城市轨道交通系统制动概述

1.掌握制动系统的基本概念2.掌握车辆制动系统的分类3.了解制动系统应具有的基本要求一.基本概念1．列车制动系统和列车制动装置为使列车能实施制动和缓解而安装于列车上的一整套装置，总称为“列车制动装置”，有时，“制动”与“制动装置”均简称为“闸”，实施制动简称为“上闸”，亦可简称为“下闸”，使制动得到缓解简称为“松闸”。现代轨道交通车辆的制动系统是由动力制动系统和空气制动系统及指令和通信网络系统三部分组成的。（1）动力制动系统。它一般与牵引系统连在一起形成主电路，包括再生反馈电路和制动电阻器，将动力制动产生的电能反馈给供电接触网或消耗在制动电阻器上。（2）空气制动系统。它由供气部分、控制部分和执行部分等组成。供气部分有空气压缩机组、空气干燥器和风缸等；控制部分有电-空转换阀（EP）、紧急阀、称重阀和中继阀等；执行部分有闸瓦制动装置和盘形制动装置等。（3）指令和通信网络系统。它既是传送司机指令的通道，同时也是制动系统内部数据交换及制动系统与列车控制系统进行数据通信的总线。2．制动作用和缓解作用（1）制动：人为地制止物体的运动，包括使其减速、阻止其运动或加速运动，均可称之为“制动”（2）缓解：对已经施行制动的物体，解除或减弱其制动作用，均可称之为“缓解”对于运动着的列车，欲使其减速或停车，就要根据需要施加于列车一定大小的与其运动方向相反的外力，以使其实现减速或停车作用，即施行制动作用；列车制动停车后起动加速前或运行途中限速制动后加速前均要解除制动作用，即施行缓解作用3.制动的实质：（1）能量的观点：将列车的动能变成别的能量或转移走。（2）作用力的观点：制动装置产生与列车运行方向相反的力，使列车尽快减速或停车。3．制动机：产生制动原动力并进行操纵和控制的部分设备。4．制动力：由制动装置产生的与列车运动方向相反的外力。对轨道交通机车车辆而言，制动力是制动时由制动装置产生作用后而引起的钢轨施加于车轮的与列车运行方向相反的力。5．制动力：由制动装置产生的与列车运动方向相反的外力。对轨道交通机车车辆而言，制动力是制动时由制动装置产生作用后而引起的钢轨施加于车轮的与列车运行方向相反的力。6.基础制动装置：传送制动原动力并产生制动力的制动执行装置7.制动距离：从司机施行制动的瞬间起（将制动手柄移至制动位），到列车速度降为零列车所行驶的距离，其综合反映列车制动装置的性能和实际制动效果的主要技术指标。二.城市轨道交通车辆制动系统的制动模式根据车辆的运行要求，制动系统采用以下几种制动模式：1．常用制动正常运行下为调解或控制动车列车速度，包括进站停车所实施的制动，特点是作用缓和与制动力的可以连续调节，制动过程中能够根据车辆载荷自动调整制动力，当常用制动力最大时即为常用全制动。2．紧急制动紧急情况下为使列车尽快停止而施行的制动，特点是作用比较迅速，而且将列车制动能力全部使用，通过故障导致安全的设计原则为“失电制动，得电缓解”的紧急空气制动系统。紧急制动是在列车遇到紧急情况或发生其他意外情况时，为使列车尽快停车而实施的制动。其制动力与快速制动相同。紧急制动时考虑了脱弓、断钩、断电等故障情况，故只采用空气制动，而且停车前不可缓解，在尽可能减小冲动的情况下不对冲动进行具体限制。3．快速制动是为了使列车尽快停车而实施的制动，其制动力高于常用全制动(上海、广州快速制动力高于常用全制动22%)。这种制动方式在紧急情况下、制动系统各部分作用均正常时所采取的一种制动方式，其特点是与常用制动相同，制动过程可以施行缓解。受冲击率极限的限制，主控制器手柄回“0”位，可缓解，具有防滑保护和载荷修正功能。4．保压制动保压制动是为防止车辆在停车前的冲动，使车辆平稳停车，通过ECU内部设定的执行程序来控制。第一阶段：当列车制动到速度8Km/h，DCU触发保压制动信号，同时输出给ECU，这时，由DCU控制的电制动逐步退出，而由ECU控制的气制动来替代。第二阶段：接近停车时（列车速度0.5Km/h），一个小于制动指令（最大制动指令的70%）的保压制动由ECU开始自动实施，即瞬时地将制动缸压力降低。如果由于故障，ECU未接收到保压制动触发信号，ECU内部程序将在8Km/h的速度时自行触发。5．弹簧停放制动为防止车辆在线路停放过程中，发生溜逸，城轨车辆设置停放制动装置。停放制动通常是将弹簧停放制动器的弹簧压力通过闸瓦作用于车轮踏面来形成制动力。以前停放制动也有叫停车制动或弹簧停车制动，但在地铁列车中，停车制动是另外一个概念，所以为区别开来，叫停放制动较好。库内停车时可以解决因制动缸压力会因管路漏泄，无压力空气补充而逐步下降到零，使车辆失去制动力的停放问题。在正常情况下，弹簧力的大小不随时间而变化，由此获得的制动力能满足列车较长时间断电停放的要求。弹簧停放制动的缓解风缸充气时，停放制动缓解；弹簧停放制动的缓解风缸排气时，停放制动施加；还附加有手动缓解的功能。停放制动是列车停车后，为使列车维持静止状态所采取的一种制动方式。6.停车制动对于地铁列车来说，通常把停车前的这一段空气制动过程称为停车制动或保持制动。当停车制动使列车减速到极低速度以后。为减小冲动。制动力会有所降低，上海和广州地铁是在减速至4km／h左右，制动力降至70KPa(提供的资料是70？)，停车制动具有常用制动的特点。三.制动系统的重要作用对轨道交通运输来讲，制动系统有着非常重要的作用。制动系统作用的可靠性是列车行车安全的基本保证。列车因故障不能出发不会有什么危险，若在运行中因制动装置故障不能停车，则后果是不堪设想的。所以我国和谐号CRH动车组列车的制动控制系统设计理念是故障导向安全，采用多级制动控制方式和制动能力冗余设计。安全第一，“不止不行”。对现代轨道交通而言，制动的重要作用早就不仅仅是安全的问题了，制动已经成为限制列车运行速度和牵引重量进一步提高的重要因素。现代轨道交通列车正向着高速重载方向发展，运行速度越高，牵引重量越大，需要的制动力也就越大，如果只提高运行速度及牵引重量而没有更大功率的制动装置来保证，结果只能跑而不能停，其高速重载就不可能实现。所以，制动装置的重要作用在于：一方面使列车在任何情况下减速或停车，确保行车安全；另一方面也是提高列车运行速度，提高牵引重量，即提高轨道交通运输能力的重要手段。从安全的目的出发，一般列车的制动功率要比驱动功率大5～10倍。列车的制动能量和速度成平方关系，时速200km/h～300k/h动车组的制动能量是普通列车的4～9倍，可见，能力强大的制动装置对于保证列车高速、重载、安全运行有着至关重要的意义。衡量一个国家的轨道交通运输水平，首先要看能制造多大牵引力的机车，但牵引与制动是互相促进的，无先进的制动技术就没有现代化的轨道交通运输。一.城市轨道交通制动系统的发展随着20世纪初科学技术的发展，制动技术方面，逐步发展为空气制动机。我国旅客列车客车空气制动机最早使用L3型客车制动机，L3是一种客车三通阀，解放后对其进行改造命名为GL3型客车三通阀。20世纪60年代末国内开始研制新型客货车制动机—103型货车分配阀和104型客车分配阀。104型客车分配阀于1975年通过铁道部的技术鉴定，在客车上得到全面推广使用，从此GL3型三通阀停止生产，1989年铁道部又通过F8型客车分配阀技术鉴定，104型和F8型空气制动机成为我国旅客列车使用的主型制动机，可混编使用。所谓的空气制动机就是用压力空气作为制动的动力来源，并用压力空气的压力变化来实现列车的制动和缓解作用的制动装置。这种空气制动机被广泛应用于铁路、地铁、轻轨、独轨等轨道交通车辆上。就是目前，空气制动机还在我国和世界各国的机车和客、货车辆上使用。我国上世纪60年代未开通的北京地铁，用的全是国产车，配自制的制动机产品，如使用DK型电空制动机，DK型电空制动机它是由电磁阀组和制动阀控制的空气制动。它的特点是当扳动制动阀手柄进行空气制动的同时，装在制动阀上面的电空制动控制器相应地发生作用。这时，空气制动和电气控制作用同时产生，当电制动失效时空气制动还能发生作用。DK型电空制动机空气制动部分是在铁路客车原LN型空气制动机的基础上加以改造的，主控机构先期直接采用GL3型三通阀，由于城市轨道交通车辆空重车重量相差较大，所以加装了空重车调整装置，基础制动装置为踏面制动。后来对DK型电空制动机进行了进一步改进，仿照客车分配阀设计了膜板分配阀，在操作灵活性和可靠性方面与GL3型三通阀相比有了较大的提高。但DK型制动系统在电阻制动与空气制动的匹配上采用切换方式，因而制动力控制性能较差。一.城市轨道交通制动系统的发展最近几十年来，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和完善。数字式电空制动机开发从20世纪70年代开始，由长春客车厂与铁道部科学研究院合作研究开发地铁车辆用的SD型数字式直通电空制动机。此项技术是传统的轨道机车车辆制动机在地铁上的一个飞跃。该制动系统缩短了空走时间和制动距离，改善了车辆制动的一致性，其性能比较先进：列车导线传递PWM（脉宽调制）控制信号，手控15级，自动驾驶64级，车辆制动机解码，电制动优先，电-空制动相互匹配。它具有制动压力准确、传输速度快、司机操作方便，可实现空气制动与电气制动自动配合的优点。这项技术在凸轮变阻车、斩波调压车、斩波调阻车上得到了广泛应用。但采用这种控制技术，动力制动的制动力在制动初期上升较慢，而列车快要停车时又衰减较快，需要空气制动力进行补充。该制动系统较DK型自动式电磁空气制动系统在动力制动与空气制动的配合、制动和缓解的一致性、与控制、动力制动能力的充分运用上存在着改进的余地，而且在实践中，控导阀的性能受材料和工艺的影响极大，所以SD型电空制动机系统已被逐步淘汰。一.城市轨道交通制动系统的发展十几年来，我国已修建了近千公里城市轨道交通线。这些线上城轨车辆的制动系统大都采用微机控制直通电空制动系统，原理基本相同，但在具体的实施方法上有所区别。主要有以下四种形式。一是以上海和广州1、2号线为代表的德国KNORR公司的城市轨道车辆制动系统，它是目前国内A型车上运用最广的制动系统。该系统为模拟式制动系统，制动指令采用PWM信号或网络信号，它们被传递到每个车辆的微机制动控制单元。微机制动控制单元一般单独设置在车厢内。而气制动控制单元由2块气动集成板和风缸等组成，分别固定在车辆底架下。系统结构紧凑。目前深圳、南京地铁车辆和大连轻轨车辆，甚至部分国内试制的高速电动车组上也采用了该制动系统。一.城市轨道交通制动系统的发展二是以北京、天津为代表的B型车上采用较多的日本NABCO公司生产的HRDA型制动系统。系统为数字式制动系统。即常用制动指令采用3根指令线编码，共7级。微机制动控制单元与气制动控制单元集成在一起，固定于车辆底架下面。由于采用了流量比例阀进行EP控制，因此气制动控制单元较为简单。在武汉轻轨和重庆独轮轨等项目上也采用了此制动系统。基础制动根据车辆的不同有所区别。三是以上海3号线、5号线为代表的原英国Westinghouse公司的微机控制直通电空制动系统。系统按整车模块化原则设计，集成度较高。它将微机制动控制单元、气制动控制单元、风缸、风源等除必须安置在转向架附近的部件外，全部在一个安装架上集成安装，方便运用维护。该系统同样采用PWM信号传递制动指令，为模拟式制动系统。EP转换采用4个开关电磁阀闭环控制的方法。一.城市轨道交通制动系统的发展四是德国KNORR公司生产的架控式EP2002型制动系统，目前得到了广泛应用，所谓架控形式，就是在一个转向架上装一个EP2002阀，一个EP2002阀只控制一个转向架。如果一个EP2002阀出现故障，只需切除一个转向架上空气制动控制，使故障对列车运行的影响减至最小。中国广州地铁3号线是世界上第一个使用EP2002型制动系统的用户。五是广州地铁公司与铁道部科学研究院在2008年12月开始研制开发的架控式EP09型制动系统，在2010年8月10日通过专家评审，