地铁车辆制动系统工作原理

地铁车辆制动系统工作原理

摘要：随着城市规模的快速发展和城市人口的不断增多，所面临的交通问题也越来越严重。本文对地铁车辆的制动功能设计进行了说明，并介绍了制动指令的相关设计，最后介绍了混合制动控制系统设计及相关控制策略，以供读者参考

关键词：地铁车辆；制动系统

随着我国经济建设的不断推进，近年来城市轨道交通快速发展，国内许多大型城市都已有了地铁或者轻轨，随着大量的轨道交通项目投入运营，人们的日常出行变得更加方便，可随之而来的担忧也困扰着人们：“我们经常乘坐的地铁会不会刹车失灵呢、会不会追尾呢？”

1．地铁车辆的制动功能设计

地铁车辆采用减速度控制模式，制动指令为电气指令，即制动系统根据电气减速度指令施加制动力。乘客通过站台固定区域上下车，因而地铁车辆每次停站位置要求准确无误，为满足此要求，ATO系统或司机根据停车距离给定列车减速度电气指令，地铁车辆制动过程中必须能够根据减速度指令快速施加相应制动力，即制动响应准确、迅速。

制动系统设有载荷补偿功能。由于城市轨道交通车辆载客量大，乘客上下频繁，因此要求制动过程中能够根据车辆载荷变化自动调整制动力，称之为载荷调整功能。

常用制动具有防冲动限制功能。制动指令是电气信号，制动指令变化瞬间可以完成，如果制动力跟随制动指令迅速变化，就可能造成冲动，引起乘客不适，而且常用制动需频繁施加，为减少制动时的冲动以避免制动力变化过快引起乘客不适，常用制动过程中需限制制动力的变化速率，称之为冲动限制功能。

2．制动系统功能

2.1常用制动

常用制动采用模拟电气指令方式，是由微处理器控制的直通式电空制动，它采用减速度控制模式，其制动力随输入指令大小无级控制，制动控制单元根据减速度指令和车辆实际载重来计算目标制动力，产生相应的减速度。常用制动具有冲击率限制功能，以改善乘坐的舒适性；常用制动采用空电混合制动并优先使用电制动，不足部分由空气制动补足，以尽可能减少空气制动的负荷。

2.2快速制动

当司机操作主控制器手柄使其处于快速制动位时快速制动被触发。快速制动是一种特殊的制动模式。快速制动与紧急制动的制动率相同。快速制动优先使用

电制动，当电制动故障或电制动力不足时由空气制动补充。快速制动命令是可以恢复的。快速制动时具有防滑控制功能并且受到冲击极限的限制。

现代地铁车辆停车频繁，要求的停车精度高，而制动系统依据制动指令产生相应的制动动作，因此制动指令能够准确及时的响应制动需求至关重要。早期车辆制动机釆用空气制动机，相应的制动控制指令采用空气指令，指令通过专门在车辆中设置的空气管路中传输。由于空气指令传输方式的理论传输速率不可能超过声速，指令响应无法满足地铁车辆的使用要求，因此随后发展出了电气指令，成为目前制动指令的基本方式。

2.3紧急制动

紧急制动是列车在紧急情况下而采取的制动方式。紧急制动是通过列车安全回路来控制的，一般情况下紧急制动可以由以下系统或元件触发：紧急按钮、列车超速、警惕按钮等。紧急制动一经触发，列车安全回路中断，触发信号传输给列车控制单元和牵引控制单元，牵引控制单元中断牵引系统工作。紧急制动是按照比常用制动更高的制动率而设计的。紧急制动仅仅由空气制动提供，且制动命令在停车之前是不可恢复的，紧急制动时具有防滑控制功能但不受冲击极限的限制。

3．制动系统的主要部件

以沈阳地铁一号线为例。沈阳地铁一号线采用的是德国克诺尔公司的EP2002制动系统，该系统是轨道车辆制动控制系统的最新一代产品，为分布式架控制动控制系统。EP2002系统将制动控制和制动管理电子设备以及常用制动（SB）气动阀、紧急制动（EB）气动阀和车轮防滑保护装置（WSP）气动阀，都集成装在各个转向架上的机电包中（EP2002阀）。EP2002阀相当于常规制动控制系统中制动电子控制单元和制动控制单元的集成部件。根据功能的不同，EP2002阀可以分为智能阀、RIO阀(远程输入/输出阀)和网关阀三种，每节车设有2个EP2002阀，每个EP2002阀都安装在其控制的转向架附近的车体底架上，所有的阀上都提供了多个压力测试接口,可以方便地测量制动风缸压力、制动缸压力、载荷压力、停放制动缸压力等。

3.1阀进行通信

另外，智能阀还可对该转向架的气制动系统进行故障诊断。智能阀通过硬连线与列车安全回路（紧急制动回路）相连，当列车安全回路失电时，智能阀将使其控制的转向架产生紧急制动。

3.2混合制动控制系统设计

地铁车辆分为动车和拖车，动车既有电制动又包含空气摩擦制动，而拖车仅包含空气摩擦制动，按制动控制范围主要分为单辆车控制、单元车组混合制动控制、全列车混合制动控制。最早期地铁车辆的制动控制是基于单辆车进行控制，

即每辆车满足本车的制动需求，动车采用电制动或空气摩擦制动，拖车采用空气摩擦制动。动车两种制动模式采用简单的切换方式，即动车电制动故障时或不能满足制动力需求时，直接切换为空气摩擦制动。该方式由于拖车摩擦制动热负荷过大，车辆的轴重及速度受到严格的限制。早期地铁车辆动车电制动能力较差，电子控制技术较为原始落后因此采用该方式，现代的地铁车辆已不再采用该种制动控制方式。随着技术的发展，现代地铁车辆发展出了基于全列车进行电制动与空气制动控制的复合制动或交叉复合制动，制动复合作用以整列车为单位进行控制，即地铁车辆根据制动指令值计算出整列车的制动力需求，并将整列车的制动力按给定的制动力分配原则分配给全列车车中各个车辆制动系统，在制动力实施时优先釆用动车的电制动，不足的制动力再由空气制动补充。

3.3混合制动控制策略研究

混合制动一般釆用以下几种控制策略：

（1）混合制动控制由列车控制系统的软件功能实现，车辆控制单元负责整列车的制动控制，负责整列车的电制动力的分配，同时还负责整列车空气制动分配及二者之间的协调配合。

（2）混合制动控制由空气制动系统的软件功能实现，空气制动系统的微机控制单元负责整列车的制动控制，负责整列车的电制动力分配和空气制动分配及二者的协调配合。

（3）混合制动控制主要由列车控制系统实现，同时空气制动系统微机控制单元参与。车辆控制单元负责整列车的制动控制并负责整列车电制动力的分配，空气制动系统微机控制单元负责空气制动的制动力分配及电制动与空气制动的协调配合。为准确可靠的制停地铁车辆，混合制动控制需考虑控制实时性，精确度。制动力需求由车辆重量及制动指令确定，在计算地铁车辆总的制动力时，除了获取制动指令外，还需取得各车的载荷数据。在根据制动力分配原则进行制动力分配时，需考虑各车制动能力以及实际发挥的制动力。混合制动时主控制器为了获得各车制动能力，需实时获得各个拖车可用空气制动力，实际空气制动力，动车实际电制动力，可用电制动力及动车实际空气制动力，可用空气制动力，对于四动二拖编组地铁车辆来说，混合控制时需要处理大量的实时数据。因此，在进行混合控制时，一方面要求控制过程数据要尽可能简化，另一方面过程信息流应简洁。

4．制动系统故障处理

特殊情况下如果一个EP2002阀出现故障，则只有一个转向架的制动失效。此时制动系统内部会对损失的制动力进行重新计算，其他转向架会对损失的制动力进行补偿，因此不会对地铁车辆的制动性能产生影响。也就是说从地铁车辆的制动原理讲，正常情况下列车不可能丧失制动能力，是绝对安全的。

参考文献：