城轨车辆制动控制系统
城轨车辆制动基础知识—城轨车辆制动系统介绍
整流器 再生制动原理图
一、电制动
2.电阻制动
将发电机发出的电能加于 电阻器上，使电阻器发热，即 电能转变为热能。
制动电阻箱
电阻制动原理图
二、空气制动
当电制动力不足时，由空气制 动来补充，每节车设计有独自的空 气制动控制及部件。
1.2.3 电气指令式制动 控制系统
目前，制动控制系统主要有空气制动系统和电控 制系统两大类。
以电气信号来传递制动信号的制动控制系统，称 为电气指令式制动控制系统系统。
电气指令式制动控制系统系统分为两种类型：
1.数字指令式制动控制系统
2.模拟指令式制动控制系统
一、数字指令式制动控制系统
将司机控制器或ATO（列车自动驾驶） 系统传来的制动指令信号，通过代表不同 意义的信号线输出信号来划分成不同的制 动等级，控制后部车辆制动装置。
对于数字式而言，控制得越精确，信号线 越多，信号传输系统越复杂，越容易发生 故障。
模拟式的信号传输系统简单，而且从 理论上讲，可以做到无级传输，有利 于精确控制。
1.3.2 城轨车辆制动模式
城轨车辆制动模式
1.常用制动
是指在正常情况下为调节或控制列车速 度（包括进站停车）所实施的制动。
城轨车辆制动模式
二、模拟指令式制动控制系统
用模拟量作为制动指令，通常是将司机控制器或ATO系统 传来的制动指令信号，经编码器后，以脉宽调制（PWM）信 号形式或直流电压方式，经列车指令控制线传到后部车辆， 脉宽调制信号以占空比的大小代表不同的制动指令。
制动指令（制动力指令值）是无级传输的。
电气指令式制动控制的主要优点：全列车制动和缓解的 一致性较好，制动和缓解时的纵向冲动小，制动距离短。
城轨交通车辆制动系统的基础知识
三、城轨交通车辆制动系统的要求
城轨交通车辆制 动系统应具备以 下几点要求：
（5）制动装置能根据客流量的大小，自动进行空重车制动力大小的调整， 减少制动时的纵向冲击。
（6）具有紧急制动性能。遇到紧急情况时，能使电动车组在规定距离内安 全停车。紧急制动作用除由司机操作外，必要时还可由行车人员利用紧急停车 按钮（紧急阀）进行操纵。
（7）电动车组在运行中发生诸如列车分离、制动系统故障等危及行车安全 的事故时，应自动进行紧急制动。
四、城轨交通车辆制动方式的分类
城轨交通车辆的制动方式指城轨交通车辆制动时动能的转移方式或制动力的获 取方式。
个阶段：
02
近代城轨交通车辆的制动方式主要是机械式制动，主要
制动设备有杠杆传动机构、铸铁闸瓦等。
03 20世纪初借鉴铁路机车车辆空气制动方式，主要制动设备
有空气指令式自动空气制动机、铸铁闸瓦或合成闸瓦等。
04
20世纪30年代主要应用电气指令式制动控制系统，主要
制动设备有电气指令直通式制动机、合成闸瓦等。
05
现代计算机控制的制动系统，主要制动设备有计算机控
制电气指令、新型基础制动装置。
三、城轨交通车辆制动系统的要求
城轨交通车辆制 动系统应具备以 下几点要求：
（1）制动装置要能产生足够的制动力，保证城轨交通车辆在规定的制动距 离内停车：一般城轨交通车辆的制动距离是300 m。
（2）制动装置能方便司机灵活操纵、动作迅速、停车平稳准确，车组前后 车辆的制动、缓解作用一致。
城轨交通车辆制动作用的性能优良与否对保证城轨交通车辆 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、提高车辆运行速度与线路输送能力的重要条件之 一。
城市轨道交通车辆—制动系统
2）滑行状态。车轮在钢轨上滑行，此时车轮与钢轨之间的滑动摩擦力为列车制动力。这是一种必 须避免的事故状态，由于滑动摩擦系数远小于静摩擦系数，因此一旦发生滑行，制动力将大大减 少，制动距离会延长；同时车轮在钢轨上的长距离滑行，将导致车轮踏面的擦伤，危及行车安全。
制动类型
电制动
再生制动 (动能→ 牵引电机→电能→接触网)
1）再生制动。当车辆施加常用制动时，牵引电机变成发电机状态，将车辆的 动能转变成电能，电能经过整流后反馈至接触网，供列车所在的接触网供电 分区上其它车辆牵引和供本车其它系统（辅助系统等）使用，即再生制动。 再生制动取决于接触网的接收能力，也取决于网压的高低和载荷利用能力。
以电磁力为源动力的制动方式称为电制动；
空气（摩擦）制动
以压缩空气为源动力的制动方式称为空气制动，如踏面 制动、盘式制动等都为空气制动方式；
其他制动
还有机械制动、液压制动等方式。
制动源动力 不同
城市轨道交通车辆牵引电传动系统采用先进的调频调压交流感应电机驱 动系统，在高速时具有良好的电制动性能。
但是由于电制动的效率随着运行速度的降低而降低，所以在车速降低到 一定程度后必须采用空气制动系统。
列车制动时，将牵引电机变为发电机，动能转化为 电能。
动能转移方 式不同
制动类型
粘着制动 利用轮、轨之间的粘着力来实现制动。
制动力获取 方式不同
非粘着制动 制动力的提供不再依靠轮轨之间的粘着力，可获得超过轮轨粘着 力的制动力。
城轨车辆制动系统的模式控制
1.2 制动系统常用制动模式的测试
（3） 在TCMS制动界面上读取最大常用制动 压力：Tc车为（3.1±0.2）bar，T车为 （2.7±0.2）bar，M、M1车为（3.6±0.2） bar，如图6-49所示。
1.2 制动系统常用制动模式的测试
3. 紧急制动的功能测试
（1） 按下紧急制动按钮（图6-50），观察TCMS制动界面（图6-51），指令 级位显示为EB；制动缸压力：Tc车为（3.6±0.2）bar，T车为（3.0±0.2）bar， M、M1车为（3.8±0.2）bar。
1.2 制动系统常用制动模式的测试
（2） 观察TCMS显示屏上停放制动状态显示功能，测试停放缓解 状态时排总风。当风压不大于5.8 bar时，显示停放制动施加；当 风压大于等于5.8 bar时，显示停放制动缓解。TCMS显示屏上的三 角形显示为绿色时，表示停Байду номын сангаас制动施加（图6-46）；显示为灰色 时，表示停放制动缓解。
1.1 制动系统的制动模式及其控制
2. 保持制动 保持制动保证车辆在坡道上启动，防止车辆溜车。制 动保持压力值大于等于50%的最大常用制动力值。
3. 紧急制动 在紧急制动状态下，来自制动副风缸的压力会下降而 向制动缸供风，制动缸压力可根据空气弹簧的压力 （载荷质量）通过一系调节装置加以控制。制动缸压 力通过制动缸压力调节装置施加到车轴上。EP2002紧 急制动原理如图6-43所示。
1.1 制动系统的制动模式及其控制
实施常用制动时，制动缸压力通过一系调节装置的压力调节功能来实现。在 EP2002控制系统内部有两个制动缸压力调节器。在常用制动过程中，当没有防 滑控制时，一个制动缸压力调节器将产生常用制动的制动缸压力；如果防滑控 制产生作用，制动缸压力调节器可以通过一系调节装置将单轴的制动缸压力控 制在足够的水平上。 EP2002常用制动原理如图6-41所示，EP2002防滑控制原理如图6-42所示。
城轨车辆控制系统—EP2002制动系统的优缺点
3 无直观的故障显示代码
• 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；
防滑控制和制动控制系统
EP2002制动控制系统的优点
防滑控制和制动控制系统
2
缩短了制动响应时间
根据克诺尔的试验数据，EP2002制 动控制系统的响应时间比常规制动 控制系统的响应时间缩短约0.2s。
3
提高了制动精确度
常规制动控制系统的精确度约为 ±0.2bar；而EP2002制动控制系统 提供给制动缸制动力的精确度可以 达到±0.15bar。
• 而EP2002制动控制系统没有直观的数字故 障代码显示功能，工作人员只能通过专用软 件才能查找故障。
防滑控制和制动控制系统
EP2002制动控制系统的优点
7
维护工作量小
EP2002制动控制系统部件集 成化程度较高，需要维护的部 件较少，大修期从常规制动控 制系统规定的6年提高到9年。
防滑控制和制动控制系统
8
缩短了安装和调试时间
EP2002制动控制系统的优点
防滑控制和制动控制系统
降低总体成本。
9
EP2002制动控制系统的产品价格基本与常规制动控制系统价格相同；但是由 于缩短了安装和调试时间以及后期维护费用降低等原因，EP2002制动控制系
统的总体成本将低于常规制动控制系统。
可以根据每个转向架的载荷压力调整施加在其控制的转向架上的制动力，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。
10
城轨车辆工作原理
城轨车辆工作原理
城轨车辆是指在城市轨道交通系统中运行的车辆。
城轨车辆的工作原理主要涉及三个方面：电力系统、牵引系统和控制系统。
1. 电力系统：城轨车辆采用电力供能，通常是通过接触轨以及架设在轨道上的供电设备，如电网供电或第三轨供电系统，提供电能给车辆。
电能被转化为机械能，用于驱动车辆的运行。
城轨车辆通常采用直流电供能，但部分地区也有采用交流电供能的城轨车辆。
2. 牵引系统：城轨车辆的牵引系统负责将电能转化为机械能，实现车辆的运动。
通常采用电动机作为牵引系统的核心部件。
电动机由电能驱动，通过转动车轮实现车辆的推进。
不同型号的城轨车辆可能采用不同类型的电动机，如直流电动机或三相异步电动机。
3. 控制系统：城轨车辆的控制系统用于控制车辆的启动、停止、速度调节等功能。
控制系统通常由多个子系统组成，包括主控制器、牵引变流器、制动系统和辅助电源等。
主控制器负责接收车辆驾驶员的指令，控制车辆的运行状态。
牵引变流器将电力系统提供的直流电转换为适合电动机驱动的交流电。
制动系统用于控制车辆的刹车，通常包括电子制动和机械制动两种方式。
辅助电源提供车辆其他系统的电能需求，如照明和通信系统等。
综上所述，城轨车辆的工作原理是通过电力系统提供电能，牵
引系统将电能转化为机械能，控制系统实现对车辆的控制和管理，从而实现车辆的运行。
城轨车辆牵引与制动控制系统—电动列车激活控制
前，显示屏会提醒驾驶员按下“RM”按钮。进入RM模式，列车才能 够进库。 4）如果ATP发现有危险的操作状态，它会立刻触发紧急制动，直到列车 完全停止。 5）如果ATP触发了紧急制动，必须在列车停止后按下“RM”按钮，以 解除列车的紧急制动状态。
X
车辆分断激活继电器 3K13得电电路为： 30412·3S01·3F07·3K13
图3-18 列车激活控制电路图 （一）
——3K11线圈失电。继电器3K12失电，列车蓄电池电源断开。 ——列车激活自保持列车线将失电，列车被关闭。
小结：
列车的激活控制，可以这样理解：
➢ 司机通过操纵蓄电池开关3S01进行激活控制。 ➢ 激活电路是由3K11列车线激活控制继电器、3K12
闭联锁（62-61）断开，各列车控制启动继电器2K01～2K05不能得电。 ➢ 线路连锁设计保证了列车只允许一端驾驶室操作，两端驾驶室不能同时使
用，避免引起电气动作紊乱，使列车安全失去保障。 解释：在特殊运行模式（自动运行时的折返）驾驶钥匙开关功能被4K03联
锁（13-14）所取代，。此时只有2K01、2K02、2K03三组列车控制继电器 被接通，保证车辆的基本运行控制操作和运行保护功能。
图3-20 蓄电池充电和供电电路
（1）驾驶台的激活
城市轨道交通列车有两个驾驶室，管理有序，一个有效激活后另一个无效。 用78#钥匙插入驾驶台侧钥匙开关（3S01），逆时针旋转至位置“1”，该端的
列车驾驶台便被激活。列车被激活后，钥匙被锁死在钥匙开关中。 此时，可以进行以下操作：①缓解或施加停车制动； ②闭合或断开高速断路器； ③升起或降下受电弓； ④开启或关断列车空调。 当进行以上操作后，即使关断了驾驶台钥匙开关，即顺时针方向旋转至位置
城市轨道交通车辆的制动模式
城市轨道交通车辆的制动模式随着城市轨道交通的快速发展，轨道交通车辆的制动系统也得到了极大的改进和完善。
车辆的制动模式是指车辆在运行过程中，通过何种方式来减速和停车。
目前，常见的城市轨道交通车辆制动模式主要包括电制动、气制动和机械制动。
电制动是城市轨道交通车辆中最常见的制动模式之一。
它是通过电动机的反向工作将车辆动能转化为电能，再通过电阻器将电能转化为热能来实现减速和停车。
电制动具有制动力大、响应速度快、制动距离短等优点，是车辆制动的首选模式。
此外，电制动还可以通过调整电机的工作方式来实现不同的制动效果，如再生制动和电阻制动。
气制动是城市轨道交通车辆中另一种常见的制动模式。
它是通过压缩空气来产生制动力，实现车辆的减速和停车。
气制动主要由制动踏板、空气压缩机、储气罐和制动器组成。
当司机踩下制动踏板时，空气压缩机会将空气压缩并储存在储气罐中，当需要制动时，空气会通过制动器释放出来，产生制动力。
气制动具有制动力稳定、可靠性高等优点，适用于高速运行的轨道交通车辆。
机械制动是城市轨道交通车辆中较为传统的制动模式，主要通过摩擦力来实现减速和停车。
机械制动主要由制动盘、刹车片和刹车踏板组成。
当司机踩下刹车踏板时，刹车片会与制动盘接触并产生摩擦力，从而减速和停车。
机械制动具有结构简单、制动力稳定等优点，但相对于电制动和气制动来说，制动效果较差。
除了上述三种主要的制动模式，城市轨道交通车辆还常常采用辅助制动模式，如惯性制动、再生制动和电阻制动。
惯性制动是指利用车辆的惯性来实现减速和停车，通过调整车辆的传动装置来改变车辆的运动状态。
再生制动是指利用电动机的工作原理，将车辆动能转化为电能并回馈给电网，实现能量的回收和再利用。
电阻制动是指通过调整电阻器的工作状态，将电能转化为热能来实现制动。
城市轨道交通车辆的制动模式主要包括电制动、气制动和机械制动。
电制动具有制动力大、响应速度快的优点；气制动具有制动力稳定、可靠性高的特点；机械制动结构简单、制动力稳定。
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第六章制动控制系统
制动控制系统是空气制动系统的核心，它接受司机或自动驾驶系统（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时将实际制动力的等值信号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。
6.1 制动控制系统的组成
如图6.1制动控制系统主要由电子制动控制单元（EBCU）、空气制动单元（BCU）和电气指令单元等组成。
图6.1制动控制系统的组成
6.1.1 电子制动控制单元
在电子技术和微机技术的迅猛发展下，列车的制动控制由微机综合列车运行中的所有参数，经过判断和运算，给制动系统发出精确的指令。
以微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）等。
它有一下主要功能：
（1）接受司机控制器或ATO的指令，与牵引控制系统协调列车的制动和缓解。
（2）将接收到的动力制动实际值经 EP转换，将电信号转换成气动信号发送给空气制动控制单元。
（3）控制供气系统中空气压缩机组的工作周期，监控主风缸输出压力等参数。
（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参数，对轮对在制动过程中出现的滑行进行监视。
（5）对列车制动时的各种参数和故障进行监视与记录。
6.1.2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、电子信号与气动信号的转换点。
在过去论述中称为中继阀或EP。
（一）EP
由电磁线圈、铁芯、顶杆和活塞等组成。
当它的电磁线圈没有励磁时，铁芯和连杆落在阀底，通路阻断或通路与大气连通。
当线圈励磁，铁芯被吸引上移，推动顶杆和活塞上移，通路与储风缸压力空气连通。
（二）中继阀
它上部是给排阀，下部是腔室。
腔室中是活塞和膜板，活塞和膜板带动有空心通路的顶杆上下移动。
中继阀也是一个将电信号转换成压力空气的电磁阀，只是电信号的变化不是励磁电流的变化，而是通过电磁阀励磁线圈和消磁状态的不同组合，将多个电信号输入转换成对应空气压力输出。
（三）空重车调整阀
空重车调整阀的作用是根据车辆载重的变化，即根据乘客的多少，输出一个空气压力信号，并通过中继阀使单元制动机风缸保持一个恒定的制动力。
空重车调整阀的输入是车辆二系弹簧的空气压力信号。
考虑到车辆载重的不平衡，一般采取前后转向架对角的两个空气弹簧压力为输入信号，这样就能比较准确地使空重车调整阀的输出压力信号与乘客负载成一定比例关系。
由于电子技术的发展，现在许多空重车信号已经直接将空气弹簧压力转换成电子信号输入BCE或MBCU，空重车调整阀输出的空气压力信号在常用制动时根本不起作用。
但是在紧急制动时，空重车调整阀输出的空气压力信号还是可以越过中继阀，对紧急制动起到限制冲动的作用。
6.1.3 电气指令单元
现在城市轨道交通车辆的制动系统无一例外地采用电气指令单元来快速、准确、可靠地传递司控器的指令。
采用电气指令可以使列车制动、缓解迅速、停车平稳无冲动，缩短制动距离。
（一）数字式电气指令制动控制系统
数字式指令指开关指令的组合，属于分档控制。
这样的分档制动指令通过具有多块气动膜板的中继阀的动作，使制动缸获得恒定的七级压力。
数字式电气指令制动控制系统操作灵活，可控性能好。
我国自行制造的北京地铁车辆使用的SD型制动系统即为数字式电气指令制动控制系统。
（二）模拟式电气指令制动控制系统
模拟式电气指令制动系统可以实现无极制动和连续操纵。
常用的模拟电信号有电流、电压、频率和脉冲等，这些模拟量可以传递制动控制信号。
理论上，模拟式电气指令制动控制系统的操纵比数字式的更方便，但它对指令传递的设备性能要求比较高。
如果设备性能不能满足要求，其精度会降低，从而会影响制动效果。
从目前趋势来看，城市轨道交通车辆采用脉冲宽度调制的模拟式电气指令制动控制系统，应当是较为先进的列车制动控制系统。
6.2 制动控制策略
6.2.1恒制动率控制
城市轨道交通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司机制动命令相对应。
因此，列车控制系统必须检测各界车辆的负载重量，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，司机控制器的各制动级位都可以保持恒定制动率，得到恒定减速度。
列车控制系统将每节车各个空气弹簧的压力信号由压力传感器变换为电压信号后，取平均值；按照满载和空载极限值设置上下界，作为车辆负载信号电压输出。
车辆负载信号与制动指令相乘得到对应于各车负载的制动力指令曲线，将一个动车组单元中的各动车和拖车制动力指令曲线相加、放大后作为需求制动力指令送入列车制动系统，就能实现恒制动率控制。
6.2.2空气制动滞后控制
实现指令减速度目标，列车编组内的各车有多种分担制动力的方法。
过去一般采用的控制方法就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，拖车的闸瓦磨损要比有电气制动的动车快得多。
随着近年来逆变控制的三厢感应电动机牵引系统的大量应用，由于三厢感应电动机优良的自身再黏着特性，使黏着系数的期望值大大提高，既可以最大限度地使用点制动力而不会发生滑行。
因此，各节车在分担制动力时，在其利用黏着不超过限制的范围内，提高动车的制动里而减少拖车的制动力，以实现最大利用动力制动的目的。
所以，采用VVVF控制或斩波控制的列车，可以取得较高的期待黏着系数，在不超过年捉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，这样可以节约能源，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。