城市轨道车辆制动系统组成

（1）掌握城轨交通车辆制动系统的组成。

（2）掌握风源系统的组成。

（3）了解螺杆式空气压缩机的结构及工作原理。

（4）理解制动控制系统的作用。

（5）掌握基础制动装置的工作原理。

为了能施行制动或缓解制动，需要在列车上安装一整套完整可操纵的并能进行控制和执行的系统，该系统称为列车制动系统。在普通铁路机车车辆上，它通常分成机车制动系统和车辆客车、货车制动系统。由于城轨交通车辆与铁路车辆的编组形式不同（城轨交通车辆一般采用动力分散型的动车组形式），一般由动车和拖车组成，因此也可按其编组形式的不同分为动车制动装置和拖车制动装置。无论机车、客车、货车，还是动车、拖车，各种车辆都有自己的一套完整的制动装置，在列车运行过程中起着制动和缓解的作用。操纵全列车制动功能的设备一般安装在机车或列车两端带司机室的头车上（动车组），头车既可以是拖车也可以是动车。由制动装置产生的与列车运行方向相反的外力称为制动力，这是人为的阻力，它比列车在运行过程中由于各种自然原因产生的阻力要大得多，因此尽管列车在制动减速的过程中会产生列车运行阻力（自然阻力），但主要起制动作用的还是列车制动力。

制动系统一般由风源系统、制动控制系统和基础制动装置三个部分组成，如图6-3所示。其中，风源系统提供空气制动所需的压缩空气；制动控制系统接收制动指令，控制和协调制动的施加和缓解；基础制动装置动作产生制动效果。

图6-3　制动系统的组成

一、风源系统

风源系统是向列车制动系统、列车辅助用风设备提供所需高质量、洁净、干燥、稳定的压缩空气。风源系统包括主空气压缩机组、空气干燥器、风缸、安全阀等。每列车有两套风源系统，安装于列车底架上，互为备用。

1.主空气压缩机组

主空气压缩机组包括空气压缩机和驱动电机，两者通过联轴器连接。空气压缩机（简称空压机）有活塞式和螺杆式两种。螺杆式空气压缩机由于具有可靠性高、操作维护方便、动力平衡性好、适应性强等特点，被广泛应用于列车制动风源系统中。

螺杆式空气压缩机的螺杆组由两个互相啮合的螺旋形转子组成，转子为一对互相啮合的螺杆，螺杆具有非对称啮合型面。主动转子为阳螺杆，从动转子为阴螺杆。其中阳螺杆为凸形不对称齿，而阴螺杆为瘦齿凹形齿。螺杆组啮合剖面如图6-4所示。螺杆式空气压缩机结构如图6-5所示。两螺杆的齿断面形线是专门设计并经过精密磨削加工的，在啮合过程中两齿间始终保持零间隙密贴，形成空气的挤压空腔。常用的主副螺杆齿数比依压缩机容量不同而有所不同，为4∶5、4∶6或5∶6。两个互相啮合的转子在一个只留有进气口的铸铁壳体里面旋转，螺杆的啮合和螺杆与壳体之间的间隙通过精密加工严格控制，并在工作时向螺杆内喷压缩机油，使间隙被密封，并将两个转子的啮合面隔离，防止机械接触摩擦。另外，不断喷入的机油与压缩空气混合，带走压缩过程所产生的热量，维持螺杆副长期可靠地运转。当螺杆副啮合旋转时，从进气口吸气，经过压缩从排气口排出，得到具有一定压力的压缩空气。

图6-4　螺杆组啮合剖面

图6-5　螺杆式空气压缩机结构

螺杆式空气压缩机主机的工作循环分为吸气、压缩、排气三个过程。随着转子旋转，每对相互啮合的齿相继完成相同的工作循环，如图6-6所示。

图6-6　一个工作循环示意图

（1）吸气过程。随着转子的旋转，转子齿的一端逐渐脱离啮合而形成齿间容积，这个齿间容积逐渐扩大，在其内部形成一定的真空，而齿间容积仅与吸气口连通，空气在压差的作用下流入其中。随着转子的旋转，齿间容积达到最大后不再增加，齿间容积在此位置与吸气口断开，吸气过程结束。

（2）压缩过程。随着转子的旋转，齿间容积由于转子齿的啮合而不断减小。被密封在齿间容积中的空气所占据的容积也随之减小，导致压力升高，从而实现对空气的压缩。压缩过程可一直持续到齿间容积即将与排气孔口接通之前。同时，大量的润滑油被喷入齿间容积中，与所压缩的空气混合，起到润滑、密封、冷却和降噪的作用。

（3）排气过程。齿间容积与排气孔口连通后，即开始排气过程。随着齿间容积不断减小，具有排气压力的空气逐步通过排气孔口被排出，此过程一直持续到齿末端的型线完全啮合。此时，齿间容积内的空气通过排气孔口被完全排出，封闭的齿间容积将变为零。随着转子的旋转，重新开始新的工作循环。

上面所讲的螺杆式空气压缩机的工作原理，是把工作过程分成为吸气、压缩、排气三个阶段界限清晰地逐一介绍。实际上压缩机螺杆的工作转速很快，而且主动螺杆和从动螺杆的每一个沟槽，在运转过程中承担着相同的任务，将空腔在进气侧打开吸进空气，再将其带到排气侧压缩后排出。这是高速的、周而复始的工作，而且螺旋状的前一个沟槽的后面相邻沟槽的同一个工作阶段，尽管有先后，但实际上是重叠发生的。这一工作原理使螺杆式空气压缩机的工作具有连续性，供气具有平稳性，保证了其具有低振动和高效率的特点。

2.空气干燥器

空气干燥器的基本原理是：吸附过程是一个平衡反应，即在吸附剂（干燥剂）和与其接触的压缩空气之间湿度趋于平衡，而相对湿度大的压缩空气与吸附剂的表面接触时，由于吸附剂具有大量微孔，与空气的接触面积大，吸附剂可以大量、快速地吸附压缩空气中的水蒸气分子，达到干燥压缩空气的目的；再生过程也是一个平衡反应，使吸附剂再生的吹扫气体是由具有较高压力的压缩空气膨胀而来，膨胀时，空气体积增大而压力减小，获得的吹扫气体的相对湿度较低，因而易于“夺”走吸附剂上已吸附的水蒸气分子，使吸附剂恢复干燥状态，达到再生的目的。其特点是在压力下吸附，在大气或负压下再生。所以，对任何一种吸附剂来说，它与被吸附的水蒸气的关系是，温度越低，压力越高，单位吸附剂所吸附的水分量就越多；反之，吸附量少。简言之，其原理为“压力吸附与无热再生”。常用的吸附剂有硅凝胶、氧化铝、活性炭及分子筛等。

空气干燥器一般都是塔式的，有单塔式和双塔式两种。近几年，一些城轨交通车辆上开始应用膜式空气干燥器。压缩空气在膜式空气干燥器内进行净化、干燥处理，达到所要求的空气质量。图6-7所示为膜式空气干燥器内部结构。

在正常状态下，输入的压缩空气首先经过三通球阀，再经过汽水分离器、精密过滤器、超精密过滤器，除去压缩空气中的大颗粒悬浮液态水滴和液态的压缩机油滴，经过初步净化的压缩空气进入膜式干燥器内，在膜式干燥器内除去水分，对压缩空气进行干燥处理，输出符合技术要求的压缩空气。

当空气压缩机开始工作时，排水电磁阀得电关闭阀口，膜式干燥器开始工作，通过三个过滤器分离出来的油、水及其他杂质混合液蓄积，当空气压缩机停止工作时，排水电磁阀失电打开阀口，蓄积的液体在气体的作用下喷出，达到强制排水的目的。

图6-7　膜式空气干燥器内部结构示意图

3.风缸

图6-8　带安全阀的主风缸

风缸是用于储存压缩空气的。风缸由钢板制成，具有很高的耐压性，是一种高压容器。风缸容积较大，带安全阀的主风缸如图6-8所示。地铁车辆有各种风缸，如上海地铁一号线直流制列车每节车上有四个风缸：一个250 L总风缸，一个100 L空气悬挂系统风缸，一个50 L制动风缸，以及一个50 L气动车门风缸。此外，带有空气干燥塔的C车增加一个再生风缸。上海地铁交流制列车每节车上有五个风缸：一个100 L主风缸，一个100 L副风缸，一个60 L气动车门风缸，以及两个空气悬挂系统风缸。此外，带受电弓的B车还增加一个5 L小风缸，用于紧急情况下的升弓操作。

图6-9　双针压力表

4.安全阀当总风管气压升至（950＋95）kPa时，安全阀阀口应开启排风；在总风管气压降至单元制动缸气压（950－95）kPa之前，安全阀阀口关闭。

5.双针压力表

司机控制台上装有双针压力表，如图6-9所示。双针压力表的一个指针指示总风管压缩空气压力；另一个指针指示头车通向1位端转向架上单元制动缸的制动压力。

二、制动控制系统

制动控制系统用于接收司机或ATO／ATP给出的制动指令，产生、传递制动信号，并对各种制动方式进行制动力分配、协调，从而控制车辆的制动和缓解。

制动控制系统包括电子制动控制单元（EBCU）、空气制动控制单元（BCU）和电气指令制动控制单元。

（1）电子制动控制单元。EBCU包括微机制动控制和车轮防滑保护电子单元，它是气制动控制系统的核心部分。通过多功能列车总线（MVB）接收各种与制动有关的信号（制动指令信号、电制动实际值信号、载荷信号等），由EBCU的主板MB（相当于CPU）根据所接收的信号计算出当时所需要的制动力值，并将其传送给空气制动控制单元（BCU）。

同时，EBCU还实时监控每个轮对的速度，所需要的轮对速度的实际值由速度传感器获得，速度信号传至EBCU，EBCU对各轮对的速度差和减速度进行监测。一旦任一轮对发生滑行，能迅速向该轮轴的防滑阀发出指令，开通制动缸与大气的通路，使制动缸迅速排气，以减小气制动力。

（2）空气制动控制单元。空气制动控制单元是以压力空气为制动信号和制动力控制介质的制动控制系统。司机发出的制动指令是靠制动管内的空气压力变化来传递的，指令传递速度受空气波速的限制，也就是说其极限速度在330m／s左右。

（3）电气指令制动控制单元。电气指令制动控制单元是以电气信号传递制动信号的制动控制系统。

现在城市轨道交通车辆的制动系统无一例外地采用电气指令单元来快速、准确、可靠地传递司控器的指令。采用电气指令可以使列车制动、缓解迅速，停车平稳无冲动，缩短制动距离。按指令方式分类，电气指令制动控制系统分为数字式电气指令制动控制系统和模拟式电气指令制动控制系统。

数字式电气指令制动控制系统的数字式指令是指开关指令的组合，属于分挡控制。这样的分挡制动指令通过具有多块气动膜板的中继阀的动作，使制动缸获得恒定的七级压力。数字式电气指令制动控制系统操作灵活，可控性能好。我国自行制造的北京地铁车辆使用的SD型制动系统即为数字式电气指令制动控制系统。

模拟式电气指令制动控制系统可以实现无级制动和连续操纵。常用的模拟电信号有电流、电压、频率和脉冲等，这些模拟量可以传递制动控制信号。理论上讲，模拟式电气指令制动控制系统的操纵比数字式的更方便，但它对传递指令的设备性能要求比较高。如果设备性能不能满足要求，其精度会降低，从而会影响制动效果。

从目前趋势来看，城市轨道交通车辆采用的脉冲宽度调制的模拟式电气指令制动控制系统，应当是较为先进的列车制动控制系统。

目前，我国城市轨道交通车辆主要选用进口的制动系统，包括日本Nabtesco系统、德国Knorr制动系统、英国原Westinghouse制动系统和法国Sabwabco（Faiveley）制动系统。（1）以上海和广州地铁1、2号线为代表的德国Knorr公司的车辆制动系统。德国Knorr公司的车辆制动系统是目前国内A型车上运用最广的制动系统。它是模拟式制动系统，制动指令采用PWM信号或网络信号。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两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该制动系统。

（2）以北京、天津为代表的B型车上采用得较多的Nabtesco公司的HRA型制动系统。HRA型制动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而有所区别。

_（3）以上海地铁3、5号线为代表的英国原Westinghouse公司的微机控制直通电空制动系统。该系统按整车模块化原则设计，集成度较高。它将除微机制动控制单元、气制动控制单元、风缸、风源等必须安置在转向架附近的部件外全部集成安装在一个安装架上，方便运行维护。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。

（4）国产地铁制动_系统。较早在北京地铁上使用的一种国产地铁制动系统是SD型数字指令式直通电空制动系统。该型制动机由长春客车厂和铁道科学_研究院等单位共同研制，是以英国原Westinghouse制动系统为原型_的一种直通式电空制动系统。其制动指令传输方式为数字式，制动控制部分的电空转换阀为七级膜板中继阀，可以实现七级常用制动。

目前，我国较为先进的制动系统是中国铁道科学研_究院研制的EP09型制动系统。该制动系统采用架控方式的微机控制模拟直通式电空制动系统，每辆车都配有两套电-空制动控制模块。

三、基础制动装置

基础制动装置是用于传送制动原动力并产生制动力的装置。目前，城市轨道交通车辆中应用最为广泛的基础制动装置有闸瓦制动和盘形制动两种方式。

1.闸瓦制动装置

闸瓦制动装置也称为踏面制动装置，它是城市轨道交通车辆中最常见的基础制动装置，由制动缸、制动传动装置、闸瓦装置和闸瓦间隙调整器等组成，如图6-10所示。

制动缸是产生制动原动力的部件。制动传动装置将制动缸产生的制动原动力放大一定的倍数后，均衡地传递给各个闸瓦。闸瓦装置用于安装闸瓦，并调整闸瓦与车辆踏面间的工作角度。闸瓦间隙调整装置用于自动调整闸瓦与车轮踏面之间的间隙，使闸瓦间隙保持在规定的范围内，以确保制动作用的可靠性。闸瓦间隙调整器是单作用式的，在更换闸瓦使间隙过小时，只能手动调节。

图6-10　闸瓦制动装置

基础制动装置在制动时，闸瓦制动装置根据制动指令使制动缸内产生相应的制动缸压力，该压力通过制动缸使制动缸活塞杆产生推力，经基础制动装置中的一系列杆件的传递、分配，使每块闸瓦都贴靠在车轮踏面上，并产生闸瓦压力。车轮与闸瓦之间发生相对滑动，产生摩擦力，最后转化为轮轨之间的制动力。缓解时，制动控制装置将制动缸压力空气排出，制动缸活塞在制动缸缓解弹簧的作用下退回，通过各杆件带动闸瓦离开车轮踏面。

在闸瓦与车轮这一对摩擦副中，由于车轮主要承担着车辆走行功能，因此其材料不能随意改变。要改善闸瓦的制动性能，只能采用改变闸瓦材料的方法。早期的闸瓦材料主要是铸铁。为了改善闸瓦的摩擦性能和增加其耐磨性，目前城市轨道交通车辆中大多采用合成闸瓦，但合成闸瓦的导热性较差，因此目前也有采用导热性能良好且具有较好摩擦性能的粉末冶金闸瓦。

目前，城市轨道交通车辆广泛使用的是Knorr公司生产的踏面制动单元，包括PC7Y型（不带停放制动）和PC7YF型（带停放制动），分别如图6-11和图6-12所示。

图6-11　PC7Y型单元制动缸

(www.zuozong.com)

图6-12　PC7YF型单元制动缸

2.盘形制动装置

盘形制动装置在制动时，制动缸通过制动夹钳使闸片夹紧制动盘，闸片与制动盘产生摩擦，把列车的动能转变为热能，热能通过制动盘与闸片散于大气中。

盘形制动装置有轴盘式和轮盘式之分，如图6-13所示。当制动盘固定在车轴上时，为轴盘式盘形制动装置，一般拖车大多采用这种结构；如果制动盘连接在车轮上，则为轮盘式盘形制动装置。在动车（动轴）上，由于两轮之间需要安装牵引电机等其他设备，若不能安装轴盘式盘形制动装置，可考虑采用轮盘式盘形制动装置。

图6-13　盘形制动装置

轴盘式和轮盘式盘形制动装置的制动盘形式也不同，如图6-14所示。

图6-14　制动盘

WZK型盘形制动单元由Knorr公司生产，其原理是将气动控制与安装在轮对上的制动盘共同作为摩擦制动使用。它是紧凑型基础制动装置，其体积小，适用于安装空间较小的转向架。WZK型盘形制动单元分为两种类型：一种是不带停放制动的盘形制动单元，另一种是带停放制动的盘形制动单元，如图6-15所示。

图6-15　WZK型盘形制动单元

盘形制动方式与踏面制动相比，具有以下优点。

（1）避免了车轮踏面参与制动，延长了车轮的使用寿命，改善了运行品质。

（2）可双向选择摩擦副的材料甚至形状，散热性能好，摩擦因数稳定，制动功率较高，适用于高速列车。中低速列车盘形制动摩擦副的材料，以合成闸片配铸铁制动盘为首选。对于高速列车，应选择性能更好的摩擦副材料，以提高轴制动功率。目前普遍采用粉末冶金闸片配锻钢制动盘。最新的研究是在探索将碳纤维材料、陶瓷材料和铝合金材料运用于盘形制动装置中的可能性与经济性。

（3）盘形制动闸片面积大，磨耗率小，经济性好。

（4）制动平稳，几乎没有噪声。

与踏面制动相比，盘形制动也有不足之处。

（1）车轮踏面没有闸瓦的磨刮，轮轨黏着将恶化，所以，还要考虑加装踏面清扫器（或称清扫闸瓦），或采用以盘形为主、盘形与闸瓦的混合制动方式。否则，即使有防滑器，制动距离也比闸瓦制动长。

（2）制动盘使簧下质量及其引起的冲击振动增大，运行中还要消耗牵引功率。

一、基本参数

在额定载员的情况下，在平直干燥的线路上，车轮处于半磨耗状态，列车从最高运行速度80 km／h开始制动到停车，平均减速度为：

平均常用制动减速度（80 km／h～0，包括响应时间）≥1.0m／s2。

平均紧急制动减速度（80 km／h～0，包括响应时间）≥1.2m／s2。

计算用黏着系数：0.165。

制动时冲击极限（紧急制动工况除外）：≤0.75m／s3。

停放制动力能使AW3列车在35‰坡道上安全、可靠地停放。

紧急制动距离（初始速度80 km／h时）：≤205m。

二、制动系统的主要组成

按照功能，制动系统由以下设备组成：空气供给设备（A组）、制动控制设备（B组）、基础制动设备（C组）、车轮滑行保护设备（G组）、空气悬挂设备（L组）、其他设备（W组）。

1.空气供给设备

该组设备负责为列车提供并储存充足、干燥、洁净、压力合适的压缩空气，主要包括空气压缩机组、空气干燥器、压力开关等。空气供给设备安装在每辆Tc车上，该设备通过贯穿整列车的总风（缸）管（MRP）给全列车的用风设备供应压力空气。总风缸、管中的压缩空气最大工作压力为1 000 kPa，正常工作压力范围为750～900 kPa。

在每辆Tc车上均设有S03T-N0.9螺杆式空气压缩机模块，其供风能力可以满足车辆的用风需求。空气压缩机模块包括两个主要设备：螺杆式空压机及一个双塔干燥器，两个设备均安装在一个共用框架上以便于安装和维护。

（1）空气压缩机组。

空压机采用空气冷却，是螺杆式的，由一个三相交流、50 Hz，AC 380 V的电机驱动。压缩机的排量约为950 L／min，工作转速为1 460 r／min。

（2）干燥器。

S03T-N0.9型供风装置后处理采用无热吸附式双塔干燥装置（型号HTDB-0.9），该型号干燥器以4A分子筛作为干燥剂，利用变压吸附及无热再生原理，双塔设计为并联结构，一塔对压缩湿空气“吸附”干燥时，另一塔同时对吸附剂活性“再生”，这样保证了高压湿空气的干燥过程能够连续进行。

2.制动控制设备

制动控制设备具有制动控制和车轮防滑系统两大主要微机控制功能。制动控制设备主要包括制动控制器、制动微机控制单元（BECU）（图6-16）、制动控制单元（BCU）、辅助控制单元（ACU）（图6-17）、双针压力表、制动隔离塞门、测试接口和制动风缸等。

图6-16　制动微机控制单元（BECU）

图6-17　BCU和ACU模块

3.基础制动装置

安装在转向架上的制动设备主要是两种单元制动器，其中一种带停放制动功能。两种单元制动器数量相等，每轴安装一个带停放功能的单元制动器，在转向架内部斜对称布置。

4.车轮滑行保护设备

车轮滑行保护设备主要包括测速齿轮、速度传感器、防滑控制单元、防滑排风口等。在所有列车上均装有空气制动防滑系统。常州地铁1号线电客车防滑系统的检测和保护都是按照轴控方式进行的。车轮滑行保护设备能够实现常用制动、快速制动、紧急制动过程中滑行检测和滑行修正等功能。

5.空气悬挂设备

空气悬挂系统主要有三个方面的功能：一是为车辆提供空气悬挂，改善车辆的动力学特性和运行品质；二是通过设置高度阀，可使车辆地板面高度调整好后不随载荷的变化而改变；三是准确地测量簧上载荷（可变）并提供给车辆控制系统，为列车的有效牵引和精确制动打下基础。空气悬挂设备主要包括带防逆流功能的溢流阀、空气悬挂风缸、高度阀、差压阀、过滤器、截断塞门等，其中，带防逆流功能的溢流阀、过滤器、截断塞门集成在辅助控制气路板中。

6.其他设备

其他设备主要包括车钩驱动设备、轮缘润滑截断塞门和空气管路、塞门、压力表等。

一、填空题

1.制动系统一般由_____________、____________和_____________三个部分组成。

2.空气压缩机有______________和______________两种。

3.螺杆式空气压缩机主机的工作循环分为______________、____________、______________三个过程。

4.目前，城市轨道交通车辆应用最为广泛的基础制动装置有____________和______________两种方式。相比较，______________的制动效率更高。

5.盘形制动装置有______________和______________之分。

二、识图题

1.图6-18所示为螺杆式空气压缩机的一个工作循环过程，请写出工作循环过程的名称。

图6-18　螺杆式空气压缩机工作循环示意图

2.图6-19所示为闸瓦制动装置，请写出各部分名称。

图6-19　闸瓦制动装置

三、简答题

1.城轨交通车辆风源系统有何特点？主要包括哪些部分？

2.简述制动控制系统的基本组成及其作用。

3.简述膜式空气干燥器的作用原理。