1、城市轨道交通车辆构造连苏宁 主编第五章制动系统【问题导入】 城市轨道交通车辆运行过程中，制动系统是一个重要的组成部分，它是车辆安全运行的保证，在紧急情况下能迅速停车，对减少事故和人员伤亡有着重要的意义。那么制动系统有哪些种类？制动系统的结构和工作原理又是怎样？现在最先进的制动系统是什么样子？通过这一章的学习，我们就能解决这些问题。第五章制 动 系 统【学习目标】1.能掌握制动系统在城市轨道交通车辆运行中的重要意义。2.能熟悉空气制动系统的组成和分类。3.能掌握风源系统的种类和主要部件的工作原理。4.能熟悉基础制动装置的组成和工作原理。5.能掌握KBWB模拟式电气指令制动系统的组成和工作原理。6
2、.能掌握EP2002制动控制系统的组成和工作原理。【教学建议】1.教学场地：在教室、互联网多媒体教室及城市轨道交通车辆制动系统实训室中进行，课后可实地参观。2.设备要求：至少具有能连接互联网的多媒体教室一个，车辆制动系统的仿真模型一套，或能放视频投影的设备及课件、视频介绍一套。3.课时要求：课堂讲授8课时；模拟操作2课时。第一节制动系统在城市轨道交通车辆运行中的重要意义一、概述1)操纵灵活，制动减速快，作用灵敏可靠，车组前后车辆制动、缓解作用一致2) 具有足够的制动力，保证车组在规定的制动距离内停车。3)对新型的城市轨道交通车辆，一般要求具有动力制动能力，并且在正常制动过程中，应尽量充分发挥动
3、力制动能力，以减少对城市环境的污染和降低运行成本。4)制动系统应保证车组在较长、较陡下坡道上运行时，其制动力不会衰减。5)电动车组各工况下的制动能力应尽可能一致。6)具有紧急制动性能。7)电动车组在运行中发生诸如列车分离、制动系统故障等危急行车安全的事故时，应能自动起动紧急制动作用。二、制动方式1.摩擦制动第一节制动系统在城市轨道交通车辆运行中的重要意义图5-1闸瓦制动示意图1制动缸2基础制动装置3闸瓦4车轮5钢轨(1)闸瓦制动闸瓦制动又称踏面制动，是最常用的一种制动方式。(2)盘形制动盘形制动可分为轴盘式和轮盘式，如图5-2所示。图5-2盘形制动a)轴盘式b)轮盘式第一节制动系统在城市轨道交
4、通车辆运行中的重要意义图5-3盘形制动结构1轮对2单元制动缸3吊杆4制动夹钳5闸瓦托6、7杠杆8支点拉板第一节制动系统在城市轨道交通车辆运行中的重要意义(3)轨道电磁制动(又称为磁轨制动)如图5-4所示，在转向架构架侧梁下通过升降风缸安装有电磁铁，电磁铁下设有磨耗板。图5-4轨道电磁制动1电磁铁2升降风缸3钢轨4转向架构架侧梁5磨耗板第一节制动系统在城市轨道交通车辆运行中的重要意义2.动力制动(1)电阻制动将发电机发出的电能加于电阻器中，使电阻器发热，即电能转变为热能。(2)再生制动在以上的各种制动方式中，电动车组具有的动能最终都转化为热能而消散于大气中。第一节制动系统在城市轨道交通车辆运行中
5、的重要意义图5-5电-空制动与列车速度、需求制动力关系图第一节制动系统在城市轨道交通车辆运行中的重要意义第二节空气制动系统一、空气制动系统的组成二、空气制动系统的控制方式1.直通式空气制动机图5-6直通式空气制动机的结构缓解位保压位制动位1空气压缩机2总风缸3总风缸管4制动阀5制动管6制动缸7基础制动装置8制动缸缓解弹簧9制动缸活塞10闸瓦11制动阀Ex口12车轮第二节空气制动系统(1)制动位驾驶员要实施制动时，首先把操纵手柄放在制动位，总风缸的压缩空气经制动阀进入制动管。(2)缓解位要缓解时，驾驶员将操纵手柄置于缓解位，各车辆制动缸内的压缩空气经制动管从制动阀Ex口排入大气。(3)保压位制动
6、阀操纵手柄放在保压位时，可保持制动缸内压力不变。1)制动管增压制动、减压缓解，列车分离时不能自动停车。2)能实现阶段缓解和阶段制动。第二节空气制动系统3)制动力大小靠驾驶员操纵手柄在制动位放置时间的长短决定，因此控制不太精确。4)制动时全列车制动缸的压缩空气都由总风缸供给；缓解时，各制动缸的压缩空气都需经制动阀排气口排入大气。2.自动式空气制动机第二节空气制动系统图5-7三通阀的工作原理a)充气缓解位b)制动位c)保压位1三通阀活塞及活塞杆2节制阀3滑阀4副风缸5制动缸6三通阀7充气沟B间隙r滑阀座制动缸孔Z制动缸管第二节空气制动系统(1)充气缓解位制动管压力增加时，在三通阀活塞两侧形成压差，
7、三通阀活塞及活塞杆带动节制阀及滑阀一起移至右侧端位，这时充气沟露出。 制动管充气沟滑阀室副风缸； 制动缸滑阀座r孔滑阀底面n槽三通阀Ex口大气。(2)制动位制动时，驾驶员将制动阀操纵手柄放至制动位，制动管内的压力空气经制动阀排气减压。(3)保压位在制动管减压到一定值后，驾驶员将制动阀操纵手柄移至保压位，制动管停止减压。第二节空气制动系统3.直通自动式空气制动机图5-8直通自动式空气制动机的结构1空气压缩机2总风缸3总风缸管4制动阀5制动管6制动缸7基础制动装置8制动缸缓解弹簧9制动缸活塞10闸瓦11制动阀Ex口12车轮13定压风缸14副风缸15给气阀16三通阀排气口17排气阀口18进气阀口19
8、进排气阀20制动缸压力活塞21主活塞22单向阀第二节空气制动系统(1)充气缓解位驾驶员将制动阀置于缓解位I，总风缸的压缩空气经给气阀和制动阀充向制动管，再经制动管通向各车辆的三通阀主活塞上侧。 制动管压缩空气主活塞上侧充气沟主活塞下侧定压风缸； 制动缸的压缩空气制动缸压力活塞上侧排气阀口活塞杆中心孔制动缸压力活塞下侧三通阀排气口。(2)制动位制动阀操纵手柄置于制动位，制动管以一定的速度减压，定压风缸的压缩空气来不及通过充气沟逆流，主活塞上、下两侧形成压差，主活塞上移。第二节空气制动系统(3)制动中立位制动阀操纵手柄置于保压位，制动管停止减压。(4)缓解中立位列车制动后充气缓解，当制动管压力尚未
9、充至定压时，驾驶员将制动阀操纵手柄置于中立位，制动管停止增压。1)能阶段制动和阶段缓解。2)具有制动力不衰减性性能。第二节空气制动系统第三节风 源 系 统图5-9空气制动系统的布置图一、制动管路系统的组成图5-10带有空气压缩机组的拖车管路系统A供风系统B制动系统C基础制动G防滑系统L空气簧系统W车钩X车间供气第三节风 源 系 统图5-11空气簧管路第三节风 源 系 统二、空气压缩机1.活塞式空气压缩机(1)VV230/1802型活塞式空气压缩机该空气压缩机排气量为1500L/min，输出压力为1100kPa，转速为1520r/min，用1500V直流电动机M通过弹性联轴节直接驱动。(2)VV
10、120/1501型活塞式空气压缩机此压缩机为三个缸，其中两个缸为低压缸，一个为高压缸，两级压缩带有两个空气冷却器，如图5-12所示。第三节风 源 系 统图5-12VV120/1501型活塞式空气压缩机的结构1进风口过滤器2电动机3过渡法兰4波纹管联轴节5油位指示器管6曲轴7曲轴箱8风扇叶轮+柔性连接9冷却器10出风阀11吸入阀12安全阀13气缸14集油器A1进风口A2出风口A3冷却空气第三节风 源 系 统2.螺杆式空气压缩机(1)螺杆式空气压缩机的特点1)噪声低、振动小。2)可靠性高和寿命长。3)维护简单。(2)螺杆式空气压缩机的结构螺杆式空气压缩机的主机是双回转轴容积式压缩机，转子为一对互相
11、啮合的螺杆，螺杆具有非对称啮合型面。第三节风 源 系 统图5-13螺杆式空气压缩机的螺杆副第三节风 源 系 统图5-14螺杆式空气压缩机的结构1螺杆式空气压缩机2联轴器3冷却风机4电动机5空、油冷却器(机油冷却单元)6冷却器(压缩空气后冷却单元)7压力开关8进气阀9真空指示器10空气滤清器11油细分离器12最小压力维持阀13安全阀14温度开关15视油镜16泄油阀17温度控制阀18油气筒19机油过滤器20逆止阀第三节风 源 系 统(3)螺杆式空气压缩机的工作原理该压缩机的工作过程分为吸气、压缩和排气三个阶段，其结构如图5-14所示。1)吸气过程。2)压缩过程。3)排气过程。第四节电制动系统第五章
12、制 动 系 统图5-15再生制动的结构示意图一、再生制动第五章制 动 系 统图5-16电阻制动结构示意图二、电阻制动第五节基础制动装置一、单元制动器概述1.单元制动器的特点1)有弹簧停车制动及手动辅助缓解装置(PC7YF型)；2)有闸瓦间隙调整器；3)制动传动效率高，均在95左右；4)占用空间小，安装简单；5)性能稳定，作用可靠，维修方便。2.单元制动器的主要技术参数表5-1PC7Y型、PC7YF型单元制动器的主要技术参数图5-17PC7Y型单元制动器(不带停车制动器)1制动缸缸体2传动杠杆3安装在制动缸缸体上的枢轴4手制动杠杆5缓解弹簧6活塞7扭簧8闸瓦9闸瓦间隙自动调整器第五节基础制动装置
13、二、PC7Y型单元制动器图5-18闸瓦间隙自动调整器第五节基础制动装置图5-19PC7YF型单元制动器(带弹簧制动器)1弹簧制动器2制动缸活塞3缓解弹簧4锁紧簧片5闸瓦6开口销7调整螺母8皮腔9弹簧制动器的弹簧10弹簧制动器的活塞11紧急缓解拉环12杠杆13闸瓦间隙自动调整器的推杆14滤清器F压力空气向弹簧制动器充气时的接口C压力空气向制动缸充气时的拉接口三、 PC7YF型单元制动器第五节基础制动装置四、闸瓦1.闸瓦的分类2.铸铁闸瓦3.合成闸瓦(1)合成闸瓦的优点1)摩擦性能可按需要进行调整。2)耐磨性能好，使用寿命长。3)对车轮踏面的磨耗小，可延长车轮使用寿命。4)质量轻。第五节基础制动装
14、置5)可避免磨耗铁粉的污损及因制动喷射火星而引起的火灾事故。6)摩擦因数比较平稳并能保证有足够的制动力。(2)合成闸瓦的结构合成闸瓦由于其材料本身强度小，所以必须在其背部衬压一块钢板(钢背)来增加它的抗压强度。第五节基础制动装置图5-20合成闸瓦a)低摩合成闸瓦b)高摩合成闸瓦1钢背2摩擦体3散热槽4冲孔(3)合成闸瓦的缺点1)热龟裂。2)车轮的沟状磨耗。3)车轮的凹形磨耗。第五节基础制动装置第六节制动控制系统一、数字指令式制动控制系统二、模拟指令式制动控制系统图5-21制动系统逻辑框图图5-22KBWB模拟式电气指令制动系统集成化布置图一、概述第七节KBWB模拟式电气指令制动系统二、空气制动
15、系统构成1.微机制动控制单元2.空气制动控制单元第七节KBWB模拟式电气指令制动系统图5-23空气制动控制单元(BCU)1制动风缸接口制动机消声器3空气簧接口4制动机压力接口5主风缸压力接口6停车制动测试点7停车风缸接口8停车制动缓解开关9停车制动消声器10停车制动截断塞门11主风缸测试点12主风缸截断塞门13制动机压力测试点14制动机压力开关15空气簧压力转换器16空气簧压力测试点17主控阀18称重阀第七节KBWB模拟式电气指令制动系统(1)EP控制板EP控制板是空气制动控制单元(BCU)的基座。(2)称重阀称重阀是一种混合压力限制装置，它接受来自空气簧系统的控制压力信号(车辆的载重信号)，
16、限制BCU向单元制动机输出的空气压力。第七节KBWB模拟式电气指令制动系统图5-24称重阀第七节KBWB模拟式电气指令制动系统(3)主控阀主控阀(见图5-25)与电-气转换器、制动储风缸、空气簧、单元制动机和称重阀等制动设备气路连接。第七节KBWB模拟式电气指令制动系统图5-25主控阀第七节KBWB模拟式电气指令制动系统1)电-气转换部分。2)输出放大部分。(4)BCU的工作原理常用制动时，BCE发出充气指令，两个充气电磁阀得电，开始对控制腔室X充气。第七节KBWB模拟式电气指令制动系统图5-26常用制动时主控阀和称重阀的状态第七节KBWB模拟式电气指令制动系统图5-27紧急制动时主控阀和称重
17、阀的状态第七节KBWB模拟式电气指令制动系统3.防滑控制单元1)任意一根车轴的减速度是否超过了先前设定的参数。2)所有车轴速度与预设值比较。第七节KBWB模拟式电气指令制动系统图5-28双防滑阀的结构第七节KBWB模拟式电气指令制动系统(1)通气工况排气电磁阀A失电(阀板向左)，使压力空气穿过底部的进气口，再经过排气电磁阀作用到膜板排气阀1的顶部，加上弹簧的向下顶力，膜板排气阀1下压关闭排气口1和输出口1。(2)保压工况排气电磁阀A失电(阀板向左)，压力空气从进气口穿过，作用在膜板排气阀1顶部。(3)排气工况通气电磁阀C得电(阀板向右)，压力空气进入通气电磁阀，作用到膜板通气阀1顶部，关闭膜板
18、通气阀1，并关闭了进气口和排气口的通路。三、列车制动力分配第七节KBWB模拟式电气指令制动系统四、制动控制过程1.输入信号(1)制动指令线根据驾驶手柄的位置由Encode编码器所下达的指令，是两个脉宽调制信号(2PWM)。(2)制动信号此信号在高电平时保持制动命令，防止车辆停车前的冲动，使车辆平稳停车。(3)负载信号的传递线拖车载重信号将通过FIP线传输到动车的BCE装置。(4)紧急制动控制信号跳过电子制动控制信号系统，直接驱动BCE中的紧急阀动作的安全保护信号。(5)保持制动信号防止车辆在停止时溜车。第七节KBWB模拟式电气指令制动系统2.控制原理1)驾驶员控制器或ATO发出制动信号，制动列
19、车线被激活，发出制动指令。2)控制制动力大小的电流信号被编码器编译成两个PWM信号，PWM信号由PWM列车线输出。3)PWM信号触发牵引系统单元的逆变元件，使所有电动机减速。4)当驾驶手柄上发出最大制动力指令时，制动列车线被激活，它将提供最大制动力(快速制动)，达到紧急制动的性能(1.3m/s2的减速度)。5)当列车运行速度在18km/h以下时，电制动取消，BCU发出空气制动指令，制动控制功能由BCU独立完成。第七节KBWB模拟式电气指令制动系统3.控制过程(1)常用制动和快速制动的实施制动控制电子装置(BCE)和牵引控制电子装置(PCE)同时接收来自牵引和制动列车线的信号，并根据这些信号判定
20、列车的运行工况。(2)紧急制动电气控制线路中有一个EBR触点与列车自动保护(ATP)及模式开关等联锁。(3)停放制动停放制动不受BCE控制，驾驶员按下停放制动按钮，停放制动列车线与停放制动电磁阀失电，立即施加停放制动。第七节KBWB模拟式电气指令制动系统第七节KBWB模拟式电气指令制动系统五、KBWB模拟式电气指令制动系统的特点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)采用充气、排气各两个电磁阀进行精确闭环控制实现EP信号转换。4)常用制动采用空重车调整信号加微机计算给定信号。5)紧急制动根据空重车调整信号限制冲
21、动，采用单独回路控制、失电控制和纯空气制动。6)防滑控制采用动力制动和空气制动分别控制。第七节KBWB模拟式电气指令制动系统7)整个制动系统采用模块化，结构紧凑，质量轻。8)制动控制系统具有故障诊断、故障存储及故障显示功能，同时通过网络进行数据交换和监控。城市轨道交通车辆构造连苏宁 主编第五章制动系统第八节EP2002制动控制系统一、EP2002制动控制系统的主要组成部件1. EP2002阀图5-30广州地铁3号线车辆气路图第八节EP2002制动控制系统图5-31EP2002阀的外形第八节EP2002制动控制系统(1)智能阀智能阀是机电一体化的产品，包括一个直接安装在气阀上的电子控制部件。(2
22、)RIO阀RIO阀除了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。(3)网关阀网关阀除了具有RIO阀的所有功能外，还具有制动管理功能。表5-2EP2002阀的主要技术指标第八节EP2002制动控制系统第八节EP2002制动控制系统图5-32EP2002制动系统动车气路图2.制动控制模块第八节EP2002制动控制系统3.其他辅助部件(1)空气制动力切除装置为了便于维护和隔离，在制动风缸向EP2002阀供风的气路中设有两个塞门(B10，见图5-32)。(2)双针压力表在每个A车驾驶室内设有一个双针压力表(B29)，用于显示主风缸压力和
23、本车第一根轴上的制动缸压力，带有内照明并提供常规测试校正用的接口。二、EP2002制动控制系统的作用原理1. EP2002阀的内部气路结构第八节EP2002制动控制系统图5-33EP2002阀内部气路的结构第八节EP2002制动控制系统(1)主调节器(“A”区域)主调节器由1个中继阀负责调整压力到相应载荷的紧急制动压力值。(2)副调节器(“B”区域)副调节器在主调节器的上游，副调节器负责限制供给到制动缸的最大压力不超过超员载荷下紧急制动压力的水平。(3)载荷压力(“C”区域)载荷压力负责提供控制压力到主调节器中继阀。(4)制动缸压力调整器(“D”区域)制动缸压力调整器负责将主调节器的输出压力调
24、整成要求的制动缸压力大小。第八节EP2002制动控制系统(5)连接阀(“E”区域)连接阀可以使制动缸压力连接到一起或分开。(6)压力传感器(“F”和“G”区域)压力传感器用于内部调节或外部显示(制动风缸压力、载荷重量、制动缸压力、停放制动)。2. EP2002制动控制系统的网络结构(1)半列车CAN总线网络结构半列车CAN总线网络结构是将半列车所有的EP2002阀用CAN总线相连，并由B车和C车上的两个网关阀通过MVB总线(或其他总线)与列车控制系统进行通信，如图5-34所示。第八节EP2002制动控制系统图5-34半列车CAN总线网络结构(2)单节车CAN总线网络结构单节车CAN总线网络结构
25、是将每节车上的两个EP2002阀用CAN总线相连，并由每节车上的网关阀通过MVB总线(或其他总线)与列车控制系统进行通信，其网络结构图如图5-35所示。第八节EP2002制动控制系统图5-35单节车CAN总线网络结构3. EP2002制动控制系统的制动管理及工作逻辑第八节EP2002制动控制系统图5-36EP2002制动系统工作示意图第八节EP2002制动控制系统4.制动控制(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模式，以便电制动和空气制动之间的及时转换。(2)快速制动当驾驶员操作主控制器手柄使其处于快速制动位时，快速制动被触发。(3)紧急制动紧急制动是列车在紧急情况下而
26、采取的制动方式。第八节EP2002制动控制系统(4)停放制动为了满足列车较长时间停放的要求，停放制动采用弹簧施加，压缩空气缓解方式；另外，停放制动时还具有手动缓解功能。(5)保压制动激活保压制动的条件：当城轨列车施加制动后，当检测到列车速度约为0.5km/h时(该速度值可以加以调整)由EP2002阀激活保压制动，以防止列车溜动。1)驾驶员将主控制器手柄打在牵引位，每个牵引系统将牵引力的实际值发送给列车主VCU。2)主VCU计算列车牵引力实际值的总和。3)牵引力实际值的总和足以起动列车(会引起列车后溜)。第八节EP2002制动控制系统4)主VCU向EP2002阀发出“缓解保压制动”信号。(6)车
27、轮防滑保护功能车轮防滑保护系统采用轴控防滑方式，包括防滑阀、测速齿轮、速度传感器、防滑电子控制单元，防滑电子控制单元和防滑阀都集成在EP2002阀内。1)单根轴过大的减速度。2)每根轴和旋转速度最高的轴的速度偏差。三、EP2002制动控制系统的优点和缺点1. EP2002制动控制系统的优点1)减小了故障情况下列车的影响。第八节EP2002制动控制系统2)缩短了制动响应时间。3)提高了制动精确度。4)空气消耗量减少。5)节省安装空间、减小质量、减少布管和布线数量。6)更高的可靠性和可用性，降低了故障率。7)维护工作量小。8)缩短了安装和调试时间。9)降低总体成本。第八节EP2002制动控制系统1
28、0)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。2. EP2002制动控制系统的缺点(1)关键部件维护难度增大由于EP2002阀的技术含量和集成化程度极高，在EP2002阀出现故障时，基本上都需要将整个阀送回制造厂家进行维修，且维修周期长；而如果常规制动控制系统出现故障，只需有经验的工作人员直接查找并更换故障部件(如压力传感器、防滑阀、印制电路板等)，就可缩短维护周期，减少对车辆产生的影响。第八节EP2002制动控制系统(2)互换性差在EP2002制动控制系统中，如果一个EP2002阀出现故障，只能够用相同类型的阀进
29、行更换；而常规制动控制系统中的制动电子控制单元BECU甚至BECU中单独的印制电路板出现故障，所有车上的设备都可以互换。(3)无直观的故障显示码常规制动控制系统中的制动电子控制单元BECU安装在车上电器柜内，可以提供4位数字的故障代码显示，有利于工作人员查找故障；而EP2002制动控制系统没有直观的数字故障码显示功能，工作人员只能通过专用软件才能查找故障。第九节供气系统的工作模式一、操作模式1.辅助模式2.正常模式第九节供气系统的工作模式图5-37不同压力时空气压缩机的操作模式第九节供气系统的工作模式(1)安全阀值安全释放阀的压力(1.03MPa)。(2)排气阀值压缩机停止所有模式工作的压力(
30、0.95MPa)。(3)恢复阀值在正常模式下压缩机开始工作压力(0.84MPa)。(4)辅助阀值当主风管中的压力到达这个压力极限,第二个压缩机开始帮助操作压缩机充气(0.75MPa)。(5)紧急阀值当主风管中的压力到达这个压力极限,紧急制动使列车停止(0.7MPa)。二、压缩机的选择第九节供气系统的工作模式表5-3空气压缩机的选择模式三、压缩机的操作四、空气干燥器运行表5-4干燥塔参数(单位：s)第九节供气系统的工作模式【实践操作】1.实践练习1)根据本章的知识，掌握基础制动装置的拆卸和安装方法。2)根据本章的知识，进行空气压缩机的保养和维护。2.书面练习1)制动方式的分类有哪些？2)风源系统的组成是什么？3)活塞式空气压缩机的作用原理是什么？4)KBWB制动系统中称重阀、主控阀的功用是什么？5)KBWB模拟式电气指令制动系统的特点有哪些？6)EP2002制动控制系统的主要组成有什么？第九节供气系统的工作模式1.教师的评价表格2.学员的评价第九节供气系统的工作模式表格3.知识跟进1)从互联网上了解世界上各国城市轨道交通车辆制动技术发展的现状如何？第九节供气系统的工作模式2)从互联网上了解我国城市轨道交通车辆早期国产的制动系统有哪些创新？
