制动系统的认知

一、制动系统的作用及特点

1.制动系统的作用

制动是指使列车减速或阻止其加速的过程。使列车减速或阻止其加速的力称为制动力，而产生并控制这个制动力的系统称为制动系统。

城轨车辆的制动系统是在城轨车辆中产生制动力，使列车减速或停车的一系列机械、电气装置的集成。其对保证列车安全和正点运行具有极其重要的作用，制动系统是保证列车与乘客的安全，是提高车辆运行速度与线路输送能力的主要条件之一。

2.城轨车辆制动系统的要求

城轨车辆制动系统应具备以下几点要求：

（1）具有足够的制动力，保证城轨车辆在规定的制动距离内停车。

（2）要求其制动装置具有操纵灵活、动作迅速、停车平稳准确等特点。

（3）采用电制动和空气制动的联合制动能力。

（4）城轨车辆在长大坡道上运行时，制动力不衰减。

（5）根据乘客量的变化，制动力具有空重车调整能力，以减少制动时的纵向冲击。

二、制动方式分类

对于制动方式目前一般按制动时动能转移方式、制动力获取方式或制动源动力的不同进行分类。

1.按列车动能转移方式分类

列车动能的转移方式可以分为两类：一是摩擦制动方式，即动能通过摩擦副的摩擦转变为热能，然后消散于大气；二是电（动力）制动方式，即把动能通过发电机转化为电能，然后将电能从车上转移出去。

（1）摩擦制动。

列车的动能通过摩擦转变为热能。轨道车辆常用的摩擦制动方式有闸瓦制动和盘型制动，高速列车或在路面行驶的城轨车辆制动系统中常采用磁轨制动，对于高速列车还有采用涡流制动等方式的。

①闸瓦制动。

闸瓦制动（见图7-1-1）又称为踏面制动。它是最常用的一种制动方式，制动时闸瓦压紧车轮，轮瓦间发生摩擦，列车的动能大部分通过轮瓦间的摩擦变成热能，经车轮与闸瓦最终散逸出去。

图7-1-1　闸瓦制动
1—制动缸；2—闸瓦；3—车轮；4—钢轨

②盘型制动。

盘型制动装置有两种，分别为轴盘式和轮盘式盘型制动装置。一般拖车采用轴盘式盘型制动装置，对于动车由于轮对中间设有牵引电机等设备，使安装制动设备较困难，一般采用轮盘式盘型制动装置。制动时，制动缸通过制动夹钳使闸片夹紧制动盘，在闸片与制动盘间产生摩擦，把列车的动能转变为热能，热能通过制动盘和闸片散于大气，如图7-1-2所示。

图7-1-2　盘型制动
1—轮对；2—制动盘；3—制动缸；4—制动夹钳；5—牵引电机

③轨道电磁制动。

轨道电磁制动也叫磁轨制动，制动时将电磁铁放下，使磨耗板吸在钢轨上，列车的动能通过磨耗板与钢轨的摩擦转化为热能，然后经钢轨和磨耗板最终散于大气中，如图7-1-3所示。

图7-1-3　磁轨制动
1—电磁铁；2—升降风缸；3—钢轨；4—构架侧梁；5—磨耗板

④涡流制动。

涡流制动是利用电磁铁和钢轨（或金属盘）的相对运动，使其在钢轨（或金属盘）中感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力。

（2）电制动。

电（动力）制动是在制动时，将牵引电机转变为发电机运行，使列车的动能转变为电能。对这些电能的不同处理方式就形成了不同的电制动方式。目前，采用的电制动形式主要有再生制动和电阻制动。在制动实施时优先电制动，电制动实施时又优先再生制动。

①再生制动（回馈制动）。

再生制动是把列车的动能通过电机转化为电能后，再使其反馈回电网供给本车或其他列车使用。显然这种方式既能节约能源，又能减少制动时对环境的污染，并且基本上无磨耗，因此是一种较为理想的制动方式，如图7-1-4所示。

图7-1-4　异步感应机电制动主电路原理图

②电阻制动（能耗制动）。

将发电机发出的电能送到电阻器中，使电阻器发热，即将电能转变为热能。电阻器上的热量再靠风扇强迫通风或走行风而散于大气中。

2.按制动力形成方式分类

按列车制动力的获取方式分类，制动可分为黏着制动与非黏着制动。

（1）黏着制动。

由于车辆重力的作用，车辆与钢轨的接触处为一椭圆形的接触面，制动时车轮在钢轨上处于连滚带滑（基本上是滚动）的状态。这种状态称为黏着状态。制动是由轮轨之间的相互作用产生的，车轮给钢轨一个切向力，钢轨给车轮一个反作用力，该力受轮轨表面黏着状态条件影响，最大制动力受限于最大黏着力。

（2）非黏着制动。

制动时，制动力大小不受黏着力限制的制动方式称为非黏着制动。即非黏着制动的制动力不是从轮轨之间获取的，因而它可以得到较大的制动力。

3.按制动源动力分类

在目前电动车组所采用的制动方式中，制动源动力主要有压缩空气、液压和电。以压缩空气为动力的制动方式称为空气制动方式，如踏面制动、盘型制动等均为空气制动方式。以电为动力的制动方式称为电气制动方式。电（动力）制动及轨道电磁制动等均为电气制动方式。

4.按制动机的形式分类

车辆制动机是制动系统的控制核心，它可以在司机或其他控制装置（如ATP、ATC等）的控制下，产生各种制动作用，城轨车辆或高速列车用的制动机，一般均为电空制动机，如我国自行研制的SD数字式电空制动机及目前在国内、外大量使用的模拟式电空制动机，而现在我国铁路客货车用的制动机大都为空气制动机或电空制动机。

三、制动模式

1.停放制动

由于列车断电停放时，制动缸压力会因管路泄漏无压力空气补充而逐步下降到零，所以停放制动不同于一般的充气制动、排气缓解的制动过程，它是通过弹簧作用力而产生制动作用，能满足列车较长时间断电停放的要求。当列车需要在车库或者运营线路上存放时，可以施加停放制动，起到防溜防护。停放制动施加时，制动缸中的压力空气全部被排掉，在制动缸内部的弹簧制动力施加在轮对上。所设计的弹簧制动力可保证AW3超员载荷列车停放于最大坡度的轨道上。另外，弹簧停放制动除可充气缓解外，还附加有手动紧急缓解的功能。

2.紧急制动

列车装有一个“失电制动、得电缓解”的紧急空气制动系统，贯穿整个列车的连续电源线控制紧急制动的缓解。线路一旦断开，所有车辆立即实施紧急制动。紧急制动可不经过电子制动控制单元的控制，而直接使制动控制单元中的紧急电磁阀失电而产生。紧急制动时电制动不起作用，仅实施摩擦制动；紧急制动实施后不可以撤除，直至列车完全停下来。目前，城轨车辆紧急制动具有防滑保护和载荷修正功能。

3.快速制动

当主控制器手柄移到“快速制动”位时，列车将实施减速度与紧急制动相同的快速制动。快速制动时为摩擦制动，电制动不起作用。与紧急制动不同之处是快速制动可以通过主控制器手柄回“0”位撤消。

4.常用制动

列车在正常情况时的制动都采用常用制动模式。在常用制动模式下，电制动和摩擦制动一般都处于激活状态。一般情况下（车载AW2以下，速度6 km/h以上），电制动完全能满足车辆制动要求，当电制动力不能满足制动要求时，空气制动能够迅速、平滑地补充，实现混合制动的作用。当列车速度低于设定的摩擦制动介入值后，电制动失效，摩擦制动施加。

5.保压制动

保压制动是为了防止车辆在停车前的冲动，使车辆平稳停车，在制动控制系统内部设定的执行程序。以广州地铁2号线车辆为例，其保压制动分两个阶段实施：

第一阶段：当列车制动到速度＜6 km/h，牵引控制单元（以下简称DCU）触发保压制动信号，同时将保压制动信号输出给电子制动控制单元（以下简称EBCU）。这时，由DCU控制的电制动逐步退出，由EBCU控制的空气制动替代。

第二阶段：接近停车时（列车速度＜1 km/h），一个小于制动指令（最大制动指令的70%）的保压制动由EBCU开始自动实施，即瞬时地将制动缸压力降低。

如果由于故障EBCU未接收到保压制动触发信号，EBCU内部程序将在4 km/h的速度时自行触发。

四、空气制动系统工作原理

下面以日立公司的HRDA空气制动系统为例，对空气制动系统的组成及工作原理进行简要介绍。

HRDA空气制动系统（见图7-1-5）是一种可与ATP系统相配合的高灵敏度、高性能的电气指令性制动系统，它是鉴于安全性的考虑而设计、制造的。这套系统主要由两个系统组成：

（1）常用制动系统［辅助空气制动与电制动（再生制动）配合使用］。

（2）紧急制动系统（只使用空气制动）。

1.常用制动系统

常用制动用于正常运行条件下的制动。制动指令通过3条导线（二进制编码）传到电控装置。手动制动为7级。电控装置从3条导线接收制动指令。压力传感器单元检测出本车的两个空气弹簧压力，并传送给电控装置。因此，根据这些指令和信号，本装置生成本车的荷载补偿制动模式。为了优先使用电制动，该装置再把该制动模式作为再生制动模式指令传送到主控制单元。实际产生的再生制动从主控制单元作为再生制动反馈指令传送回该装置。该装置和主控制单元之间的这些接口是通过电压信号来表示。和制动力指令相比，如果电制动力不足，则制动力的短缺由本车的空气制动弥补。

当本车的主控制单元失灵时，该装置可以使本车自动实施空气制动。另外，为了提高乘坐舒适度，手动操作时该装置可减轻电控装置上的制动力的变化率（冲动控制）。

如图7-1-6所示是常用制动系统框图。

图7-1-6　常用制动系统框图

2.紧急制动系统

为了安全，紧急制动采用常带电系统，以达到故障安全的目的。制动操作时，列车线（EB线）失电。也就是说，当EB线断开时，紧急制动在各节车上自动生效。

不仅在ATP指令、制动控制指令（手动指令）或紧急制动开关作用下可产生紧急制动，而且在列车分离、主风缸压力过低、EB线搭接（EB1和EB2）时，也可以产生紧急制动。

如图7-1-7所示是紧急制动系统框图。

图7-1-7　紧急制动系统框图

3.常用制动指令系统

该制动指令系统输出常用制动指令，它包括主控制器、ATP设备等。常用制动由每个所要求的减速度、一个常用制动信号按7级进行控制。

4.保持制动功能

列车设置保持制动功能，防止坡道起动时向后溜车。设计方案在设计联络阶段讨论。

5.制动操作单元

制动包括两条线路，常用制动、紧急制动，根据制动指令进行运用。制动操作单元控制制动缸的充气和排气，以进行常用或紧急制动施加或缓解。在制动设备中，来自指令线对制动力的混合使用的所有功能都通过电路来实现。

常用制动指令通过常用制动指令线路来传递，而混合操作在电控装置内进行。如果电制动力相对于其制动力要求来说是不足的，则所缺的制动力作为空气制动力指令发给电-空转换中继阀。

电-空转换中继阀把电流量转换成气压。该阀由磁流控制阀、紧急电磁阀和双活塞中继阀三部分组成。该磁流控制阀是由电控装置根据输出气压（AC压）的反馈信息来进行控制。AC压被导入中继阀的操作室，在此处流量被放大。然后，该输出气压作为空气制动力导入制动缸。

EB列车线失电时产生紧急制动，该系统构造使得满足空重车调整阀所产生荷载要求的压力导入电-空转换中继阀。紧急电磁阀把电压导入中继阀部分，该部分再放大来自紧急制动线路上的紧急制动力，其方式和放大与常用制动一样。被放大的压力空气也被输送到制动缸。

电控装置在全部运用常用制动期间检测制动力的不足，而在缓解过程中检测未缓解的制动力，同时，控制电磁阀强制缓解。在检测制动力不足时，该装置切断本车紧急线路，进行紧急制动。

当电磁阀强制失电时，转换阀耗尽制动缸内空气，因此，空气制动力通过电控装置强制缓解。

如图7-1-8所示是制动操作单元的内部空气通道。

图7-1-8　制动操作单元的内部空气通道

6.电控装置

电控装置安装在制动操作单元内，通过微处理器采用数字计算系统。

每节车上安装一个电控装置（见图7-1-9）。该装置从常用制动线路接收制动指令，并检测两个空气弹簧压力，然后产生本车的制动模式。

该装置接收本节车的空重车调整指令，把再生制动力模式指令传送给主控制单元，然后从主控制单元接收再生制动反馈指令，从而控制交叉混合。结果，产生本节车的补充空气制动模式。

图7-1-9　电子控制设备原理图

五、空气制动系统组成

城轨车辆的空气制动系统由风源系统、制动控制装置、防滑装置、基础自动装置四部分组成。

1.风源系统

城轨车辆风源系统主要由空气压缩机、风缸、空气过滤装置和空气管路等组成。由空气压缩机产生的压缩空气通过空气干燥过滤器进入主风管和主风缸。供气系统能为每一单元车组提供足够的压缩空气，相邻车辆的主风管通过截断塞门软管相连。主风管用来使车辆之间的压缩空气流通，即使在一台空压机不工作的情况下，它也能使总风缸从邻近车辆充气。所有的辅助气动设备和司机室内的压力表都安装在主风管的各支管上（各风缸和减压阀将主风缸与其他消耗空气的元件隔开）。主风管的压缩空气除用于空气制动外，还将压缩空气送至下列子系统：空气弹簧、车钩装置、汽笛、受电弓装置等用风设备。

城轨车辆的制动系统及空气弹簧等系统所使用的压缩空气都是由空气压缩机生产的，城轨车辆的压缩机主要有活塞式空气压缩机和螺杆式空气压缩机两种。如图7-1-10和图7-1-11所示为活塞式压缩的结构原理图和实物图。

活塞式空气压缩机由固定机构，运动机构，进、排气机构，中间冷却装置和润滑装置等组成。固定机构包括机体、气缸、气缸盖；运动机构包括曲轴、连杆、活塞；进、排气机构包括空气滤清器、气阀；中间冷却装置包括中间冷却器（简称中冷器）、冷却风扇；润滑装置包括润滑油泵、润滑油路等。活塞式空气压缩机应用广泛、技术成熟、可靠性和稳定性好，不需要特殊润滑，性价比具有吸引力。

图7-1-10　VV120型电动空气压缩机
1—驱动电机；2—进气过滤器；3—呼吸器；4—聚合过滤器；5—低压缸；6—低压阀；7—高压缸；8—高压阀；9—冷却进口；10—黏滞风扇；11—扇叶；12，18—弹性装置；13—曲轴；14—曲轴箱；15—油位观测镜；16—中间法兰；17—柔性联轴节；A1—空气出口；A2—空气进口；A3—冷却空气

2.制动控制装置

制动控制装置主要由电子制动控制单元、制动控制单元和空气控制屏等组成。

（1）电子制动控制单元（EBCU）。

电子制动控制单元输入制动命令、电制动施加与否信号、车体负载信号、空气制动实际值的反馈信号。然后输出电-气模拟转换和防滑控制的电信号，控制各种电磁空气阀，根据制动的要求和空气制动施加的实际情况不断地调整制动缸的压力。

（2）制动控制单元（BCU）。

制动控制模块由集成安装在模板上的模拟控制阀、紧急制动控制阀、中继阀、压力传感器、负载限压阀（称重阀）等组成。它的主要作用是根据电子制动控制单元输出的指令进行电-气转换，即EBCU把电信号输入BCU，通过BCU把电信号变成气压信号送入空气制动单元，输出控制压力来控制主风管到制动风缸的压缩空气，完成对制动风缸压力进行控制的任务，其外形和内部结构如图7-1-12和图7-1-13所示。

图7-1-12　制动控制单元外形图

图7-1-13　制动控制单元内部结构图

（3）空气控制屏。

空气控制屏也称辅助控制单元，是一些阀类元件的集中安装屏，这些元件都安装在一块铝合金的气路板上，输出控制压力来控制主风管到制动风缸的压缩空气，完成对制动风缸压力进行控制的任务。

除此之外，制动控制系统中还有制动风缸、截断塞门等，在车厢内的空气截断塞门可切除该车的制动作用。

3.防滑装置

防滑装置主要是安装在转向架上的防滑阀。每根轴都装有速度传感器，将速度信号传至电子控制单元的防滑部分进行逻辑计算，当某轴发生制动力过大，轮轨间发生滑动时，EBCU控制防滑阀关闭压缩空气通路，开启制动缸通向大气的通路，进行排风缓解，然后再重新恢复正常制动。这样使车辆在黏着不利的情况下尽快恢复制动作用，使停车距离减少到最小值，并防止轮对踏面擦伤。

目前，空气制动控制系统趋于集成化，例如，克诺尔公司开发应用的EP2002系统已经将电子制动控制单元（EBCU）、制动控制单元（B CU）和防滑保护装置集成在网关阀和智能阀中，实现了架控功能。

4.基础制动装置

基础制动单元有踏面制动单元和制动夹钳两种，按功能分类，基础制动单元有两种：一种是常用制动机，另一种是带有停放制动器的制动机，如图7-1-14、图7-1-15所示。

图7-1-14　PEC7型单元制动机
（不带弹簧停放制动器）

图7-1-15　PEC7F型单元制动机
（带弹簧停放制动器）

当风缸充风时，常用制动机通过杠杆机构将闸瓦/闸片推向轮对踏面/制动盘产生摩擦制动，即充风制动，排风缓解。

停放制动器实际是一个弹簧制动器，当停放制动缓解，风缸排风后，弹簧弹力机构将闸瓦/闸片推向轮对踏面/制动盘，从而达到制动的目的。当向缓解风缸充气时，压缩空气压力克服弹簧力，使机构复位，停放制动得到缓解。另外，停放制动也可不通过风缸，而是通过拉动其上的缓解装置释放弹簧的弹力，达到缓解的目的。所以停放制动正好与常用制动相反，即排风制动，充风缓解。