浅谈城市轨道车辆制动控制系统

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摘要：地铁车辆牵引及制动同样重要，都是地铁车辆的核心组成部分。本文主要对地铁车辆的制动进行阐述，供同行借鉴参考。

关键词：地铁车辆；制动

中图分类号：U231+.94

引言

地铁车辆的制动有电制动和机械制动2种，其中电制动又使用了再生制动和电阻制动，机械制动使用了空气制动和弹簧压力制动。从操作和用途来讲，又可分为常用制动、快速制动、紧急制动和停车制动。

一、电制动

电制动是列车在常用制动下的优先选择，是由列车的B车和C车承担的。假设3节车需要的制动力为300%，正常情况下，B车和C车的电制动各承担150%。

电子牵引控制单元DCU接收到司机控制器发出的常用制动指令信号5B（数字信号）和制动要求值SD（模拟信号）后，经过载荷计算，得出本车100%及A车50%的所需制动力的和值，向三相变频变压逆变器（VVVF）的GTO变流相模块发出相应开断指令信号，随即电动机成为发电机。将列车的动能经过VVVF转换成1800V直流电输送回接触网和供给本列车的辅助系统，这时发生的是再生制动。

如果列车所在的接触网供电区段上无其他列车处于牵引状态，而辅助系统的用电量不能完全消耗再生的电能，电荷就会在电容上集聚，使电容电压XUD迅速上升，亦即使电网电压XUN上升。当XUD超过1800V时，DCU向VVYF的制动斩波GTO模块发出开通指令信号，制动斩波器开始工作，将多余的电能送到制动电阻BR上消耗掉。

二、空气制动

在司机控制器发出常用制动指令而列车电制动无故障的情况下，气制动只是电制动力不足时的补充和列车停车前阶段（

每节车上都装有1台电子制动控制单元ECU和1台制动控制单元BCU。ECU安装在客室电子柜内，负责接收信息指令信号，存储、计算、输出有关信.氰、信号及进行本车系统故障诊断，发出气制动控制和防滑保护指令，是本车气制动的管理控制单元。BCU将ECU发出的制动指令通过电空模拟转换阀转换成与之成比例的预控制压力，再经中断阀进行流量放大送入制动缸，起着中继执行的作用。BCU内还包括有压力开关、紧急电磁阀、载荷压力传感器等元件，装于车体下。图1是动车内气制动产生和作用的原理方框图。拖车内没有DCU，其ECU接受的是B车和C车DCU传送过来的信号。

三、制动运用

根据公式F=ma_。列车所需制动力与列车质量成正比；在列车质量一定的条件下，列车所需制动力与减速度要求值成正比。

此外设定三节车的乘客载荷是均匀分配的。

（一）常用制动

施加常用制动，列车的减速度a-由司机控制器的主手柄位置决定，制动要求值SD从0至100连续可调。当 ，列车优先选择电制动，电制动力不足时在所有车上根据不足量与载荷成正比地附加上气制动。实际上，在AW2以下载荷及无滑行情况下，电制动可满足sn=100%的制动力需求。

常用制动具有防滑保护和冲击限制功能。

（二）快速制动，紧急制动

快速制动就是减速度 的气制动，通过将司机控制器主手柄打到“快速制动”位上产生。快速制动全部由气制动施加，具有防滑保护和冲击限制功能。紧急制动也是减速 度 的气制动。为了能在紧急情况下作 出快速反应 ，司机室内左右正副司机台上各有一个紧急击打按钮 。打下按钮，BCU中的紧急电磁阀失 电即产生紧急制动，不需经过ECU控制。此时受 电弓降下，高速断路器断开。另外 ，在列车控制 电路里，某些误操作或者意外也会造成紧急电磁阀失电，产生紧急制动。

快速制动与 紧急制动除了产生的方式不同外，其他的不同是快速制动可人工操作中途缓懈，而紧急制动一旦发生，除非列车速度下降到零，否则不能缓解，还有就是紧急制动有防滑保护功能但无冲击限制。

（三）保压制动

保压制动是由ECU的内部程序按照有关外部指令信息产生的，用于列车停站时制动，其制动力相当于SD=70%的常用制动力。当列车速度小于0。5km/h，无牵引指令、无快速制动及紧急制动指令、常用制动需求SD70%，ECU仍执行常用制动指令。保压制动的另一用途是列车在上坡道启动时可防止列车向后移动。司机控制器主手柄打到“牵引”位，经过约2s的延时，牵引力矩才达到要求值，而保压制动压力在DCU确认接受到牵引指令后开始缓解，并在牵引力矩达到要求值之前完全缓解，以保证安全启动。

（四）停车制动

停车制动是通过与气制动共用的制动闸瓦产生作用的弹簧压力制动。如果列车较长时间断电停放，由于压缩空气泄漏无补充，气压逐渐下降.气制动就会失去作用，而使用弹簧压力制动能长时间安全停车。广州一号线上的车辆，―半的踏面制动单元上装有停车制动装置，可保证AW超员载荷的列车在4%的坡道上停稳。停车制动的施加和缓解都经过压缩空气操作，出现故障无法气动缓解时可由人工手动缓解。

四、制动模式的混合与转换

ECU向DCU 传送的载荷模拟信号产生于BCU中的载荷压力传感器，分别在ECU和DCU中用于气制动和电制动的载荷校正。假如因故障原因ECU接收不到该信号，ECU内部程序将以AW载荷代替。

常用制动下可能有两种制动力在作用。DCU优先选择电制动，同时向ECU 输出3个信号.ECU 据此判断电制动的工作状况及能否满足列车制动力需求。如果出现电制动力不足、电制动滑行、电制动故障等情况，ECU立即向BCU发出指令，由气制动补充不足量或完全代替。即使在最恶劣的条件下――电压低于1500 V（直流），AW3载荷和出现滑行，DCU和ECU都能提供每节车所必需的100%制动力。

由于电制动的效率随着速度降低而下降，因此列车制动到速度小于12 km/h后，电制动很快退出，全部由气制动代替。

保压制动指令是ECU 的内部程序按照外部指令和信号执行的。列车制动到速度小于12 km/h时，DCU通过列车控制线向ECU发出一个保压制动触发信号。假如因故障原因ECU未能接收到该信号，ECU的内部程序将在8 km/h速度时自行触发，但保压制动的实际产生仍需要有以下条件：（1）无牵引指令；（2）无快速制动指令；（3）无紧急制动指令；（4）常用制动需求SD< 70 ；（5）列车速度小于0.5 km/h。否则在（2）、（3），（4）中任-相反的情况下，列车都会执行较高级的制动命令。

保压制动的另一个作用是列车在坡道上启动，司机控制器主手柄打到“牵引”位，DCU接收到牵引指令，经过约2S的延时，列车牵引力矩才达到要求值，而保压制动压力在DCU确认接收到牵引指令后开始缓解，并在牵引力矩达到要求值前完全缓解，防止列车向后移动，保证安全启动。

图3表示在AW 负载下半列车随速度的变化各车电制动力和气制动力的变化及台成情况。

F-ED-B――B车电制动力；F―ED―c――c车电制动力；FP―A――A车气制动力；FP―B――B车气制动力；FP―c――c车气制动力

图4记录了列车从速度60 km/h施加常用制动到停止的部分列车参数曲线的变化。PCV为制动缸压力 从图中可看到，在建度大于12 km/h时，制动缸内有1个40KPa的压力，该压力使制动闸瓦贴住车轮踏面，以磨合闸瓦接触面形状，增大接触面积，清洁车轮踏面，减少气制动反应时间。

（一）B车和c车电制动正常，无滑行，制动需求值SD=100%

从图5的半列车制动力-载荷比曲线图可以看出：当列车载荷在AW。～AW2+即载荷比LA85%后，电制动不再增加，由A、B、C3节车的气制动力FP―A，FP―B，FP―c补充。动车的制动力为本车的F―ED和PF之和，而拖车的FP是因B车和C车电制动力不足而产生的。

（二）B车和C车无电制动，翩动需求值SD=10O%

B车和C车的DCU向本车和A车的ECU 输出“电制动OFF”信号，各车的气制动各自承担本车100%的制动力需求。

（三）B车电制动正常，发生滑行，C车无电制动，制动需求值SD=100%。

电制动出现滑行的B车DCU 向本车和A车的ECU输出1个“电制动滑行”信号，C车DCU向本车和A车的ECU输出1个“电制动OFF”信号，从图7中可以看到：C车制动力与图6相同，B车制动力只有电制动力F―ED―B部分，说明B车并不从本车而全部由A车补充气制动。这样的设计目的在于尽可能利用A车的粘着，发挥最大的制动力。

五、防滑保护

在动车上电制动和气制动都有各自独立的防滑保护功能。电制动的防滑保护由DCU控制。由于VVVF对于4台牵引电机的牵引输出和制动反馈是并联的，因此即使只有1个轮对发生滑行，DCU也是同步短时停止4台电机的电制动，这样对制动带来不利影响，防滑保护的效果也不好。气制动的防滑保护是由ECU对各轮对单独控制。每节车的4个轮轴上都装有1个速度传感器，ECU根据接收到的4个速度信号及制动指令等其他信号，按照内部程序计算给出一个参考速度，作为代替列车实际速度的比较标准。如果某一轮轴的转速低于参考速度一定值，ECU即判断该轮对出现滑行，随即向该轮轴的防滑阀DV（参见图3）发出指令，防滑阀动作，排气降低制动缸内压力，消除滑行，然后重新施加制动。

在常用制动中，电制动出现滑行时，DCU的防滑保护功能首先做出反应，此时向ECU输出的“电制动实际值”信号不受影响，如果滑行不能消除，DCU将向ECU输出“电制动滑行”的数字信号，ECU即时将“电制动实际值”存入它的内部存储器，在A车以气制动补充。如果DCU检测出电制动严重滑行，将切除电制动，同时输出“电制动OFF”信号，由各车的气制动承担本车的制动力需求和防滑保护功能。