南京地铁车辆制动系统特点分析

２００５年第５期２００５年９月１０日机车电传动
ＥＬＥＣＴＲＩＣＤＲＩＶＥＦＯＲＬＯＣＯＭＯＴＩＶＥＳ№５，　２００５
Ｓｅｐ． １０，　２００５
男，工程师，从事电传动内燃机车、地铁车辆维修技术管理工作。

摘要：根据南京地铁车辆制动系统的特点，分析了该地铁车辆制动系统的作用原理及作用过
程，对电制动、能耗制动、空气制动分别作了较为详尽的分析和说明。

关键词：　地铁；制动系统；车辆；特点分析；南京
中图分类号：Ｕ２３１；Ｕ２６６．２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１２８Ｘ（２００５）０５－００４７－０３
收稿日期：２００５－０３－１６；收修改稿日期：２００５－０８－１０
Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｎａｎｊｉｎｇ　ｍｅｔｒｏ　ｖｅｈｉｃｌｅ
ＺＨＡＮＧ Ｈｅ－ｐｉｎｇ
（Ｖｅｈｉｃｌｅ　Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ，　Ｎａｎｊｉｎｇ　Ｍｅｔｒｏ　Ｃｏ．，　Ｌｔｄ．，　Ｎａｎｊｉｎｇ，　Ｊｉａｎｇｓｕ　２１００１２，　Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｉｎ　ｔｈｅ　ｌｉｇｈｔ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｂｒａｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｉｎ　Ｎａｎｊｉｎｇ　ｍｅｔｒｏ　ｖｅｈｉｃｌｅ，　ｉｔ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ　ａｎｄｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ．　Ｔｈｅ　ｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｂｒａｋｉｎｇ，　ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｂｒａｋｉｎｇ　ａｌｏｎｇ　ｗｉｔｈ　ｐｎｅｕｍａｔｉｃ　ｂｒａｋｉｎｇ　ａｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ａｎｄ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌｓ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｍｅｔｒｏ；　ｂｒａｋｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；　ｖｅｈｉｃｌｅ；　ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ　ａｎａｌｙｓｉｓ；　Ｎａｎｊｉｎｇ
０引言
南京地铁１号线车辆采用法国ＡＬＳＴＯＭ公司生产的动车组。

为了适应城市快速轨道车辆运行速度高、站间距离短、启动制动频繁等特点，在动车组制动系统的设计中，本着安全、可靠的原则，采用了微机控制的电空制动。

该制动系统具有启制动快、制动距离短、反应迅速、停车稳、准确性高、制动力大、安全可靠等特点。

制动部件集成化程度高，维护简单、重量轻，并具有自我诊断及故障保护显示功能。

１制动组合方式
南京地铁１号线车辆制动系统由电制动及空气制
动系统组成，以电制动为主。

电制动包括再生制动和电阻制动，两者能连续交替使用。

在网压高于ＤＣ　１　８００　Ｖ时，再生制动能平稳地转到电阻制动；在整个运行速度范围内，电阻制动力能单独满足制动的要求；紧急制动时，制动力由空气制动提供；车辆停放时的制动力由弹簧力提供，压缩空气缓解。

在电制动力不足的情况下，动车和拖车分别根据各自车辆所接收的制动指令，同时施加空气制动。

在电制动失效或紧急制动过程中，空气制动将替代电制动，且根据列车载重施加空气制动。

低速运行时，由空气制动代替电制动，实施保持制动使整列车停车。

当车辆需要运行时，保持制动由牵引指令进行缓解，并随车辆牵引力的不断增大，保持制动逐渐缓解，可以防止牵引力不足时，制动完全缓解造成的车辆后退。

２电制动
２．１作用原理
在变频调速系统中，电机的减速和停机是通过逐渐降低定子给定频率来实现的。

再生制动时，电机从电动机状态变为发电机状态，电机再生的电能经牵引逆变器反馈到直流电路（即地铁直流供电网）。

由于直流电路的电能无法回馈到交流电网，仅靠变频器本身的电容吸收，或供列车所在直流接触网供电区段上的其他车辆牵引用。

其他车辆能消耗部分电能，但电容仍有短时间的电荷堆积，形成“泵升”电压，使直流电压Ｕｄ升高，过高的直流电压会使各部分器件受到损害。

因
机车电传动 ２００５年
此，当直流电压Ｕ
ｄ
超过一定值时，必须采用能耗制动。

２．２能耗制动
能耗制动是在变频器直流侧加放电电阻单元组件，将再生电能消耗在电阻上来实现电制动的。

这是一种处理再生能量的最直接的方法，它是将再生能量通过专门的能耗制动电路消耗在电阻上，转化为热能，称为电阻制动，包括制动斩波器和制动电阻两部分。

２．２．１制动斩波器
南京地铁车辆制动斩波器是当直流电路的电压
Ｕ
ｄ
＞１　７５０　Ｖ，超过规定的限值时，自动接通耗能电路，使直流电路通过制动电阻后以热能方式释放能量。

制动斩波器是外置式，它包括功率管、电压采样比较电路和驱动电路。

驱动电路由牵引控制电子装置控制。

２．２．２制动电阻
制动电阻是将再生能量以热能形式消耗的载体。

ＡＬＳＴＯＭ公司采用的是铝合金电阻，该电阻器耐振动性、耐气候性较好，广泛应用于恶劣的工控环境，易紧密安装，易附加散热器，外形美观。

制动电阻值１．５５Ω，
由整体风扇强迫冷却，并设置了过温保护装置。

２．２．３制动过程
能耗制动过程如下：（１）当电机在外力作用下减速、反转时（包括被拖动），电机即以发电状态运行，能量反馈回直流电路，使母线电压升高。

（２）当直流电路电压Ｕ
ｄ
＞１　７５０　Ｖ时，制动斩波器功率管以ＰＷＭ方式开通，电流流过制动电阻。

（３）制动电阻消耗电能转化为热能，制动电流的大小由ＰＷＭ方式的占空比决定。

（４）
直流电路电压Ｕ
ｄ
＜１　６５０　Ｖ时，制动斩波器功率管截止，制动电阻无电流流过。

３空气制动
南京地铁１号线车辆制动控制系统是将微机控制、总线传输、网络通信融于一体的电、气综合制动系统。

其中空气制动系统设备主要分为以下几部分：空气供给／处理装置，摩擦制动控制装置，防滑控制装置，空气悬挂、供给和控制装置，辅助装置（见图１）。

　第５期 张和平：南京地铁车辆制动系统特点分析
３．１空气供给／处理装置及其作用原理
（１）空气压缩机的启停控制是通过制动控制电子装置（ＢＣＥ）来实现的。

每个空气供给和制动控制组合模块配有一个压力传感器Ａ２．８，压力传感器检测总风管的压力并且传送信号给ＢＣＥ，ＢＣＥ将根据压力传感器显示的总风压力信号（通常８．４￣９．５　ｂａｒ之间）来启动和关闭压缩机Ａ２．１。

（２）该供风装置不同于其他类似供风系统的一个显著特点是，Ａ车上的ＢＣＥ接受来自ＦＩＰ网络的信号决定两个压缩机的主辅模式，每天更换。

如果一个压缩机能够满足列车空气的需求，另一个压缩机就不工作；如果一个压缩机不能满足列车的需求，并且空气压力下降到７．５ｂａｒ以下，另一台压缩机将启动。

（３）该供风系统通过安全阀Ａ２．６保护系统安全。

安全阀动作压力１０．５ｂａｒ，防止因供风自动控制系统故障导致过多的压力进入总风缸Ａ６．７，确保供风安全。

３．２摩擦制动控制装置
（１）常用制动
ＢＣＥ　Ａ６．９接受所有车辆的空气弹簧平均压力信号，根据该信号计算出该车辆制动所需的制动力，同时将反映车辆质量的载荷信号传送给ＦＩＰ网络系统，拖车载荷信号通过ＦＩＰ网络传送到动车的ＢＣＥ和牵引控制装置。

动车的载荷信号也通过ＰＷＭ线传送到相应的牵引控制电子装置，牵引控制装置经过综合计算后将决定制动力的分配。

对于动车，动力制动装置和正常摩擦制动系统是同时存在的，这两种制动系统都是由司机控制器和ＡＴＯ自动驾驶装置控制。

无论哪种，该装置都能提供连续的动力制动和摩擦制动。

如果制动需求值超过动力制动能力，这时空气制动根据总的制动力要求补充动力制动不足部分。

混合制动要求制动缸的压力可以不一样，只要动力制动和摩擦制动制动力的和达到制动力所需求的值。

ＰＣＥ将计算需求补充的摩擦制动力传给ＢＣＥ，ＢＣＥ将该信号传送到ＢＣＵ　Ａ６．６．１。

ＢＣＵ结合实施和缓解电磁阀Ａ１３来改变制动缸压力，达到制动和缓解的目的。

（２）紧急制动
紧急制动电磁阀（在ＢＣＵ　Ａ６．６．１中）接受来自紧急制动指令线的命令信号，该电磁阀失电时，来自ＢＣＵ的控制压力被允许通过称重阀ｂ进入中继阀ｄ，产生紧急制动。

当紧急制动控制线路得电时，紧急电磁阀得电，旁路的实施和缓解电磁阀允许制动风缸的压力空气通过称重阀直接进入中继阀，紧急制动被缓解。

（３）停放制动
停放制动的控制是以充气和排气为基础的，当总风缸管被加压，供给空气送入停放制动缸以便克服弹簧力，当车辆停止并且总风管的空气逐渐泄漏，当总风缸管压力≤３．３　ｂａｒ时，作用在停放制动传动机构内的弹簧的空气也排向大气，停放制动实施电磁阀Ａ６．６．５得电，施加停放制动；当管压≥３．８　ｂａｒ时，停放制动缓解电磁阀Ａ６．６．６得电，停放制动缓解。

制动力大小由弹簧力决定，南京地铁１号线所设计的弹簧制动力可确保ＡＷ３载荷下车辆能停在３３‰的长大坡道上。

每个制动控制面板内有一个停放制动缓解压力开关来显示停放制动的施加和缓解，司机可通过控制停放制动电磁阀来实施停放制动，以测试停放制动的性能及状态。

（４）基础制动装置
南京地铁１号线车辆基础制动装置采用的是踏面单元制动型式，踏面制动单元又分为带停放制动装置和不带停放制动装置两种踏面制动形式。

制动时闸瓦压紧车轮，车轮闸瓦间发生摩擦，车辆的动能大部分通过车轮和闸瓦间的摩擦变成热能，经车轮和闸瓦最终散逸到大气中。

３．３防滑系统（ＷＳＰ）
防滑系统的控制核心是ＢＣＥ，ＢＣＥ接受到速度信号后同时进行以下两类计算和比较：
（１）一个轴的减速度是否超过了先前设定的参数；
（２）所有轴相对速度水平与预设值比较。

当检测到滑行时，ＷＳＰ通过减小与每个轴有关的制动缸压力来控制车轮滑行的深度。

该系统通过修正能自动调整到车轮滑行的最佳水平，以便最大地利用粘着系数。

为确保系统的安全性，每个转向架的排风阀控制输出量，且每个速度信号都被监视。

在正常情况下，动力制动引起的滑行由ＰＣＥ（牵引控制电子装置）控制；摩擦制动引起的滑行由空气制动控制单元（ＢＣＵ）控制。

在动力制动模式下，如果出现较大的滑行，制动控制装置将发送给ＰＣＥ的轮滑信号设为高电平。

当ＰＣＥ探测到这个输入信号正在变为高电平，制动力就迅速降为零。

制动力保持为零（也就是说电制动失效），同时轮滑输入高电平。

当轮滑输入信号再次设为低电平时，制动力就会逐渐恢复。

当滑行现象被修正时，制动力分两个阶段逐渐回升。

首先，以接近冲击极限的速率回升，直到制动力已经达到设定门槛值；然后，制动力逐渐回升到滑行出现时的制动力值。

到达这一点时，滑行修正就完成了。

这个滑行修正的参数能达到优化系统控制的目的，并将反复出现滑行的可能性降到最小。

３．４辅助设备
３．４．１四点校平空气弹簧控制系统
系统通过控制安装在车体和转向架之间两个空气弹簧的压力，能使车辆的高度自动维持在一个预定值，成比例的载重压力反馈。

这样，空气弹簧的比率和弹簧支持的载重是很匹配的，并通过压力均衡阀Ｌ９将控制信号传给称重阀。

（下转第６９页）
　第５期 李希彪，郑大立：８Ｋ机车第二次大修的尝试和探索
３．７
对８Ｋ机车控制线路进行再设计
配合ＬＣＵ逻辑单元对控制电路进行再设计，同时更换电线和辅助电路电线，消除因电线老化严重而导
致的接地短路的隐患。

４结论
从２００３年７月至今，大同西电力机务段按照上述方案已完成大修机车１４台。

大修后的机车质量稳定，未再发生机破。

发生电器和制动类的故障而造成的临修仅３件。

控制电路的逻辑单元（ＬＣＵ）改造，彻底消除了牵
引无流、主断路器不闭合等惯性故障，极大地提高了机
车运行的可靠性。

制动系统的国产化改造后效果明显，解决了制动配件短缺的现况（２００４年９月，该系统通过了铁科院型式试验）。

由于机车运行工况较为复杂，同时各工况下故障的种类繁多，而且有些检修人员还未掌握真正的故障原因，计算机预先存储的各工况下逻辑单元的输入输出量及各部件的应有的状态信息就受到了限制，机车出现故障后不能给乘务人员以有效的提示。

这都需要今后不断完善、提高。

３．４．２称重阀
该阀是一种混合压力限制装置，这个装置接受一个来自空气弹簧系统的控制压力信号并且根据车辆的载重限制它到中继阀的出口压力，如果空气弹簧压力信号因种种原因而排掉，载荷分离阀就假定超载性能。

载荷信号通过秤重阀传给ＢＣＵ制动控制装置Ａ６．６．１。

４制动控制
南京地铁１号线车辆采用德国克诺尔公司生产的模拟电－空联合制动控制系统。

其控制原理见图２，控制指令采用电控制空气、空气再控制空气的办法。

电指令采用ＰＷＭ方式调制，能进行无级控制，每个微机制动控制装置控制同一节车的两个转向架，由司机控制台上司机控制器ＤＣＨ实现控制操作。

（１）　输入信号
①制动指令线。

根据司机手柄的位置由Ｅｎｃｏｄｅ编码器所下达的指令，是脉宽调制信号（２ＰＷＭ）。

②制动信号ＬＶ。

高电平时保持制动命令，防止车辆停车前的冲动，使车辆平稳停车。

③负载信号的传递线。

拖车载重信号将通过ＦＩＰ线
传输到动车的ＢＣＥ装置。

④紧急制动控制信号。

跳过电子制动控制信号系统，直接驱动ＢＣＥ中的紧急阀动作的安全保护信号。

⑤保持制动信号，防止车辆在停止时的溜车。

（２）制动控制原理
①司机控制器或ＡＴＯ发出制动信号，制动列车线被激活，发出制动指令，动车ＢＣＥ＼ＰＣＥ及拖车ＢＣＥ经过对电制动信号、电制动实际值、电制动滑行等综合计算后判断：如果速度在１８　ｋｍ／ｈ以上时，允许使用的主要制动模式是电制动，气制动为辅。

②控制制动力大小的电流信号被编码器编译成２个ＰＷＭ信号，ＰＷＭ信号由ＰＷＭ列车线输出。

③ＰＷＭ信号触发ＩＧＢＴ，使所有电机减速。

为了使制动力效果最好，同时兼顾冲击极限的限制。

总的制动力应综合考虑摩擦制动的载荷要求。

④当司机手柄上发出最
大制动力指令时，通过ＰＷＭ调制制动列车线被激活，它将提供最大制动效果（快速制动），这条指令通过“ＰＷＭ”信号传送，能达到紧急制动的性能（１．３　ｃｍ／ｓ２的减速度）。

除非列车线ＬＶ被设为低电平，否则快速制动将一直保持激活。

快速制动是可逆的。

⑤当列车速度在１８　ｋｍ／ｈ以下时，电制动取消，ＢＣＵ发出摩擦制动指令，制动控制功能由ＢＣＵ独立完成。

５结束语
南京地铁车辆制动系统的设计开发和应用是成功的。

相信不久将会有更多先进的地铁车辆面世，也希望
通过对ＡＬＳＴＯＭ公司地铁车辆制动技术设计性能、功能探讨，对未来地铁车辆制动技术的发展起到一些有益的作用。

图２一个牵引单元组制动控制原理图Ｔｃ——拖车；Ｍｐ——带受电弓动车；Ｍ
——动车。