制动控制策略认知

项目6　城市轨道交通车辆制动控制系统

【项目描述】

城市轨道交通车辆的制动控制系统是城市轨道交通车辆的关键部件，是城市轨道交通车辆制动系统中最重要的技术保障，是确保城市轨道交通车辆安全运行的重要保障。城市轨道车辆的启动和以一定速度运行，要通过对其施加牵引。同样，为了使运行的车辆能够迅速地减速、停车，也必须对其施加制动。牵引和制动是车辆运行的一对矛盾的两个方面，缺一不可。仅有牵引而没有制动的车辆是不完善的，甚至是危险的。试想一下，如果一列车突然失去制动，乘客的生命财产将受到严重威胁，这是何等危险。因此，从某种意义上来说，制动是一个比牵引更为重要的问题.

20世纪50年代，国外城市轨道交通车辆在大规模采用电磁空气制动机的同时，还采用电气指令式制动控制系统协调动力制动和空气制动，使制动控制技术达到了一个新的水平。最近几十年来，由于电力电子变流技术和微机技术的加入，使电气指令式制动控制系统不断改进、发展。大功率电力电子元件的出现使电气再生制动成为可能，微机技术的应用使制动防滑系统更加精确完善，城市轨道车辆制动技术正朝着安全、可靠、人性化和环保的目标不断前进。

【学习目标】

1.掌握制动控制系统的基本组成。

2.在理解的基础上掌握制动控制系统的工作原理。

3.了解制动控制的控制策略。

【能力目标】

1.能够在城轨车辆制动系统出现一般简单故障后，能进行初步的故障原因的初步分析与判断。

2.能够在城轨车辆制动检修现场辨认制动控制单元中各主要元器件的名称，并能说明基本功能。

3.能够说出制动控制单元中各接线所传输的信号的作用及信号故障会引起的后果。

4.能够掌握城市轨道交通车辆制动系统日常维修的程序和方法。

任务1　制动控制系统的组成认知

【活动场景】

如图为城轨车辆段检修工作人员正在下载制动控制单元记录的故障数据的场景。本次任务的完成建议在如图所示的城轨车辆检修车间的制动技术检修或测试班组进行，或在具有多媒体技术并能展示城轨车辆制动控制技术的教室进行。

【任务要求】

1.掌握城市轨道交通车辆制动控制系统主要组成及其作用。

2.掌握制动控制单元在计算制动力时都需要哪些信息，及信息的获得的方式。

3.掌握并会分析城轨车辆制动的优先级及控制策略。

【知识准备】

制动控制系统是制动系统在驾驶员或其他控制装置（比如ATC）的控制下，产生、传递制动信号，并对各种制动方式进行制动力分配、协调的部分。制动控制系统是空气制动系统的核心，主要负责接收城轨列车驾驶员或列车自动驾驶系统（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控制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。制动控制系统主要由电子制动控制单元（EBCU）、空气制动控制单元（BCU）和电气指令单元等组成。它在整个制动系统中的位置如图6.1所示。

图6.1　制动控制系统组成框图

1.电子制动控制单元

电子制动控制单元是近代城轨车辆发展的新技术，城轨列车在发展之初仅以压缩空气作为唯一的制动的信号和动力源而没有电气制动；电磁式制动机虽然采用电气指令控制，但它们作用非常简单，只是通过司机制动控制器（电空制动控制器）进行励磁和消磁，控制列车制动或缓解，根本没有其他功能。随着电子技术的迅速发展，特别是微机技术的发展，列车制动控制再也不靠司机的人工进行判断，而是由微机综合列车运行中的各种参数，经过判断和运算，给城轨列车制动系统发出准确的指令。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。电子制动控制单元的主要功能如下：

①接收司机控制器或ATO的指令，与牵引控制系统协调列车的制动和缓解。设有紧急制动电路，当紧急制动指令发出时，列车能迅速调用全部空气制动能力实行紧急制动。

②将接收到的动力（电气）制动实际值经控导阀EP转换，将电信号转换成为压缩空气的气动信号发送给空气制动控制单元。在保证电制动优先作用下，空气制动能自动进行列车制动力的补偿，将制动所需压力传递给基础制动装置，从而使列车制动力保持不变。

③控制供气系统中空气压缩机组的工作周期，监视主风缸输出压力等参数。如果供气系统中某台设备发生故障，及时调用备用设备填补。

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，对轮对在制动中出现的滑行进行监视。一旦发现滑行，立即发出防滑信号并采取防滑措施。

⑤对列车制动时的各种参数和故障进行监视和记录。故障记录可以在列车回库后用便携式计算机读出。

城轨列车的电子制动控制单元硬件设备只是计算机和必要的输入输出设备，其核心技术应该是其控制软件，只有城轨列车的制动控制程序软件的编制水平不断提高，才能使得电子制动控制单元的功能越来越完美。目前，城轨列车的网络通信已经成为城轨车辆控制技术的新宠，相应的电子制动控制单元也成为列车控制网络中的重要一环。集成电子技术越来越多地融入制动系统，机电一体化元件的出现，使电子制动控制单元、微机制动控制单元和制动控制电子装置等已经逐渐被机电一体化组合件智能阀、网关阀和远程控制阀等所替代，这些新的元件不仅保留并扩大了原先电子制动控制单元的所有功能，还能承担起网络通信的职能，比如，我们在后续项目中将要学习的EP2002制动系统，已经没有了独立的电子制动控制单元，而其功能已完全融入网络控制系统的新元件中了。

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、电气信号与气动信号的转换点。因此，在过去许多制动技术论述中将其称为中继阀或EP阀。一般空气制动控制单元由各种不同功能的电磁阀和气动阀组成。主要零部件包括：①内部有腔室及连通腔室大小通路的阀体；②控制腔室与各通路的活塞和阀门；③控制活塞和阀门的膜板、弹簧、顶杆和铁芯；④控制（吸引）顶杆和铁芯的电磁线圈；与阀体内部大小通路相连接的输入、输出气管接头；⑥气—电或电—气转换元件。空气制动控制单元组成部分根据各制造厂商的产品系列和电气指令的模式不同也有很大的不同，但基本上分为EP阀、中继阀和空重车调整阀等几种。

（1）EP阀

EP阀又称为控导阀或模拟转换阀，是一个电气转换阀，主要由电磁线圈、铁芯、顶杆和活塞等组成。当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。如果励磁线圈电流增大，铁芯吸引力也增大，阀腔内形成的空气压力信号也相应增大；反之，励磁线圈电流减小，阀腔内形成的空气压力信号也相应减小。从功能上来看，EP阀具有将一个电流信号转换成一个空气压力信号的功能，并且空气压力信号与励磁电流呈线性关系。

（2）中继阀

中继阀是对空气制动控制单元中最重要的电磁阀的统称，中继阀的上部是给排阀，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。有些中继阀的腔室大些，数量多些，活塞和膜板也多些，结构复杂一点。由于充气腔室的数量不同，活塞和膜板的截面积不同，因此共同作用在顶杆上的移动力也不同。经过电磁阀的励磁和消磁的不同组合，可以引起多个充气腔室充气或不充气的组合。这些组合造成输出通路会输出与预充气腔室压力相等的空气压力。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励磁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。此外，中继阀还具有气流放大的作用，本书后续项目中SD型制动系统北京地铁车辆使用的SD制动系统中的七级中继阀是最典型的中继阀。

（3）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。空重车调整阀输入的是车辆二系弹簧（空气弹簧）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，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EBCU，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。

（4）小结

空气制动控制单元虽然是一个以气动元件和气路为主组成的系统，它控制的不仅有腔室、膜板、活塞和弹簧等气动控制元件，而且还有电磁线圈、铁芯和电气转换元件等电气控制元件；给定值或预置量并不都是空气压力信号，也有电流值、电压值等模拟量，还有数字量（如电磁阀励磁线圈组合）。由于空气制动控制单元结构复杂、制作困难、维修成本高，因而受到越来越多新的机电一体化元件的冲击。与电子制动控制单元一样，空气制动控制单元也将被机电一体化元件所替代。为了节约空间和减轻重量，目前空气制动控制单元都实现了集成化，即把所有的部件都安装在一块铝合金的气路板上，犹如电子分立元件安装在一块印刷线路板上一样，这样可以避免用管道连接而造成泄漏，同时元件所占空间也大大减少。这些空气制动控制单元还在气路板上装置了一些测试接口，如果需要测量各个控制点压力或风缸压力，只要在这块气路板上就可测得，这样日常的检修保养工作就很方便。如果空气制动控制单元在运营中发生故障，也可以将整个控制单元的气路板更换下来，列车可以马上重新投入运营，故障气路板则带回检修，处理故障和检修都很快捷。

3.电气指令单元

现代城市轨道交通车辆的制动系统均采用电气指令单元，因而可以更快速、更准确、更可靠地传递司机控制器的指令。电气指令单元从根本上改变了压力空气作为制动信号传递和制动力控制的介质。早期的城市轨道交通车辆曾经使用电磁直通式空气制动机，司机通过控制器对每节车上的制动电磁阀和缓解电磁阀进行励磁和消磁，以控制直通管的空气压力使各车辆中继阀工作，最终获得制动缸压力。由于电气指令的产生非常简单，传递方式依靠有触点电器，准确性差，故障率也很高。随着电子技术的迅速发展。出现了新的电气指令传递方式，即采用电气指令控制线的方式。采用电气指令控制线的主要目的是：使列车制动、缓解迅速，停车平稳无冲动，缩短制动距离。采用这种方式的制动系统被称为电气指令制动控制系统。

由此可见，城市轨道交通车辆的制动控制系统是制动系统的核心，主要接收司机或自动驾驶系统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控制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。目前，制动控制系统主要有空气制动系统和电控制动系统两大类。当以压力空气作为空气制动信号传递和控制制动力介质时，该制动系统称为空气制动系统，又称空气制动机；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。目前，城市轨道交通车辆普遍采用电气指令式制动控制系统，电气指令式制动控制系统按其控制方式的不同可分为两种类型：数字指令式制动控制系统和模拟指令式制动控制系统。

（1）数字指令式制动控制系统

数字式指令传递系统是指由0和1组成的二进制数，在用3位数组合时，其组合有000、010、100、101、110、111。在制动控制过程中，使0应制动控制线OFF，1对应制动控制线ON。这样只用3根制动控制线组合，可以得到7级制动。如果采用更多的制动控制线（n根），可以得到更多（2n+1）级的制动模式。北京地铁曾研制和采用了这种制动机模式，从城市轨道交通车辆制动操作方便来说，通常有7级制动已基本够用。利用这种控制原理传递制动指令的控制系统，称为数字指令式制动控制系统，与空气制动机比较，这种控制模式具有制动指令传递速度快、制动分级多、制动力均匀等优点，缺点是仍然采用的是分级控制模式。

数字式电气指令制动控制系统操纵灵活，可控性能好。我国自行研制的北京地铁车辆所使用的SD型制动系统即为数字式电气指令制动控制系统。

（2）模拟指令式制动控制系统

模拟式与数字式制动控制系统基本相同。唯一的区别是从驾驶室送往各车辆的制动电气指令是用模拟量传递的，所以称为模拟指令式制动控制系统。该控制系统可获得无限级制动力，即可控制制动的细微调节，因此比较适宜于ATC控制的列车。

模拟指令式制动控制技术是将变量输入计算机，计算机经过逻辑运算控制电磁阀，由电磁阀控制气阀，由气阀直接控制制动缸压力，从而达到控制制动力的目的，是一种先进的电空控制系统。其核心部分是电子控制单元，它输入制动命令、电制动施加与否信号、车体载荷信号（即乘客的多少）、空气制动实际值的反馈信号，经综合运算后输出电气模拟转换和防滑控制的电信号，控制各种电磁阀，根据制动要求和实际情况不断调整制动缸压力。系统的另一个重要部件是制动控制单元，它由模拟控制阀、紧急制动阀、负载限压阀、中继阀等电磁阀组成，集成安装在一块内通管路的模板上，接受电子控制单元的指令，完成电气转换，然后对制动风缸压力进行控制。制动系统逻辑框图如图6.2所示。

图6.2　模拟式制动控制逻辑图

模拟式电气指令制动控制系统可以实现无级制动和连续操纵。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的信号。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较高。如果设备性能不能满足要求，其精度会下降，从而影响制动效果。

目前，上海地铁和广州地铁使用的电气指令制动控制系统即为模拟式电气指令制动控制系统。从司机控制器发出的指令经调制器转换为脉冲宽度信号（即采用脉冲宽度调制方法，简称PWM），不同的脉冲宽度表示不同的制动等级。制动指令传递到每节车的微机制动控制单元。微机制动控制单元采集列车的运行速度和本车的负载量，对制动指令修正给出制动力值，并根据动力制动优先的原则，计算出所需补充的空气制动力的数值，用电气指令传送给电空转换单元（EP阀）。电空转换单元向中继阀输出空气压力指令。中继阀起着压力空气流量放大的作用，它将足够的压力空气冲入制动缸，以实现不同等级的制动作用；或者将压力空气排出制动缸，以实现不同程度的缓解作用。

从发展的趋势来看，城市轨道交通车辆采用脉冲宽度调制（PWM）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。

【任务实施】

本任务的实施，如果条件允许，让学员到现场参观制动控制单元的机构，以及采集各种信号来源等；控制司控器在不同的制动级位，观察显示屏上BC的变化；也可借助多媒体，让学员了解常用制动和紧急制动下气源的流向。

下面通过对典型的城市轨道交通车辆的制动控制的不同形式的分析，进一步理解城市轨道交通车辆制动控制的原理、方法。目前虽然城轨车辆的制动系统的控制单元有许多的生产厂家，各厂生产的制动控制单元的原理和结构也不尽相同，但概括起来主要包括空气制动控制单元模块（BCU）和电子制动控制单元模块（BECU），其中空气制动控制模块主要包括：模拟转化阀、常用电磁阀、紧急电磁阀、称重阀、中继阀。下面将以城轨车辆典型的制动控制系统为例来说明制动控制单元的基本组成及工作原理。

1.KNORR制动控制单元的认知

1）基本组成

如图6.3所示是德国KNNOR制动系统制动控制单元的实物图，图6.4所示是制动控制单元的气路示意图，由图可知制动控制单元BCU是空气制动的核心，采用模块式设计，主要包括模拟转换阀a、紧急电磁阀e、称重阀c、中继阀d、载荷压力传感器f（将载荷压力T转换成相应的电信号传输给BECU）、压力开关h等元件，所有零部件均安装在一块铝合金集气板上。这些元件集中安装在基板上。同时，在气路板上装置了一些测试口（图中j、k、l、m、n），因此，要测量各个控制压力和制动缸压力，只要在这块气路板上测试即可。采用这种设计的主要目的是便于集气板的拆卸及更换，这样在不影响车辆实用性的情况下即可完成维护检查及大修。

图6.3　制动控制单元的实物照片BCU

图6.4　制动控制单元的气路示意图

a—模拟转换阀AW4；c—称重阀；d—中继阀Kr6；e—紧急电磁阀；
f—压力传感器DG10；h—压力开关5.5bar测试接头

BCU的主要作用是将BECU发出的制动指令电信号通过模拟转换阀a转换成与之成比例的预控制压力Cv，这个预控制压力是呈线性变化的，同时，也受到称重阀c和防冲动检测装置的检测和限制，再通过中继阀d，沟通制动主风缸与制动缸的通路，并控制进入制动缸的压力，最后使制动缸获得符合制动指令的气制动压力。

2）模拟转换阀

如图6.5所示是模拟转换阀的结构实物图，由图可知主控制板根据输入信号计算所要求的制动力值，并将其传入电气模拟转换阀（由电子控制器及气动模拟转换器组成）。电气模拟转换阀将所要求的制动力值转化为冲击限制及载荷控制的预控压力（Cv—压力），反馈回路由模拟转化阀上的压力传感器提供，在闭环控制下控制输出压力。

BECU通过接收从司控器处接收制动指令信号，该制动指令信号由BECU根据载荷和冲击限制和混合制动需求，调节并传至电气控制单元，BCU上的模拟转换阀将电压转化为一个成比例的预控制压力。

电信号向控制压力的转化相对于指令信号是闭环控制，控制回路由充气及排气电磁阀，压力传感器（测量实际压力）及控制两个电磁阀相对于指令信号及实际压力值间差异的调节器组成。BECU根据预控压力传感器信号选择性地控制充气或排气电磁阀信号，使指令与制动缸压力间保持有恒定的关系。控制回路导致“电压与压力”间具有最佳的滞后（或没有）及精确的线性变化。

图6.5　模拟转换阀结构和外观图

用来升压Cv的充气电磁阀2与辅助风缸R相连，当电磁阀由电控器驱动时，气流流入R的预控管线，增加Cv的压力水平。用来降压Cv的排气电磁阀3与耗气孔O相通，当电磁阀被驱动时，空气从预控管线排放到大气中，降低Cv的压力水平。

压力传感器4在等同区域识别Cv压力，它的电控器输出信号是压力读数的模拟值。一旦电控器发现实际值Cv偏离指定值Cv，它会驱动相应电磁阀纠正压力Cv到指定值，一旦压力Cv达到指定值，电磁阀就会关闭，这时预控管线既不排气也不充气，这种状态持续到实际值与规定值相符为止。

制动位：进气阀得电，排气阀失电，压缩空气从制动贮风缸R进入，输出预控制压力Cv1至紧急电磁阀。

缓解位：进气阀失电，排气阀得电，R通路被切断，预控制压力Cv通过排气阀直到大气中。

3）紧急电磁阀

如图6.6所示为紧急电磁阀结构图，紧急电磁阀与紧急制动回路相连。在正常运行的情况下通常带电，以使模拟转换阀的预控压力通过称重阀。在紧急模式下电磁阀失电（通过列车紧急回路），供风风缸的风直接通向称重阀和中继阀，按照载荷比例施加紧急制动。

图6.6　紧急电磁阀结构图

4）称重阀

如图6.7所示是称重阀的结构示意图，称重阀在轨道车辆制动过程中不断监控与车辆实际重量有关的预控压力；施加紧急制动时限制预控压力；具体作用简述如下：

图6.7　称重阀结构图

1—载荷信号转换器；a—隔膜活塞；b—隔膜；c—克诺尔K形环；d—活塞；
f—阀体；g—螺塞；e—压缩弹簧；2—关断阀；h—阀头；i—隔膜；j—隔膜活塞；
k—推杆；l—压缩弹簧；3—机械部分；m—平衡梁；n—支轴；A，B，C—调整螺钉；
Tr—支架；O—排气口；V21—充气阀座；V22—排气阀座；Cv—预控制压力；T—载荷压力

①常用制动位置：压缩空气Cv1通过V21直接输出Cv2。

②紧急制动位置：压缩空气Cv1通过V21进入，输出Cv2。随着隔膜i上方空气压力增大，带动隔膜活塞j和推杆k往下移，阀头h在弹簧力作用下，关闭V21。如果车辆载荷增加（即压力T增加），则隔膜i上方空气压力相应增大，即输出Cv2压力相应增大。

③T压力失效时紧急制动位置：如果载荷T压力失效，则需建立的Cv2压力不足够，会造成车辆制动力不够。为避免该情况发生，预先通过弹簧e和活塞d作用在隔膜活塞a上，确保在T压力失效情况下，能正常制动。

④紧急制动后缓解位置：Cv1压力降低时，制动缓解，Cv2通过Cv1排出。

5）中继阀

如图6.8所示为中继阀的结构与作用示意图，其作用可简述如下：

图6.8　中继阀

1—中继阀KR气压控制室；1.6—压缩弹簧；1.7—管座；9—鼓膜控制活塞；
3—附加装置进气管座排气管座；D—阻气门；RK—塞环鼓膜；R—风缸；V—预控压力；
C—制动缸压力通风孔；*—基板（即BCU）

①起始位置：风缸R的压力作用于进气管座V1；压缩弹簧（1.6）保持进气阀关闭；排气管座V2在通风位置，即风孔C的压缩空气流入大气中，没有预控压力Cv应用。

②施加制动：鼓膜控制活塞（1.9）的表面Cv由预控压力Cv这样充气以至于排气管座V2关闭，压缩弹簧（1.6）的弹力被克服，造成进气阀V1的管座打开，进气阀的压力可以作为压力C流向制动风缸，同时流向鼓膜活塞表面C，产生结果的C压力和压缩弹力（1.6）造成控制活塞返回中心位置。这意指进气阀V1关闭和排气阀V2保持关闭，压力C和Cv一致。

③缓解制动：应用于鼓膜活塞（1.9）的压力Cv完全放气。这样应用压力C打开排气管座V2，和压力C通过排气阀完全通风，排气阀V2保持敞开并且鼓膜活塞保持通风。

④制动的逐步施加和缓解：逐步施加制动的控制程序基本与上述相同，除非目前选择的压力步骤事实上有效。压力C在制动缸中的步骤根据Cv设定形成。逐步缓解制动，压力Cv以一定的差压下降，使压力C相应降低。从D2孔进入中继阀的Cv3压力空气，推动具有膜板的活塞上移，首先关闭了通向制动缸的排气阀V2，然后进一步打开进气阀V1，使制动贮风缸经接口R进入均衡阀的压力空气通过进气阀V1，经接口C充入制动缸，制动缸活塞被推出，带动闸瓦紧贴车轮产生制动作用。从上述中可看出，均衡阀能迅速进行大流量的充、排气。大流量压力空气的压力变化是随预控制压力Cv3的变化而变化，并且互相间的压力传递比为1：1，即制动缸压力与Cv3相等。

同样，制动缓解指令后，将其排气阀打开，使具有预控制压力Cv1、Cv2、Cv3的压力空气都通过此阀活塞在其上方的制动缸压力空气作用下向下移动，于是均衡阀中的进气阀关闭，排气阀打开，使各制动缸中的压力空气经开启的排气阀排出，列车得到缓解。

制动施加位：当预控制压力CV从D2进入，推动隔膜活塞使阀导1.7克服压缩弹簧1.6上移，打开V1口，关闭V2口，打开R至C的通路，制动施加。在制动缸C压力和弹簧1.6的作用下，关闭V1口，此时V2口仍关闭，制动缸C压力和CV压力完全相等。

制动缓解位：当预控制压力CV通过模拟转换阀释放后，在弹簧1.6作用下，阀导1.7下移，关闭V1口，此时V2口打开，打开C经阀导中心到排气口O的通路，将制动缸压力空气排向大气，制动缓解。

6）常用制动的施加

如图6.9所示为常用制动施加的过程图，电空模拟转换阀a将电子制动控制单元EBCU的载荷制动力指令信号转换成预控制压力Cv，并流向称重阀f。由于直接与制动缸相连，中继阀d具有较高的反馈能力，它将实际的预控制压力转换成所要求的制动缸压力。

在由于压力/电流传感器f不工作而引起的空气悬挂信号失效的情况下，制动指令将由BECU产生一个AW3的载荷条件。

在没有空气载荷压力T的情况下，常用制动根据AW3载荷值执行。

图6.9　常用制动的施加

7）紧急制动的施加

如图6.10所示为紧急制动施加的过程图，在紧急制动工况下，通过列车线传输的紧急制动控制回路断开，紧急电磁阀失电，并打开R压力端口，那么从主风缸来的R压力直接流向称重阀f和中继阀d，触发带载荷控制的紧急制动。与负荷有关的称重阀根据负荷的大小限制送到中继阀的预控制压力的大小。在没有空气载荷压力T的情况下，紧急制动根据AW3载荷值执行。载荷压力由称重阀根据空气弹簧压力产生。

图6.10　紧急制动的施加

2.Nabtesco公司制动控制单元结构

如图6.11所示为Nabtesco公司制动控制单元结构示意图，在进行常用制动时，首先电子制动控制单元BECU采集车重AS1/AS2信号、司控器发出制动级位信号，然后进行综合计算来控制常用电磁阀SBV的得失电，从而产生预控制压力AC给中继阀，最后由中继阀给制动缸BC压力，产生需要的制动力。同时，在中继阀的出口有一检测BC压力的压力传感器，此传感器将采集信号给电子制动控制单元，电子制动控制单元将此数据与理论计算数据进行比较，从而对BC压力进行调节，实现闭环控制。

由于在紧急制动时电子制动控制单元不参与，所以车辆的载重信号将不能转变为控制制动力大小的信号，此时就需要借助于空重车调整阀VLV。如图6.11所示，当施加紧急制动时，紧急电磁阀失电，阀门导通，气压通过空重车调整阀VLV、紧急电磁阀，然后产生预控制压力AC给中继阀。

图6.11　制动控制单元气路示意图

3.EP2002制动控制单元的结构

EP2002阀是克诺尔研发的高集成化的阀体，主要包括智能阀、网关阀、RIO阀。

（1）智能阀

EP2002智能阀是一个机电一体化的部件，它包含一个气动阀单元（PVU）和一个电子控制部分。智能阀对相应转向架上制动缸压力（BCP）进行控制。具有常用制动、紧急制动和防滑保护功能。该阀采用软件和硬件组合的方式予以控制和监视，从而能够检测到潜在的危险故障。车轮滑动保护是采用本车取得的轴速数据和从其他阀门获得的速度数据相结合并通过专用CAN总线来提供的。智能阀同时根据由CAN网传送过来的压力要求对制动压力进行调整。在智能阀内的单独电气回路将进气压力调整至与车辆载重相应的紧急制动缸压力。

（2）网关阀

网关阀具有智能阀的所有功能。网关阀还通过集成的RS485网络接口为列车监控和管理系统提供硬线接口。网关阀接受列车总线传来的信息，进行制动计算并向CAN总线内所有的EP2002阀发出制动指令；同时网关阀还将对CAN总线内所有阀的状态进行诊断、并将正确信息通过列车总线上传到列车管理系统。

（3）RIO阀

除了不执行制动控制和没有网络接口外，RIO阀具有与网关阀同样的输入/输出功能。RIO阀可以读出可编程输入并通过CAN总线发送给网关阀。RIO阀可编程输出的状态由网关阀进行控制。

（4）3个阀体内部气路结构

如图6.12所示是EP2002阀的内部气路结构图，EP2002阀的气动部分在所有EP2002阀中都是相同的。其基本功能简述如下：

①一系调节（a部分）。中继阀可以根据按载荷计算的紧急制动压力对送风压力进行调节。此外，当电子载荷装置出现故障时，还可以以机械方式提供最小空重车状态下的紧急制动压力。

②二系调节（b部分）。一系调节器的上游装置，负责限制制动缸的最大压力，使其限制在超员状态下紧急制动压力的范围内。

③负载调节（c部分）。负责向一系调节中继阀提供一个控制压力。此控制压力与空气弹簧压力（ASP）相应地成比例，作用于常用制动和紧急制动。有两个压力传感器来探测空气簧压力（ASP）。EP2002阀计算出的两个空气簧压力的平均值以控制紧急载荷调节。空气悬挂压力与控制压力的信息是通过在其安装板上的代码塞提供。

④BCP（制动缸压力）调节（d部分）。负责将一系调节装置的输出压力调节到要求的BCP水平。每个车轴有两个电磁阀和两个鞲鞴阀。BCP调节部分还可以在防滑器动作时对制动缸压力进行控制；为了安全，紧急制动与常用制动控制元件之间没有联系。

⑤连接阀（e部分）。连接阀可以使对两个车轴的BCP的输出压力连通或者分开。

在常用制动和紧急制动时，两个车轴的BCP输出连接到一起使同一转向架上的车轴制动压力一致。当防滑保护动作时，两个车轴之间的气路被连接阀切断，使每个车轴的制动缸压力独立控制，对产生滑行车轴的制动缸压力进行独立调整。

⑥压力传感器（f和g部分）。压力传感器用来进行内部调节和/或外部指示（BSR、载荷重量、BCP、停放制动）。

注：按照如上进行功能区分组只是为了方便理解内部的气动结构。

【效果评价】

评价表

任务2　制动控制策略认知

【活动场景】

城轨车辆制动控制策略主要讨论的是城轨车辆在制动时使电制动与空气制动相互协调配合，完成城轨车辆的制动作用，右图为制动电子控制单元，此单元主要负责制动力的计算以及与VVVF之间的通信。

【任务要求】

1.了解VVVF与BECU之间的通信都有哪些。

2.掌握动车、拖车制动力的分配方案。

3.分析城轨列车的制动力如何算获取的方式。

【知识准备】

作为城市公共交通系统的重要组成部分的城市轨道交通系统每日每时的载客情况变化都很大，但无论城轨车辆是空载、满载还是超员，城轨车辆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节车辆的负荷重量，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；按照满载和空载的极限值设置上下限界，作为车辆负载信号电压输出。

车辆负载信号与制动指令（级位）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（M）和拖车（T）制动力指令曲线相加，放大后作为需求制动力指令曲线送入列车控制系统，就能实现恒制动率控制。

1.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，拖车的闸瓦磨耗要比有电制动的动车快得多。

随着近年来逆变控制三相感应电动机牵引系统（VVVF）的大量应用，由于三相感应电动机优良的自身再黏着特性，使黏着系数大大提高，即可以最大限度地使用电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，提高动车的制动力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，可以取较高的黏着系数，在不超过黏着限制的范围内充分利用动车的电制动力，不足部分再由拖车的空气制动力补充，这样不仅可以节约能源，还可以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。

2.拖车空气制动滞后补充控制

拖车空气制动滞后补充控制方式即拖车所需制动力先由动车的再生制动力承担，然后根据电气联合制动运算，不足部分的制动力也先由动车的空气制动力补充。这样，动车的空气制动力和再生制动力都承担了一部分拖车所需的制动力，但再生制动力的设定不能超过空气制动力的黏着限制，因为再生制动力可达到的黏着系数比空气制动力可达到的黏着力高得多。由于存在着这一制约，再生制动力的设定不能过高。动力制动不足以承担的拖车所需的制动力再由拖车的空气制动力承担。如图6.13所示，一个以“两动一拖”（2M1T）为单元动车组的空气制动滞后控制方式。

3.拖车空气制动优先补足控制

拖车空气制动优先补足控制方式也是拖车所需制动力首先由动车的电气制动力承担，但当再生制动力不足时，首先由拖车的空气制动力来补充，再不足时才由动车的空气制动力补足。当再生制动失效时，动车、拖车空气制动均起作用。

图6.13　两动一拖编组的拖车空气制动滞后补充控制方式

在这种控制方式下，动车的空气制动力不会超过本节车自己所需的制动力，也就是说，空气制动力的黏着利用不会超过黏着限制，单纯再生制动力的设定可以比较高。因此，在拖车空气制动优先补足控制方式下，动车的再生制动力可以承担的拖车制动力比拖车空气制动滞后补充控制方式更高，节能效果更好。直流斩波调速和交流变频调速的城市轨道交通车辆都可以采用拖车空气制动优先补足控制方式。如图6.14所示，采用这种方式的“一动一拖”（1M1T）单元动车组特性。

其制动力控制如图6.15所示，制动作用如图6.16所示。

图6.14　采用拖车空气制动优先补足控制方式的“一动一拖”车组特性

图6.15　“一动一拖”车组制动力控制状态

图6.16　“一动一拖”车组制动

4.动拖车之间制动力的演算

如图6.17所示为城轨车辆列车编组中一动一拖一个制动控制单元的制动控制通信图。其工作过程是：由司控器发出制动指令（此指令由3位二进制码组成，可以形成23=8个级位，但一般000码不使用，所以可以组成7个有效制动位），然后将指令通过网络线传给每节车的制动电子控制单元（BECU），每个制动电子控制单元采集本车的重量（通过检测空气弹簧的气压计算得到），这样就可以计算出每节车所需要的制动力。由于优先使用电制动，T车将所需要的制动力给M车制动电子控制单元，然后M车BECU进行加法计算，将M+T总制动力传给VVVF。这样就形成了以M车的BECU为中心，从T车BECU得到所需要的制动力，同时将两车所需要的总制动力给VVVF，至于VVVF施加多大的制动力，以及M车、T车需要补充多大的空气制动，下面将介绍动拖车制动力的分配。

图6.17　“一动一拖”为一制动控制单元之间的通信图

5.动拖车之间制动力的分配（图6.18）

（1）电空制动运算控制

优先使用具有高黏着特性的电气制动，通过以M-T单元为单元进行电空运算控制，用空气制动力补充相对于制动指令而不足调度制动力。

（2）补充制动力运算

在接收到从VVVF装置发出的电器制动有效信号的期间，进行电气制动与空气制动的电空协调。

1）（电气制动力）＞（M车所需制动力）时

M车：全部为电气制动，空气制动的补充制动力呈“0”。但是，为了提前电气制动失效时的空气补充制动的响应，保持一定量的BC压力作为初始压力。同时将“（电气制动力）—（M车所需制动力）”部分的制动力作为空气制动减法运算指令输出至T车中。

T车：由空气制动补充“（T车必要的制动力）—（空气制动减法运算指令）”部分的制动力。

图6.18　动拖车制动力的分配

2）（电气制动力）≤（M车所需制动力）时

M车：由空气制动补充“（M车所需制动力）—（电气制动力）”部分的制动力。同时，使至T车的空气制动减法运算指令为“0”。

T车：T车所需制动力全部由空气制动补充。

【任务实施】

本次任务的实施可通过以下两种途径完成

①现场观察T车、M车闸瓦的磨耗情况，对发现的现象进行分析解释并引申到城轨列车制动力的分配。

②制作动画，形象地展示动拖车制动力的分配原则。

【效果评价】

评价表

续表

项目小结

制动控制系统是空气制动系统的核心，它接收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控制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。

本项目通过对制动控制系统的介绍与分析，对各个控制单元从结构、原理、作用、优缺点上进行论述。制动系统应具有足够的制动能力，能保证车辆在规定的制动距离内停车。制动系统应操作灵活、反应迅速、停车平稳；制动系统应包括动力制动（电气制动）和空气制动（机械制动）两种制动方式，并且在正常制动过程中，尽量首先使用动力制动，以减少空气制动对城市的环境污染并降低车辆维修成本；制动系统应具有可靠的安全保障系数，即使个别车辆发生故障或在较长距离和较大坡度的坡道上运行，也应有足够的制动力保证列车可靠制动和停车；车辆应具有载荷校正能力，能根据乘客载荷的变化自动调节制动力，使车辆制动力保持恒定，限制冲动力，保证乘客乘坐的舒适性；制动系统必须具有紧急制动功能。紧急制动装置除由司机操作外，还可由其他行车人员操作，必须做到万无一失。

随着制动系统的不断发展以及人们需求的不断提升，城市轨道车辆制动系统先后出现了两种控制方式：一种是一个制动控制单元控制一节车辆的制动，即车控方式；另一种是一个制动控制单元控制一个转向架上两个轮对的制动，即架控方式。架控方式的控制与车控方式的控制相比主要有控制灵活，单个制动控制单元故障后，损失制动力小等特点，目前架控方式的制动控制方式已经成为主流，典型的Knrro厂研发的EP2002系统。

不管是车控方式还是架控方式，制动系统的控制策略一般都遵守下面原则：

①制动控制优先使用电制动，当电制动系统故障或不能提供充足制动力时，空气制动进行补充。

②在进行空气制动补充时，为充分利用黏着，优先在拖车上施加空气制动，当在拖车上施加的空气制动超过它所承受的制动力时，空气制动开始在动车上进行补充。

思考与练习

1.在列车载荷不同，其他条件均相同的条件下，施加相同级位的制动力，这时相同的量是什么？不同的量是什么？主要围绕减速度、制动距离、制动力进行阐述。

2.在列车速度不同，其他条件均相同的条件下，施加相同级位的制动力，这时相同的量是什么？不同的量是什么？主要围绕减速度、制动距离、制动力进行阐述。

3.对于制动系统的车控和架控两种控制方式，同是6辆编组，当出现1台制动控制单元故障时，分析两种控制方式的制动系统对制动的影响程度。

4.当电制动力不够时，为何将空气制动首先在拖车上进行补充？

5.当出现M车与T车之间的通信中断时，M车、T车制动力的施加情况如何？