1、地鐵車輛在制動方面的優化設計 第1章緒論1.1研究背景制動系統作為地鐵車輛的重要子系統之一，在保證車輛安全方面發揮著重要作用。我國城市軌道交通車輛制動技術的開始于20世紀60年代在北京建成的第一輛地鐵車輛，考慮到當時的技術條件，列車采用了DK型自動電磁空氣制動系統，基本制動系統采用踏面制動。在電阻制動與空氣制動的匹配中，系統采用切換方式。因此，制動力控制性能較差。此后，我國相關企業和高校共同開發了數字化氣動電控制動系統，在動力制動與空氣制動的協調性、制動性和緩解一致性方面有了明顯的提高。然而，在制動力的精確控制和動力制動能力的充分利用方面仍有改進的空間。隨后，AR12電控模擬指令制動系統應運而

2、生。該系統采用電氣控制和模擬信號傳輸，實現了動力制動與空氣制動的連續配合，制動力控制更為方便。然而，由于該系統是由電子邏輯電路控制的，很難實現拖拉機的電制動能力的利用和系統的通用性。不強，特別是不能實現實時故障監測。簡單地說，制動系統的發展經歷了純空氣制動、主電制動為輔助控制制動、主空氣制動為輔助電制動的過程。制動系統的控制技術也從空氣控制、電氣控制發展到目前的數字化控制。近年來，國產制動系統逐步開發并應用到個別的地鐵車輛項目中，主要為中國鐵道科學研究院和中車四方機車車輛研究所研制的車控及架控制動系統。伴隨著國產制動系統的逐步應用，將有利于提高目前城市軌道車輛國產化率，降低整車成本、但目前產品

3、競爭力不足，例如零部件質量不可靠影響產品質量，研發投入不夠導致基礎試驗設備及項目不足等方面，但最主要方面體現在產品的運用經驗不足，造成系統性能較之外國產品不夠完善，現在使用較多的制動系統伴隨中國城市軌道交通市場的不斷發展系統性能逐步完善。1.2研究意義及目的本文研究的目的:針對城市軌道交的站間距較短（一般都在3公里左右）的特點，這就決定了城軌車輛制動系統的特性必須具備其制動裝置必須滿足操作靈活、動作迅速、停車平穩準確、制動率及制動功率相對較大等要求。同時，軌道交通的客流量波動大，空載時重量僅為車輛自重，二滿載時列車重量突然增加到極限。要求制動裝置應具備各種載荷工況下車輛制動力自動調整的性能，使

4、車輛制動率能夠維持不變，從而實現制動的準確性和停車的平穩性。，也便于國產制動系統的借鑒和分析。本文研究的意義:希望我國制動系統方面的專業人才能夠集中力量，共同努力，自主研發出具有市場競爭力、適用于新型城軌車輛的制動系統，以滿足我國日益增長的軌道交通產品的需求，同時使我國的制動技術得到新的發展。1.3我國地鐵車輛制動系統現狀制動系統作為地鐵車輛上的重要子系統之一，對車輛有著保證運行安全的重要作用。90年代以來，我國城市軌道交通產業持續飛速發展，大部分城市軌道車輛的制動系統均采用國外引進的制動系統，其中，以英國WESTINGHOUSE公司研制，現為克諾爾子公司生產的基于架控的EP2002制動系統應

5、用最為廣泛。近年來，國產制動系統逐步開發并應用到個別的地鐵車輛項目中，主要為中國鐵道科學研究院和中車四方機車車輛研究所研制的車控及架控制動系統。伴隨著國產制動系統的逐步應用，將有利于提高目前城市軌道車輛國產化率，降低整車成本、但目前產品競爭力不足，研發投入不夠導致基礎試驗設備及項目不足等方面，但最主要方面體現在產品的運用經驗不足，造成系統性能較之外國產品不夠完善。我國地鐵制動的國產化，實際上包含兩個內容:一是重要設備要實現在國內制造生產，或進口國外零部件國內組裝，一些國外公司在國內設立的合資企業生產組裝的設備就屬于這個范疇;二是要實現關鍵核心技術的自主創新，這種國產化又稱自主化，實際上是國產化

6、所追求的深一層目標，而這個目標正是目前國內品牌制動系統供應商所追求的，每個國內品牌制動系統供應商都為之付出了極大的財力、物力和人力。早在2015年2月，我國鐵道科學院自行開發的制動系統就通過了相關機構的技術鑒定。并且在天津的濱海快速車上進行了實驗，實驗結果表明，我國自行制造的制動系統完全能夠滿足要求。而在2007年的最后一次實驗中，在國際考評組通過，考評組成員認為，我國自行研發的制動系統不僅達到國內先進水平，及時是在國際上，也是名列前茅。其可靠性、安全性和維護成本都能夠達到市場應用的標準。之后我國很多的地鐵制動系統都將此系統作為了主要的應用系統，這個我國鐵道車輛制動發展帶來了重要的意義。二、目

7、前地鐵車輛制動系統概述及組成2.1概述EP2002制動系統采用架控的形式即一個制動控制單元控制一個轉向架，如果一個制動閥發生故障，只需要切除一個轉向架上的制動閥，使故障對列車運行的影響減至最小。制動系統的核心部件是制動閥，它是機電一體化的模塊部件，可以進行制動系統的控制、監控以及與列車控制系統之間的通訊。系統主要由風源系統、制動控制單元、基礎制動裝置、空氣懸掛設備等部分組成。具有常用制動、緊急制動、決速制動、保持制動、停放制動和滑行控制等功能。地鐵制動系統組成目前我國地鐵車輛的制動系統主要由風源系統部分、制動控制系統部分、轉向架制動設備部分、微機控制輪對防滑設備部分、空氣懸掛設備部分、車鉤驅動

8、裝置部分和升弓設備部分組成一起組成。2.2.1風源系統EP2002風源系統主要包括活塞式（常見vv120型）帶后冷卻器空壓機、雙塔式吸附干燥器、安全閥、濾油器、吊裝框架等設備，所有設備被集成為一個風源模塊，該模塊通過螺栓直接聯接到車體底架上。在每節車上均配置了一套壓縮空氣風源模塊。該風源模塊的供風能力可以滿足地鐵車輛用風需求。圖1風源系統空氣壓縮機由冷卻器、帶粘液禍合器的風扇葉輪、活塞式壓縮機和三相交流電動機等組成，采用空氣冷卻，兩級活塞壓縮的空壓機，由一個三相交流，50Hz,AC380V的電動機驅動。空氣壓縮機有兩個低壓氣缸和一個高壓氣缸。拿vv120型空氣壓縮機來舉例說明，優點，如加長的吸

9、氣管，彈性阻尼冷卻風扇聯軸節，空壓機與電機間的柔性聯接，彈性減振器，可以盡量降低空壓機的噪音水平。空壓機的風扇配備了一個粘液禍合器。這樣，冷卻裝置會根據環境溫度和壓縮機出口溫度自行進行無級調節，從而保證壓縮機以一個適宜的工作溫度來運行。粘液禍合器同時作為滑動離合器使用，以使在風扇結冰或被異物如樹枝等卡住的情況下不會造成設備損壞。空氣壓縮機通過自帶的吸氣過濾器吸入空氣，保證了對壓縮機的最佳保護，空氣在第一級被壓縮后流經中間冷卻器，然后進行第二級壓縮。壓縮空氣在流經空氣壓縮機的后冷卻器后通過一根壓力軟管到達一個雙塔空氣干燥器。壓縮空氣被通到雙塔空氣干燥器中，壓縮空氣在一個干燥塔內進行干燥，同時在另

10、一個干燥塔內回流的潔凈總風對干燥劑進行再生處理。在干燥器內的電子計時器控制兩個塔的干燥及再生。只有在空氣壓縮機工作時，該計時器的控制周期才起作用，這樣可以確保兩個干燥塔可以均衡工作。雙塔空氣干燥器通過去除系統中的水份并達到等于或小于35%的相對溫度。所有軸頸以及活塞和氣缸均采用噴射潤滑油的方法進行潤滑。連桿浸入油池中，在每次轉動時即會造成潤滑。潤滑油會自己流回油池中。無需附加裝置如濾油器、油泵或者閥門等。這種浸入潤滑方式的優點是即使在冬季的特殊外界條件下也具有很好的可靠性。AlA2A3A2-1空r濾淸猛2電動機3冷卻界4帶枯液粥育黯的風腳葉輪5戒紋背聯軸器6曲柚7曲彩前8=319防護閥“油位顯

11、川沖11減振零件讓屮間憩71H除油過濾15閥門16閥門址弋口A5禽油氣體排吒口P1中間壓力抽毆r體P2高壓冷卻休O1潤滑汕圖2空氣壓縮機制動控制系統EP2002制動控制設備主要由單管式、基于各轉向架踏面制動單元架控形式的電空控制和空氣制動系統組成。制動系統設計組成通過三個核心部分來形成分布式制動控制網絡。這三個組件是網關閥、RIO閥和智能閥。在地鐵車輛EP2002制動系統設計中，每節帶司機室車箱和動車配置有單個網關閥和單個智能閥，在每節帶受電弓的車箱上配置有單個智能閥和單個RI0閥。每個閥都安裝在相應的轉向架上。EP2002網關閥是一個機電一體的部件，它包含一個被稱為氣動閥單元(PVU)的直接

12、安裝在氣動伺服閥上的電子控制部分。通過相應的CAN總線制動信號，每個網關閥對相應轉向架上制動缸壓力(BCP)進行控制。網關閥對每個轉向架的常用制動、緊急制動和防滑保護實施控制。通過軟件和硬件結合的方式對網關閥進行監控，還可以發現潛在的故障。通過相應轉向架的軸速參數和專門的CAN總線發出的其它閥門的速度參數共同進行車輪滑動保護。智能閥是一個機電一體化的部件，包括一個電子控制部分，直接安裝在氣動伺服閥上。智能閥提供滿足制動要求的制動缸壓力(BCP)到轉向架上的制動器執行機構中。同時還進行每根軸的WSP控制。該閥采用軟件和硬件組合的方式予以控制和監視，從而能夠檢測到潛在的危險故障。車輪滑動保護是采用

13、本車取得的軸速數據和從其他閥門（網關閥或智育度數據相結合并通過專用CAN制動器總線來提供的。智能閥同時根據由過來的壓力要求對制動壓力進行調整。RIO閥（遠程輸入/輸出閥）具有與網關閥同樣的輸入/輸出。RIO閥可以讀出可編程輸入并通過雙通路CAN總線發送給主網關閥。RIO閥可編程輸出的狀態由主網關閥進行控制。網關閥、RIO閥和智能閥的內部氣路是一樣的，都是氣動閥單元（PVU）。它的功能區域可分成如下幾個部分，氣路原理圖參見下圖:n-41TO川一r.4ififI*_土Hjiiprnr嚴刊廠L1-i|f.F.P_I占SIl卩衛ImAD*rcui.Lir_lAUXEHrrmHi*!*Amgr1if卑-

14、甲丄KE-LZi-dT時UhIiElw訪也hikNairit耳TDM2*XlE圖3氣動閥單元轉向架制動設備每個輪對上裝有2套踏面制動單元，并且其中1套踏面制動單元具有彈簧停放功能。踏面制動單元的停放制動缸用cube上的電磁閥控制及制動閥的端口來監控停放制動的狀態。制動單元的彈簧作用部分作為停放執行器，在每個停放制動作用器上還配備了一個手動緩解裝置。當壓力空氣首次施加后，該機械緩解裝置將自動復位。微機控制輪對防滑設備防滑裝置由在控制閥內的微機控制電路板、速度傳感器和測速齒輪組成。每根車軸端部裝有測速齒輪和速度傳感器。根據車輪的轉動，速度傳感器將脈沖信號發給控制該轉向架上的制動閥用于防滑控制。2.

15、2.5空氣懸掛設備每節車均配置有空氣懸掛系統，包括一個四點控制及在空氣彈簧故障時作用的均衡裝置和壓力保持裝置。空氣彈簧壓力及車體高度將由高度閥控制。來自總風管的壓力空氣通過溢流閥，減壓閥，截止閥向空氣彈簧充風。通向空氣懸掛系統的風源可通過截斷塞門來隔離。本系統向空氣彈簧提供與車體載重相應的壓力空氣。差壓閥的作用是避免兩個相聯空氣簧內的壓差大于100Kpa。2.2.6車鉤驅動裝置設備包括連接軟管，截斷塞門和電磁閥。通過截斷塞門可以隔離每節車的總風管。2.2.7升弓設備升EP2002弓設備配置在帶受電弓動車，包括腳踏泵、電動泵、供風單元和控制單元，作用是為受電弓的升起和降落提供外部風源和控制。升弓

16、設備與車輛總風管路相連接，正常情況下由車輛向升弓設備供風，當車輛總風壓力低時，系統控制電動升弓泵工作進行供風，當車輛蓄電池無法提供110V電源等因素導致電動升弓裝置無法工作時，可以通過腳踏泵的手動操作升起受電弓。2.3系統功能2.3.1常用制動控制每個閥測量各自轉向架上的載荷，并將各自制動控制卡發出的數據在分布式制動CAN網絡間傳輸。網關閥內的制動控制(BCU)卡根據列車控制數據及轉向架載荷數據對每節車的每個轉向架產生與車輛載荷成比例的相應制動力命令。這考慮了每個轉向架的粘著限制。每個本地制動控制卡通過EP閥和氣動閥單元內的傳感器反饋信號同時提供空氣制動閉環控制。緊急制動控制為保證車輛安全，列

17、車設有獨立的緊急制動控制系統，并采用常時帶電方式，任何原因造成緊急電路失電，全列車將自動實施緊急制動。在列車正常工作時，無論是在牽引、惰行或是常用制動時都不會發生緊急制動，但當有下列情況之一發生時，EP2002將立即實施緊急制動:觸發司機室中的警惕裝置；按下司機室控制臺上的緊急制動按鈕；列車脫鉤；緊急制動電氣列車線環路中斷或失電和總風欠壓等意外情況。當緊急制動指令發出時，將實施緊急制動，此時電制動被自動切除，全部制動力僅由空氣制動獨立承擔。停放制動功能EP2002系統配置停放制動功能，在每根軸上設置踏面單元制動單元可以提供彈簧施加和氣動緩解的停放制動，能夠使AW3的列車停于最大坡道上。當總風壓

18、力低于4.8bar時，停放制動自動施加，當總風壓力恢復時停放制動能自動緩解并恢復停放制動的正常工作。同時，在司機室操作臺上設置按鈕可以方便地控制停放制動的施加和緩解，并在轉向架上設置手動緩解裝置，以便在軌道旁完成對停放制動的手動緩解。保持制動功能系統具有保持制動功能，在車輛站停時制動系統將施加保持制動，保持制動力的大小為當前載荷下70%最大常用制動力。2.3.5緊急制動空重車調整EP2002系統提供本轉向架獨立的電子加權載荷信號緊急制動控制。氣動載荷信號被測量，該信號用來調整入口端調節器控制室的壓力。調節器中繼閥將供風壓力調節到相應載荷下的緊急制動壓力水平。電子緊急壓力控制裝置將調節器的輸出壓

19、力在空車載荷和超員載荷BCP壓力之間進行調整。緊急制動壓力調節功能始終處于有效狀態。當發出緊急指令時，微控制器的常用制動輸出只將控制閥置于WSP狀態，以此使制動缸處于經過載荷補償的緊急制動壓力水平。2.3.6防滑保護控制功能控制系統將定期執行地速檢測，以便更新實際的列車速度。系統能精確地控制滑動程度，從而對軌道進行清掃。這樣可以改進后面車輪的粘著環境，在低粘著下使制動力最大化，同時確保沒有車輪擦傷。當WSP控制確定粘著條件恢復到正常狀態時，則系統將返回到初始狀態，定期地速測試將結束。三、地鐵車輛制動系統存在問題制動切除裝置的問題EP2002制動系統為車輛每個轉向架配備一套空氣制動力切除裝置，主

20、體由帶電觸點制動切除塞門組成，其作用是在車輛制動系統故障以及檢修、救援、試驗等特殊情況下，可以對相應轉向架的空氣制動力進行切除與恢復操作，對制動系統及列車而言有著重要作用。通常是將每節車的兩套制動切除塞門分別布置在車輛前后兩端制動單元上方的客室內的座椅骨架下。此方案缺點在于切除裝置在車輛前后分別布置，對于一列六節編組的地鐵列車要分別操作12次，操作繁瑣，增加了切除與恢復的操作時間，并且只能在車上實現切除和恢復功能，而在車下無法實現對切除裝置的操作。腳踏泵布置的問題制動系統為每列帶氣動受電弓的地鐵車輛配備至少一套腳踏泵裝置，用于當車輛總風壓力低，并且蓄電池無法提供110V電源等因素導致電動升弓裝

21、置無法工作時，手動升起受電弓。公司以往項目車輛的傳統安裝方案參見圖，將其安裝在客室內的間壁柜內，通過四角安裝支架固定在地板上，將腳踏泵水平安裝在支架上。此結構缺點是由于受間壁柜內空間及柜門尺寸所限，一旦安裝定位尺寸稍有偏差，腳踏泵與間壁柜很容易發生接磨現象，并且使用時，腳踏泵不方便取出。圖4腳踏閥停放制動存在的問題EP2002制動系統通常在司機室操縱臺故障指示燈上設置停放制動指示燈，用于司機或檢修人員直觀、方便地判別車輛停放制動的施加與緩解狀態。常見的項目方案的停放制動顯示方案原理存在通過將整列車所有網關閥內停放制動緩解開關（閉合緩解，打開施加）串聯起來，進行判斷。在司機室激活的情況下（CFC

22、R得電），若所有車輛停放制動緩解，則所有網關閥內停放制動緩解開關閉合，停放制動緩解繼電器PBRR得電，操縱臺上停放制動指示燈不亮，即停放制動緩解。該方案基本能夠如實反應車輛停放制動的狀態，但在特定情況下，該方案缺點具有一定的缺點，因為此方案停放制動狀態的判斷都依賴于制動閥電源，一旦電源故障則不能正確反映停放制動狀態。圖6制動緩解繼電器故障記錄系統問題EP2002系統設置故障記錄插件，具有故障記錄功能，但存儲容量不足1MB,存儲容量過小，使得可以存儲的信息過少，造成故障信息覆蓋周期過短，并且只能通過維護終端讀取，操作繁瑣并且操作人員的專業性要求過高，給列車故障的及時處理和分析都帶來一定的困難。制

23、動緩解存在問題制動不緩解功能的定義:當制動系統檢測到列車無制動指令，且列車速度大于6km/h，并且檢測到制動缸的壓力大于0.4bar時，同時滿足以上條件且大于5s后，制動系統才會判定列車發生制動不緩解故障，通常會切除牽引力以保護車輛。以往應用系統的項目也都配置此功能，但經過長時期的運營出現一些問題，在列車司控器手柄快速由制動位切換到牽引位時會偶發出現制動不緩解障。36網關閥、智能閥和RIO閥安裝存在問題網關閥、RIO閥和智能閥作為地鐵車輛系統的核心部件，其高度集成化的特點導致閥體模塊成為保證系統功能的關鍵和日常維護的集中點，所以閥體的安裝結構至關重要。常見的問題是這些閥的安裝位置多靠近車體轉向

24、輪，導致閥體表面經常粘帶有輪緣的油污，給網關閥、RIO閥和智能閥帶來損壞的危險。3.7常用制動與快速制動電空配合常用制動與快速制動的原則是優先采用電制動，如果實際電制動力的大小不能滿足車輛制動力需求時，用空氣制動進行補償，并將補償的空氣制動平均分配到整列車內的拖車上，如果達到拖車的茹著極限還不能滿足制動力需求時，則將剩余部分制動力補償到整列車內動車上。而電制動的建立，導致電制動電流具有滯后性。四、地鐵車輛制動系統優化4.1制動切除裝置的優化每節車的兩套帶電觸點制動切除塞門模塊化設計，并將其集中布置在車輛底架下靠近車外側便于操作的位置，將切除塞門的結構加以改進，在切除塞上安裝機械緩解裝置，并在車

25、輛客室內座椅下方的地板上設置操作手柄，得車上和車下的操作手柄相反方向布置，通過機械緩解裝置上的萬向聯軸器的力傳遞作用實現對切除塞門的車上、車下的同步操作。并應用一帶鎖塞門箱將其扣罩在地板上。432689圖7觸點制動切除塞門模塊這樣，在車上客室內過道處和車下車輛外側均可以實現對制動力切除裝置的操作，操作方便，另外，此方案結構緊湊，減少了安裝空間，同時可以實現車上車下手柄的同步旋轉，以達到分別操作的效果，進一步完善了制動系統的性能。腳踏泵布置的優化對地鐵車輛方案設計時充分考慮上述問題，對原結構進行了合理改進。現有方案本著簡單力行的原則，取消原結構的安裝支架，將腳踏泵裝置集成在安裝板上，通過4個緊固

26、螺栓將其掛裝在端墻上。此方案結構簡單，既節約了成本，又符合輕量化的設計要求，并且使得腳踏泵取出方便，便于應用。圖8腳踏閥停放制動狀態顯示優化方案地鐵車輛對EP2002方案進行了合理改進，停放制動狀態的判斷不再采用網關閥內的停放制動緩解信號，而是在停放制動管路中設置壓力開關，將壓力開關布置在每節車輛制動系統的輔助控制模塊上，利用壓力開關的機械性能解決上述問題，具體為將所有壓力開關輸出電信號（斷開緩解，閉合施加）并聯起來判斷停放制動狀態:其中任意一個壓力開關閉合則停放制動施加繼電器PBAR得電，操縱臺上的停放制動指示燈點亮;所有壓力開關斷開則停放制動施加繼電器PBAR失電，操縱臺上的停放制動指示燈

27、不殼。此優化方案判定停放制動的狀態與電源無關，并且由于不與頭車繼電器聯鎖，既使司機室沒有被激活，停放制動指示燈也能夠正確反映出車輛實際停放制動狀態。11111/1111N16F*C1A1111PB4.RIIF-圖9制動緩解繼電器優化后4.4故障記錄優化EP2002車輛制動系統設計時，專門針對此問題開發了數據存儲單元配置在制動系統中。此數據存儲單元設置可拆卸SD卡，并將存儲容量提升到8GB（可增容），能夠將故障信息的覆蓋周期提高至半年左右，在存儲單元上設置USB接口，可將SD卡拆下以讀取數據，也可直接通過USB接口連接外部設備讀取，還可以通過專業維護終端讀取，增加了讀取故障信息的選擇性和方便性，

28、極大提高了故障信息的讀取效率。圖10故障記錄器EP2002傳統的系統故障記錄插件只可以報出大、中、小故障級別，無法明確具體的故障原因。西安地鐵三號線車輛制動系統設計時細化了故障數據等級，將所有故障分分為A,B,C,D四個等級，并細化故障信息，部分內容如下：A大故障:正常運行到下一站，清客，返回車輛段;B中等故障：正常運行一個往返，然后返回車輛段;C小故障：列車運營到當天結束，不再繼續投入運營;D無任何限制，僅作參考信息。A類大故障包括:兩路CAN總線故障、空氣制動未緩解、大事件（包括:制動未緩解和停放制動未緩解）。B類中等故障包括:一個轉向架上兩個速度傳感器故障、Asp超出范圍、制動力不足、中

29、等事件（包括:Asp超出范圍、Bcp壓力低和超過26小時未自檢）C類小故障包括:單個網關閥嚴重故障、單個網關閥中等故障、單個RIO閥嚴重故障、單個RIO閥中等故障、單個智能閥嚴重故障、單個智能閥中等故障、單個速度傳感器故障、單路CAN總線故障、小事件（包括:MVB總線故障、常用制動可用和緊急制動有效）。D類包括:單個網關閥輕微故障、單個RIO閥輕微故障、單個智能閥輕微故障。4.5制動不緩解優化地鐵車輛制動不緩解的原因所在:當司控器手柄快速由制動位切換到牽引位切換時，制動不緩解信號激活關聯的時序電路未能及時采用到制動級位的快速頻繁變化，造成故障誤報，說明原故障判定邏輯存在一定的不足，即采樣周期過長，原采樣周期為500ms,導致系統采集數據計算時出現數據判斷誤差。所以，地鐵車輛制動系統進行了優化，充分考慮司機等操作人員的動作極限，將制動不緩解故障的判定邏輯變為如下條件：制動缸檢測到壓力大于0.4bar；列車速度大于6km/h；沒有制動指令。當以上條件滿足且大于5s后，制動不緩解信號才會激活。將制動不緩解激活電路中制動級位的采樣周期提升