制动控制系统的组成与作用

项目10　KBWB模拟式电气指令制动系统

【项目描述】

KBWB城市轨道交通车辆制动系统是由原英国Westinghouse设计制造的模拟式电气指令控制的城轨制动系统，由于这种制动系统在我国城市轨道交通车辆制动系统中使用得不多，因此本项目主要以南京地铁1号线和上海地铁AC03型车所使用的KBWB模拟式电气指令制动系统为例简要阐述该系统基本原理、组成及制动过程。

【学习目标】

通过本项目的学习，应能熟练掌握KBWB模拟式电气指令制动系统构成及工作原理。

【能力目标】

1.能简要说明KBWB模拟式电气指令制动系统基本原理及组成特点。

2.能分析KBWB制动系统的制动原理。

3.能对照KBWB制动系统的控制原理图，分析KBWB制动系统的控制过程。

任务1　KBWB模拟式电气制动系统认知

【活动场景】

利用多媒体展示KBWB模拟式电气指令制动系统的设计原则、特点及模块化结构。

【任务要求】

1.掌握KBWB模拟式电气指令制动系统的设计原则。

2.掌握KBWB模拟式电气指令制动系统的特点。

3.了解KBWB模拟式电气指令制动系统的模块化结构。

【知识准备】

模拟式指令式制动控制技术是将变量输入微机，微机经过逻辑运算控制电磁阀，由电磁阀控制气阀，再由气阀直接控制制动缸压力，从而达到制动的目的。这一制动技术目前是城轨车辆中较先进的技术，其核心部件是电子控制单元，它输入制动命令、电制动施加信号、车体载荷信号、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，并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、负载限流阀、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，实现对制动风缸压力的控制。

1.KBWB制动控制系统概述

KBWB模拟式电气指令制动系统是由原英国Westinghouse公司设计的制动系统，现已并入德国克诺尔制动机公司。该系统按照模块化原则设计，将微机制动控制单元、空气制动控制单元、风缸和风源等设备安装在一个高度集成的模块内，具有自诊断和故障保护显示功能，具有重量轻、结构简单、便于维护等特点。

2.KBWB制动系统的特点

KBWB模拟式电气指令制动系统能较好地适应城市轨道交通站间距短、运行速度高、加速及停车频繁等要求，KBWB制动系统由电制动（动力制动）系统和空气制动系统组成，采用PWM传递制动指令，制动控制单元采用4个电磁间进行EP转换，可以对控制室进行充放气的闭环控制。KBWB模拟式电气指令制动系统具有反应迅速、制动力大、制动距离短、停车精度高、安全可靠等特点。

KBWB制动系统实现了空气制动与电制动的高度结合，在系统上保证了车辆运行的安全。列车制动时不仅满足了电气优先的要求，而且实现了电空制动的平滑过渡，还设有冲动限制以提高乘客乘坐的舒适度。KBWB制动控制系统的特点可概括为以下几点：

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采用各两个电磁进行充气、排气的精确闭环控制实现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紧急制动为纯空气制动，采用单独回路控制、失电控制，并根据空重车调整信号进行冲动控制。

⑥防护控制采用动力制动和空气制动分别控制。

⑦整个制动系统采用模块化设计，结构紧凑，重量轻。

⑧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。

3.KBWB制动系统的结构与基本作用

（1）KBWB制动系统的结构

KBWB制动系统按照整车模块化设计的原则，集成化程度很高。如图10.1所示为KBWB模拟式电气指令式制动系统集成化布置图，由图可见其将微机控制单元、空气制动控制单元、风缸和风源等全部安装在一个构架上，因此具有结构简单、集中，维护保养方便，质量轻等特点。

（2）KBWB制动系统的基本控制过程

KBWB制动控制系统采用模拟指令制动控制技术，是将变量输入微机，微机通过电磁阀控制气阀，气阀控制制动缸压力，从而达到制动力控制的目的；其核心部分为电子控制单元，它将制动指令、电制动施加信号、车重载荷信号、空气制动实际反馈信号进行综合运算，输出电—气模拟转换机防滑控制信号，控制各种电磁阀、气阀，实时调整制动缸压力，从而实现不同工况下的制动目的，适用于ATC控制的列车。

图10.1　KBWB模拟电气指令制动系统集成化布置图

4.KBWB制动系统的应用

目前KBWB模拟式电气指令制动系统目前在我国上海地铁AC03型列车和南京地铁1号线地铁列车均有使用，下面简要介绍这两条地铁线的基本情况。

（1）上海地铁AC03线

上海轨道交通3号线又称上海地铁明珠线1期，其中上海南站至江湾镇段于2000年11月投入运营，北延伸（江湾镇至江场北路）于2006年12月投入运营。上海地铁3号线的车辆现为6节编组，由法国阿尔斯通公司和南车浦镇车辆有限公司联合制造。车辆的制动系统采用的是由原来的英国Westinghouse公司（现已并入克诺尔制动机公司）设计的KBWB模拟式电气指令制动系统。

（2）南京地铁1号线

南京地铁1号线地铁列车采用6辆A型车编组，1500V接触网受电，制动系统采用原英国Westinghouse公司设计的KBWB模拟式电气指令制动系统，如图10.2所示为南京地铁1号线列车制动系统的组成框图，列车的制动系统由电制动系统、空气制动系统、制动控制装置和防滑装置组成。在两端拖车的司机室操纵台上，安装有牵引/制动控制器，用于产生制动指令，安装在动车上的牵引传动系统在列车运行在制动工况时产生电气制动力；安装在每辆车上的空气制动系统在电制动力不足时产生空气制动力；安装在每辆车上的制动控制装置（BCE）实现对电制动、空气制动、防滑装置工作的控制；安装在每辆车上的防滑装置在某一轮对出现滑行时消除轮对的滑行。车辆制动系统采用拖车空气制动滞后控制策略，即拖车所需制动力先由动车的再生制动承担，然后根据电—空联合制动运算，不足部分先由动车的空气制动力补充，动车不足以承担的拖车所需制动力再由拖车的空气制动力承担。该制动系统实现了空气制动与电制动的高度结合，不仅满足了电制动优先的要求，而且实现了电空混合制动的平滑过渡，还设有冲动限制以提高旅客乘坐舒适度。

图10.2　南京地铁车辆制动系统的组成框图

【任务实施】

本次任务的实施，以学习小组的形式，利用多媒体技术对南京地铁1号线采用的KBWB制动系统进行学习，熟练掌握KBWB模拟式电气指令制动系统的设计原则、特点及模块化结构。

【知识链接】

威斯汀豪斯

威斯汀豪斯（WestinghouseGeorge）是美国工程师、发明家，电工企业家。1846年出生于纽约；21岁发明使出轨货车复轨的装置；1869年获火车用空气制动器专利并创办威斯汀豪斯空气制动器公司（WestinghouseAirBrakeCompany，即WABCO威伯科的前身）。他在推广空气制动器的过程中，注意到部件生产中标准化的好处，而成为现代工业生产中首批推行标准化的企业家之一。1885年，威斯汀豪斯进口一套戈拉尔和吉布斯的变压器和西门子的交流发电机，在匹兹堡建立交流电网。1886年，他创办了西屋电器公司并购买了特斯拉的交流电动机专利，在美国推广交流电机发电和交流输电。威斯汀豪斯与爱迪生在交流电与直流电的应用和安全性方面展开激烈竞争，威斯汀豪斯于1893年为在芝加哥举办的世界哥伦布博览会提供交流电供电，并且赢得以交流发电方式开发尼亚加拉水电站的承建合同，公司也随之兴盛。后来，在经营中失利而失去对西屋电器公司的控制。1912年与公司脱离关系，1914年去世于纽约。

西屋公司，1886年1月8日由G.威斯汀豪斯在美国宾夕法尼亚州创立。总部设在宾夕法尼亚州匹兹堡市。1889年时曾改名西屋电工制造公司，1945年10月改用现名。西屋电气公司（WestinghouseElectricCorporation）又译威斯汀豪斯公司。美国西屋电气公司（WestinghouseElectric）是美国的主要电气设备制造商和核反应器生产者工厂。西屋电气公司在世界26个国家和地区设有250家工厂，现有职工125000人，持股人135000人，年销售额107亿美元（1986）。其主要业务领域涉及发电设备、输变电设备、用电设备和电控制设备、电子产品等门类共4000多种产品。其中，以发电设备、输变电设备尤具特色，从公司成立以来，一直享有世界声誉。1886年，公司在美国建立了第一座交流发电厂，1890年建立了第一条交流输电线路，1895年在尼亚加拉瀑布安装了第一台水轮发电机（5000kW），1900年制造出美国第一台汽轮发电机。1955年试制成超临界、二次再热汽轮发电机，1957年建成了美国第一座商用核电站。大古力水电站的巨型水电机组也是西屋电气公司制造。公司还最早制成500kV六氟化硫断路器，20世纪70年代制成1100kVA变压器，此外还在世界上率先生产低损耗非晶态合金配电变压器。

【效果评价】

评价表

任务2　KBWB制动控制系统的组成与作用

【活动场景】

利用多媒体展示或在城轨车辆检修车间对KBWB模拟式电气指令制动系统的制动力分配、构成及各部分的工作原理的认知。

【任务要求】

1.掌握KBWB模拟式电气指令制动系统的制动力分配。

2.掌握KBWB模拟式电气指令制动系统空气制动系统的构成。

3.掌握KBWB模拟式电气指令制动系统空气制动系统的各部分工作原理。

【知识准备】

KBWB模拟式电气指令制动控制系统主要由供气单元、微机制动控制单元、空气制动控制单元、防滑控制单元、基础制动装置、空气悬挂辅助装置及各种控制线路组成。本次任务我们主要分析供风单元、微机控制和空气制动控制单元。

1.供风单元系统构成

如图10.3所示是KBWB型制动系统的供气单元简图，由图可知安装KBWB制动系统的列车中带司机室的拖车都带1套供气单元，每列车有两套，供气单元按奇偶数定义为主供气或辅助供气单元。由图10.3可知，每套供气单元由空气压缩机组、空气干燥器及控制装置组成，下面进行逐一介绍。

图10.3　KBWB制动系统的供气单元简图

A2.1—空气压缩机；A2.6—主风缸安全阀；A6.6.1—制动控制单元；
A6.6.5—停放制动实施电磁阀；A6.6.6—停放制动缓解电磁阀；
A6.7—主风缸；A6.9—制动控制电子装置（BCE）；
A13—制动实施和缓解电磁阀；A6.15—继电器阀箱；L9—压力中继阀

（1）空气压缩机组

空气压缩机组主要是向整个用风系统提供压缩空气，是供风系统的风源装置，安装于整个模块框架内。

KBWB模拟式电气指令制动控制系统供风单元采用VV120型空气压缩机（A2.1），该机组作为供气和制动控制组合模块（AI）的一部分由3个往复式压缩气缸、中间和后冷却器以及驱动电机组成。通过弹簧索安装于带司机室的拖车上，其驱动电机电源为：AC400V/50Hz，由辅助逆变器提供。

空气压缩机是由两个低压活塞和一个单一的高压活塞以及一根通用曲轴组成的W型结构。驱动电机通过连轴节的法兰与空气压缩机相连接，采用飞溅润滑方式，飞溅到曲轴箱的润滑油经外接过滤器单元分离、干燥后重新流回曲轴箱，供曲轴箱润滑，曲轴箱油面可通过可视玻璃进行检查。

空气压缩机工作原理（空气压缩流程）：空气—纸质过滤器—低压活塞压缩—通过安全阀（设定值为5×105Pa）—中间冷却器（对低压活塞压缩后的空气进行降压，并提升空气温度）—高压活塞压缩—安全阀（设定值为14×105Pa）—后冷却器冷却—干燥器（A2.3）干燥后，向整列车供风。其中，安全阀主要起到过载保护作用。

车辆在正常情况下运行时，当一台压缩机能够满足整列车用风需求时，则仅启动主供风单元的空气压缩机；车辆在辅助模式或降级模式下运行时，需同时启动主、辅供风单元的空气压缩机。当司机室发生变化时（上、下行变化），激活端司机室的确认信号通过列车FIP网络传送给微机制动控制单元（BCE），微机控制单元控制主供风单元也随之变化，采用这种控制方式主要是为保证空气压缩机的工作周期和工作时间均衡，防止出现润滑油乳化等现象。

（2）空气干燥器

空气干燥器主要是将空气压缩机压缩出的压力空气进行干燥，为整个供风系统提供干燥、高质的压缩空气，空气干燥器安装于整个框架外的横梁上。

供风单元采用双塔再生式空气干燥器对压缩空气进行干燥，双塔交替工作。在正常工况下，两个空气干燥塔交替轮流工作，首先向一个空气干燥塔增压2min后，再向另外一个空气干燥塔增压2min；如果空气压缩机停止时，某个空气干燥塔工作时间不到2min，此时，该空气干燥器的计时器便会记下该空气干燥塔已工作的时间，当空气压缩机再次工作时，首先向该塔进行增压，增压时间按从计时器中断时刻开始计时，当增压时间达到2min后，向另一个空气干燥塔增压，来保证两个空气干燥塔具有相同的工作时间。

（3）控制装置

控制装置主要是根据总风管的压力来控制空气压缩机的启动和停止的，同时根据主风管压力大小通过控制空气压缩机的继电器动作来决定空气压缩机启动的台数。

通过微机制动控制单元（BCE）来实现的空气压缩机的启动和停止动作的。通过压力传感器（A2.8）将检测到的总风管（靠近主空气压缩机侧的主风缸）的压力信号传递给微机制动控制单元（BCE），BCE根据压力传感器显示的总风管压力信号通过继电器的动作来启动和停止空气压缩机，并判定空气压缩机的启动台数。若压力传感器（A2.8）检测到主风缸压力持续下降到0.6×105Pa时，列车将自动触发紧急制动。

该供气单元还装有安全阀（A2.6），防止因供风自动控制系统故障而导致主风缸（A6.7）过压，用来保证制动系统的安全，其设定动作压力为10.5×105Pa。

2.微机制动控制单元（BCE）

每节车都安装一套微机制动控制单元（BCE）用于制动控制，控制所有空气制动的常用制动，其中包括随制动需求信号和空气弹簧平均压力（车重载荷信号）变化而变化的压力值。如果使用电制动，BCE为电—空混合制动提供控制界面划分，形成完整的制动系统。

微机制动控制单元（BCE）主要是用于提供正常的制动控制、运行管理和故障检测，和空气压缩机及空气干燥器的控制，是制动需求信号、BCU与牵引系统（PCE）之间的桥梁；同时将运行管理及故障检测信息传递给TIMS系统，便于利用便携式计算机（PTU）对制动系统进行故障诊断和维修。

常用制动时，空气弹簧将其平均压力信号（车重载荷信号）传递给BCE、BCE根据该信号计算出车辆所需制动力，同时将该信号传递给FIP网络系统。具体是：拖车空气弹簧压力信号通过FIP网络传送到动车的BCE和牵引控制装置；动车的载荷信号也传递给相应的牵引控制电子装置。牵引控制单元经过计算，决定制动力的分配。对于动车，电制动和空气制动系统同时存在，无论采用司控器或ATO控制，动车都能实时得到连续的电制动和空气制动。

BCE还对空气压缩机（A2.1）和空气干燥器（A2.3）进行控制。

3.空气制动控制单元

拖车和动车由于车辆载重不同，安装的空气制动控制单元（BCU）也略有不同。制动控制单元（BCU）由EP控制板、称重阀和主控阀3部分组成，具体结构如图10.4所示。

图10.4　制动控制单元

1—制动风缸接口；2—制动消音器；3—空气弹簧接口；4—制动机压力接口；
5—主风缸压力接口；6—停放制动测试点；7—停放制动风缸接口；
8—停放制动缓解开关；9—停放制动消音器；10—停放制动截断塞门；
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—空气弹簧压力转换器；16—空气弹簧压力测试点；
17—主控阀；18—称重阀

（1）EP控制板

EP控制板是制动控制单元（BCU）的基座，它是一块布置有空气管路及接口、可安装称重阀、主控阀等其他部件的氧化铝板，其上布置有空气气路及接口、压力测试点、电气接口插座等。在其前端装有钢盖，用来保护EP控制板中的设备，钢盖采用不锈钢插销锁闭，为保证锁闭安全，还设置了两个安全挂钩。其位置位于图10.4所示的下部。

EP控制板的主要空气气路接口有5条，均采用BSP型内螺纹，分别为：连接制动储风缸（BSR）的接口1、连接空气弹簧（AS）的接口3、连接单元制动机（BC）的接口4、连接主风缸（MR）的接口5、连接停放制动风缸（PB）的接口7。除这些接口外，还在制动风缸排气端口安装有消音器。

EP控制板的压力测试点有4个，可在不拆卸端盖的情况下进行压力测试。分别为：停放制动压力测试点6、主风缸压力测试点11、单元制动缸压力测试点13和空气弹簧压力测试点16，其中停放制动压力测试点位于EP控制板的背面，其余均处于前面。

EP控制板的电气接口为19路电气插座接口，共有两个，位于控制板的背面，分别为：空气弹簧转换信号接口C1和BCU驱动信号接口C2。

EP控制板背面设置有接地装置，端盖下部设置有元器件接地装置。

（2）称重阀

称重阀又称空重车调整阀，是接收来自空气弹簧的压力（车辆载荷信号），限制BCU的空气压力输出，是一种混合压力限制装置。若空气弹簧破损等原因造成无压力输出时，无论车辆处于哪种工况，称重阀均认为车辆在AW3（超载）工况下，BCU控制列车施加紧急制动。称重阀有3种规格，可根据车辆载重进行选择。由于主控阀控制腔室X内的压力受BCE的控制，而BCE的制动指令本身又是根据车辆的负载、车速和制动要求给出的，因此，在常用制动中称重阀几乎不起作用，仅起预防作用，以防主控阀的5个电磁阀控制失灵。其具体结构如图10.5所示。

图10.5　称重阀

称重阀上部是一个进排气阀，与紧急电磁阀相连通。制动储风缸的压力空气—经紧急电磁阀—进入进排气阀的进气阀座—进排气阀下的输出口—控制腔室Y。此外，还有一个输出压力室和一个检测阀与输出口相通。阀体中间是两个膜板腔室，主膜板与上膜板之间是排气腔室，排气杆中间有排气通道，并可上下移动，主弹簧对其产生向上作用力。上膜板与下膜板之间是控制腔室，主要接收来自空气弹簧的压力。下膜板下方是活动阀片，偏置弹簧对其产生向上作用力。

当空气弹簧故障无压力输出时：上膜板和下膜板均于滑动块密贴，此时，偏置弹簧、活动阀片、下膜板、滑动块、上膜板、主弹簧、主膜板和排气杆共同形成向上的作用力，排气杆打开进排气阀，使从紧急电磁阀来的压力空气通过进气阀座口进入输出压力室并通过输出口进入控制腔室Y，产生紧急制动。

空气弹簧信号正常时：空气弹簧压力信号（ASP）进入称重阀控制室，控制室内充满压力空气，使上膜板和下膜板均与滑动块分离，压力空气对下膜板和偏置弹簧产生向下反作用力，对上膜板和排气杆产生向上作用力，但作用力减小，并与空气弹簧压力信号成正比。这时进入控制腔室Y的空气压力随空气弹簧压力变化，产生相应的制动力。

（3）主控阀

主控阀可分为两部分：一部分为电—气转换部分（相当于KBGM模拟式电气指令制动系统的EP阀），另一部分为输出放大部分（相当于KBGM模拟式电气指令制动系统的均衡阀），具体结构如图10.6所示。

图10.6 主控阀

与主控阀连接的主要设备：气—电转换器、单元制动机、制动储风缸、空气弹簧和称重阀等。

①电—气转换部分。

电—气转换部分主要由缓解电磁阀（两个，分别为精调电磁阀和粗调电磁阀）、紧急电磁阀、充气电磁阀（两个，分别为精调电磁阀和粗调电磁阀）、控制腔室X和气—电转换器组成。其气路连接如下：

电磁阀气路连接：5个电磁阀的一端与控制腔室X相连接，缓解电磁阀的另一端与大气相连接，充气电磁阀的另一端经过滤器与制动储风缸相连接，紧急电磁阀的另一端与称重阀相连接。

控制腔室X连接：控制腔室一端与5个电磁阀相连接，另一端与气—电转换器相连接。

气—电转换器作用：主要是将控制腔室X内的空气压力转变成电信号，反馈给微机制动控制单元（BCE）。

②输出放大部分。

输出放大部分主要由控制腔室Y、控制膜板、控制腔室A、操纵杆和充排气阀组成。气路连接：控制腔室Y通过称重阀、紧急电磁阀与控制腔室X相连通；控制腔室A通过充排气阀与单元制动机相连通。

固定在控制膜板上的操纵杆向下移动，打开充排气阀的上口并切断充排气阔的排气通道，此时，制动缸储风缸的压力空气—控制腔室A—充排气阀上口—单元制动机，同时根据控制腔室Y的压力向单元制动机输出给定的制动压力，制动施加；固定在控制膜板上的操纵杆向上移动，关闭充排气阀上口切断制动储风缸和控制腔室A与单元制动机的连接并打开排气通道，单元制动机的压力空气从排气口排出，制动缓解。

（4）制动控制单元（BCU）工作原理

①常用制动。

由BCE发出制动充气指令，主控阀上两个充气电磁阀加电励磁，给控制腔室X充气，充气过程中，主控阀上气—电转换器实时将控制腔室X内的空气压力信号转换成电信号后，反馈给BCE，BCE根据反馈信号实时调整制动充气指令，持续到控制腔室X内的空气压力与BCE发出的制动指令值一致。此时，控制腔室X与称重阀的进排气阀相连通，称重阀上、下膜板于滑动块分离，排气杆上移，打开进排气阀进气阀座口，连通主控阀控制腔室X与控制腔室Y，控制膜板在向下作用力作用下，带动操纵杆下移，打开充排气阀的上口并切断充排气阀的排气通道，将制动储风缸和控制腔室A与单元制动机相连接，同时，根据控制腔室Y的压力向单元制动机输出给定的制动压力空气，直到控制腔室A和控制腔室Y平衡，关闭充排气阀的上口，保持关闭充排气阀的排气通道，施加制动。其空气通路如图10.7所示。

②紧急制动。

紧急电磁阀失电，压力空气由制动储风缸—紧急电磁阀（仅是通路，不对压力大小进行控制）—称重阀，压力空气未进入主控阀控制腔内，不受主控阀控制。此时若有空气弹簧压力信号，则空气弹簧压力空气—EP控制板接口3—进入称重阀控制室，推动称重阀排气杆打开进排气阀，压力空气制动储风缸—紧急电磁阀（仅是通路，不对压力大小进行控制）—称重阀—称重阀输出控制室—主控阀控制腔室Y（当称重阀输出控制室内充入压力空气后，对主膜板产生向下的作用力，该作用力克服主弹簧的弹力和上膜板向上的作用力，使排气杆向下移动，关闭进排气阀。此时，主控阀控制腔室Y中压力比常用制动时大），固定在主控阀控制膜板上的操纵杆向下移动，打开充排气阀。此时连通制动储风缸与单元制动机，当控制腔室A与控制腔室Y中的空气压力平衡时，固定在主控阀控制膜板上的操纵杆向上移动，关闭充排气阀上口，并保持充排气阀排气口关闭，施加紧急制动。其空气通路如图10.8所示。

图10.7　常用制动时主控阀和称重阀的状态

图10.8　紧急制动时主控阀和称重阀的状态

【小贴士】此时紧急制动力的大小受称重阀限制。

【任务实施】

以学习小组的形式进行交流学习，熟练掌握KBWB模拟式电气指令制动系统的制动力分配及空气制动补偿原理、构成及各部分的作用原理，以上海地铁明珠线采用的AC03型车对该制动系统的构成及控制原理进行重点分析。

上海明珠线地铁列车采用3+3编组形式，每单元由1辆带司机室的拖车、1辆带受电弓的动车和1辆不带受电弓的动车组成，制动力的分配按单元进行设计采用电空混合制动。由于动车可进行动力制动和空气制动，拖车只能进行空气制动，所以存在制动力协调配合的问题，同时，应最大限度地使用动车的电制动，减少空气制动。因此，列车制动力的分配十分重要。

明珠线AC03地铁车辆采用“拖车空气制动滞后控制”。控制方法为：拖车所需制动力由动车的电制动力来承担。根据电空混合运算，电制动力的不足部分由动车的空气制动补充，最后才使用拖车的空气制动。AC03型车制动系统设计时，规定如果动车电制动力不能满足制动减速度的要求，那么动车空气制动立即进行补充，动车上的电制动力和空气制动力的总和最大可利用到15%的黏着。在AW3工况（超员情况）下，如果动车总制动力还不能满足制动减速度的要求，此时，由拖车空气制动进行制动力补偿。

当列车制动时要求的减速度为1.0m/s2时，动车的空气制动力被限定只能使用10%的黏着，其余不足的部分由拖车空气制动补偿，当列车运行速度小于5km/h时，动车上的PCE将向本车BCE发送电制动关闭信号，电制动全部关闭，BCE根据该信号增加空气制动进行补偿，当列车运行速度小于0.5km/h时，空气制动力开始减小，当列车完全停止时，空气制动减少到常用全制动的70%左右，一直将该制动力保持到列车重新开始牵引为止。

上海明珠线AC03型地铁车辆共配备两套供风单元，分别安装于每个单元的带司机室拖车上，两套供风单元为主辅关系，主供风单元为司机室激活端供风单元，反之为辅助供风单元，从而保证风源系统的工作率。

【效果评价】

评价表

续表

任务3　KBWB制动系统的组成和控制过程的学习

【活动场景】

利用多媒体展示KBWB模拟式电气指令制动系统常用制动、快速制动、紧急制动及停放制动控制过程。

【任务要求】

1.掌握KBWB模拟式电气指令制动系统常用制动控制过程。

2.掌握KBWB模拟式电气指令制动系统快速制动控制过程。

3.掌握KBWB模拟式电气指令制动系统紧急制动控制过程。

4.掌握KBWB模拟式电气指令制动系统停放制动控制过程。

【知识准备】

通过本项目前面任务的完成，我们知道KBWB模拟式电气指令制动控制系统主要由供气单元、微机制动控制单元、空气制动控制单元、防滑控制单元、基础制动装置、空气悬挂辅助装置及各种控制线路组成，在任务2中我们已经分析供风单元和空气制动控制单元，本次任务我们学习防滑控制单元，基础制动装置和制动控制过程。

1.防滑控制单元（WSP）

KBWB制动系统的防滑控制单元（WSP）集成在BCE中。防滑控制单元（WSP）主要功能是当列车制动力过大，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，是微机制动控制单元（BCE）重要的组成部分。

防滑控制单元（WSP）控制时，将进行单根车轴减速度与设定减速度之间和每辆车相对速度与设定速度之间计算比较，通过双防滑阀排气消除滑行。

KBWB模拟式电气指令制动控制系统在列车的每根车轴上设置一套速度传感器，实时将制动时每根车轴的速度传递给BCE的防滑控制单元（WSP），通过防滑控制单元（WSP）进行防滑控制。如果WSP监测到某根车轴减速度过快或是某根车轴转速与最大转速的车轴转速之差超出某个值，BCE通过装在转向架上的双防滑阀的通气和排气的控制来实现减防滑控制。

电制动时，列车微机牵引控制单元（PCE）通过自行设置的车轮滑行检测系统获取滑行信号后，PCE通过控制减少电制动力来纠正车轮滑行，同时向BCE反馈低电平信号，防止BCE进行空气制动的补偿，如果该信号持续时间超过2s，BCE将控制切除电制动，利用空气制动防滑系统（WSP）来纠正车轮滑行。如果BCE检测到大滑行时，制动控制单元将发给PCE的WSP信号置于高电平，PCE在接到该信号后，迅速退出电制动，此时，空气制动也不投入，车辆处于惰性状态，当WSP输入信号再次变为低电平时，制动力将逐步恢复。制动力恢复分两阶段进行：第一阶段时以接近冲击极限的速率恢复，直到达到设定值；第二阶段是制动力在逐步恢复到滑行出现时的设定值，此时，防滑系统控制完成。

双防滑阀由两个完全对称的单防滑阀组合而成，每个单防滑阀控制一个转向架上的一条轮对，其上部设置有两个电磁阀，一个通气电磁阀，一个排气电磁阀，通过两个电磁阀的加电励磁和失电消磁情况，共有3种工况：充气、保压和排气。其具体结构如图10.9所示。

图10.9　双防滑阀的结构

（1）充气

电磁阀励磁情况：排气电磁阀A、通气电磁阀C失电消磁（此时A和C阀的阀板均在左侧）。

压力空气经进气口进入，通过排气电磁阀A进入膜板排气阀1的上部，与弹簧共同形成向下的作用力，关闭排气口1和输出口1；此时，由于通气电磁阀C阀板处于左侧，压力空气无法进入通电电磁阀C内，无法对膜板通气阀1形成向下的作用力，压力空气经进气口进入膜板通气阀1下部气室，推动膜板通气阀1上移，导通进气口和输出口1，压力空气通过防滑阀进入单元制动缸内。

（2）保压

电磁阀励磁情况：排气电磁阀A失电消磁、通气电磁阀C加电励磁（此时A阀阀板处于左侧，C阀板处于右侧）。

排气电磁阀A失电消磁，压缩空气向制动缸充气，通气电磁阀C加电励磁，阀板处于右侧，压力空气经进气口进入通气电磁阀C内，作用于膜板通气阀1上，推动膜板通气阀1下移，关闭进气口与输出口1的通路，此时，处于保压状态。

（3）排气

电磁阀励磁情况：排气电磁阀A、通气电磁阀C均加电励磁（此时A和C阀的阀板均在右侧）。

排气电磁阀A加电励磁，阀板处于右侧，导通排气口1与膜板排气阀1上部气室，膜板排气阀1在制动缸压力空气作用下克服弹簧力向上移动，导通输出口1和排气口1，使制动缸压力排入大气；同时，由于通气电磁阀C加电励磁，阀板处于右侧，压力空气经进气口、通气电磁阀C进入膜板通气阀1上部，推动膜板通气阀1下移，关闭进气口与输出口的空气压力。

由此可见，在正常制动情况下（车轮未发生滑行），防滑阀中的电磁阀处于失电消磁状态，也就是通气工况。此时，BCU主控阀输出压力空气经防滑阀进入单元制动缸，施加制动。当发生车轮滑行时，BCE控制防滑阀的排气电磁阀励磁，将制动缸压力排向大气纠正滑行，当恢复黏着后，控制排气电磁阀消磁，实施制动。在紧急制动时，防护功能依然有效，动作与常用制动一致。

防滑阀的动作反应速度由安装在进、排气口内的阻塞盘大小决定。

2.基础制动装置

KBWB模拟式电气指令制动控制系统的基础制动装置采用单侧双闸瓦踏面单元制动机，分带停放制动的单元制动机和不带停放制动的单元制动机两种，每个转向架设置4个，每条轮对设置两个。其中，每个转向架设置两个带停放制动的单元制动机，布置方式采用对角布置。

带停放制动的单元制动机设置目的是：为了保证在列车无电、无气的情况下可安全地停放在35‰的坡道上。其施加功能可在司机室通过操作停放施加开关进行施加，缓解既可在司机室操作缓解开关缓解，也可通过设置在转向架上的弹簧卸载销来手动缓解。

3.制动控制概述

KBWB模拟式电气指令制动控制系统控制原理图如图10.10所示，其控制方式采用电—空混合制动控制，采用PWM方式进行无级调速控制，每个制动控制单元控制每辆车上的两个转向架。以下结合图10.10所示控制原理图进行制动过程介绍。

（1）输入信号及作用

①制动指令线：根据司控器手柄位置由Encode编码下达两个脉宽调制信号。

②制动信号LV：高电平保持制动命令，防止车辆冲动，低电平撤销制动命令。

③负载信号：拖车车重载荷信号通过FIP线输入动车BCE装置。

④紧急制动信号：直接越过电子制动控制系统，驱动紧急阀动作。

⑤保持制动信号：防止车辆溜车。

（2）控制原理

①司控器或ATO触发制动信号，制动列车线发出制动指令，动车及拖车微机控制单元对电制动信号、电制动实际值和电制动滑行等进行运算，优先施加电制动。

②用以控制制动力大小的电流信号经编码器编码成PWM信号，由列车线输出。

③PWM信号控制牵引系统逆变单元，综合考虑冲动限制及载荷要求，使电动机减速。

④当司控器发出最大制动力指令时，制动列车线被激活，提供最大制动力。

⑤当列车速度低于6km/h时，电制动被切除，BCU独立完成空气制动。

KBWB模拟式电气指令制动控制系统控制过程分为：常用制动和快速制动、紧急制动及停放制动。

4.常用制动和快速制动的实施

司机控制器或ATO发出牵引或制动指令信号，经列车线传递给制动控制电子装置（BCE）及牵引控制电子装置（PCE），经过BCE和PCE判断后，确定车辆运行工况。当判定为制动时，BCE和PCE同时接收到来自编码器的PWM制动减速度脉宽调制信号PWM1和PWM2，经过对两个信号进行比较，选取较大的作为制动减速度要求。此时，拖车BCE根据本车空簧压力（载荷信号）计算出制动力的大小（仅控制BCU向本车施加一个很小的作用力，用于让闸瓦贴上踏面），同时将本车载荷信号（PWM）发送给PCE，动车PCE在接到拖车载荷信号后，根据本车载荷信号加上50%的拖车载荷信号计算出所需电制动力大小（因一个制动控制单元为1辆拖车+2辆动车，所以每辆动车承担拖车50%载荷信号对应得电制动力），施加电制动。电制动实施中，再生与电阻制动相互交替配合，当网压高于DC1800V时，再生制动关闭，实施电阻制动，PCE向BCE输出电制动有效信号，当电制动达到需求值时，PCE向BCE输出电制动力达到要求的值时，该信号为PWM脉宽调制信号，如果电制动满足制动减速度要求时，BCE限制施加空气制动；如果电制动无法满足制动减速度要求时，BCE控制BCU进行空气制动补偿，以满足制动减速度要求。当速度低于18km/h时，电制动开始关闭，此时，PCE 向BCE输出电制动关闭信号，BCE在接到该信号后，控制BCU进行制动力补偿，完成电—空混合制动，并平滑过渡到空气制动。如果在制动中，电制动故障或失效时，PCE向本车BCE输出电制动被禁止信号，BCE在接到该信号后，控制BCU施加空气制动，同时向拖车BCE发出动车补偿制动力无效信号，拖车投入空气制动。当列车接近停车时，BCE控制BCU实施保持制动至停车为止，当车辆再次启动时，当启动牵引力大于车辆后溜力时，保持制动缓解。

若发生空气制动无法缓解时，操作对应车端电器柜内三通阀进行强迫缓解。

5.紧急制动的实施

KBWB模拟式电气指令制动控制系统中设置EBR触点，该触点线圈与ATP（列车自动防护系统）及模式选择开关等连锁，车辆正常运行时，紧急制动列车线和紧急电磁阀处于加电状态，该触点处于闭合为止。

紧急制动触发条件：司机室“警惕”按钮动作、紧急制动按钮动作、列车脱钩、紧急制动环线失电或中断、主风缸低压、ATC发出紧急制动指令。

当紧急制动时，EBR触点断开，BCE接到该信号后，控制BCU使紧急电磁阀失电，施加紧急制动，此时，动车BCE向PCE发出禁止电制动指令，同时，切断PCE电压。缓解紧急制动时必须在停车后缓解。

【小贴士】紧急制动时，紧急制动力大小由称重阀根据车辆载荷来进行调整。

6.停放制动的实施

停放制动单独工作，不受BCE控制，当车辆停车后，司机按下司机台上停放制动按钮，停放制动列车线断电，停放制动电磁阀失电消磁，施加停放制动。

缓解停放制动时，再次按下停放制动按钮，停放制动列车线得电，停放制动电磁阀加电励磁，压力空气进入制动缸，停放制动缓解。

【小贴士】停放制动缓解时，主风缸压力须大于停放制动缓解设定值，若小于该值，则启动空气压缩机，待主风缸压力超过该设定值后，停放制动缓解。

【任务实施】

以学习小组的形式进行交流学习，分析并演练KBWB模拟式电气指令制动系统常用制动、快速制动、紧急制动及停放制动。

【知识链接】

南京地铁1号线KBWB制动系统意外紧急制动分析与预防

1.制动系统概述

南京地铁1号线采用法国阿尔斯通和国内地铁制造商联合生产的“A”型地铁电客车，南京地铁1号线车辆制动系统采用克诺尔KBWB电空混合制动系统，电制动采用再生制动和电阻制动，空气制动采用摩擦制动。在制动过程中第一优先级是再生制动，其次是电阻制动，最后才施加空气摩擦制动。在正常模式下，当列车运行在比较高的速度和电制动淡出点之间时，仅使用电制动。当列车运行速度很高时，电制动和摩擦制动相混合。在列车出现非常情况时采用紧急制动，列车停车完全依靠摩擦制动。空气制动有3种：停放制动、常用制动和紧急制动。由制动电子控制单元BCE向制动控制单元BCU发出制动指令，激活BCU中相关电磁阀，打开或关闭相关进、排气阀，从而使制动风缸中的压力空气经BCU进入制动缸，实施空气制动。

2.意外紧急制动原因分析

紧急制动是由空气制动来承担的一种强迫制动模式。在列车运行过程中，由于紧急制动控制环路某个电器元件动作或故障导致紧急制动电磁阀失电，从而使紧急电磁阀阀芯下落，关闭了压力控制室以及制动风缸到称重阀入口的通路。从制动风缸出来的压力空气经过紧急制动电磁阀、称重阀，通过由高度阀控制的输入输出阀，然后直接进入压力控制室，压力空气通过控制室中的模板将活塞推杆向下推，打开输入输出阀，制动风缸中的压力空气按各节车辆的载荷情况从入口阀进入制动缸，推动踏面制动单元上的闸瓦，作用在列车车轮上，实施相应载荷的最大空气摩擦制动。

在南京地铁1号线地铁车辆运行过程中，触发意外紧急制动的原因很多，主要有以下几个方面：

（1）列车超速行驶

南京地铁1号线使用的是德国西门子公司的LZB700M信号系统，包括车载ATP、ATO子系统、轨旁ATP系统以及ATS子系统。ATP系统用于保护列车安全运行，其主要功能之一是距离的测量和速度的监督。在运行过程中，ATP系统根据运行环境和恒定限速区段、停车点以及最高列车速度等固定数据，确定列车的限制速度，通过对列车的连续监督，来实时监督列车是否超出所允许的速度限速。当ATP检测到列车速度高于最高限速时，将触发紧急制动，用以完成对列车的超速保护。

在手动模式下，司机必须根据显示屏显示的推荐速度驾驶列车，当实际驾驶速度超过推荐速度1～4km/h时，会有声音报警。当实际速度大于推荐速度4km/h时，ATP会触发紧急制动，强迫列车自动停车。

（2）报文传输故障

列车在正线上运行时，车载信号设备需要从轨道电路接受大量的行车信息，然后根据这些信息来控制列车安全运行。当从轨道电路至列车的传输数据受干扰或中断时，车载设备将不会接受到任何当前列车运行的信息。系统允许报文故障的时间间隔小于5s，且走行距离不超过10m。当故障时间间隔大于5s，且走行距离超过10m，ATP车载设备将触发列车紧急制动。

（3）至少一个车门打开时未停车

列车在车门未全部关闭时运行，会产生紧急制动。当列车在车站停车窗内开门时，当前列车位置的周围产生一个闭合的容差窗，列车开着门，不能离开。如果发生列车以非常低的速度离开当前的停车点，当列车离开容差窗并且至少有一个车门是打开时，ATP将触发紧急制动。

（4）紧急制动控制回路电器元件故障

紧急制动控制回路电器元件较多，任何一个元件出现故障都会导致紧急制动环线断电，从而使紧急制动电磁阀失电，触发紧急制动。在南京地铁运营过程中，主要是总风压力开关，紧急制动接触器以及制动系统的各类接触器、继电器状态不良导致紧急制动。

在制动系统的继电器箱中有3类继电器：总风缸压力开关继电器，停放制动压力开关继电器以及常用制动施加、缓解继电器。车辆在运行过程中，继电器中的线圈在工作一段时间后由于温度的变化产生热胀冷缩，这样就容易在线圈中造成机械应力，久而久之，就有可能在线圈的末端产生断点，使继电器失灵从而触发紧急制动。

3.紧急制动的缓解

列车在正线运行出现紧急制动时，司机应及时缓解紧急制动，避免清客下线，确保列车正常行驶。

查出紧急制动产生的原因，将触发点复位，将模式转换开关置于手动位，同时将司机控制手柄打到制动区并按下紧急制动复位按钮，此时紧急制动环线重新得电，紧急制动电磁阀吸合，紧急制动缓解。

当按以上方法不能缓解时，应按以下步骤进行处理：检查DDU上的蘑菇按钮和受电弓图标，确认其已经复位；检查司机室气压表，确认主风缸压力是否小于700kPa，如果小于700 kPa，可以把两端A车的低压风缸旁路，LMRGBS打到隔离位后来复位紧急制动；检查断合ATC系统断路器ATCCBI，ATC-CB2，以及零速断路器ZVRICB，ZVR2CB，隔离ATP故障开关ATPFS，将列车运行模式转为洗车模式；降下列车受电弓使列车休眠再重新唤醒列车，在列车唤醒时，检查确认司机室电气柜内和ATC柜内所有断路器在闭合位。

4.建议及措施

（1）加强对列车的电器元件的检查

在列车检修过程中，加强对制动回路电器特别是紧急制动接触器的检查，确保电器元件功能、状态良好，对有故障隐患的要及时更换，减少因列车本身原因造成的紧急制动；对故障列车的制动系统继电器箱中的继电器全部进行整改，在继电器线圈金属丝表面覆盖一层蜡状物，确保继电器状态良好。

（2）改造制动旁路

针对正线上列车制动不能缓解的情况，对电客车进行制动旁路改造。司机在手动SM模式下，通过使用制动旁路装置使故障列车尽快退出运行，确保正线运营。

（3）防止列车信号落码

信号系统轨旁电路受高温、下雨、高潮湿天气影响，信号控制盘轨道电路经常出现红光带（类车虚假占用表示）、车地间应答失效。为此，采取轨旁信号设备调整信元的电压和电流数值、采取防漏、防潮措施，可有效控制红光带和信号落码。

【效果评价】

评价表

项目小结

KBWB模拟式电气指令制动系统是由原英国Westinghouse公司设计的制动系统，现已并入德国克诺尔制动机公司。该系统按照模块化原则设计，将微机制动控制单元、空气制动控制单元、风缸和风源等设备安装在一个高度集成的模块内，具有自诊断和故障保护显示功能，因此这种城市轨道交通车辆的制动系统具有重量轻、结构简单、便于维护等特点。

KBWB模拟式电气指令制动系统很好地适应了城市轨道交通车辆站间距短、运行速度高、加速及停车频繁等要求，KBWB制动系统由电制动（动力制动）系统和空气制动系统组成，采用PWM传递制动指令，制动控制单元采用4个电磁间进行EP转换，已达到对控制室充放气的闭环控制。KBWB模拟式电气指令制动系统具有反应迅速、制动力大、制动距离短、停车精度高、安全可靠等特点。

KBWB制动系统实现了空气制动与电制动的高度结合，在系统上保证了车辆运行的安全。列车制动时不仅满足了电气优先的要求，而且实现了电空制动的平滑过渡，还设有冲动限制以提高乘客乘坐的舒适度。KBWB制动控制系统的特点可概括为以下几点：采用模拟式电气指令制动控制系统，模拟方式为PWM；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；采用各两个电磁进行充气、排气的精确闭环控制实现EP信号转换；常用制动采用空重车调整信号加微机计算给定信号；紧急制动为纯空气制动，采用单独回路控制、失电控制，并根据空重车调整信号进行冲动控制；防护控制采用动力制动和空气制动分别控制；整个制动系统采用模块化设计，结构紧凑，重量轻；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。

KBWB制动控制系统采用模拟指令制动控制技术，是将变量输入微机，微机通过电磁阀控制气阀，气阀控制制动缸压力，从而达到制动力控制的目的；其核心部分为电子控制单元，它将制动指令、电制动施加信号、车重载荷信号、空气制动实际反馈信号进行综合运算，输出电—气模拟转换机防滑控制信号，控制各种电磁阀、气阀，实时调整制动缸压力，从而实现不同工况下的制动目的，适用于ATC控制的列车。

思考与练习

1.KBWB模拟式电气指令制动系统有何特点？

2.KBWB模拟式电气指令制动系统的空气制动系统由哪些部分组成？

3.KBWB模拟式电气指令制动系统中空气干燥器是如何工作的？

4.微机制动控制单元有何作用？

5.空气制动控制单元由哪些部分组成？

6.主控阀由哪些部件组成？

7.请说明BCU的工作原理。

8.防滑控制单元是如何进行工作的？

9.“拖车空气制动滞后控制”是什么意思？

10.KBWB模拟式电气指令制动系统是如何进行紧急制动的？

11.说明KBWB模拟式电气指令制动系统的特点。