地铁车辆在制动方面的优化设计

地铁车辆在制动方面的优化设计
第1章绪论
1.1研究背景
制动系统作为地铁车辆的重要子系统之一，在保证车辆安全方面发挥着重要作用。

我国城市轨道交通车辆制动技术的开始于20世纪60年代在北京建成的第一辆地铁车辆，考虑到当时的技术条件，列车采用了DK型自动电磁空气制动系统，基本制动系统采用踏面制动。

在电阻制动与空气制动的匹配中，系统采用切换方式。

因此，制动力控制性能较差。

此后，我国相关企业和高校共同开发了数字化气动电控制动系统，在动力制动与空气制动的协调性、制动性和缓解一致性方面有了明显的提高。

然而，在制动力的精确控制和动力制动能力的充分利用方面仍有改进的空间。

随后，AR12电控模拟指令制动系统应运而生。

该系统采用电气控制和模拟信号传输，实现了动力制动与空气制动的连续配合，制动力控制更为方便。

然而，由于该系统是由电子逻辑电路控制的，很难实现拖拉机的电制动能力的利用和系统的通用性。

不强，特别是不能实现实时故障监测。

简单地说，制动系统的发展经历了纯空气制动、主电制动为辅助控制制动、主空气制动为辅助电制动的过程。

制动系统的控制技术也从空气控制、电气控制发展到目前的数字化控制。

近年来，国产制动系统逐步开发并应用到个别的地铁车辆项目中，主要为中国铁道科学研究院和中车四方机车车辆研究所研制的车控及架控制动系统。

伴随着国产制动系统的逐步应用，将有利于提高目前城市轨道车辆国产化率，降低整车成本、但目前产品竞争力不足，例如零部件质量不可靠影响产品质量，研发投入不够导致基础试验设备及项目不足等方面，但最主要方面体现在产品的运用经验不足，造成系统性能较之外国产品不够完善，现在使用较多的制动系统伴随中国城市轨道交通市场的不断发展系统性能逐步完善。

1.2研究意义及目的
本文研究的目的:针对城市轨道交的站间距较短(一般都在3公里左右)的特点，这就决定了城轨车辆制动系统的特性必须具备其制动装置必须满足操作灵活、动作迅速、停车平稳准确、制动率及制动功率相对较大等要求。

同时，轨道交通的客流量波动大，空载时重量仅为车辆自重，二满载时列车重量突然增加到
极限。

要求制动装置应具备各种载荷工况下车辆制动力自动调整的性能，使车辆制动率能够维持不变，从而实现制动的准确性和停车的平稳性。

，也便于国产制动系统的借鉴和分析。

本文研究的意义:希望我国制动系统方面的专业人才能够集中力量，共同努力，自主研发出具有市场竞争力、适用于新型城轨车辆的制动系统，以满足我国日益增长的轨道交通产品的需求，同时使我国的制动技术得到新的发展。

1.3我国地铁车辆制动系统现状
制动系统作为地铁车辆上的重要子系统之一，对车辆有着保证运行安全的重要作用。

90年代以来，我国城市轨道交通产业持续飞速发展，大部分城市轨道车辆的制动系统均采用国外引进的制动系统，其中，以英国WESTINGHOUSE公司研制，现为克诺尔子公司生产的基于架控的EP2002制动系统应用最为广泛。

近年来，国产制动系统逐步开发并应用到个别的地铁车辆项目中，主要为中国铁道科学研究院和中车四方机车车辆研究所研制的车控及架控制动系统。

伴随着国产制动系统的逐步应用，将有利于提高目前城市轨道车辆国产化率，降低整车成本、但目前产品竞争力不足，研发投入不够导致基础试验设备及项目不足等方面，但最主要方面体现在产品的运用经验不足，造成系统性能较之外国产品不够完善。

我国地铁制动的国产化，实际上包含两个内容:一是重要设备要实现在国内制造生产，或进口国外零部件国内组装，一些国外公司在国内设立的合资企业生产组装的设备就属于这个范畴;二是要实现关键核心技术的自主创新，这种国产化又称自主化，实际上是国产化所追求的深一层目标，而这个目标正是目前国内品牌制动系统供应商所追求的，每个国内品牌制动系统供应商都为之付出了极大的财力、物力和人力。

早在2015年2月，我国铁道科学院自行开发的制动系统就通过了相关机构的技术鉴定。

并且在天津的滨海快速车上进行了实验，实验结果表明，我国自行制造的制动系统完全能够满足要求。

而在2007年的最后一次实验中，在国际考评组通过，考评组成员认为，我国自行研发的制动系统不仅达到国内先进水平，及时是在国际上，也是名列前茅。

其可靠性、安全性和维护成本都能够达到市场应用的标准。

之后我国很多的地铁制动系统都将此系统作为了主要的应用系统，
这个我国铁道车辆制动发展带来了重要的意义。

二、目前地铁车辆制动系统概述及组成
2.1概述
EP2002制动系统采用架控的形式即一个制动控制单元控制一个转向架，如果一个制动阀发生故障，只需要切除一个转向架上的制动阀，使故障对列车运行的影响减至最小。

制动系统的核心部件是制动阀，它是机电一体化的模块部件，可以进行制动系统的控制、监控以及与列车控制系统之间的通讯。

系统主要由风源系统、制动控制单元、基础制动装置、空气悬挂设备等部分组成。

具有常用制动、紧急制动、决速制动、保持制动、停放制动和滑行控制等功能。

2.2地铁制动系统组成
目前我国地铁车辆的制动系统主要由风源系统部分、制动控制系统部分、转向架制动设备部分、微机控制轮对防滑设备部分、空气悬挂设备部分、车钩驱动装置部分和升弓设备部分组成一起组成。

2.2.1风源系统
EP2002风源系统主要包括活塞式（常见vv 120型）带后冷却器空压机、双塔式吸附干燥器、安全阀、滤油器、吊装框架等设备，所有设备被集成为一个风源模块，该模块通过螺栓直接联接到车体底架上。

在每节车上均配置了一套压缩空气风源模块。

该风源模块的供风能力可以满足地铁车辆用风需求。

图1 风源系统
空气压缩机由冷却器、带粘液祸合器的风扇叶轮、活塞式压缩机和三相交流电动机等组成，采用空气冷却，两级活塞压缩的空压机，由一个三相交流，50Hz,AC380V的电动机驱动。

空气压缩机有两个低压气缸和一个高压气缸。

拿vv 120型空气压缩机来举例说明，优点，如加长的吸气管，弹性阻尼冷却风扇联轴节，空压机与电机间的柔性联接，弹性减振器，可以尽量降低空压机的噪音水平。

空压机的风扇配备了一个粘液祸合器。

这样，冷却装置会根据环境温度和压缩机出口温度自行进行无级调节，从而保证压缩机以一个适宜的工作温度来运行。

粘液祸合器同时作为滑动离合器使用，以使在风扇结冰或被异物如树枝等卡住的情况下不会造成设备损坏。

空气压缩机通过自带的吸气过滤器吸入空气，保证了对压缩机的最佳保护，空气在第一级被压缩后流经中间冷却器，然后进行第二级压缩。

压缩空气在流经空气压缩机的后冷却器后通过一根压力软管到达一个双塔空气干燥器。

压缩空气被通到双塔空气干燥器中，压缩空气在一个干燥塔内进行干燥，同时在另一个干燥塔内回流的洁净总风对干燥剂进行再生处理。

在干燥器内的电子计时器控制两个塔的干燥及再生。

只有在空气压缩机工作时，该计时器的控制周期才起作用，这样可以确保两个干燥塔可以均衡工作。

双塔空气干燥器通过去除系统中的水份并达到等于或小于35%的相对温度。

所有轴颈以及活塞和气缸均采用喷射润滑油的方法进行润滑。

连杆浸入油池中，在每次转动时即会造成润滑。

润滑油会自己流回油池中。

无需附加装置如滤油器、油泵或者阀门等。

这种浸入润滑方式的优点是即使在冬季的特殊外界条件下也具有很好的可靠性。

图2 空气压缩机
2.2.2制动控制系统
EP2002制动控制设备主要由单管式、基于各转向架踏面制动单元架控形式的电空控制和空气制动系统组成。

制动系统设计组成通过三个核心部分来形成分布式制动控制网络。

这三个组件是网关阀、RI0阀和智能阀。

在地铁车辆EP2002制动系统设计中，每节带司机室车箱和动车配置有单个网关阀和单个智能阀，在每节带受电弓的车箱上配置有单个智能阀和单个RI0阀。

每个阀都安装在相应的转向架上。

EP2002网关阀是一个机电一体的部件，它包含一个被称为气动阀单元(PVU)的直接安装在气动伺服阀上的电子控制部分。

通过相应的CAN总线制动信号，每个网关阀对相应转向架上制动缸压力(BCP)进行控制。

网关阀对每个转向架的常用制动、紧急制动和防滑保护实施控制。

通过软件和硬件结合的方式对网关阀进行监控，还可以发现潜在的故障。

通过相应转向架的轴速参数和专门的CAN 总线发出的其它阀门的速度参数共同进行车轮滑动保护。

智能阀是一个机电一体化的部件，包括一个电子控制部分，直接安装在气动伺服阀上。

智能阀提供满足制动要求的制动缸压力(BCP)到转向架上的制动器执行机构中。

同时还进行每根轴的WSP控制。

该阀采用软件和硬件组合的方式予以控制和监视，从而能够检测到潜在的危险故障。

车轮滑动保护是采用本车取得
的轴速数据和从其他阀门(网关阀或智育度数据相结合并通过专用CAN制动器总线来提供的。

智能阀同时根据由过来的压力要求对制动压力进行调整。

RIO阀(远程输入/输出阀)具有与网关阀同样的输入/输出。

RIO阀可以读出可编程输入并通过双通路CAN总线发送给主网关阀。

RIO阀可编程输出的状态由主网关阀进行控制。

网关阀、RIO阀和智能阀的内部气路是一样的，都是气动阀单元（PVU)。

它的功能区域可分成如下几个部分，气路原理图参见下图:
图3 气动阀单元
2.2.3转向架制动设备
每个轮对上装有2套踏面制动单元，并且其中1套踏面制动单元具有弹簧停放功能。

踏面制动单元的停放制动缸用cube上的电磁阀控制及制动阀的端口来监控停放制动的状态。

制动单元的弹簧作用部分作为停放执行器，在每个停放制动作用器上还配备了一个手动缓解装置。

当压力空气首次施加后，该机械缓解装置将自动复位。

2.2.4微机控制轮对防滑设备
防滑装置由在控制阀内的微机控制电路板、速度传感器和测速齿轮组成。

每根车轴端部装有测速齿轮和速度传感器。

根据车轮的转动，速度传感器将脉冲信号发给控制该转向架上的制动阀用于防滑控制。

2.2.5空气悬挂设备
每节车均配置有空气悬挂系统，包括一个四点控制及在空气弹簧故障时作用的均衡装置和压力保持装置。

空气弹簧压力及车体高度将由高度阀控制。

来自总风管的压力空气通过溢流阀，减压阀，截止阀向空气弹簧充风。

通向空气悬挂系统的风源可通过截断塞门来隔离。

本系统向空气弹簧提供与车体载重相应的压力空气。

差压阀的作用是避免两个相联空气簧内的压差大于100 Kpa。

2.2.6车钩驱动装置
设备包括连接软管，截断塞门和电磁阀。

通过截断塞门可以隔离每节车的总风管。

2.2.7升弓设备
升EP2002弓设备配置在带受电弓动车，包括脚踏泵、电动泵、供风单元和控制单元，作用是为受电弓的升起和降落提供外部风源和控制。

升弓设备与车辆总风管路相连接，正常情况下由车辆向升弓设备供风，当车辆总风压力低时，系统控制电动升弓泵工作进行供风，当车辆蓄电池无法提供110V电源等因素导致电动升弓装置无法工作时，可以通过脚踏泵的手动操作升起受电弓。

2.3系统功能
2.3.1常用制动控制
每个阀测量各自转向架上的载荷，并将各自制动控制卡发出的数据在分布式制动CAN网络间传输。

网关阀内的制动控制(BCU)卡根据列车控制数据及转向架载荷数据对每节车的每个转向架产生与车辆载荷成比例的相应制动力命令。

这考虑了每个转向架的粘着限制。

每个本地制动控制卡通过EP阀和气动阀单元内的传感器反馈信号同时提供空气制动闭环控制。

2.3.2紧急制动控制
为保证车辆安全，列车设有独立的紧急制动控制系统，并采用常时带电方式，任何原因造成紧急电路失电，全列车将自动实施紧急制动。

在列车正常工作时，无论是在牵引、惰行或是常用制动时都不会发生紧急制动，但当有下列情况之一发生时，EP2002将立即实施紧急制动:触发司机室中的警惕装置；按下司机室控制台上的紧急制动按钮；列车脱钩；紧急制动电气列车线环路中断或失电和总风欠压等意外情况。

当紧急制动指令发出时，将实施紧急制动，此时电制动被自动切除，全部制动力仅由空气制动独立承担。

2.3.3停放制动功能
EP2002系统配置停放制动功能，在每根轴上设置踏面单元制动单元可以提供弹簧施加和气动缓解的停放制动，能够使AW3的列车停于最大坡道上。

当总风压力低于4.8bar时，停放制动自动施加，当总风压力恢复时停放制动能自动缓解并恢复停放制动的正常工作。

同时，在司机室操作台上设置按钮可以方便地控制停放制动的施加和缓解，并在转向架上设置手动缓解装置，以便在轨道旁完成对停放制动的手动缓解。

2.3.4保持制动功能
系统具有保持制动功能，在车辆站停时制动系统将施加保持制动，保持制动力的大小为当前载荷下70%最大常用制动力。

2.3.5紧急制动空重车调整
EP2002系统提供本转向架独立的电子加权载荷信号紧急制动控制。

气动载荷信号被测量，该信号用来调整入口端调节器控制室的压力。

调节器中继阀将供风压力调节到相应载荷下的紧急制动压力水平。

电子紧急压力控制装置将调节器的输出压力在空车载荷和超员载荷BCP压力之间进行调整。

紧急制动压力调节功能始终处于有效状态。

当发出紧急指令时，微控制器的常用制动输出只将控制阀置于WSP状态，以此使制动缸处于经过载荷补偿的紧急制动压力水平。

2.3.6防滑保护控制功能
控制系统将定期执行地速检测，以便更新实际的列车速度。

系统能精确地控制滑动程度，从而对轨道进行清扫。

这样可以改进后面车轮的粘着环境，在低粘着下使制动力最大化，同时确保没有车轮擦伤。

当WSP控制确定粘着条件恢复到正常状态时，则系统将返回到初始状态，定期地速测试将结束。

三、地铁车辆制动系统存在问题
3.1制动切除装置的问题
EP2002制动系统为车辆每个转向架配备一套空气制动力切除装置，主体由带电触点制动切除塞门组成，其作用是在车辆制动系统故障以及检修、救援、试验等特殊情况下，可以对相应转向架的空气制动力进行切除与恢复操作，对制动系统及列车而言有着重要作用。

通常是将每节车的两套制动切除塞门分别布置在车辆前后两端制动单元上方的客室内的座椅骨架下。

此方案缺点在于切除装置在车辆前后分别布置，对于一列六节编组的地铁列车要分别操作12次，操作繁琐，增加了切除与恢复的操作时间，并且只能在车上实现切除和恢复功能，而在车下无法实现对切除装置的操作。

3.2脚踏泵布置的问题
制动系统为每列带气动受电弓的地铁车辆配备至少一套脚踏泵装置，用于当车辆总风压力低，并且蓄电池无法提供110V电源等因素导致电动升弓装置无法工作时，手动升起受电弓。

公司以往项目车辆的传统安装方案参见图，将其安装在客室内的间壁柜内，通过四角安装支架固定在地板上，将脚踏泵水平安装在支架上。

此结构缺点是由于受间壁柜内空间及柜门尺寸所限，一旦安装定位尺寸稍有偏差，脚踏泵与间壁柜很容易发生接磨现象，并且使用时，脚踏泵不方便取出。

图4 脚踏阀
3.3停放制动存在的问题
EP2002制动系统通常在司机室操纵台故障指示灯上设置停放制动指示灯，用于司机或检修人员直观、方便地判别车辆停放制动的施加与缓解状态。

常见的项目方案的停放制动显示方案原理存在通过将整列车所有网关阀内停放制动缓解开关(闭合缓解，打开施加)串联起来，进行判断。

在司机室激活的情况下(CFCR 得电)，若所有车辆停放制动缓解，则所有网关阀内停放制动缓解开关闭合，停放制动缓解继电器PBRR得电，操纵台上停放制动指示灯不亮，即停放制动缓解。

该方案基本能够如实反应车辆停放制动的状态，但在特定情况下，该方案缺点具有一定的缺点，因为此方案停放制动状态的判断都依赖于制动阀电源，一旦电源故障则不能正确反映停放制动状态。

图6 制动缓解继电器
3.4故障记录系统问题
EP2002系统设置故障记录插件，具有故障记录功能，但存储容量不足1MB,存储容量过小，使得可以存储的信息过少，造成故障信息覆盖周期过短，并且只能通过维护终端读取，操作繁琐并且操作人员的专业性要求过高，给列车故障的及时处理和分析都带来一定的困难。

3.5制动缓解存在问题
制动不缓解功能的定义:当制动系统检测到列车无制动指令，且列车速度大于6km/h，并且检测到制动缸的压力大于0.4bar时，同时满足以上条件且大于5s后，制动系统才会判定列车发生制动不缓解故障，通常会切除牵引力以保护车辆。

以往应用系统的项目也都配置此功能，但经过长时期的运营出现一些问题，在列车司控器手柄快速由制动位切换到牵引位时会偶发出现制动不缓解障。

3.6网关阀、智能阀和RIO阀安装存在问题
网关阀、RIO阀和智能阀作为地铁车辆系统的核心部件，其高度集成化的特点导致阀体模块成为保证系统功能的关键和日常维护的集中点，所以阀体的安装结构至关重要。

常见的问题是这些阀的安装位置多靠近车体转向轮，导致阀体表面经常粘带有轮缘的油污，给网关阀、RIO阀和智能阀带来损坏的危险。

3.7常用制动与快速制动电空配合
常用制动与快速制动的原则是优先采用电制动，如果实际电制动力的大小不能满足车辆制动力需求时，用空气制动进行补偿，并将补偿的空气制动平均分配
到整列车内的拖车上，如果达到拖车的茹着极限还不能满足制动力需求时，则将剩余部分制动力补偿到整列车内动车上。

而电制动的建立，导致电制动电流具有滞后性。

四、地铁车辆制动系统优化
4.1制动切除装置的优化
每节车的两套带电触点制动切除塞门模块化设计，并将其集中布置在车辆底架下靠近车外侧便于操作的位置，将切除塞门的结构加以改进，在切除塞上安装机械缓解装置，并在车辆客室内座椅下方的地板上设置操作手柄，得车上和车下的操作手柄相反方向布置，通过机械缓解装置上的万向联轴器的力传递作用实现对切除塞门的车上、车下的同步操作。

并应用一带锁塞门箱将其扣罩在地板上。

图7 触点制动切除塞门模块
这样，在车上客室内过道处和车下车辆外侧均可以实现对制动力切除装置的操作，操作方便，另外，此方案结构紧凑，减少了安装空间，同时可以实现车上车下手柄的同步旋转，以达到分别操作的效果，进一步完善了制动系统的性能。

4.2脚踏泵布置的优化
对地铁车辆方案设计时充分考虑上述问题，对原结构进行了合理改进。

现有方案本着简单力行的原则，取消原结构的安装支架，将脚踏泵装置集成在安装板上，通过4个紧固螺栓将其挂装在端墙上。

此方案结构简单，既节约了成本，又符合轻量化的设计要求，并且使得脚踏泵取出方便，便于应用。

图8 脚踏阀
4.3停放制动状态显示优化方案
地铁车辆对EP2002方案进行了合理改进，停放制动状态的判断不再采用网关阀内的停放制动缓解信号，而是在停放制动管路中设置压力开关，将压力开关布置在每节车辆制动系统的辅助控制模块上，利用压力开关的机械性能解决上述问题，具体为将所有压力开关输出电信号(断开缓解，闭合施加)并联起来判断停放制动状态:其中任意一个压力开关闭合则停放制动施加继电器PBAR得电，操纵台上的停放制动指示灯点亮;所有压力开关断开则停放制动施加继电器PB AR失电，操纵台上的停放制动指示灯不壳。

此优化方案判定停放制动的状态与电源无关，并且由于不与头车继电器联锁，既使司机室没有被激活，停放制动指示灯也能够正确反映出车辆实际停放制动状态。

图9 制动缓解继电器优化后
4.4故障记录优化
EP2002车辆制动系统设计时，专门针对此问题开发了数据存储单元配置在制动系统中。

此数据存储单元设置可拆卸SD卡，并将存储容量提升到8GB(可增容)，能够将故障信息的覆盖周期提高至半年左右，在存储单元上设置USB接口，可将SD卡拆下以读取数据，也可直接通过USB接口连接外部设备读取，还可以通过专业维护终端读取，增加了读取故障信息的选择性和方便性，极大提高了故障信息的读取效率。

图10 故障记录器
EP2002传统的系统故障记录插件只可以报出大、中、小故障级别，无法明确具体的故障原因。

西安地铁三号线车辆制动系统设计时细化了故障数据等级，将所有故障分分为A, B, C, D四个等级，并细化故障信息，部分内容如下: A大故障:正常运行到下一站，清客，返回车辆段;
B中等故障:正常运行一个往返，然后返回车辆段;
C小故障:列车运营到当天结束，不再继续投入运营;
D无任何限制，仅作参考信息。

A类大故障包括:两路CAN总线故障、空气制动未缓解、大事件(包括:制动未。