控制系统与风源系统的基本认知

项目9　KBGM模拟式电气指令制动系统

【项目描述】

城市轨道交通车辆的KBGM制动系统是使用在我国上海地铁1号线（锦江乐园至上海火车站）间DC01型列车上的，由德国克诺尔（Knorr）制动机公司生产的模拟电气指令式制动系统。本项目主要结合上海地铁DC01型车的制动系统的特点阐述KBGM模拟式电气指令制动系统的组成及工作原理。

【学习目标】

通过本项目学习，应能熟练掌握KBGM模拟式电气指令制动系统组成及工作原理。

【能力目标】

1.能简要说明上海地铁1号线车辆制动系统的特点。

2.能分析KBGM模拟式电气指令制动系统基本原理、组成特点和控制过程。

3.能简述KBGM型制动控制系统的设计、组成、特点及控制概述。

4.能知道KBGM型制动控制系统的发展前景。

任务1　KBGM控制系统与风源系统的基本认知

【活动场景】

在有多媒体设备的教室进行教学，通过多媒体技术展示KBGM模拟式电气指令制动系统的组成及工作过程。

【任务要求】

1.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统的设计、基本思路。

2.分析上海地铁DC01型车的制动系统的基本参数。

【知识准备】

1.KBGM系统的基本认知

（1）KBGM制动系统的控制概述

如图9.1所示是KBGM型电空制动控制系统的控制简图。KBGM模拟式电气指令制动系统是由德国克诺尔（Knorr）公司研制生产的，KBGM系统用一条列车线贯穿整列车，形成控制电路，采用脉冲宽度调制（PWM）电气指令实现无极控制，配备有防滑控制系统，采用高集成的电子控制单元（BCU），制动方式优先采用电制动（再生制动、电阻制动），空气制动方式补偿电制动力的不足。

图9.1　KBGM型电空制动控制系统

KBGM系统的基本工程过程是当列车开始制动时，首先是动力制动，即再生制动和电阻制动。每个动车的电制动为主制动，且优先于空气制动，列车在进行电制动时不存在制动闸片或制动盘的磨损的现象，因此这种方式比较经济。电制动力对于特定速度和负载条件，可以满足列车单元（一动车与一拖车），在没有摩擦制动系统支持条件下的减速。电阻制动用于消耗不能再生的那部分制动电流。如果再生制动失败，则由电阻制动承担全部动力制动。一旦电制动不能满足司机主控制器所要求的制动力，这部分制动力将由空气制动补充。当列车速度降低到6km/h以下时，电制动将被全部切除，所有给定的制动力全由空气制动提供。在一般常用制动模式中，每个动车的电制动都能使动车和拖车减速到特定的速度和负载条件相对应的制动参数值。如果相对应的参数值和负载的制动力设定值超过最大可用的电制动力，那么剩余的制动力最先由相应的拖车的电空制动补充，其余的由动车补充。

（2）KBGM制动系统工作过程的具体分析

①制动指令的输入。制动指令是微机根据变速制动要求，即司机施加制动的百分比（常用制动为100%）所下达的指令。

②制动信号。制动信号是城轨列车制动指令的一个辅助信号，表示运行的城轨列车即将要采取制动措施。

③负载信号。这个信号来自于空气弹簧承载荷的信息。

④电制动关闭信号。此信号为信息信号，预示空气制动要立即替补即将消失的电制动。

⑤紧急制动信号。是一个安全保护信号，它可以跳过电子制动控制系统，直接驱动制动控制单元BCU中的紧急阀动作，从而实施紧急制动。

⑥保持制动（停车制动）信号。这个信号能防止车辆在停车前的冲动，能使车辆平稳地停止。

（3）KBGM系统的使用

目前，许多城市轨道交通列车的编组将由4节扩编到6节编组，最终扩编成八节编组，以上海地铁DC01型车为例，上海地铁DC01型车是我车第一个采用KBGM制动系统的车辆，该型车近期为六节编组，编组形式为A—B—C—B—C—A，其中A为拖车，B、C为动车，C车配备有制动空气压缩机组；为满足城市客流增长的需求，远期将采用八节编组形式，即A—B—C—B—C—B—C—A。

DC01型在制动控制方面的主要参数表述如下：

①DC01型列车的设计构造速度为80km/h，平均旅行速度为35km/h，平均减速度为1.15m/s2。

②在试验中，选定制动初速度为80km/h时，对应的停车时间为19.3s（±15%）；60km/h时，对应的停车时间为14.5s（±15%）；40km/h时，对应的停车时间为11.1s （±15%）；20km/h时，对应的停车时间为5.6s（±15%）。紧急制动平均减速度可达1.3m/s2，同样选取制动初速度分别为80km/h，60km/h，40km/h，20km/h时，对应的停车时间分别为17.1s（±15%），16.7s（±15%），8.6s（±15%），5.6s（±15%）。

2.KBGW系统供风单元的认知

由图9.1所示的KBGM型模拟式电气指令制动控制系统的系统图可知，此系统主要由供气单元、制动控制单元（BCU）、微机制动控制单元（ECU）、防滑系统和单元制动机5个部分组成。在本次任务中，我们主要分析其供气系统的组成和工作过程，以下分析请参阅图9.2所示的KGBM模拟空气制动管路系统图。

1）供气单元的组成

分析图9.2可知，KBGM制动系统的供气单元向整列车制动系统、受电弓、客室气动门、空气悬挂装置、刮雨器等提供压缩空气。主要由VV230/180-2型活塞式空气压缩机组A1、单塔空气干燥器A7和风缸组成。其中风缸分为：总风缸（250L）、空气悬挂系统（空气弹簧）风缸（100L）、制动储风缸（50L）及客室风动门风缸（50L）。

VV230/180-2型活塞式空气压缩机组A1，主要安装于C车上，即一列六编列车有两套空气压缩机组；在1500V直流电动机的驱动下以每分钟1520转的速度旋转，每分钟可提供10bar的压缩空气1500L。安装方式采用弹簧索弹性吊挂在车体上，起到缓冲和降低振动的作用。

2）供气所单元的组成

①单塔空气干燥器A7，主要安装于C车上，由油水分离器、干燥筒、排泄阀、电磁阀、再生储风缸及消音器等组成，起干燥作用。

②风缸，每节车均安装有风缸，主要是用于储存压缩空气，用钢板制成，具有较高的耐压性，属于压力容器。C车上还安装有空气干燥器用50L再生储风缸。

③空气压缩机组A1，将压力空气输出给干燥器A7，经干燥器干燥后向每个车组A—B—C或B—C提供压力空气，由安全阀A6和压力继电器（气电开关）A13对空气压力进行监控，以保证整列车用风设备的安全性。安全阀的设定值为1000kPa，以保证总风压力；压力继电器是空气压缩机组的控制元件，它的开启压力为700kPa，切断压力为850kPa。由司机室驾驶台上的双针压力表B29用白色和红色指针分别显示总风管压力和制动缸压力。

空气制动系统中，制动储风缸的空气在经微处理机和制动控制单元的控制下，经数个截断塞门B9和排气（防滑）阀G1等和制动控制单元后，进入单元制动机。排气阀主要是在防滑系统控制下完成防滑功能，在正常的制动和缓解过程中，排气阀只是作为进出制动缸的通道，不产生任何动作。

总风管压力空气经截断塞门B2、减压阀B12、电磁阀B19、双向阀B20向具有停放功能的单元制动机C3供风，由司机在驾驶室内操纵电磁阀B19来完成停放制动的施行或缓解。

双向阀B20的另一端与不带停放制动的单元制动机C1相连，主要是为了防止常用制动与停放制动同时施加而造成制动力过大的安全回路。

【任务实施】

本次任务的实施以学习小组形式进行交流学习，主要分析上海地铁1号线地铁列车KBGM制动系统的使用情况。

1.上海地铁1号线的制动技术基本情况了解

上海地铁1号线（锦江乐园至上海火车站）长16.67km，有13座车站，平均站间距离1.39km。设计的运行间隔时间为2min，上海地铁车辆有3种类型：A车为无动力的拖车，一端设有驾驶室；B车为设有受电弓的动车；C车为装有空压机组的动车。列车的近期编组为6辆，即A—B—C—B—C—A；远期为8辆编组，即A—B—C—B—C—B—C—A。A车长度为23.54m，B、C车长度为22.1m；宽度均为3m。B、C车一般为固定编组，其连接采用半永久车钩，而B、C车与A车之间的连接则采用半自动密接式车钩（即机械挂钩为自动的，电气连接为人工的）。

上海地铁1号线车辆采用德国克诺尔（Knorr）制动机公司生产的模拟式电空气控制制动系统，它用一条电缆贯通整个列车，形成连续回路。模拟式制动系统的操作指令是采用电控制空气、空气再控制空气的方法。制动电指令是利用脉冲宽度调制，能进行无级控制。制动方式有再生制动、电阻制动和空气（摩擦）制动3种，它们分别为第一、第二和第三优先制动。再生制动取决于接触网的接收能力，亦即取决于网压高低和负载利用能力；电阻制动承担电机电流中不能再生的那部分制动电流。再生制动电流加电阻制动电流等于制动控制要求的总电流，此电流受电机电压的限制。当地铁列车速度降到10km/h，电制动被全部切除时，所有给定的制动力全由空气制动提供。

图9.3是上海地铁DC01型列车使用的KEGM模拟式电气指令制动系统，它由供气单元、制动控制单元（BCC）、微机制动控制系统（MBCU）、防滑系统和单元制动机5个部分组成。

2.上海地铁供气单元的认知

由图9.3可见，上海地铁DC01线列车的供气单元主要由W2301180-2型活塞式空气压缩机组A1、单塔空气干燥器A1和多个风缸组成。空气压缩机组和空气干燥器只在C车上安装，即一个6节编组列车有两套供气机组，而一个8节编组列车则有3套供气机组。其他每节车，无论拖车还是动车，都装有4个风缸，即250L总风缸、100L的空气悬挂系统（空气弹簧）风缸、50L制动储风缸和50L客室风动门风缸。在每个C车上另外还有一个50L的用于空气干燥器的再生风缸。空气压缩机组A1要为每个车组（A—B—C或B—C）提供足够的所需的干燥压力空气，在供气过程中由安全阀A6和压力继电器（气—电开关）A13对空气压力进行监控。安全阀的锁定值为1000kPa；压力继电器是空气压缩机组电动机的控制元件，它的开启压力为700kPa，切断压力为850kPa。整个供气系统除了为空气制动供气外，还为受电弓升降、客室气动门、空气悬挂系统和刮雨器等提供压缩空气。

图9.3　上海地铁的DC01型列车模拟式电气指令制动系统

单塔空气干燥器A7输出的压力空气通过单向阀A14和总风管到达每辆车的总风缸A9，制动储风缸B4、空气弹簧风缸和客室车门风缸。司机室驾驶台上的双针压力表B29用白色和红色指针分别显示总风管压力和制动缸压力。

在空气制动系统中，由制动储风缸进入制动控制单元B6的压力空气，在微处理机和制动控制单元的控制下，进入各个单元制动机，中间要经过数个截断塞门B9和排气（防滑）阀G1等。排气阀仅受微处理机的防滑系统控制，在制动和缓解过程中，排气阀仅作为进出制动缸的压力空气的通道而已，不产生任何动作。

此外，总风管还通过截断塞门B2、减压阀B12、电磁阀B19及双向阀B2。通向具有弹簧（停车）制动器的单元制动机C3。这条通路是由司机在驾驶室内操纵电磁阀B19来控制停放制动的施行或缓解的，而双向阀B20的另一端与一般的单元制动机C1相连，这主要是为了防止通常制动与停放制动同时施加而造成制动力过大的安全回路。【知识链接】

城轨列车制动机著名制造商——德国克诺尔集团

克诺尔集团作为世界领先的轨道及商用车辆制动系统制造商。100多年来，克诺尔以领先的科技，致力推动轨道和商用车辆领域内不同用途的现代制动系统的开发、生产和销售。集团对轨道和公路安全作出了重大的贡献。除制动系统之外，其他产品领域为用于轨道车辆的门系统和空调设备，以及用于内燃发动机的扭转振动减振器。超过16000名员工遍及全球，于2010年度获超过37亿欧元的销售额。企业的成功来自轨道和商用车辆这两个业务部门的协同效应，和本集团立足全球的战略方针以及员工们的创造力和工作热情，将继续领导轨道和商用车辆的技术变革。

1905年，克诺尔在柏林创办克诺尔制动系统有限公司，由乔治・克诺尔在柏林创办克诺尔制动系统有限公司。

1923—1939，为货运列车开发压缩空气制动装置，发展成为欧洲轨道车辆领域内最大的制动器制造商。

1923—1939，获得第一项商用车辆压缩空气制动装置专利，在17个国家使用希尔德布兰-克诺尔制动设备的标准制动器。

1945—1953，在西德开发和制造制动装置，公司将新址定在慕尼黑。

1960—1980，KE控制阀成为新的国际铁路联盟标准，凭借用于轨道车辆的AARDB-60阀进入美国市场。

1985—1990，机构改组，将业务聚焦到轨道和商用车辆的制动技术上。

1990—2000，通过设立子公司和收购其他公司创建一个国际性生产联盟，博世股份公司建立合资公司与VEB柏林制动设备制造厂和罗伯特，收购NYAB和IFE，用于商用车辆的气动操作盘式制动器投入大批量生产。

2000—2010，扩大全球业务，发展成为全球领先的制动技术企业，收购Westinghouse，Bendix，Zelisko，Microelettrica，Merak。

克诺尔制动系统股份公司作为集团的最高管理机构来领导轨道车辆系统和商用车辆系统这两个业务部门，同时也领导地区公司。业务经营活动的领导工作分地区开展，划分的地区有：欧洲、北美洲、南美洲以及亚洲/澳大利亚。这一组织结构，能给以上两个业务部门的客户提供在全球久经考验和统一的技术平台，同时兼顾地区市场和客户要求。

2007年引入的克诺尔卓越（KE）模型描述了公司为实现其战略目标在所有各个领域内从“很好”发展到“卓越”的愿景；这一点对作为至关安全的系统制造商的克诺尔而言质量是最重要的前提条件。实现“克诺尔卓越”，可通过将现有业务部门的管理模式协调并纳入共同的“克诺尔卓越”模式里，包含所有流程，并逐渐得到共同改进。这意味着，共同制订正确的优先次序，说一种共同的语言，定义一个共同的目标，并形成一种应如何实现此目标的共同理解。此外，将所有之前和新的有关过程优化的方案，全部跨部门地集合在“克诺尔卓越”的总体架构之下。目的是在所有过程中实现卓越，以便最终在客户里创造全面的绩效。新的方案尤其涉及开发、生产和物流过程。其结果亦相应地被纳入“克诺尔卓越”模式，以作过程改进的措施。由此，可以在公司各部门间交流最佳实践案例，发现现今过程的弱点并将之清除。

自从1985年开始发展亚太区业务以来，克诺尔集团在亚太区的业务已经扩展至20多个地区，接近3500名员工，分布在中国、韩国、日本、印度、东南亚以及澳大利亚等各国，员工数量占克诺尔集团全球总数的超过20%。为了维持集团在亚太区的大好发展局面，在国际协调发展中保持高度的灵活性，克诺尔集团于2004年成立了克诺尔亚太区（控股）有限公司作为服务于亚太区的地区总部。克诺尔亚太区总部设在香港，其职能是作为一个地区性的管理中心，同时也是具有领导性的中国香港销售团队的基地所在，负责向中国香港、中国台湾及东南亚等业务范围内的地区提供服务。此外，本地区总部还是人力资源、信息科技以及财务与控制共享服务团队的所在地，可向亚太区的各办事处提供有效的服务支持。

克诺尔向来重视顾客的满意度。集团的目标是根据客户的特殊要求向他们提供定制解决方案，并通过高效的运作向所有地区提供覆盖广泛的零配件商务服务。

经过多年的发展，克诺尔已经成为中国市场中一个举足轻重的品牌。公司目前在中国的13个地方拥有业务经营（包括亚太区总部所在地香港），2010年雇用员工超过2200人；公司正以较快的速度稳步向前发展。除了位于香港的亚太区总部，轨道车辆系统部在中国还另有5家合资公司，分别位于广州、青岛、无锡、南口和大兴，以及两家分别位于苏州和上海的全资子公司，这些公司主要向轨道交通领域提供制动及车载系统等相关产品。位于上海的全资子公司是集团商用车辆系统部在中国的总部，主要负责提供市场营销、应用工程和全球采购服务。此外，商用车辆系统部还在大连拥有一家合资公司和一家全资公司，以及在重庆拥有一家合资公司，负责提供全系列的商用车辆制动产品。克诺尔对中国市场一直极为重视，集团一贯坚持通过提供性能良好的产品和先进的技术，致力于打造卓越的客户忠诚度。

可持续发展和承担社会责任是一家公司的重要组成部分，在现代企业管理中也会越来越受到重视。如今，能源和资源紧缺，气候变迁以及竞争压力加剧等议题直接影响到公司的业务经营活动和未来的发展方向。克诺尔也担负起它的企业责任，并将可持续发展的方针纳入其业务发展策略中。

目前，克诺尔制动系统股份公司已经在其旗下成立了企业社会责任（CSR）总部门。该部门的职责是给克诺尔的可持续发展的经济模式注入新的活力，并在集团内建立一个有系统和集成的可持续发展管理的体系，以扩大并彰显克诺尔对社会的贡献。

【效果评价】

评价表

续表

任务2　KBGM制动控制单元的学习

【活动场景】

利用多媒体重点对KBGM模拟式电气指令制动系统的组成、各部分作用、常用制动、紧急制动原理及防滑控制策略进行讲解。

【任务要求】

1.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统的组成。

2.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统各部分作用。

3.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统各部分动作原理。

4.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统的常用制动原理。

5.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统的紧急制动原理。

6.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统的防护控制策略。

【知识准备】

KBGM模拟式电气指令制动系统由除供气单元外，还有制动控制单元（BCU）、微机制动控制系统（EBCU）、防滑系统及单元制动机等重要的组成部分组成，下面重点结合上海地铁DC01型车对该系统进行重点讲解。

制动控制单元（BCU）主要由模拟转换阀（EP阀）、紧急阀、称重阀和均衡阀等组成，是制动控制的核心。如图9.4所示，制动控制单元（BCU）如同印刷线路板一样，是一个高度集成的控制单元，将模拟转换阀（EP阀）、紧急阀、称重阀和均衡阀等安装在一块铝合金的气路板上，气路板上设置了部分测试接口，用于测量各个控制压力和制动缸压力，操作非常简便。安装于车底的一个箱子里，打开箱盖便可以进行整机或部件的测试、检修。

1.模拟转换阀（EP阀）

（1）模拟转换阀的结构

模拟转换阀（EP阀）属于电气转换装置，由电磁进气阀（类似于控导阀）、电磁排气阀和气—电转换装置组成，模拟转换阀的结构如图9.5所示。

图9.4　BCU气路图

图9.5　模拟转换阀

1—气—电转换器；2—电磁排气阀；3—电磁进气阀（图示线圈处于励磁状态）；4—阀座；5—阀；
6—弹簧；7—阀体；R—由制动储风缸引入压力空气；Cv1—预控制压力空气引出；O—排气口

（2）模拟转换阀的动作原理

如图9.5所示，当模拟转换阀的电磁进气阀3线圈接收来自微处理机提供的空气制动力大小的电指令后，线圈励磁，打开阀口，使制动储风缸压力空气通过R口进入，经该进气阀转变成与电指令要求相符的压力空气（即预控制压力），此时空气通路分为3路：一路通过Cv1口，经气路板向紧急阀A2口输出；一路通向电磁排气阀；一路通向气—电转换器，气—电转换器将该压力信号转换成相对应的电信号，反馈回微处理器，由微处理器将此信号与制动指令信号进行比较，如果该信号大于制动指令，则关小进气阀并通过电磁排气阀通路进行排气，如果信号小于制动指令，则继续打开电磁进气阀，直到预控制压力与制动电指令的要求相符为止。

从模拟转换阀出来的Cv1压力空气通过气路板内的气路进入紧急阀的A2口，下面我们分析紧急阀的结构与原理。

2.紧急阀

（1）结构

如图9.6所示是紧急电磁阀的结构图，由图可知紧急阀是二位三通电磁阀，励磁情况下，连接常用制动空气通路，消磁情况下，连接紧急制动空气通路。它有3条空气通路，分别为：A1连接制动储风缸，A2连接模拟转换阀输出口，A3连接称重阀输入口。

（2）动作原理

①在紧急制动时，紧急电磁阀处于消磁状态，如图9.6（a）所示，A4为控制空气通路，O为排气口。滑动阀受弹簧压力向右侧滑动，制动储风缸通过A1口、A3口与称重阀连通，此时通过切断A2口、A3口来切断了模拟转换阀与称重阀的通路，使压力空气直接通过称重阀作用在单元制动机上。

②常用制动时，紧急电磁阀处于励磁状态，如图9.6（b）所示，A4为控制空气通路，O为排气口。滑动阀在线圈磁力的作用下压缩弹簧向左滑动，模拟转化法通过A2口、A3口与称重阀连通，通过切断A1口、A3口来切断了制动风缸与称重阀的通路，由于通道阻力，预控制压力Cv1经过紧急阀时略有下降，此时，输出预控制压力Cv2给称重阀。

图9.6　紧急阀的结构与两种工况

A1—通制动储风缸；A2—通模拟转换阀；A3—通称重阀；A4—控制空气的通路；O—排气口

3.称重阀

（1）结构

称重阀又称空重车调整阀，为杠杆膜板式结构，如图9.7所示为KBGM阀的结构与原理图，由图可知，称重阀主要由阀体、K形密封圈、膜板、活塞、调整螺钉、节点滚轮、杠杆、调整螺钉、管座、弹簧、空心杆、橡胶夹心阀、充气阀座、排气阀座、排气口等组成。

（2）原理

称重阀由左侧的负载指令部分、右侧的压力调整部分和下方的杠杆部组成。称重阀主要是用来限制制动力过大时使用。如图9.7所示，空气弹簧将车重信号（车辆载荷信号）通过称重阀管座的T口、阀内通路进入活塞6和膜板5的上方的气室，该压力空气产生向下的作用力，通过与活塞连接的作用杆将该作用力传递到杠杆9的左端，杠杆绕支点滚轮逆时针旋转，右端推动空心杆向上移动，使橡胶夹心阀16离开其充气阀座19而被打开，此时，从紧急阀输出的预控制压力Cv2通过阀内通路经打开的橡胶夹心阀阀口进入活塞14和膜板15上方的气室内，推动活塞14向下移动，当向下作用力达到某一值，与杠杆向上的作用力平衡时，此时，杠杆处于平衡状态，橡胶夹心阀阀口关闭，这时活塞14和膜板15上方气室的空气压力作为预控制压力Cv3，经管座的接口及气路板内的通路输出给均衡阀，作为均衡阀的控制压力。

图9.7　稳重阀的结构与原理图

1—螺盖；2—阀体；3—从动活塞；4—K形密封圈；5—膜板；6—活塞；7—调整螺钉；8—支点滚轮；
9—杠杆；10—调整螺钉；11—管座；12—弹簧；13—空心杆；14—活塞；15—膜板；16—橡胶夹心阀；
17—充气阀座；18—排所阀座；19—弹簧；20—调整螺钉；O—排气口

【小贴士】通过调整螺钉10可调整改变杠杆9两端力臂a，b的大小。微处理器发出的制动指令本身是由车辆的载荷、车辆的运行速度和制动控制器给出的制动力要求发出的。

①在常用制动中，模拟转换阀输出的预控制压力Cv1已受微处理器的控制，此时，称重阀几乎不起作用，仅仅是为了预防模拟转换阀控制失灵，属于冗余。

②在紧急制动时，压力空气未受模拟转换阀的控制，直接由制动储风缸经紧急阀到称重阀，此时，紧急阀仅作为空气通路，不起作用，因此，在紧急制动时，预控制压力（即最大的预控制压力）只受称重阀的控制。

4.均衡阀

（1）结构

均衡阀结构如图9.8所示，主要由膜板、均衡阀安装面、气路板、节流孔、活塞、节流孔、排气阀座、进气阀座、弹簧、K形密封圈、带橡胶阀芯的空心导向杆、阀体、制动储风缸接口、单元制动缸接口、称重阀预控制压力、排气口等结构组成。

（2）均衡阀的作用分析

①作用：能迅速给制动缸进行大流量的充、排气。

②动作原理。

制动时：称重阀输出的预控制压力Cv3经节流孔4进入活塞5下方气室，推动活塞5上移，关闭通向单元制动缸的排气阀口（下方的橡胶阔面与排气阀座7密贴），打开进气阀（上方的橡胶阀面离开进气阀座8），此时，制动系统空气通路为：制动储风缸压力空气—R口—进气阀口，此时空气通路分为两路，一路经过C口进入制动缸，制动施加；另一路通过节流孔6进入活塞5上方气室C中，当C室压力与活塞5下方气室的压力Cv3相等时，进气阀口关闭。由此可见，均衡阀充、排气压力随预控制压力Cv3的变化而变化，即制动缸压力与预控制压力Cv3相等。

缓解时：如果预控制压力Cv3消失，均衡阀气室C在制动缸压力空气作用下推动活塞5向下移动，打开排气阀口，此时，制动系统空气通路为：单元制动缸中压力空气—C口—排气阀口—带橡胶阀面的空心导向杆（11）—O口，制动缓解。

图9.8　均衡阀的结构与原理图

D1，D2—节流孔；V1—进气阀座；V2—排气阀座；M1—膜板；1.2—阀体；
1.6—弹簧；1.7—带橡胶阀面的空心导向杆；1.9—活塞；K1，K2，K3—克诺尔密封圈；
R—通向制动储风缸；C—通向各个单元制动缸；Cv3—来自称重阀的预控制压力；
O—排气日；1—控制室Cv；2—气路板；3—均衡阀安装面；

5.停放脉冲阀

停放脉冲阀是先导控制的二位五通阀（R、A、P、B、S），用于气电控制回路中，如果电脉冲被触发，则控制腔充气或排气，或按照顺序交替进行。例如，用于单作用风缸或双作用风缸（操作弹簧驻车制动，控制门风缸等）。其作用原理是：当阀磁铁1和阀磁铁2失电时，城轨车辆处在缓解位，即电磁铁断电，活塞总是处于一个端部位置（如图9.9所示，活塞处于左端）。进气口P和排气口A形成通路。

当阀磁铁1得电时，控制空气经阀座5到活塞，使活塞移到右端位。当电脉冲终止时，磁铁同其底座被弹簧压在阀座5上，流进活塞的控制空气被切断，活塞仍留在原处（右端位）。操作气流A经排气口R排入大气。当阀磁铁得电时，压力空气驱动活塞运动到左端位。

当断电情况一下，可以手动操作脉冲电磁阀，按下按钮到停正位，使活塞移到左右两端中的一端，松开手后，按钮复原，活塞停留在原处。

图9.9　脉冲电磁阀

1，2—阀用电磁铁；3，4—阀盖；5，6—阀座；7，8—手动操作按钮；
9—弹簧；10—K形密封环；11—活塞；12—底阀；A，B—用气设备接口；
O—排气口；P—压缩空气接口；R，S—排气口

6.微机制动控制系统

通过以上对制动控制单元各部件的系统学习，我们知道在KBGM制动系统中用于控制电空制动和防止车轮滑行控制的微机处理单元称为制动控制单元BCU。制动控制单元BCU各部件在KBGM制动系统的气路板上的安装位置如图9.10所示。

图9.10　EBCU各部件在气路板上安装集团展开图

图9.10是按气路连通关系绘制的展开图，它可以很清晰地显示各部件之间的气路关系、气路板内的通路，也简略地显示了各部件的外形。

制动控制单元的作用是当列车在运行中施行制动时，所有与制动有关的参数将被送到该微机处理器中，微机处理机当即计算出一个当时所需要的制动指令，这个指令由模拟转换阀转换成一个与电指令呈一定比例的预控制空气压力，然后再由预控制压力通过均衡阀使单元制动缸充入空气，并使单元制动缸与预控制压力空气相对应。

【注意】每一辆车均有一套相对独立的制动控制系统，此外，微机制动控制系统还具有整个制动控制系统的故障自诊断和故障储存功能。

7.电空制动电子控制原理

电空制动电子控制原理如图9.11所示。当ECU根据制动要求发出制动指令时，伴随着指令也出现制动信号。此信号使开关线路R导通，制动指令能通过R到达冲动限制器，检验其减速度的变化率是否过大。制动指令到达负载补偿器，补偿器可以根据信号存储器中的负载大小检测制动指令的大小，将调整好的制动指令送至开关线路R（为防止制动力过大，R3只有电制动关闭触发才能导通），再送至制动力作用器。从制动力作用器出来的电信号送至电—气转换器，将电信号转换成控制电流，去控制BCU中的模拟转换阀，并且接受模拟转换阀反馈回来的电信号，进一步调整控制电流。当列车速度低于4km/h时，制动指令将被保持。

当列车需要施行常用全制动（100%制动指令）或者紧急制动时，最大制动信号或者紧急制动信号可以触发一个旁路或者门电路，输出高电平驱动开关电路R，使制动作用器直接接受负载存储器的信号，大大缩短信号传输时间。

图9.11　电空制动电子控制原理图

【任务实施】

以学习小组的形式，利用多媒体进行交流学习，熟练掌握KBGM模拟式电气指令制动系统的组成，以及各组成部分的动作及常用制动、紧急制动原理、防滑控制策略。

【效果评价】

评价表

任务3　KBGM空气制动系统和防滑作用原理的学习

【活动场景】

利用多媒体技术分析KBGM模拟式电气指令制动系统的组成、各部分作用的常用制动、紧急制动原理及防滑控制策略进行讲解。

【任务要求】

1.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统的组成。

2.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统各部分作用。

3.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统各部分动作原理。

4.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统的常用制动原理。

5.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统的紧急制动原理。

6.掌握KBGM模拟式电气指令制动系统的防护控制策略。

【知识准备】

在任务2中我们学习了KBGM模拟式电气指令制动系统的供气单元和制动控制单元（BCU）、微机制动控制系统（EBCU）、防滑系统及单元制动机等重要的组成部分组成，下面结合上海地铁DC01型车对该系统进行重点讲解。

1.空气制动系统作用原理

（1）基本原理

空气制动系统的主要作用是将来自微处理制动控制系统EBCU（B5/G2）的电子模拟信号通过B6制动控制单元中的模拟转换阀转换成一个与其相对应的预控制（空气）压力，这个预控制压力是呈线性变化的，以后还受到称重阀和防冲动检测装置的检测和限制，最后使制动缸C1和C3获得符合制动指令的空气制动压力。制动控制单元的工作原理如图9.12所示。

图9.12　空气制动控制原理图

KBGM模拟式电气指令制动系统原理主要是依靠制动控制单元（BCU）中的模拟转换阀将来自微机控制单元（EBCU）的制动电子模拟信号转换成一个与其对应呈线性变化的，受称重阀和冲动检测装置限制的预控制压力，利用该压力使制动缸获得所需制动指令的空气制动压力。KBGM制动系统的原理，如图9.13所示。

（2）常用制动

①制动施加。制动控制单元（BCU）接收来自微机控制单元（EBCU）摩擦制动电指令时，模拟转换阀的电磁进气阀的线圈加电励磁，阀芯克服弹簧压力向下移动，制动储风缸中的压力空气经R进入模拟转换阀，并通过该进气阀转变成与电指令要求相符的预控制压力Cv1。此时紧急阀处于加电励磁状态，滑动阀处于左侧位置，接A2和A3导通，空气通路为：制动缸压力空气R进入模拟转换阀—电磁进气阀—转换成预控制压力Cv1—紧急阀A2—紧急阀调整为预控制压力Cv2—紧急阀A3—进入称重阀，称重阀根据车辆载荷情况进行调整，输出预控制压力Cv3—进入均衡阀，推动活塞上移，打开进气阀，此时，制动储风缸压力经均衡阀R，C进入单元制动机的制动缸内，常用制动得以施加。

②制动缓解。制动控制单元（BCU）接收来自微机控制单元（MBCU）摩擦制动缓解电指令时，打开电磁排气阀，排出预控制压力Cv1，此时，Cv2，Cv2预控制压力也在相应的紧急阀和称重阀输出消失，均衡阀活塞在制动缸压力作用下向下移动，排气阀口开启，使单元制动缸中的压力空气通过排气阀和空心导向杆及排气排入大气，常用制动得以缓解。

图9.13　系统原理总图

（3）紧急制动

施加紧急制动时，紧急阀失电消磁，紧急阀的滑动阀在弹簧作用下右移，接通紧急阀A1，A3，此时制动储风缸的压力空气通过绕过模拟转换阀直接进入称重阀，由称重阀根据车重载荷信号输出最大的预控制压力，该压力进入均衡阀后打开进气阀口，导通均衡阀R与C的通路，使制动储风缸的压力空气经R，C进入单元制动机的制动缸内，产生紧急制动。

2.防滑系统

（1）概述

防滑系统用于车轮与钢轨黏着不良时，对制动力进行控制。其作用如下：防止车轮即将抱死；避免滑动；最佳地利用黏着，以获得最短的制动距离。

当黏着状态不好时，列车速度和车轮速度之间将产生一个速度差，防滑控制系统就是用来控制车轮速度，消除该速度差的。其作用原理如图9.14所示。

列车启动后，防滑系统就对每个轮对的圆周速度进行检测，然后形成一个参考速度以取代列车速度，并用排气阀G1来控制车轮的滑行和减速度。轮对的速度和减速度与设定的标准相比较就形成控制排气阀的指令。

由于轮对踏面加工直径和磨耗的差别，轮对的线速度有稍微差别，所以在防滑控制系统中设置了人工的轮径调整装置。这个装置就是图9.14中的5个开关，利用这些开关分和合的不同位置，将车轮直径分成32挡。将每辆车中的一根轴调整到它的规定标准，而其他轴也将会根据轴端的速度传感器输出的速度信号进行自动调整。

（2）空转、滑行的判断

①空转。牵引力大于黏着力，发生空转的轮对转速大于列车速度。

②滑行。制动力大于黏着力，发生滑行的轮对转速小于列车速度。

列车的实际速度由A车轮轴上的速度传感器提供，与动车上的电动机速度信号分别比较，判断轮对是否发生空转或滑行。

（3）摩擦制动滑行控制

ECU实时监控每根轴的转速，一旦任一轮对发生滑行，都能迅速向该轮轴的防滑阀发出指令，沟通单元制动缸与大气的通路，使单元制动缸迅速排气，从而解除该轮对的滑行现象，实现ECU对各轮对滑行的单独保护控制。

（4）电制动滑行控制

由于一辆动车中的一台VVVF逆变器并联向4台牵引电动机供电，当DCU监测到任一轮对出现电制动滑行时，会向VVVF发出降低电制动力的指令，使本车的4个轮对的制动力矩同时下降，待滑行消除后再恢复。

电制动滑行时，如果黏着力小于50%并超过3s时，DCU将切除电制动，由ECU补充气制动。制动和防止车轮滑行的微处理机，具有对整个制动控制系统的故障自诊断和故障存储功能，是KBGM模拟式电气指令控制系统的核心部件，在车辆运行中，若施加制动，微机制动控制系统将收集所有与制动有关的各类参数，并计算出所需制动力的制动指令，并将该指令输出给制动控制单元（BCU），制动控制单元（BCU）中的模拟转换阀将该指令转换成一个与该指令成一定比例的预控制压力，然后将该压力通过均衡阀使单元制动缸充入压力空气，并保证单元制动缸压力与预控制压力相互对应。

图9.14　防滑控制系统作用原理

防滑系统主要功能是当列车由于制动力过大，轮轨间黏着遭到破坏时，通过控制排气阀动作，恢复轮轨间黏着力，消除车轮滑行，是制动控制系统的重要组成部分，独立进行工作。

动作原理：制动时，当某一轮对上的制动力过大，而使该车轮滑行时，防滑系统控制该轮对应的排气间G1迅速连通制动缸与大气的通路，使制动缸迅速排气缓解，从而解除了该轮的滑行现象。防滑系统通过车轮测速装置G3、G4、G5监视同一车辆上4个轮对的转速，并通过控制对应的排气阀G1来实现防滑控制。

防滑系统是制动控制系统的一部分，它可独立工作，在每根车轴上都设有一个对应的排气阀G1，它们由防滑系统所控制。当某一轮对上的车轮的制动力过大而使车轮滑行时，防滑系统所控制的、与该轮对应的排气阀G1迅速连通制动缸与大气的通路，使制动缸迅速排气，从而解除了该轮的滑行现象。防滑系统通过车轮测速装置G5（如图9.14所示）始终监视着同一车辆上4个轮对的转速，并控制着4个对应的排气阀G1。

（5）防滑控制

当黏着状态不好时，列车速度和车轮速度之间将产生一个速度差，防滑控制系统就是用来控制车轮速度并消除该速度差的，其作用原理如图9.14所示。

列车启动后，防滑系统就对每个轮对的圆周速度进行检测，然后形成一个参考速度以取代列车速度，并用排气阀G1来控制车轮的滑行和减速度。轮对的速度和减速度与设定的标准相比较就形成控制排气阀的指令。

参考速度可通过以下方法取得：在牵引时取4根轴中的最大速度，在制动时取最小速度，然后让其余3根轴的速度与其比较，以判定是否在牵引时空转或在制动时滑行。如果确定是空转或滑行，防滑系统将切断牵引回路或减小牵引力以消除空转，打开制动缸的排气阀G1以消除滑行现象。

车辆在运行时，防滑系统实时对每个轮对的速度进行检测，获取一个参考速度来取代列车的运行速度，车辆在施加制动时，因制动力过大而产生滑行时，列车速度与滑行车轮间就会产生一个速度差，此时防滑系统根据轮对的速度和减速度与设定的标准相比较形成的控制指令向排气阀发出排气指令，依靠排气阀排气，恢复轮轨间的黏着力，消除该轮对滑行，提高轮对的使用寿命。

轮对在加工过程中，其直径和磨耗都存在着差别，导致轮对运行中的线速度存在差别，为获取更好的控制效果，在防滑控制系统中设置有人工的轮径调整装置，该装置就由5个开关组成，利用这些开关分和合的不同位置，将车轮直径分成32挡（每挡3mm），将每辆车中的一位轴调整到它的规定准，其他轴根据安装在轴端的速度传感器输出的速度信号进行自动调整。

防滑系统是制动控制系统的一部分，它也是独立工作的，在每根车轴上都设有一个对应的排气阀G1，它们由防滑系统所控制。当某一轮对上车轮的制动力过大而使车轮滑行时，防滑系统所控制的与该车轮所对应的排气阀G1迅速连通单元制动缸与大气的通路，使单元制动缸迅速排气，从而解除该轮的滑行现象。防滑系统通过车轮测速装置G3.1，GAL及G5始终监视着同一车辆上4个轮对的转速，并控制着4个对应的排气阀。防滑系统一般由微机制动控制单元（B）、防滑阀、测速传感器组成。

防滑阀是城市轨道交通车辆中电子防滑系统的重要组成部分，它是防滑控制回路中的执行机构。防滑阀由电子开关装置控制。借助防滑阀，单元制动气缸中的空气压力能够逐级降低或者再次升高到设定的数值。GV12防滑阀的结构如图9.15所示。

防滑阀主要由一个带有两个换向隔膜的外壳、一个双阀用电磁铁、两个将阀用电磁铁与外壳连接在一起的侧板和一个阀门支架组成。外壳有两个阀座。每个阀座都能够通过隔膜打开或关闭。D隔膜可以接通或者断开从D室到C室（到单元制动缸）的连接。C隔膜可以使C室和O排气口相连。双阀用电磁铁由两个二位只通换向阀（VM1和VM2）组成，其线圈在一个共用的塑料外壳里。

在未励磁状态下两个电枢通过电枢弹簧的弹力将外面的阀座密封，内部的阀座被打开，如图9.15所示，控制室SD和SC以及通向双阀用电磁铁的输入管路。

①未通过防滑系统的制动和缓解。

阀用电磁铁VM1和VM2不励磁。

a.缓解，如图9.15所示，阀门处于无压状态。D隔膜通过锥形弹簧保留在阀座VD上。

图9.15　GV防滑阀结构

1—外部阀座；2—内部阀座；3—双阀用电磁铁；4—侧板；5—电枢弹簧；6—外壳；
7—D隔膜；8—锥形弹簧；9—控制室SD；10—阀座VD；11—喷嘴dD；12—阀门支架；
13—喷嘴dC；14—阀座VC；15—C隔膜；16—控制室SC；C—通向单元制动缸；
D—通向控制阀或压力转换器；G—通向防滑开关装置；O—排气口

b.制动，如图9.16所示，D压力作用于D隔膜。由于控制室SD仍然没有压力，隔膜顶着锥形弹簧压向右侧末端，阀座VD开启。与此相反，通过开启的VM1内部阀座给控制室SC加载D压力。D压力（与阀座VC的面积有关）作为一种闭合力作用于C隔膜，阀座VC被关闭，D到C的通道开通，车辆可以无阻碍地进行制动。

c.制动的解除，如图9.16所示，在制动解除时阀门仍保持制动时的位置，即D和C之间的通道是开通的。一旦锥形弹簧的弹力超过了D压力（与隔膜的有效面积有关），在D压力小的情况下O隔膜就关闭。这样随着D压力不断降低，VC阀座上的C压力也会降低。

②通过防滑系统制动与缓解。

如图9.16所示。两个阀用电磁铁励磁。通过VM2给控制室SD加载D压力。在D隔膜上压力平衡，锥形弹簧将隔膜压到阀座Vo上，压力D被阻断；通过VMi给控制室SC排气，C压力将C隔膜压向左面，阀座VC打开，C压力通过VC流向O。

图9.16　防滑阀（阀用电磁铁VM1和VM2不励磁）

③通过防滑系统再次制动。

如图9.16所示，两个阀用电磁铁不励磁，控制室SD排气，SC进气。其作用与未通过防滑系统的制动相同。

④通过防滑系统保持压力恒定。

如图9.16所示，阀用电磁铁VM1不励磁，VM2励磁。给两个控制室SD，SC加载D压力，隔板将阀座VD和VC关闭，C压力与D和O的通道关闭。通过有效操作阀用电磁铁的控制，不仅可以在排气阶段也可以在进气阶段产生恒压等级。

因此，可以根据防滑系统调节逻辑的要求，快速（无级地）或慢速（一级一级地）增压及降压。进气或排气的压力梯度（无级）是由喷嘴dD和dC决定的。喷嘴的大小取决于需控制的C容积（但并非所有型号都配有喷嘴）。

【小贴士】

上海地铁车辆选用两种单元制动机，即PC7Y型和PC7YF型，我们在前面的项目中已经详细地介绍了它们的特性、功能和工作原理，在此不再赘述。每个转向架安装两个PC7Y型单元制动机和两个带有停车制动功能的PC7YF型单元制动机。同一类型的单元制动机成对角线安装，即每个轮对各有一个PC7Y型和PC7YF型单元制动机。

【任务实施】

以学习小组的形式，利用多媒体进行交流学习，熟练掌握KBGM模拟式电气指令制动系统的组成，以及各组成部分的动作及常用制动、紧急制动原理、防滑控制策略。

【效果评价】

评价表

项目小结

KBGM型模拟式电气指令制动控制系统主要由供气单元、制动控制单元（BCU）、微机制动控制单元（EBCU）、防滑系统和单元制动机5个部分组成。

制动控制单元（BCU）主要由模拟转换阀（EP阀）、紧急阀、称重阀和均衡阀等组成，是制动控制的核心。制动控制单元（BCU）如同印刷线路板一样，是一个高度集成的控制单元，将模拟转换阀（EP阀）、紧急阀、称重阀和均衡阀等安装在一块铝合金的气路板上，气路板上设置了部分测试接口，用于测量各个控制压力和制动缸压力，操作非常简便。安装于车底的一个箱子里，打开箱盖便可以进行整机或部件的测试、检修。

制动控制单元的作用是当列车在运行中施行制动时，所有与制动有关的参数将被送到该微机处理器中，微机处理机当即计算出一个当时所需要的制动指令，这个指令由模拟转换阀转换成一个与电指令呈一定比例的预控制空气压力，然后再由预控制压力通过均衡阀使单元制动缸充入空气，并使单元制动缸与预控制压力空气相对应。

防滑系统用于车轮与钢轨黏着不良时，对制动力进行控制。其作用如下：防止车轮即将抱死；避免滑动；最佳地利用黏着，以获得最短的制动距离。

思考与练习

1.KBGM模拟式电气指令制动系统的主要组成有哪些？

2.KBGM模拟式电气指令制动系统中制动控制单元由哪些部分组成？

3.简要说出KBGM模拟式电气指令制动系统的空气制动系统作用原理。

4.KBGM模拟式电气指令制动系统的供气单元由哪些主要部件？

5.KBGM模拟式电气指令制动系统是如何进行防滑控制的？

6.KBGM模拟式电气指令制动系统是知何进行紧急制动的？

7.KBGM模拟式电气指令制动系统有哪几种制动方式？

8.KBGM模拟式电气指令制动系统的动力制动和空气制动是如何协调进行制动的？

9.KBGM模拟式电气指令制动系统的模拟转换阀有何作用？

10.KBGM模拟式电气指令制动系统的紧急阀有何作用？