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项目6
制 动 系 统
学习目标
（1）掌握制动系统的基本概念。
（2）掌握制动系统各组成部分的功能和制动系统的工作原理。
（3）掌握EP2002型制动系统的网络结构与功能。
（4）掌握铁科研车控式制动系统、铁科研架控式制动系统的组成及制动控制原理。
制动系统的基础知识
任务6.1
6.1.1制动系统的基本概念
2
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制动与缓解
（1）制动。制动是指人为地通过制动装置使车辆减速或阻止其加速的过程。从能量变化的角度分析，制动过程是将车辆运行所具有的动能人为控制转化为其他形式能量的过程。
（2）缓解。缓解是对已经施行制动的车辆解除或减弱其制动作用。对于运动的车辆而言，在停车后启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。
制动装置与制动系统
（1）制动装置。制动装置是在城市轨道交通车辆中产生制动力，使车辆减速、停车的一套机械、电气装置。一般将制动装置中的机械装置称为基础制动装置，将电气控制的部分称为制动机。城市轨道交通车辆制动的性能是列车安全和正点运行的保障，是提高车辆运行速度和线路输送能力的重要条件之一。
2
6.1.1制动系统的基本概念
a.动力制动系统。动力制动系统一般与牵引传动系统一起形成主电路，包括再生反馈电路和制动电阻器。动力制动系统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。
b.空气制动系统。空气制动系统由供气部分、控制部分和执行部分组成。供气部分主要有空气压缩机组、空气干燥器的风缸；控制部分主要有电-空（electro?pneumatic，EP）转换阀、紧急阀、称重阀和中继阀等；执行部分指基础制动装置，主要有闸瓦制动装置和盘形制动装置等。
c.指令和通信网络系统。指令和通信网络系统是传递司机指令的通道，也是制动系统内部数据传递交换及制动系统与列车控制系统进行数据通信的总线。
（2）制动系统。
①制动系统的组成。现代城市轨道交通车辆的制动系统由动力制动系统、空气制动系统、指令和通信网络系统三部分组成。
6.1.1制动系统的基本概念
上海地铁3号线列车制动
6.1.1制动系统的基本概念
a.城市轨道交通车辆在运行过程中，司机通过控制制动装置使列车减速、停车或停止加速。
b.防止城市轨道交通车辆在长大下坡道运行时自动加速。
c.防止城市轨道交通车辆在停车线或检修线上自动溜放而实施停放制动。
②制动系统的作用。
6.1.1制动系统的基本概念
练一练
什么是制动装置？什么是制动系统？
6.1.2 制动基础
为使运行中的电动车组能迅速地减速或停车，必须对它施行制动；为防止电动车组在下坡道上运行时由于电动车组的重力作用而加速，也需要对它施行制动；同时，为避免停放的车辆因重力作用或风力吹动而溜走，也要对它施行制动（停放制动）。
1.列车制动力
列车制动力是由制动装置产生的、与列车的运行方向相反、阻碍列车运动的外力。司机可以根据需要或由自动驾驶装置对列车制动力进行控制和调节。在列车制动减速过程中，尽管运行阻力也在起作用，但起主要作用的是列车制动力。
2.制动功率与制动能力
制动的实质就是将电动车组所具有的动能转移出去，制动系统转移动能的能力称为制动功率。
电动车组的最高运行速度虽然与其牵引功率有关，但也受其制动能力的限制。电动车组的制动能力是指制动系统能使其在规定的制动距离内安全停车的能力。城市轨道交通车辆的运行规程要求电动车组在非常情况下的制动距离(紧急制动距离)不超过某一规定值。例如，地铁车辆的紧急制动距离一般为180 m，这个距离要比启动加速距离短得多，所以电动车组的制动功率要比驱动功率大5~10倍。
6.1.2 制动基础
3.几种制动方式简介
踏面（闸瓦）制动、盘形制动、电阻制动、再生制动和液力制动都需要通过轮轨黏着来产生制动力，故习惯上把它们归为一类，称为黏着制动。
轨道电磁制动（包括摩擦式和涡流式）和翼板制动都不需要通过轮轨黏着来产生制动力，故习惯上把它们归为一类，称为非黏着制动。
在各种制动中，踏面制动、盘形制动、磁轨制动等都是通过摩擦产生制动作用的，所以有时也把它们统称为摩擦制动，而把其他不通过摩擦产生制动作用的统称为非摩擦制动。
6.1.2 制动基础
6.1.3制动机理分析
目前，城市轨道交通车辆中除橡胶车轮列车和磁悬浮列车等特殊交通系统外，绝大部分城市轨道交通车辆都采用钢轨钢轮的走行方式，承受垂直、纵向和横向载荷。牵引时，牵引电动机通过传动机构将牵引动力传递给动车的动力轮对（动轮），由车轮和钢轨的相互作用，产生使车辆运动的反作用力。轮轨间的切向作用力就是静摩擦力。最大静摩擦力是钢轨对车轮的反作用力的法向分力与静摩擦系数的乘积。稳态前进的非动力轮的车轮在不制动时，其纵向切向力可平衡轴承阻力和蛇行时的惯性力。因此，无论是动力轮对还是从动轮对都存在纵向切向力，它导致了轮轨之间的纵向相对运动。但实际上，动轮与钢轨间切向作用力的最大值比物理学上的最大静摩擦力要小一些，情况也更复杂一些。在分析轨道车辆的轮轨相互作用时，通常要引入两个十分重要的概念——黏着和蠕滑。
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1.黏着
图6-1为动车以速度v在平直线路上运行时一个动轮对的受力情况（忽略内部的各种摩擦阻力）。为了更清楚地表示，在图6-1中将接触的车轮与钢轨稍稍分开画出。Pi为一个动轮对作用在钢轨上的正压力，又称为轮对的轴重。牵引电动机作用在动轮对上的驱动转矩Mi可以用一对力形成的力偶代替。力F′i 和Fi分别作用在轮轴中心的O点和轮轨接触处的O′点，其大小为
式中， 为动轮半径。
图6-1 动轮对受力分析
6.1.3制动机理分析
由于正压力而保持动轮与钢轨接触处相对静止的现象称为黏着。黏着状态下的静摩擦力fi又称为黏着力。试验证明，黏着力fi的最大值fmax与动轮对的正压力Pi成正比，其比例常数称为黏着系数，用μ表示，即
6.1.3制动机理分析
2.蠕滑
传统理论认为：城市轨道交通车辆的车轮相对钢轨滚动时，接触面是一种干摩擦的黏着状态，除非制动力或牵引力大于黏着力时才会转入滑动摩擦状态。但是现代研究表明，由于车轮和钢轨都是弹性体，滚动时轮轨接触处会产生弹性变形，这种新的弹性变形会使接触面发生微量滑动，称之为蠕滑（CREEP）。对蠕滑的研究和分析，可以进一步深化我们对黏着的认识。
在车轮上正压力的作用下，轮轨接触处产生弹性变形，形成椭圆形的接触面。从微观上仔细观察，两个接触面是粗糙不平的。由于切向力Fi的作用，车轮在钢轨上滚动时，车轮和钢轨的粗糙接触面间产生新的弹性变形，接触面出现微量滑动，即所谓蠕滑。
6.1.3制动机理分析
3.制动力的形成
图6-2为闸瓦制动时轮对与钢轨受力分析。假设一个轮对上有两块闸瓦，在忽略其他各种摩擦阻力的情况下，轮对在平、直道上滚动惰行。若每块闸瓦以力K压向车轮踏面，闸瓦和踏面间引起与车轮转动方向相反的滑动摩擦力2Kφk（φk为车轮踏面与闸瓦间的滑动摩擦系数）。对于列车来说，该摩擦力是内力，不能使列车减速，可是它通过轮轨间的黏着，引起与列车运动方向相反的外力，以此来实现列车的减速或停车。
图6-2闸瓦制动时轮对与钢轨受力分析
6.1.3制动机理分析
摩擦力2Kφk对车轮的作用效果相当于制动转矩Mb，即
用类似牵引力形成的分析方法，转矩Mb可以用轴心和轮轨接触处的力偶（Bi、B′i）代替。力偶的力臂为车轮半径Ri，作用力Bi = B′i=Mb /Ri =2Kφk 。轮轨接触处因轮对的正压力Pi而存在黏着，切向力Bi将引起钢轨对车轮的静摩擦反作用力bi，bi=Bi=2Kφk。bi作用在车轮踏面的O′点，作用方向与列车运行方向相反，是阻止列车运行的外力，称为制动力。制动力bi也是轮轨间的黏着力，因而也受到黏着条件的限制，即
式中，Pi 为动车或拖车轮对的轴重；μi为制动时轮轨间的黏着系数。
整个列车的总闸瓦制动力为所有轮对闸瓦制动力之和，即
6.1.3制动机理分析
（1）车轮踏面与钢轨表面状态。干燥、清洁的车轮踏面与钢轨表面的黏着系数高，如果踏面与轨面受到污染，则黏着系数有很大下降。城市轨道交通车辆由于所处环境的不同，其黏着系数有一定的差别。晴天地面的轨面黏着系数要比潮湿隧道里的高；雨雪天隧道里的轨面黏着系数反比地面的要高。冰霜凝结在轨面上或毛毛雨打湿轨面时，轨面的黏着系数非常低，但大雨冲刷、雨后生成的薄锈却能使黏着系数大大增加。油的污染最能使轨面的黏着系数下降，撒沙则能使轨面黏着系数增加。
4.影响黏着系数的因素
不同的黏着系数需要经过大量试验和试验数据的计算分析才能得到。试验分析表明，影响黏着系数的主要因素有以下几项：
6.1.3制动机理分析
（2）线路质量。钢轨越软或道床下沉越大，轨面的黏着系数越小；钢轨不平或直线地段两侧钢轨顶不在同一水平面上，以及动轮所处位置的轨面状态不同，都会使黏着系数减小。
（3）车辆运行速度和状态。车辆运行速度增高加剧了动轮对钢轨的纵向滑动和横向滑动及车辆振动，使黏着系数减小。
6.1.3制动机理分析
想一想
为何上述情况会影响粘着系数？
5.改善黏着的方法
改善黏着的方法主要有两种：一是修正轮轨表面接触条件，改善轮轨表面不清洁状态；二是设法改善轨道车辆的悬挂系统，以减轻轮对减载带来的不利影响。
通常采取以下措施改善黏着：从车辆上往钢轨上撒沙；用机械或化学方法清洗钢轨、打磨钢轨；改进闸瓦材料，如用增黏闸瓦；改善车辆悬挂，减小轴重转移等。
6.1.3制动机理分析
（1）
（2）
（3）
制动装置要能产生足够的制动力，保证城市轨道交通车辆在规定的制动距离内停车。一般城市轨道交通车辆的制动距离是200 m。
制动系统应操纵灵活、反应迅速、停车平稳准确，车组前后车辆的制动、缓解作用一致。
制动系统应包括电制动和空气制动两种制动方式。
城市轨道交通车辆制动系统的要求如下：
6.1.4 城市轨道交通车辆制动系统的要求
（4）
能确保城市轨道交通车辆在长大坡道上运行时，制动力不衰减，使列车能匀速平稳下坡。
（5）
（6）
制动装置能根据客流量的大小自动进行空重车制动力大小的调整，减少制动时的纵向冲击。
具有紧急制动性能。遇到紧急情况时，能使电动车组在规定距离内安全停车。紧急制动装置除由司机操作外，必要时还可由行车人员利用紧急停车按钮（紧急阀）进行操纵。
6.1.4 城市轨道交通车辆制动系统的要求
（7）
当电动车组在运行中发生诸如列车分离，制动系统故障等危及行车安全的事故时，制动装置应自动进行紧急制动。
空气制动与电制动
任务6.2
空气制动系统由供气系统装置、制动控制单元、防滑装置、基础制动装置、闸瓦等组成。
6.2.1 空气制动
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供气系统装置
供气系统的主要作用是产生一定压强的压缩空气，并储存在风缸中，供制动、车门控制装置（气动门）、车辆转向架的空气弹簧减振悬挂装置等使用。供气系统主要由压缩机、空气干燥器、压力控制装置和管路等组成。
制动控制单元
制动控制单元是城市轨道交通车辆制动的核心部件，它的主要作用是接受计算机制动控制单元的指令，然后再指示制动执行部件动作，完成制动控制。
防滑装置
防滑装置主要用于当车轮与钢轨黏着不良时，对制动力进行控制，防止车轮打滑擦伤车轮踏面。每辆车的防滑装置包括4个防滑排风阀和4个轴端速度传感器。
3
6.2.1 空气制动
基础制动装置
基础制动装置是空气制动装置的执行装置，是产生制动力的执行装置。城市轨道交通车辆采用单元制动器，即将制动缸、传动机构、闸瓦间隙调整器及悬挂装置连在一起，形成一个紧凑的作用装置。基础制动装置常见的有闸瓦制动装置和盘形制动装置。
我国地铁车辆采用德国克诺尔制动机公司生产的单元制动器较多，图6-8为两种不同类型的单元式制动缸，分别是PC7Y型单元式制动缸和PC7YF型单元式制动缸。
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图6-8两种不同类型的单元式制动缸
5.闸瓦
闸瓦指制动时压紧在车轮踏面上产生制动作用的制动块。城市轨道交通车辆使用的闸瓦可分为两类：铸铁闸瓦和合成闸瓦。
（1）铸铁闸瓦。铸铁闸瓦按含磷量不同可分中磷铸铁闸瓦和高磷铸铁闸瓦，在城市轨道交通车辆上很少使用。
（2）合成闸瓦。合成闸瓦是以树脂、石棉、石粉和硫酸钡等材料为主热压而成的。合成闸瓦必须在其背部加一块钢背来增加它的抗压强度。整个合成闸瓦由钢背和摩擦体两部分组成。
6.2.1 空气制动
你知道吗？
地铁中的黑色灰尘有一部分是由于闸瓦摩擦产生的闸瓦灰。
6.2.2 电制动
电制动是动车的制动方式，制动时通过电动机角色的转换将车辆的动能转化为电能，从而使车辆减速或停车的制动方式称为电制动或动力制动。电制动具有独立的滑行保护和载荷校正功能，城市轨道交通车辆每节动车装备有一个三相调频调压逆变器（VVVF）、一个牵引控制单元（drive control unit,DCU）、一个制动电阻、四个自冷式三相交流电动机（M1、M2、M3、M4，每轴一个，相互并联）。
1.再生制动
如图6-9所示，当城市轨道交通车辆施行常用制动作用时，电动机（M）以发电机状态运行，将车辆的动能变成电能，经VVVF逆变器整流成直流电反馈于接触网，供车辆所在接触网供电区段上的其他车辆牵引和本车的其他系统用，此过程称为再生制动。再生制动取决于第三轨（或接触网）的接收能力，亦即取决于网压高低和负载利用能力。
图6-9 再生制动的结构
6.2.2 电制动
2.电阻制动
如图6-10所示，如果制动列车所在的接触网供电区段内无其他列车吸收电制动能量，VVVF则将能量反馈在线路电容上，使电容电压（XUD）迅速上升，当XUD达到最大设定值1 500 V时，DCU启动能耗斩波器模块（A14）的门极关断晶闸管（gate turn-off thyristor，GTO）V1，GTO打开制动电阻（RB），RB与电容并联，将电动机上的制动能量转变成电阻的热能消耗掉，此过程称为电阻制动。
图6-10 电阻制动的结构
6.2.2 电制动
3.制动模式
（1）制动模式的种类。
1
2
常用制动。
快速制动。
3
紧急制动。
6.2.2 电制动
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弹簧停放制动。
保压制动。
（2）制动控制原则。制动控制的基本原则包括常用制动优先原则、常用制动混合原则、常用制动力的分配原则。
1
常用制动优先原则。
6.2.2 电制动
常用制动力的分配原则。
3
2
常用制动混合原则。
4.制动控制系统
制动控制系统是制动系统在司机或其他控制装置的控制下产生、传递制动信号，并对各种制动方式进行制动分配、协调的部分。目前，制动控制系统主要有空气制动控制系统和电控制系统两大类。
6.2.2 电制动
EP2002制动系统
任务6.3
EP2002制动系统是由德国克诺尔公司生产的一种电气指令式制动控制系统，其核心部件是EP2002阀，采用架控方式控制。
6.3.1 EP2002制动系统概述
1.EP2002制动系统的组成
EP2002制动系统包括空气压缩机、空气干燥塔、大小储风缸、控制单元和检测点，均采用模块化设计。EP2002制动系统在整个列车控制中的位置如图6-11所示。
图6-11 EP2002制动系统在整个列车控制中的位置
6.3.1 EP2002制动系统概述
图6-12EP2002制动系统的基础制动装置
图6-12为EP2002制动系统的基础制动装置。基础制动装置的主要作用是执行制动作用。
6.3.1 EP2002制动系统概述
EP2002制动系统的供气单元主要由空气压缩机、空气干燥器、储风缸及供气压力控制装置等组成。其主要作用是向列车提供压缩空气，它所产生的压缩空气不仅是制动系统的风源，而且是列车其他制动设备的风源。
2.EP2002制动系统的特点
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（1）优点。单点故障不影响运营，单个EP2002阀故障，只会使一个转向架制动力丢失，但可在单元内重新分配；系统集成度高，节省安装空间，减少布管和布线数量；缩短制动响应时间；提高制动精度；减少空气消耗量；可靠性高，故障率低；控制精度高；维护工作量小；总体成本降低。
（2）缺点。关键部件维修难度大，需送回制造厂进行维修，维修周期长；互换性差；无直观的故障显示代码。
6.3.1 EP2002制动系统概述
EP2002制动系统主要由智能阀、网关阀和RIO阀组成。三个阀分别安装在其所控制的转向架上并通过一条CAN总线连接在一起。EP2002阀集成网络通信功能，可与列车监控系统和牵引系统进行通信。EP2002阀带有多个压力测试接口，可以方便地测量储风缸压力、制动缸压力、载荷压力、停放制动缸压力。
6.3.2 EP2002制动系统的核心阀
1.智能阀
智能阀由气动阀单元、供电单元卡、本地制动管理卡等部分组成，如图6-13所示。智能阀的输入输出接口如图6-14所示。
6.3.2 EP2002制动系统的核心阀
图6-14智能阀的输入输出接口
1—本地制动管理卡； 2—供电单元卡； 3—气动阀单元
图6-13智能阀的结构
2.网关阀
图6-15为网关阀的结构。网关阀的输入输出接口如图6-16所示。
6.3.2 EP2002制动系统的核心阀
1—网络接口卡； 2—本地制动管理卡； 3—供电单元卡； 4—气动阀单元；5—制动控制单元板； 6—模拟I/O卡
图6-15网关阀的结构
图6-16网关阀的输入输出接口
3.RIO阀
图6-17为RIO阀的结构。RIO阀的输入输出接口如图6-18所示。
1—本地制动管理卡； 2—供电单元卡； 3—气动阀单元； 4—制动控制单元板； 5—模拟I/O卡
图6-17RIO阀的结构
图6-18RIO阀的输入输出接口
6.3.2 EP2002制动系统的核心阀
练一练
EP2002制动系统主要由哪几个部分组成？
6.3.2 EP2002制动系统的核心阀
4.内部气路结构
图6-19为EP2002阀的内部气路，下面分区域进行说明。需要注意的是按功能区分组只是为了方便理解内部的气动结构。
图6-19EP2002阀的内部气路
6.3.2 EP2002制动系统的核心阀
EP2002制动系统的网络结构关系到列车制动控制以及制动力分配等关键问题，因此非常重要。EP2002制动系统具有较高的可用性与灵活性，可以和多种总线结构兼容。EP2002制动系统网络结构的设计应主要从安全性、可靠性、经济性等方面综合考虑。
6.3.3 EP2002制动系统的网络结构
1.半列车CAN总线网络结构
如图6-20所示，半列车CAN总线网络结构是将半列车所有的EP2002阀用CAN总线相连，并由B车和C车上的两个网关阀通过MVB总线（或其他总线）与列车控制系统进行通信。其中一个网关阀被定义为主网关阀，另一个网关阀被定义为从网关阀。当主网关阀出现故障时，从网关阀会自动接替主网关阀工作，两个网关阀互为备份，可以保证系统的冗余性。如果MVB总线（或其他总线）出现故障，则网关阀按默认状态工作。此外，CAN总线由两对对绞线组成，同样具有良好的冗余性。在B车和C车上各设有一台RIO阀，RIO阀可以通过硬线与其控制的转向架上的牵引控制单元进行通信，使电制动与空气制动协调配合。这种方法也不是唯一的，RIO阀与本车转向架牵引控制单元的通信工作也可以用网关阀与MVB总线（或其他总线）之间的通信来代替，这样B车和C车上的RIO阀就可以用智能阀来代替。
6.3.3 EP2002制动系统的网络结构
图6-20半列车CAN总线网络结构
2.单节车CAN总线网络结构
如图6-21所示，单节车CAN总线网络结构是将每节车上的两个EP2002阀用CAN总线相连，并由每节车上的网关阀通过MVB总线（或其他总线）与列车控制系统进行通信。如果MVB总线（或其他总线）出现故障，则网关阀按默认状态工作。
图6-21 单节车CAN总线网络结构
6.3.3 EP2002制动系统的网络结构
3.两节车CAN总线网络结构
如图6-22所示，两节车CAN总线网络结构通常是将一动一拖两节车上的4个EP2002阀用CAN总线连接，并由每节车上的网关阀通过MVB总线（或其他总线）与列车控制系统进行通信。其中一个网关阀被定义为主网关阀，另一个网关阀被定义为从网关阀。当主网关阀出现故障时，从网关阀会自动接替主网关阀工作，两个网关阀互为备份，可以保证系统的冗余性。如果MVB总线（或其他总线）出现故障，则网关阀按默认状态工作。
图6-22两节车CAN总线网络结构
6.3.3 EP2002制动系统的网络结构
1.常用制动控制
制动系统接收到来自司机控制器或列车监控系统发出的常用制动指令后施加常用制动。常用制动过程中优先采用电制动中的再生制动，当再生制动达到上限时，系统自动转为电阻制动。当电制动不能满足整列车的制动力需求时，空气制动适时补足。通常情况下，空气制动优先使用拖车的空气制动力，当拖车制动力达到上限要求，但仍满足不了制动力需求时，动车的空气制动进行补充。制动过程中电制动与空气制动协调配合。常用制动具有防滑功能且受到列车冲击极限的限制。常用制动施加时，主网关阀从司机控制器或列车监控系统接收制动指令信号，结合车辆载荷信息进行制动力计算。常用制动采用载荷质量补偿的方式。
6.3.4 EP2002制动系统的功能
2.快速制动控制
制动系统接收到来自司机控制器或列车监控系统发出的快速制动指令后施加快速制动。快速制动控制方式与常用制动控制方式相同，优先使用电制动，当电制动不足时由空气制动承担。当电制动故障时，制动力全部由空气制动承担；减速度与紧急制动的减速度相当，但是快速制动是可逆的。快速制动同样具有防滑保护功能及受到列车冲击极限的限制。
6.3.4 EP2002制动系统的功能
3.紧急制动控制
紧急制动控制系统常采用带电的紧急制动环路进行控制。列车正常工作时，在牵引、惰行、常用制动及快速制动情况下都不会发生紧急制动。不论什么原因造成紧急电路失电，全列车都将自动实施紧急制动。紧急制动减速度通常为1.2 m/s2，且无冲动限制。紧急制动同样具有防滑保护功能。
4.停放制动控制
停放制动采用带弹簧制动器的单元制动机，利用释放弹簧存储的弹性势能来推动弹簧制动缸的活塞，从而带动两级杠杆使闸瓦制动。停放制动的缓解则需要向弹簧制动缸充气，通过活塞的移动使弹簧压缩，从而使制动缓解。这种单元制动机还具有手动缓解停放制动功能。EP2002阀将实时监控停放制动的空气压力。
6.3.4 EP2002制动系统的功能
5.保压制动控制
（1）保压制动施加条件。当城市轨道交通车辆施加制动后，速度传感器检测到列车的速度约为1 km/h时，由EP2002阀激活保压制动，以防止列车溜车。保压制动可使AW3载荷的列车停放在最大坡道上而不产生溜车。
（2）保压制动缓解条件。
铁科研车控式制动系统
任务6.4
铁科研车控式制动系统主要包括风源系统、制动控制系统、空气制动防滑控制装置和基础制动装置。
1.风源系统
全列车有两个压缩机单元，包括空压机、启动装置、空气干燥器、安全阀等。空压机采用螺杆式空气压缩机，可提供0.99 m3/min的供气量。螺杆式空气压缩机系统包括空气系统、润滑油系统和冷却系统。
6.4.1 铁科研车控式制动系统的组成
2.制动控制系统
制动控制系统主要包括微机控制的BCU和辅助控制装置。BCU具有常用制动控制、紧急制动控制及空气制动防滑控制等功能。
6.4.1 铁科研车控式制动系统的组成
BCU电气原理如图6-23所示。制动控制板上有4路（或）压力传感器输入通道和2路电磁阀驱动输出。制动控制板用于制动力的实时计算，包括空电混合制动时的电制动力分配和空气制动力补充，并实施对制动缸压力的控制。BCU具有自诊断功能，可以对制动系统的关键部件和性能进行监测，并通过车辆总线及时将故障信息传送给列车监控系统。同时，BCU还可以把故障信息记录在BCU内部的存储介质上，并能通过测试软件将故障信息下载下来进行分析。
6-23 BCU电器原理
6.4.1 铁科研车控式制动系统的组成
3.空气制动防滑控制装置
每个车的空气制动防滑控制装置包括4个防滑排风阀和4路速度传感器。
4.基础制动装置
基础制动装置主要包括踏面制动和盘形制动两种形式。踏面制动主要由踏面制动单元缸、带停放的复合缸及闸瓦等组成；盘形制动主要由制动夹钳单元、制动盘及闸片等组成。
6.4.1 铁科研车控式制动系统的组成
练一练
铁科研车控式制动系统由哪几部分组成？
6.4.1 铁科研车控式制动系统的组成
6.4.2 车控式制动系统的网络结构及制动控制原理
1.网络结构
图6-24为车控式制动系统的制动电气控制系统网络框图，司机控制器可以同时产生模拟和数字两种制动控制指令，模拟控制指令由列车控制系统的模拟量输入模块采集，然后通过MVB传送给每列车的BCU。数字7 级编码指令通过制动编码列车线直接送给BCU。当网络控制系统正常时，优先使用由网络传送的模拟制动指令；当网络系统故障无法传送制动指令时，BCU使用由列车线传送的7 级数字编码指令。制动编码列车线除用于传送司机控制器的冗余7 级编码外，还用于回送时的制动控制。
2.控制过程
列车制动采用电制动与空气制动实时协调配合、电制动优先使用、空气制动延时投入的混合制动方式。当电制动不足时，优先在拖车上补充空气制动。全列车交叉混合制动时，当总电制动力能够满足全列车制动力的需求时，各车都不需要补充空气制动；当总电制动力不能满足全列车的制动力需求时，先在拖车上根据拖车载荷来补充剩余所需要的制动力，此时如果总电制动力大于动车所需要的制动力，动车上不需要补充空气制动；如果总电制动力不能满足动车所需要的总制动力，拖车根据本车的载荷施加本拖车所需求的制动力，动车所需要空气补充的制动力也按拖车载荷比例分配到拖车上，即由拖车的空气制动进行补充，拖车上施加的总空气制动力受黏着极限的限制。
6.4.2 车控式制动系统的网络结构及制动控制原理
当拖车上的空气制动力未达到极限时，动车上不需要补充空气制动；当拖车上的空气制动力达到极限时，剩余所要补充的制动力平均分配到动车的空气制动上，每辆动车上所施加的电制动力和空气制动力的总和同样受黏着极限的限制。若在制动过程中出现电制动滑行造成制动力的损失，空气制动不进行补偿，以便于电制动的防滑控制。在有电制动时，即使不需要施加空气制动，制动缸也要保留一定压力（30 kPa左右），以补偿在电制动衰减时空气制动补充的滞后。当列车制动在电制动快要衰减时，由VVVF发出一个电制动退出（衰减）预告信号，BCU收到电制动退出预告信号后，按预定速率预补空气制动。
6.4.2 车控式制动系统的网络结构及制动控制原理
3.作用原理
（1）常用制动控制。常用制动采用减速度控制模式，制动控制单元根据指令的减速度和车辆载重来计算目标制动力。常用制动具有冲击率限制功能，以改善乘座舒适度。常用制动采用空电混合制动并优先使用电制动。BCU根据目标制动力计算出本车应施加的制动缸目标压力。制动缸压力的控制是通过对作用风缸压力（预控压力）的闭环控制来实现的，如图6-25所示。
6.4.2 车控式制动系统的网络结构及制动控制原理
6-25制动缸的压力控制原理
6-26制动作用单元气路
微控制器的制动缸压力智能数字控制是根据制动缸目标压力、压力传感器检测的作用（预控）风缸压力和制动缸压力来控制E/P控制阀对作用风缸充风或排风，实现对中继阀预控压力的闭环控制。中继阀受预控压力的控制输出大流量的制动缸压力，中继阀的输出压力滞后影响在智能数字控制时进行补偿。图6-26为制动作用单元气路。
6.4.2 车控式制动系统的网络结构及制动控制原理
（2）紧急制动控制。紧急制动采用纯空气制动。紧急制动是由紧急制动安全回路直接控制的，当紧急制动安全回线失电时，列车中的所有车辆即同时实施紧急制动。紧急制动一旦实施，紧急制动安全回路的控制电路可以保证紧急制动将一直保持施加状态直到列车完全停下。为了在应急情况下能缓解紧急制动，紧急制动环路中设有紧急制动旁路开关，但此旁路开关不会将紧急制动按钮开关旁路，以保证在需要时列车仍可实施紧急制动。
6.4.2 车控式制动系统的网络结构及制动控制原理
紧急制动作用原理（电磁阀得电状态）如图6-27所示。
6.4.2 车控式制动系统的网络结构及制动控制原理
图6-27 紧急制动作用原理（电磁阀得电状态）
（3）制动载荷补偿。常用制动的空重车调整是根据空簧压力进行控制的，即将两个转向架的空气弹簧（取对角位置）压力通过P-E转换装置得到与该转向架载重相对应的电信号，由两个转向架载重来计算车辆载荷，根据车辆载荷情况对列车制动力进行相应调整。
（4）防滑控制。空气制动防滑功能在紧急制动和常用制动时都可以起作用。图6-28为防滑控制单元的结构。
6.4.2 车控式制动系统的网络结构及制动控制原理
6-28防滑控制单元的结构
6.4.2 车控式制动系统的网络结构及制动控制原理
在线运行自检
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（5）系统故障诊断。BCU具有系统自动检测及故障诊断功能。
自检方式包括：
上电自动检测
6.4.2 车控式制动系统的网络结构及制动控制原理
命令自检
练一练
请画出在常用制动情况下，制动缸的压力控制原理。
6.4.2 车控式制动系统的网络结构及制动控制原理
铁科研架控式制动系统
任务6.4
铁科研架控式制动系统采用架控方式的微机控制模拟式直通电空制动系统，每辆车都配有两套电空制动控制模块。制动控制系统包括微机控制的模拟电空制动控制模块和微机控制的空气防滑控制装置等。每车配有一套辅助控制模块，它集成了停放控制功能及空气弹簧供风用的溢流阀、减压阀、塞门及风缸等部件。
6.5.1 铁科研架控式制动系统概述
1.气动原理
铁科研架控式制动控制模块的气动原理如图6-29所示。制动控制模块采用气电分离的设计，由独立的EBCU和PBCU组成。PBCU接收EBCU的指令实施制动、缓解的操作。从结构上看，制动控制模块分为6个模块，即空重车调整模块（包括C2、A6、A5、P8和C1）、远程缓解模块（包括A1、B1和B8）、紧急冲动限制模块（包括A7和B2）、制动控制模块（包括A8、A2、B6、B3和A3、A9、B4、B7）、连通模块（包括A4和B5）、传感器和压力测点模块（包括P1～P7）。
6.5.1 铁科研架控式制动系统概述
2.EBCU
如图6-30所示，EBCU采用标准的模块化结构，按系统的功能要求划分为若干个功能模块，每个功能模块为一个电子插件板,电子插件板采用3U×160 mm的标准尺寸，模块的基本宽度为4HP。单个功能模块可插入3U标准插箱，插箱采用42HP的半宽标准机箱。机箱中的模块插件包括EPC插件板、MVB插件板、CAN插件板、VLD插件板、EXB插件板、DIO插件板、CDP插件板、CDR插件板、AIO插件板、PW1插件板和PW2插件板等组成，根据EP09G/EP09S/EP09R的功能不同进行配置。图6-29铁科研架控式制动控制模块的气动原理。
6.5.1 铁科研架控式制动系统概述
图6-29 铁科研架控式制动控制模块的气动原理
6.5.1 铁科研架控式制动系统概述
图6-30EBCU标准模块化结构
6.5.1 铁科研架控式制动系统概述
1.网络结构
一般每辆车有两套制动控制单元，从功能上可以分为制动网关单元、制动控制单元和制动扩展单元。制动网关单元负责和车辆制动系统的通信，并进行制动计算，分配制动力给其他单元。制动控制单元执行相关转向架的制动控制；制动扩展单元不进行制动控制计算，没有安装网络接口，但具有模拟和数字量接口功能。对于采用MVB结构，架控制动系统的网络接口方式如图6-31所示，每个两动一拖单元中配置2个EP09G单元，负责与MVB的网络接口，EP09G单元通过MVB接收制动指令和电制动信号，并计算出本单元中各个转向架上应施加的空气制动，然后通过制动系统CAN总线传送给本单元的各架控EP09S/EP09R。
6.5.2 架控式制动系统的网络结构及制动控制原理
图6-31架控制动系统的网络接口方式
6.5.2 架控式制动系统的网络结构及制动控制原理
每辆车的制动系统电气接口如图6-32所示,EP09G单元不仅接收来自MVB的制动指令，还接收制动、回送模式、应急牵引等列车硬线指令，而紧急制动、强迫缓解指令不采用网络总线传送，而是由列车硬线直接控制其他的EP09S和EP09R。每个制动控制单元都具有制动控制模块、继电器扩展模块、CAN通信模块、VLD模块等，每个制动控制模块都具有2路（扩展到4路）速度传感器接口功能，可以接入2路（或4路）电压输出或电流输出的速度传感器信号。
6.5.2 架控式制动系统的网络结构及制动控制原理
图6-32每辆车的制动系统电气接口
6.5.2 架控式制动系统的网络结构及制动控制原理
2.控制过程
列车制动采用电制动与空气制动实时协调配合、电制动优先使用、空气制动延时投入的混合制动方式。当电制动力不足或丧失时，可由空气制动来补足，或替代所需的总制动力。
当空电混合制动时，EP09G将一个单元所需的制动力根据动车各转向架的载重按比例分配给每个动车转向架。当单元内的电制动力可满足一个单元所需的制动力时，所有转向架都没有空气制动；当单元内的总电制动力不能满足一个单元所需的制动力时，首先在拖车上补充空气制动，补充的空气制动力的大小为一个单元所需的制动力与单元内总电制动力的差值。当某动车转向架的电制动力还不够本转向架自身所需的制动力时，在该动车转向架上也补充空气制动，补充的空气制动力大小为本转向架自身所需制动力与电制动力的差值。
当电制动力减速接近停车前，为保证平稳停车，将以空气制动力替代快速衰退的电制动力，混合制动时的速度切换值设定为不大于6 km/h（可调整）；快速制动时，以空-电混合制动方式达到与空气紧急制动等效的减速率。
6.5.2 架控式制动系统的网络结构及制动控制原理
3.作用原理
（1）常用制动控制。常用制动的压力控制是以每台转向架为单位施加的，并根据该转向架的ASP进行随载荷变化的压力补偿，使BCP压力达到所要求的目标值。
本系统采用失电制动、得电缓解的模式，满足故障导向安全的原则。它除了接收由司机控制器发出的手动控制指令外，还可接收ATO指令实施列车自动制动控制；或监控列车的目标速度，为超速时自动实施ATP的最大常用制动防护。设计的常用制动平均减速率（100 km/h~0）为1.0 m/s2，冲击极限为0.75 m/s3。
6.5.2 架控式制动系统的网络结构及制动控制原理
（2）紧急制动控制。紧急制动的压力控制是以每台转向架为单位施加的，并根据该转向架的ASP进行随载荷变化的压力补偿。该控制功能一直处于激活状态。其紧急制动的最大压力被次级调整减压阀的设定限制，而最小的空车压力又由主调节阀的弹簧设定保证，这就使万一电子称重失效时，既可防止紧急制动压力的完全丧失，又可避免制动缸压力过量施加的弊端。紧急制动由纯摩擦制动提供，达到最高制动缸压力90%的时间小于1.6 s；而且在100 km/h下的平均减速率为1.2 m/s2，且不受冲击极限的限制。
6.5.2 架控式制动系统的网络结构及制动控制原理
（3）快速制动控制。受司机快速制动位的控制，在此位置将实施与紧急制动减速率等效的空?电混合制动控制。在电制动充分发挥的基础上，不足制动力由摩擦制动来补偿。只有当主控制器手柄移回“0”位时，快速制动才能被缓解，有利于减少摩擦制动的使用。在快速制动作用过程中，列车具有防滑保护功能，且减速率受冲击极限的限制。快速制动的平均减速率（100 km/h~0）不小于1.3 m/s2，冲击极限为0.75 m/s3。
（4）车轮防滑保护。当列车制动时检测到了滑行使WSP 被激活时，由架控的制动控制自动转为各轴制动力的单独控制，并同时检测和修正车轮的滑行。每根轴上装有一个速度传感器，一个CAN网段内各轴的速度信息可被本制动单元的各阀所共享。检测低黏着状态的判据有以下两个：
①单一车轴上的减速率超限。
②每根轴的转速与车轴最高转速之间的速度差超限。
6.5.2 架控式制动系统的网络结构及制动控制原理
练一练
简述常用制动控制的作用原理。
6.5.2 架控式制动系统的网络结构及制动控制原理
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简述空气制动系统的结构和工作原理。
车辆制动方式有哪几种？分别有什么特点？
电制动方式有哪几种？各自的特点是什么？
简述EP2002制动系统的网络结构和功能。
思考与练习

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