城轨车辆制动系统故障分析与处理.

城轨车辆制动系统故障分析与处理
二级院校动力工程学院
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摘要
随着我国经济的高速发展，越来越多的城市建设和开通了地铁，祖国的城轨交通事业正在蓬勃发展。

我国近年来大力发展支持发展城市轨道交通事业，截止2011年8月，全国已建成城市轨道交通线路1568km,已建成线路50条，运营车站总数995←，我国轨道交通线网总体供给能力处于高幅增长阶段，网线供给呈现快速增加趋势。

截止2011年8月，全国共有30个城市轨道交通近期建设规划获批。

其中，20个城市在规划期内调整、扩大了建设规模。

“十二五”期间，我国各城市地铁、轻轨建设里程将达到2600km，建设投资规划将达12700亿元。

预计到20202年底，国内将有40个城市建设轨道交通，总里程约7000km。

但随着7.23事故，上海地铁追随，人们也更加关注城轨车辆的安全问题，而地铁的安全更多的是依靠车辆的制动系统。

人为施加于运动物体使其减速（防止其加速）或停止运动，或施加于静止物体保持其静止状态，这种作用称之为制动作用。

实现制动作用的力称为制动力。

解除制动作用的过程称为缓解。

应此制动系统在地铁车辆有着举足轻重的作用。

近年来，地铁车辆的快速发展，运行速度也由最初的60km/h逐渐提高到80 km/h甚至更高。

车辆在高速运行中必须依赖制动系统调节列车运行速度和及时准确地在预定地在预定地点停车，保证列车安全正点地运行。

试想一下，在你有急事的时候，坐地铁到站了，却因为没有准确的停在预定的停车点，直接开往下一站了，你是怎样的心情？在你坐的地铁时，制动系统出现故障，刹车不灵了，那面对的直接是生命危险。

关键词：城轨车辆制动系统故障分析解决措施
目录
1.制动系统的概述 (3)
1.1制动的基本概念 (3)
1.2列车制动系统 (3)
1.3城轨车辆制动模式 (3)
1.4 制动方式 (4)
2.城市轨道交通车辆制动系统 (4)
2.1制动系统的组成 (5)
3.城轨车辆的供风系统 (6)
3.1 空气压缩机 (6)
3.2 空气干燥器 (9)
4.基础制动装置 (12)
4.1闸瓦制动装置 (12)
4.2盘制动装置 (15)
5.KBGM模拟式电气指令制动系统 (15)
5.1 供气单元 (15)
5.2制动控制单元 (17)
6.制动装置故障分析与处理 (22)
6.1闸瓦的故障分析与处理 (22)
6.2紧急制动故障分析与处理 (23)
总结 (25)
致谢 (26)
1.制动系统的概述
1.1制动的基本概念
制动是指人为施加的外力，使运动的物体减速或阻止其加速，以及保持静止的物体静止不变的作用。

使列车减速或阻止其加速的力称为制动力，而产生并控制这个制动力的装置叫做制动机，也称为制动机。

列车制动必须具备两个基本条件：○1实现能量转换；○2控制能量转换。

对已经施行了制动的列车，重新启动或再次加速，必须解除或其制动作用，这种作用曾为只懂得缓解。

1.2列车制动系统
为了能施行制动或缓解，需要在列车上安装一整套完整壳操纵并能进行控制和执行的系统总称为列车制动系统。

一套列车制动装置至少包括两个部分：控制制动部分和制动执行部分。

制动控制部分主要包括知道信号的发生与传输装置；制动执行部分（通常称为基础制动装置）包括闸瓦制动和盘式制动等不同的制动装置。

1.3城轨车辆制动模式
城轨车辆根据运行的要求，主要采用了停放制动、常用制动、快速制动、紧急制动和保压制动等制动模式。

1.停放制动
由于车辆断电停放时，制动缸压力会因管路泄漏在无压力空气补充的情况下，逐步下降为零，使车辆失去制动力。

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要满足列车较长时间断点听方的要求。

弹簧停放制动缸充气时，停放制动缓解；弹簧停放缸排气时，停放制动施加。

2.常用制动
常用制动是指在正常情况下为调节或控制列车速度所施行的制动。

在常用制动模式下，电制动和空气制动一般处于激活状态。

3紧急制动
紧急制动属于非常制动，是在紧急琴况下为列车尽可能快地停车而施行的一种制动。

它的特点是：制动作用比较迅猛，而且要把列车最大的制动里都用上，一般比常用制动力大10%左右。

4.快速制动
当主控制器手柄移到“快速制动位”时，列车将实施与紧急制动相同的快速制动。

5保压制动
保压制动是为防止列车在停车前的惯性冲击力，使列车平稳停车，通过ECU 内部设定的程序来控制的。

1.4 制动方式
列车制动方式可分为摩擦制动和电制动。

电制动优先于空气制动。

1.4.1摩擦制动
城轨车辆常用的摩擦主要有闸瓦制动、盘形制动和轨道电磁制动等。

A.闸瓦制动
闸瓦制动又称为踏面制动，它是最常用的制动方式。

制动时闸瓦压紧车轮，车轮与闸瓦间发生摩擦，将列车的运动动能能通过车轮与闸瓦间的摩擦转变为热能，消散于空气中。

B.盘形制动
盘形制动有轴盘式和轮盘式。

一般采用轴盘式，当轮对中间由于牵引电机等制动盘安装发生困难时，可采用轮盘式。

制动时，制动缸通过制动夹钳使闸片夹紧紧急制动盘，使闸片与制动盘间长生摩擦，把列车的动能转变热能，热能通过制动盘与闸片消散于大气。

1.4.2电制动
制动过程中由牵引电机转化而来的电能通过直接反馈给供电触网或消耗在电阻器上这两种方式消耗电能。

车辆进行动力制动时，再生制动优先，即向供电电网反馈电能，如果接触网电压过高或同一供电制动和电阻制动两种形式。

2.城市轨道交通车辆制动系统
2.1制动系统的组成
根据城轨车辆的特点，制动系统一般包括下面几个部分：
（1）电气制动系统。

他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、空气干燥机和风缸等；控制部分有电空转换阀、紧急阀、称重阀和中继阀等；执行部分就是闸瓦制动装置和盘式制动装置等。

（3）指令和通信网络系统。

它既是传送司机命令的通道，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。

2.2制动控制系统的组成
制动控制系统主要又电子制动控制单元（EBCU）、空气制动控制单元（BCU）和电气指令单元等成。

2.2.1电子制动控制单元
电子制动控制单元又简称为BCE,它的主要功能如下：
（1）.制动模式的决策
（2）电空制动的切换
（3）监控供风系统
（4）防滑监控
（5）记录制动故障
2.2.2空气制动控制单元
空气制动控制单元又称为BCU,是制动系统中电气制动和空气制动的连接点，也是电子、电气信号与气动信号的转接点。

2.2.3电气指令单元
地铁都采用了电气指令单元来迅速、准确、可靠地传递来自于司机控制器或有自动驾驶系统发出的指令。

按指令方式的不同又可分为数字指令式和模拟指令式制动控制系统。

2.2.
3.1数字式电气指令制动控制系统
数字式电气指令制动控制系统实际上是使用了3根常用制动的电器指令线并通过对应的3个常用电磁阀各自得电或失电组成的组合。

0和1在组成3位数字时，除000外，还有001、010、011、100、101、110、111共7组组合。

2.2.
3.2 模拟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制动控制和连续操纵。

常用的模拟电信号有电流、电压、频率和脉冲信号等，这些模拟量可以传递制动控制的信号。

3.城轨车辆供风系统
城轨车辆的供风系统为制动系统和辅助系统部件提供风源，是列车重要的组成部分之一。

3.1 空气压缩机
空气压缩机是用来产生压缩空气的装置。

城轨用的空气压缩机要求具有噪声低、振动小、结构紧凑、维护方便。

环境实用性强的特点，其直流驱动电机已逐渐被交流电机驱动取代。

目前，城轨车辆中采用的主要有活塞式空气压缩机和螺杆式空气压缩机两种。

3.1.1 活塞式空气压缩机
活塞式空气压缩机由固定机构、运动机构、进/排气机构、中间冷却装置和润滑装置等及部分组成。

其中固定机构包括机体、气缸、气缸盖；运动机构包括曲轴、连杆、活塞；进/排气机构包括空气滤清器、气阀；中间冷却装置包括中间冷却器、冷却风扇；润滑装置包括润滑油泵、润滑油路等，如图2-1所示。

图3-1 活塞式空气压缩机作用原理
1-润滑油泵；2-机体；3-油压表；4-空气滤清器；5、8-进气阀片；6-排气阀片；7、9-低压活塞；10-高压活塞；11-主风缸；12-压力控制器；13-上集气箱；14-散热管；15-下集气箱
活塞式空气压缩机的工作原理：电机通过联轴节驱动空压机曲轴转动，曲轴连杆机构带动高、低压缸活塞同时在气缸内做上下反复运动。

由于曲轴中部的三个轴颈在轴向平面内互成120°，两个低压活塞和一个高压活塞分别相隔120°转角。

当低活塞下行时，活塞顶面与缸盖之间形成真空，经过空气滤清器的大气推开进气阀片进入低压缸，此时排气阀在弹簧和中冷器内空气压力的作用下关闭。

当低压活塞上行时，气缸内的空气被压缩，其压力大于排气阀片上方压力与排气阀弹簧的弹力之和时，压缩排气阀弹簧推开排气阀片，具有一定压力的空气排出缸外，而进气阀片在气缸内压力及其弹簧的作用下关闭。

两个低压缸送出低压空气，都经气缸盖的同一通道进入中冷器。

经中冷器冷却后，在进入高压缸，进行第二次压缩，压缩后的空气经排气阀口、主风管路送入主风缸中储存。

高压活塞的进、排气作用与低压活塞的进、排气作用相同。

在运行中，主风缸压力保持在一定的范围，如750～900kPa，它是通过空压机压力控制器自动控制控制空压的启动或停止来实现。

当主风缸的压力逐渐增高，达到规定压力上限时，压力控制器切断空压机驱动电机的电源，使空压机停止工作；而随着设备的用风和管路的泄漏等，使主风缸的压力逐渐降低，达到规定压力下限；压力控制器接通空压机驱动电机的电源，使空压机开始工作，主风缸压力回升。

这样主风缸压力一直被控制在规定的范围内。

活塞式空气压缩机的应用广泛、技术成熟，可靠性和稳定性好，不需要特殊润滑，性价比具有吸引力。

3.1.2 螺杆式空气压缩机
螺杆空压机与活塞空压机相同，都属于容积式空压机。

从使用效果来看螺杆空压机有如下优点。

(1)可靠性高。

螺杆空压机零部件少，没有易损件，因而它运转可靠，寿命长，大修间隔期可达4～8万小时。

(2)操作维护方便。

螺杆空压机自动化程度高，操作人员不必经过长时间的专业培训，可实现无人值守运转。

(3)动力平衡好。

螺杆空压机没有不平衡惯性力，机器可平稳地高速工作，可实现无基础运转，特别适合作移动式空压机，体积小、重量轻、占地面积少。

(4)适应性强。

螺杆空压机具有强制输气的特点，容积流最几乎不受排气压力的影响，在宽阔的范围内能保持较高效率，在空压机结构不作任何改变的情况下，适用于多种工况。

（5）噪声低、振动小。

螺杆式空气压缩机工作时，旋转部件两个螺杆的运动没有质心位置的变动，所以没有产生振动的干扰力。

阴、阳螺杆和机壳之间相互密贴和啮合的间隙是通过喷油实现密封和冷却的，不产生机械接触和摩擦，因而噪音低。

螺杆式空气压缩机的工作原理：该压缩机的工作过程分为进气、压缩、排气三个阶段，如图3-2。

图3-2螺杆式空气压缩机系统流
1-螺杆式空气压缩机；2-联轴器；3-冷却风机；4-电动机；5-空、油冷却器(机油冷却单元)；6-冷却器(压缩空气后冷单元)；7-压力开关；8-进气阀；9-真空指示器；10-空气滤清器；11-油细分离器；12-最小压力维持阀；13-安全阀；14-温度开关；15-视油镜；16-泄油阀；
17-温度控制阀；18-油气筒组成；19-机油过滤器；20-逆止阀
（1）进气过程。

螺杆空压机的工作过程详细分析之进气过程：转子转动时，阴阳转子的齿沟空间在转至进气端壁开口时，其空间最大，此时转子齿沟空间与进气口的相通，因在排气时齿沟的气体被完全排出，排气完成时，齿沟处于真空状态，当转至进气口时，外界气体即被吸入，沿轴向进入阴阳转子的齿沟内。

当气体充满了整个齿沟时，转子进气侧端面转离机壳进气口，在齿沟的气体即被封
闭。

（2）压缩过程。

螺杆空压机的工作过程详细分析之压缩过程：阴阳转子在吸气结束时，其阴阳转子齿尖会与机壳封闭，此时气体在齿沟内不再外流。

其啮合面逐渐向排气端移动。

啮合面与排气口之间的齿沟空间渐渐件小，齿沟内的气体被压缩压力提高。

（3）排气过程。

螺杆空压机的工作过程详细分析之排气过程：当转子的啮合端面转到与机壳排气口相通时，被压缩的气体开始排出，直至齿尖与齿沟的啮合面移至排气端面，此时阴阳转子的啮合面与机壳排气口的齿沟空间为0，即完成排气过程，在此同时转子的啮合面与机壳进气口之间的齿沟长度又达到最长，进气过程又再进行。

3.2 空气干燥器
空气压缩机输出的压缩空气中含有较高的水份、油份和机械杂质等，必须经过空气干燥器将其中的水份、油份和机械杂质除去，才能达到车辆上用风设备对压缩空气的要求。

液态的水、油微粒及机械杂质在滤清器中基本被除去，压缩空气的相对湿度降低是避免用风过程中出现冷凝水危害的主要方式，它依靠空气干燥器来完成。

空气干燥器的基本原理是：吸附过程是一个平衡反应。

在吸附剂和与其接触的压缩空气之间湿度趋向于平衡，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，用于吸附剂再生的吹扫气体是由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降低，获得的吹扫气体的相对湿度较低。

因而易于“夺”走吸附器上已吸附的水蒸气分子，使吸附剂恢复干燥状态，达到再生目的。

其特点是“压力吸附与无热再生”。

常用的吸附剂有：活性炭、氧化铝、硅凝胶及分子筛等。

空气干燥器一般都是塔式的，有单塔式和双塔式两种。

3.2.1 单塔式空气干燥器
单塔式空气干燥器是一种无热再生作用的干燥器，如图3-3所示。

它的特点是吸附剂的吸附作用与再生作用在同一个干燥筒内进行。

由油水分离器、干燥筒、排水阀、电控阀、再生风缸和消声器等组成。

在油水分离器中有许多网格圈（这是一种用铝片或铜片做成的有缝的小圆筒），干燥器则是一个网形的大圆筒，其
中盛满颗粒状的吸附剂。

图3-3单塔式空气干燥器
1-干燥筒；2-弹簧；3-单向阀；4-带孔挡板；5-干燥筒筒体；6-吸附剂；7-油水分离器；8-网格圈；9-排泄阀；10-消音器；11-弹簧；12-活塞；13-电空阀；14-线圈；
15-排气阀；16-衔铁；17-带排气的截断塞门；18-再生风缸；19-节流孔
单塔式空气干燥原理：空气压缩机工作时，电空阀13失电，活塞下方通过排气阀15排向大气，活塞12在弹簧力作用下关闭排泄阀9，而空压机输出的压力空气从干燥塔中部的进口管Ⅰ进入干燥塔，首先到达油水分离器，当含有油分和机械杂质的压缩空气经过网格圈时，油滴吸附在网格圈的缝隙中，机械杂质则不能通过网格圈的缝隙，这样就将压缩空气中的油分和机械杂质滤去，然后再进入干燥筒内与吸附剂相遇，吸附剂大量地吸收水分，使从干燥筒上方输出的压缩空气的相对湿度降低，达到车辆用风系统的要求。

如图所示的干燥筒下方1/4高度处为装有网格圈8的油水分离器，而上方3/4高度处为装有吸附剂6的空气干燥筒1。

干燥剂再生原理:经过干燥的压力空气，一路经过接口Ⅱ及单向阀3送往主风缸，单向阀的作用是防止压力空气从主风缸逆流；另一路经节流孔19充入再生风缸18。

当空气压缩机停止工作的同时电空阀13得电，再生风缸18内得压
力空气经过打开的电空阀向活塞12下部充气，活塞上移，打开排泄阀9，干燥塔内的压力空气迅速排出，这时再生风缸内的压力空气经节流孔回冲至干燥塔内，从而沿干燥筒、油水分离器一直冲至干燥塔下部的积水积油腔内，在下冲过程中，干燥空气吸收了干燥剂中水分同时还冲下了网格圈上的油滴和机械杂质，这样干燥剂再生的同时网格圈也得以清洗。

但是采用空气压缩机的排气量相对较小时，它的停止工作间隙不能满足单塔式干燥器再生所需的时间间隙，这时使用双塔式干燥器就能解决问题。

3.2.2 双塔式干燥器
双塔式空气干燥剂的构造如图3-4所示。

图3-4 双筒式空气干燥器
19-干燥筒；19.7-吸附剂；19.11-油水分离器；24-止回阀；25-干燥器座；34-双活塞阀34.15、34.17、56、70-可诺尔K形环；43-电磁阀；50-再生节流孔；55-预控制阀71-旁通阀；
92、93-隔热材；A-排泄口；O1～O3-排气口；P1-进气口；P2-出气口V1-V10-阀座
双塔式空气干燥器的工作原理：
双筒干燥器工作为干燥与再生两个工况同时进行，压力空气在一个筒中流过并干燥时，另外一个筒中的吸附剂即再生。

从空气压缩机输出的压力空气首先经
过装有网格圈的油水分离器，除去空气中的液态油、水、尘埃等。

然后，压力空气再流过干燥筒中的吸附剂，吸附剂吸附压力空气中的水分。

一部分干燥过的压力空气（约13%~18%）被分流出来,经过再生节流膨胀后,进入另一个干燥塔对已吸水饱和的吸附剂进行脱水再生,再生工作后的压力空气经过油水分离器时，再把积聚在网格圈上的油、水及机械杂质等。

双塔式干燥器没有再生风缸，但是设有一个定时脉冲发生器以使两个干燥塔的电磁阀定时地轮换开、关，以使两个塔的功能定时进行轮换。

4.基础制动装置
4.1闸瓦制动装置
闸瓦制动也称为踏面制动，是最常用的一种制动方式。

闸瓦制动装置在制动时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。

城轨交通车辆基础制动装置是制动装置的执行部件。

普遍采用单元制动器，其主要原因是转向架的安装空间有限，特别是动车空间相对较小，采用单元制动器是解决基础制动装置安装问题的有效途径。

4.1.1 单元制动器
（一）单元制动机的组成
PC7Y型单元制动器不带停发制动器，由制动缸体、传动杠杆、缓解弹簧、制动缸活塞、扭簧、闸瓦、闸瓦间隙调整器等组成，并带有手制动杠杆及其安装枢轴。

如图4-1 PC7Y型制动机
PC7YF型单元制动器是在PC7Y型单元制动器的基础上增加了一个用于停放制动的弹簧制动器，包括缓解风缸31、缓解活塞32、活塞杆33、螺纹套筒34、停放制动弹簧35、缓解拉簧36、停放制动杠杆37等。

如图4-2 PC7YF型制动机。

（二）单元制动器的工作原理
当列车制动时，如图4-1所示，制动缸1充气，在压力空气的作用下，制动缸活塞压缩缓解弹簧5向右移，活塞杆推动制动杠杆，而杠杆的另一端则带动闸瓦间隙器向车轮方向推动闸瓦托及闸瓦，使闸瓦紧贴车轮。

缓解时，制动缸1排气，这时闸瓦及扎瓦上所受到的推力撤除，在制动缸缓解弹簧及闸瓦托吊杆上端头的扭簧的反弹的作用下，闸瓦及活塞等机构复位。

（三）停发制动器
停放制动器是一套辅助制动器，其设置的目的是在车辆停放时，防止发生溜车。

停放制动器的结构可看图4-2，停放制动器的操作可以通过电控阀控制缓解风缸31的充，排气来实现，其制动力通过弹簧产生，也称弹簧制动器。

图4-1 PC7Y型单元制动机
1-制动缸；2-传动杠杆；3-安装在制动缸缸体上的枢轴；4-手制动杠杆；
5-缓解弹簧；6-制动缸活塞；7-扭簧；8-闸瓦；9-闸瓦间隙自动调整器
图4-2 PC7YF型单元制动机
1-制动缸; 2-制动活塞; 3-活塞杆; 4-制动杠杆;5-闸瓦间隙调整器;6-闸瓦托; 7-闸瓦托吊; 10-吊销; 31-缓解风缸; 32-缓解活塞;33-活塞杆;34-螺纹套筒;
35-停放制动弹簧; 36-缓解拉簧; 37-停放制动杠杆
停车制动器工作原理如下：
（1）制动状态：当弹簧制动器的缓解风缸31排气时，停车制动弹簧35伸张，通过活塞杆33带动停放制动杠杆37推动制动杠杆4，使闸瓦压紧车轮而产生制动作用。

随着缓解风缸压力降低，闸瓦压力增大。

当缓解风缸的风压为零时，闸瓦压力达到最大。

车辆带风长时间停放，制动缸及其管路压力空气泄漏，缓解风缸压力也逐渐降低，停放制动增加，且闸瓦压力逐渐增大。

缓解状态：当停车制动器的缓解风缸31充气时，缓解活塞32使停放制动弹簧35压缩，活塞杆33带动停车制动杆37复位，从而松开制动杠杆4，使停放制动缓解。

（3）人工操作：车辆停放制动施加后无司机操纵时，若需缓解，可通过拉动辅助缓解装置缓解拉环36实现，此时面缓解活塞32和螺纹套筒34相对移动，释放弹簧作用力，停车制动杠杆37施加于制动杠杆4的推力消失，闸瓦压力随之消失，达到车辆缓解。

停放制动器人工缓解后需向缓解风缸再次充气，使其复位后，才能实现下次停放制动的施加。

4.2盘形制动装置
盘形制动又称为摩擦式圆盘制动，是在车轴上或车轮辐板侧面装设制动盘，用制动夹钳将合成材料制成的两个闸片紧压在制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，把列车动能转变热能，耗散与大气中。

与闸瓦制动相比，盘形制动有以下优点：
○1可以大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗。

○2制动平稳，几乎没有噪声。

但盘形制动也存在一些不足：
○1车轮踏面没有闸瓦的磨刮，轮黏着将恶化。

○2制动盘使簧下重量及其引起的冲击振动增大；运动中还要消耗牵引功率，速度越高，这种功率损失越大。

5.KBGM模拟式电气指令制动系统
5.1 供气单元
供气单元主要由VV230／180—2型活塞式空气压缩机组A1、单塔空气干燥器A7和多个、50 L制动储风缸和50 L客室风动门风缸。

在每个C车上另外还有一个50I。

的用于空气干燥器的再生风缸。