闭12s。在这12s中，再生的干燥塔通过反吹孔被外部的气流充满压力。这个渐进的升压过程可以使得该塔之后的干燥过程可以避免气流的突然增大带来的再生耗气率过高或者干燥剂吸附能力的损坏。当此12s结束的时候，气流通过换向阀进入到刚刚完成再生的干燥塔，同时原来的干燥塔变为再生状态，并且泄放阀打开。这个60s的循环过程会在两个塔之间交替进行。

（2）制动控制系统

包括微机控制的模拟电空制动控制模块和微机控制的空气防滑控制装置等。

每车配有1套辅助控制模块，该模块集成了停放控制功能及空簧供风用的溢流阀、减压阀、塞门以及风缸等部件。

EP09制动控制单元采用气电分离的设计，由独立的电子控制单元（EBCU）和气动控制单元（PBCU）组成。PBCU接收EBCU的指令实施制动、缓解的操作。EP09制动控制模块的气动原理图如图13.12所示。

从结构上，制动控制模块分为如下功能模块：

①空重车调整模块：包括C2、A6、A5、P8和C1。

C2为减压阀，按重车的紧急制动缸压力设定；A6，A5为电子称重阀，输出为实际车重的紧急制动缸压力；P8为压力传感器和压力测点，用于调整后的压力；C1为主调节阀，最小（即无电子称重压力输入）输出为空车紧急制动缸压力。正常输出根据电子称重压力输入调整。

②远程缓解模块：包括A1、B1、B8。

紧急缓解时电磁阀A1得电，阀B1和B8动作，在切断输入压力的同时，排出制动缸的压力空气。

③紧急冲动限制模块：包括A7和B2。

常用制动时，电磁阀A7得电，B2阀打开，使压缩空气不受限制地进入制动控制回路；紧急制动时，电磁阀A7失电，B2阀关闭，使压缩空气经限流后进入制动控制回路，从而具有冲动限制功能；当取消紧急冲动限制功能时，可在电磁阀处安装一块带排风孔的遮断板。

④制动控制模块：该模块有相同的两组，分别为A8、A2、B6、B3和A3、A9、B4、B7。这两组阀的功能全部相同，都是根据不同的制动级别，产生相应的制动缸压力。正常情况下，只有一组阀作用，另一组备用。下面以一组阐述。

充风时，电磁阀A8、A2失电。阀B6关闭，阀B3打开，向制动缸充风。

排风时，电磁阀A8、A2得电。阀B6打开，阀B3关闭，制动缸的风经B6排出。

图13.12　EP09制动控制模块的气动原理图

保压时，电磁阀A2得电，电磁阀A8失电。阀B6关闭，阀B3关闭，制动缸处于保压状态。

⑤连通模块：包括A4和B5。

正常状态下，电磁阀A4失电，阀B5处于连通状态，制动时，制动控制模块产生的制动缸压力同时进入同一转向架的两根轴，即正常状态下，制动方式采用架控方式。当滑行产生时，电磁阀A4得电，阀B5关闭，两组制动控制模块分别对每根轴进行控制，即滑行状态下采用轴控方式。

⑥传感器和压力测点模块：包括P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7和P8。

压力传感器用于对制动风缸压力、空气弹簧压力、制动缸输出压力、停放制动缸压力进行采集；压力测点可以在必要时进行检测。

EP09的电子制动控制单元（EBCU）从设计、生产和检修、维护的标准化要求出发，采用了标准的模块化的结构，按系统的功能要求划分为若干个功能模块，每个功能模块为一个电子插件板，电子插件板采用3U×160mm的标准尺寸，模块的基本宽度为4HP，单个功能可插入到3U标准插箱中，插箱采用42HP的半宽标准机箱。机箱中的模块插件包括EPC制动控制插件板、MVB通信插件板、CAN通信插件板、VLD载荷控制插件板、EXB继电器输出扩展插件板、DIO数字量输入/输出插件板、CDP显示插件板、CDR记录插件版、AIO模拟量输出输出插件板、PW1和PW2电源插件板等组成，根据EP09G/EP09S/EP09R的功能不同进行配置。机箱中的插件板的布置和功能如图13.13所示。

图13.13　EBCU电气控制模块和功能

（3）基础制动

基础制动装置采用盘形制动方式，包括制动夹钳、制动盘及闸片。

（4）空气防滑装置

每个车4路速度传感器及相应的测速齿轮。

（5）空气悬挂辅助装置

每转向架配一个高度阀；并配置有差压阀。

【任务实施】

描述采用架控控制方式的铁科院制动系统组成；掌握采用架控控制方式的铁科院制动系统的气路原理图。

【效果评价】

评价表

续表

子任务2 系统网络结构及制动控制原理的认知

【活动场景】

用多媒体展示采用车控控制方式铁科院制动系统的系统网络结构，在检修现场教学，讲解采用车控控制方式铁科院制动系统的制动控制原理。

【任务要求】

1.能够掌握采用架控控制方式铁科院制动系统的系统网络结构。

2.能够掌握采用架控控制方式铁科院制动系统的常用制动、快速制动、紧急制动控制过程及作用原理。

3.能够掌握采用架控控制方式铁科院制动系统防滑控制原理。

【知识准备】

1.系统的网络结构

一般每辆车有两套制动控制单元，从功能上可以分为制动网关单元（EP09G）、制动控制单元（E09S）和制动扩展单元（EP09R）。制动网关单元负责和车辆制动系统的通信；并进行制动计算，分配制动力给其他单元。制动控制单元执行相关转向架的制动控制；制动扩展单元（EP09R）不进行制动控制计算，没有安装网络接口，但具有模拟和数字量接口功能。EP09G负责和TMS通讯，还接收列车硬线信号执行相应的操作模式和制动级别。对于采用MVB总线结构，架控制动系统的网络接口方式如图13.14所示，每个2动1拖单元中配置两个EP09G单元，负责与MVB总线的网络接口，EP09G单元通过MVB总线接收制动指令和电制动信号，并计算出本单元中各个转向架上应施加的空气制动，然后通过制动系统CAN总线传送给本单元的各架控EP09S/EP09R。正常情况下，一个单元内的EP09G只有一个工作在主控模式，另一个作为备用，工作在从模式。

图13.14　架控制动系统的网络接口方式

每辆车的制动系统电气接口如图13.15所示，EP09G不仅接收来自MVB的制动指令，同时还接收制动、回送模式、应急牵引等列车硬线指令，而紧急制动、强迫缓解指令不采用网络总线传送，而是由列车硬线直接控制其他的EP09S和EP09R。

图13.15　制动系统电气接口

每个制动控制单元都具有制动控制模块、继电器扩展模块、CAN通信模块、VLD模块等，每个制动控制模块都具有两路（扩展到4路）速度传感器接口功能，可以接入两路（或4路）电压输出或电流输出的速度传感器信号。

2.制动系统的控制过程和作用原理

列车制动采用电制动与空气制动实时协调配合、电制动优先使用、空气制动延时投入的混合制动方式。当电制动力不足或丧失时，可由空气制动来补足，或替代所需的总制动力。

空电混合制动时，EP09G将一个单元所需的制动力根据动车各转向架的载重按比例分配给每个动力转向架，当单元内的电制动力可满足一个单元所需的制动力时，所有转向架都没有空气制动，当单元内的总的电制动力不能满足一个单元所需的制动力时，则首先在拖车上补充空气制动，补充的空气制动力的大小为一个单元所需的制动力与单元内总的电制动力的差值；当某动力转向架的电制动力还不够本转向架自身所需的制动力时，则在该动力转向架上也补充空气制动，补充的空气制动力大小为本转向架自身所需制动力与电制动力的差值。

当电制动力减速接近停车前，为保证平稳停车，将以空气制动力来替代快速衰退的电制动力。

本项目实施该类混合制动时的速度切换值设定为≤6km/h（可调整）。

快速制动时，以空—电混合制动方式达到与空气紧急制动等效的减速率。

（1）常用制动控制

常用制动的压力控制是以每转向架为单位施加的，并根据该转向架的空气悬挂压力（ASP）进行随载荷变化的压力补偿，使BCP压力达到所要求的目标值。

本系统采用失电制动、得电缓解的模式，满足故障导向安全的原则。它除了接收由司控器发出的手动控制指令外，还可接收ATO指令实施列车自动制动控制；或监控列车的目标速度，为超速时自动实施ATP的最大常用制动防护。设计的常用制动平均减速率（100km/h～0）为1.0m/s2，冲击极限率为0.75m/s3。

（2）紧急制动控制

紧急制动的压力控制是以每转向架为单位施加的，并根据该转向架的空气悬挂压力（ASP）进行随载荷变化的压力补偿。该控制功能一直处于激活状态。其紧急制动的最大压力被次级调整减压阀的设定所限制，而最小的空车压力又被主调节阀的弹簧设定所保证，这就使万一电子称重失效时，既可防止紧急制动压力的完全失去，又可避免制动缸压力过量施加的弊端。紧急制动由纯摩擦制动提供，达到最高制动缸压力90%的时间小于1.6s；而且在100km/h下的平均减速率为1.2m/s2，且不受冲击极限率的限制。

（3）快速制动控制

由司机快速制动位的控制，在此位置将实施与紧急制动减速率等效的空—电混合制动控制。在电制动充分发挥的基础上，不足制动力由摩擦制动来补偿，只有当主控制器手柄移回“0”位时，快速制动才予缓解，有利于减少摩擦制动的使用。

在快速制动作用过程中，列车具有防滑保护功能，且减速率受冲击极限率的限制。

快速制动的平均减速率（100km/h～0）≥1.3m/s2，冲击极限率0.75m/s3。

（4）车轮防滑保护

当列车制动时检测到了滑行使WSP被激活时，由架控的制动控制自动转为各轴制动力的单独控制，并同时检测和修正车轮的滑行。每根轴上装有一个速度传感器，一个CAN网段内各轴的速度信息可被本制动单元的各阀所共享。检测低黏着状态的判据为：

①单一车轴上的减速率超限。

②每轴转速与车轴最高转速之间的速度差超限。

一旦检测到上述两种之一的滑行，控制系统就进行规定间隔时间内的地面速度测试，使计算的实际列车速度得到更新，用以判断并修正车轮滑行的程度，使轨道黏着条件得到恢复，实施了低黏着情况下制动力利用最大化，而又不会对车轮造成擦伤。当根据滑行防护判定的黏着条件恢复到正常时，系统就恢复到初始状态，并停止在规定时间间隔内的地面速度的测试。为保证防滑控制时的制动装备不会处于长时间的保压或排风，通过看门狗定时硬件，可对连续保压超过8s，及连续排风超过4s的设定进行监控。

【任务实施】

描述采用车控控制方式的铁科院制动系统的网络结构；描述采用车控控制方式的铁科院制动系统常用制动时压力控制原理；描述采用车控控制方式的铁科院制动系统紧急制动动作原理；描述采用车控控制方式的铁科院制动系统防滑控制原理。

【效果评价】

评价表

项目小结

制动系统作为城市轨道交通车辆的关键系统，国产化是其发展的必然趋势。制动系统国产化具有节约项目成本、系统出现故障时能够得到厂家的快速处理等优点；但是同样具有系统不够稳定、制造工艺有待提高等问题，所以说城市轨道交通车辆制动系统的国产化还有很长的道路要走。

国产车控式铁科院制动系统是采用微机控制的模拟式电—空制动系统，控制系统采用车控方式，每辆车都配有一套电空制动控制装置（BCU），BCU内设有监控终端，具有自诊断和故障记录功能。空气制动系统能在司机控制器、ATO或ATP的控制下对列车进行阶段或一次性的制动与缓解。具有反应迅速、操纵灵活、能与电制动混合使用、防滑控制、紧急制动等功能，是一个充分考虑安全的城轨交通车辆制动系统。这种制动电气控制系统在司机控制器可以同时产生模拟和数字两种制动控制指令，模拟控制指令由列车控制系统的模拟量输入模块采集，然后通过MVB总线传送到每一个车的制动控制装置（BCU）。数字7级编码指令通过制动编码列车线直接送到BCU，当网络控制系统正常时，优先使用由网络传送的模拟制动指令，当网络系统故障无法传送制动指令时，BCU使用由列车线传送的7级数字编码指令。制动编码列车线除了传送司控器的冗余7级编码外，还用于回送时的制动控制。

国产城轨车辆的架控式制动系统采用架控方式的微机控制模拟式直通电空制动系统，每辆车都配有两套电空制动控制模块。每辆车有两套制动控制单元，从功能上可以分为制动网关单元、制动控制单元和制动扩展单元。制动网关单元负责和车辆制动系统的通信；并进行制动计算，分配制动力给其他单元。制动控制单元执行相关转向架的制动控制；制动扩展单元（EP09R）不进行制动控制计算，没有安装网络接口，但具有模拟和数字量接口功能，还接收列车硬线信号执行相应的操作模式和制动级别。对于采用MVB总线结构，架控制动系统的网络接口方式是每个2动1拖单元中配置两个EP09G单元，负责与MVB总线的网络接口，EP09G单元通过MVB总线接收制动指令和电制动信号，并计算出本单元中各个转向架上应施加的空气制动，然后通过制动系统CAN总线传送给本单元的各架控EP09S/EP09R。正常情况下，一个单元内的EP09G只有一个工作在主控模式，另一个作为备用，工作在从模式。

思考与练习

1.采用车控控制方式的铁科院制动系统与采用架控控制方式的铁科院制动系统在结构组成上有何不同？

2.采用车控控制方式的铁科院制动系统与采用架控控制方式的铁科院制动系统在网络结构上有何不同？

3.采用车控控制方式的铁科院制动系统与采用架控控制方式的铁科院制动系统防滑控制原理是否相同？如何实现防滑控制？

4.简单描述铁科院制动系统的优缺点。