城市轨道-地铁车辆制动系统方案设计

PAGEPAGEIV地铁车辆制动系统方案设计摘要随着城市规模的迅速扩大和城市人口的增加，运输问题日益严重，地铁的特点是速度、精确度、舒适度、能耗低和污染低，它已成为发展公路运输的中心，我们的许多大中型城市已经开始或正在计划建造一个地铁系统，刹车系统是地铁车辆的一个重要组成部分，地铁的制动能力与地铁的运营安全和运输能力有关。由于该市各地铁站之间的距离很短，因此需要有速度和高停车位，以使地铁车辆能够更快地运行，从而提高其运输能力。城市轨道交通车辆载客量大，乘客上下频繁，一些地铁车辆还设有站台屏蔽门，为方便乘客上下，要求停车距离准确。本文针对地铁车辆制动系统方案进行了相关设计。本章主要介绍了空气制动系统的组成，从直通式空气制动机、自动式空气制动机、直通自动式制动空气等方面分析了空气制动系统的控制方式，并探讨了城轨车辆风源系统，并对地铁车辆的制动性能参数进行了设计。本文首先介绍了课题的研究背景及意义，然后探讨了地铁车辆制动系统的设计既部件的设计进行了详细分析，根据载荷变化调整制动力，并对制动缸压力滞后进行了修正。关键词：地铁；制动系统；空气制动

abstractWiththerapidexpansionofurbanscaleandtheincreaseofurbanpopulation,transportationproblemsarebecomingmoreandmoreserious.Metroischaracterizedbyspeed,accuracy,comfort,lowenergyconsumptionandlowpollution.Ithasbecomethecenterofdevelopinghighwaytransportation.Manylargeandmedium-sizedcitieshavebegunorareplanningtobuildasubwaysystem,brakesystem.AsanimportantpartofMetrovehicles,thebrakingcapacityofMetroisrelatedtotheoperationsafetyandtransportationcapacityofmetro.Becauseoftheshortdistancebetweenrailwaystationsinthecity,thereisaneedforspeedandhighparkingspacetoenablemetrovehiclestorunfasterandthusimprovetheirtransportcapacity.Urbanrailtransitvehiclescarryalargenumberofpassengers,andpassengersgetupanddownfrequently.Somemetrovehiclesalsohaveplatformscreeningdoors.Inordertofacilitatepassengerstogetupanddown,parkingdistanceisrequiredtobeaccurate.Inthispaper,thebrakingsystemofmetrovehiclesisdesigned.Thischaptermainlyintroducesthecompositionoftheairbrakesystem,analysesthecontrolmodeoftheairbrakesystemfromtheaspectsofdirectairbrake,automaticairbrakeanddirectautomaticbrakeair,discussestheairsourcesystemofurbanrailvehicles,anddesignsthebrakingperformanceparametersofMetrovehicles.Firstly,thispaperintroducestheresearchbackgroundandsignificanceofthesubject,andthendiscussesthedesignofthebrakesystemofmetrovehiclesindetail,adjuststhebrakeforceaccordingtothechangeofload,andcorrectsthepressurelagofthebrakecylinder.Keywords:Subway;brakesystem;airbrake

目录摘要 Iabstract II第一章绪论 11.1研究背景及意义 11.2地铁车辆制动发展现状 1第二章空气制动系统的概述 32.1空气制动系统的组成 32.2空气制动系统的控制方式 32.2.1直通式空气制动机 32.2.2自动式空气制动机 52.2.3直通自动式制动空气 72.3城轨车辆风源系统 72.3.1空气压缩机 82.3.2空气干燥器 112.3.3风缸及其他空气管路部件 112.4地铁车辆的制动性能参数设计 122.5本章小结 13第三章地铁车辆的制动设计 143.1制动概况 143.2空气制动的设计 153.2.1空气压缩机的设计 163.2.2空气干燥器的选择和设计 173.2.3风缸的设计 193.2.4制动控制单元设计 193.2.5单元制动器设计 243.3空气制动工作方式 263.4车辆制动微处理机控制系统设计 273.5电空制动控制系统 273.6电空制动控制工作方式 283.7本章小结 29第四章计算与校核 304.1地铁车辆制动能力初步设计和计算 304.2制动距离计算 344.3本章小结 35第五章结论与展望 365.1结论 365.2展望 36参考文献 37致谢 39PAGE34第一章绪论1.1研究背景及意义空气制动又称为机械制动或摩擦制动。制动控制单元是空气制动的核心部件，它接受微机制动控制单元（EBCU）的指令，然后再指示制动执行部件动作。其组成部分有：模拟转换阀、紧急阀、称重阀和均匀阀等。这些部件都安装在一块铝合金的气路板上，实现了集成化。这样避免用管道连接而造成容易泄露和占用空间大等问题。1.2地铁车辆制动发展现状皮晓龙（2015）研究了常用制动、紧急制动和阶段制动工况下制动缸压力与Cv压力变化特性，并进行了试验台对比验证。分析结果表明：在常用、紧急制动时，Cv压力比制动缸压力响应快，最大延时不超过0.5s,稳定时两者压力相等；紧急制动时制动缸压力上升至定压的时间小于1.5s,常用制动时小于2.2s;阶段制动时制动缸压力与Cv压力跟随性较好。试验中，制动稳定后的cv压力比制动缸高约15kpa，这是由于继动阀内橡胶件的阻尼作用所致，但是这个并不会影响中断阀的正常使用。韩晓明（2015）为研究节流孔孔径大不对中继阀性能的影响并对其进行优化，根据中继阀的结构工作原理，采用AMESim创建CRH2动车组（ElectricMultipleUnit,EMU）FD-1型中继阀仿真模型，并在此基础上搭建简化的CRH2动车组空气制动系统模型。张立国（2016）着重介绍了HX_D3D型交流传动客运电力机车空气制动系统的技术方案。为保证运行安全、可靠、平稳舒适，机车采用成熟先进的智能制动控制系统，基础制动采用大功率轮装制动盘，粉末冶金闸片，同时具备后备制动、地铁车辆电空制动、双管供风、空气防滑等技术。牟明明（2017）首先对HXN5型机车空气制动系统使用中出现的主要问题进行分析、整改。对比分析了空气制动系统与SS4G型电力机车DK-1制动系统，阐述HXN5型机车空气制动系统的优越性。王雯（2017）利用Simulationx仿真软件对工矿窄轨土渣车的空气制动系统的改进前以及改进方案进行仿真，与实际测试值进行比较，可以得出正确的结论，即关于在优化这一空气制动系统过程中采用仿真程序的说明将作为优化系统的参考，希望能给工业界的同行们一个思路。

第二章空气制动系统的概述2.1空气制动系统的组成城市轨道交通车辆的空气制动系统由供气系统、基础制动装置、防滑装置和制动控制单元组成。供气系统主要由空气压缩机、空气干燥剂、压力控制装置和管路组成，供气系统除了给车辆制动系统供气外，还向车辆的空气悬架设备，车门控制装置（气动门），气动喇叭，刮水器及车钩操作气动控制设备等需要压缩空气的设备供气。基础制动装置是空气制动系统中的制动执行装置，通常被称为基础制动装置。根据制动方式不同，基础制动装置主要有闸瓦制动和盘形制动两种形式。由于城市轨道交通车辆的车底架下安装的设备较多，没有很大的空间来安装闸瓦和盘形制动的基础制动装置，因此大多数城轨车辆采用单元制动机。防滑装置适用于车轮与钢轨黏着不良时，对制动力进行控制的装置。它的作用是：防止车轮即将抱死；避免滑动并最佳地利用粘着力，以获取最短的制动距离。制动控制单元是空气制动的核心部件，它接受微机制动控制单元（EBCU）的指令，然后再指示制动执行部件动作。其组成部分有：模拟转换阀、紧急阀、称重阀和均匀阀等。这些部件都安装在一块铝合金的气路板上，实现了集成化。这样避免用管道连接而造成容易泄露和占用空间大等问题。2.2空气制动系统的控制方式2.2.1直通式空气制动机直通式空气控制机结构如图2-1所示。制动阀有保压位、缓解位和制动位三个不同位置。在缓解位时，制动管内的压缩空气经制动阀Ex口排向大气；在保压位时，制动阀保持总风缸管、制动管和Ex口各不相同；在制动位时，总风缸管压缩空气经制动阀流向制动管。图2-1直通式空气制动机结构Ⅰ-缓解位Ⅱ-保压位Ⅲ-制动位1-空气压缩机2-总风缸3-总风缸管4-制动阀5-制动管6-制动缸7-基础制动装置8-制动缸缓解弹簧9-制动缸活塞10-闸瓦11-制动阀Ex口12-车轮（1）制动位：驾驶员在要实施制动时，首先把操作手柄放在制动位，总风缸的压缩空气经制动阀进入制动管。制动管是一根贯通整个地铁车辆、两端封闭的管路。制动力的大小，取决于制动缸内压缩空气的压力，由驾驶员操纵手柄在制动位放置时间长短而定。（2）缓解位：要缓解时把操作手柄放在缓解位，各制动缸内的压缩空气经制动管从制动阀EX口排入大气。操纵手柄置于缓解位放置时间足够长，则制动缸内的压缩空气可排尽，压力降低至零。此时制动缸活塞借助于制动缸缓解弹簧的复原力，使活塞回到缓解位，闸瓦离开车轮，实现车辆缓解。（3）保压位：制动阀操纵手柄放在保压位时，可保持制动缸内压力不变。当司机将操纵手柄在制动位于保压位之间来回操纵、或在缓解位于保压位之间来回操纵时，制动缸压力能分阶段的上升或下降，即使现阶段制动或阶段缓解。直通式空气制动机的特点如下：1、制动管增压制动、减压缓解，地铁车辆分离时不能自动停车2、能实现阶段缓解和阶段制动。3、制动力大小靠驾驶员操纵手柄在制动位放置时间长短决定，因此控制不太精确。4、制动时全地铁车辆制动缸的压缩空气都由总风缸供给；缓解时，各制动缸的压缩空气都需经制动阀排气口排入大气。因此车辆前后车辆制动的一致性不好。2.2.2自动式空气制动机自动空气制动机在直通式空气制动机的基础上增加了三个部件：在总风缸与制动阀间增加了给气阀；在每节车厢的制动管和制动缸之间增加了三通阀和副风缸。给气阀的作用是限定制动管定压，人为规定制动管压力，即无论总风缸压力多高，给气阀出口的压力总保持在一个设定值。自动空气制动机的制动阀同样有缓解、保压和制动三个作用位置，但内部通路与直通式空气制动的制动阀有所不同。在缓解位时它联通给气阀与制动管通；制动位时它使制动管与制动阀上的Ex口相通，制动管压缩空气经它排向大气；保压位时仍保持各路不通。三通阀的工作原理如图2-2所示a）充气缓解位b）制动位c）保压位1-三通阀活塞及活塞杆2-节制阀3-滑阀4-副风缸5-制动缸6-三通阀7-充气沟B-间隙r-滑阀座制动缸孔Z-制动缸管图2-2三通阀的工作原理三通阀由与其他制动管、副风缸和制动缸相通而得名。根据制动管压力的变化三通阀有以下三个基本位置。（1）充气缓解位当制动管压力升高时，三通阀活塞两侧形成压差。三通阀的活塞和活塞杆共同驱动控制阀和滑阀向右端移动。此时，充气槽露出。第一条通路为充气通路第二条通路为缓解通路，所谓充气是指向副风缸充气，缓解是指制动缸缓解。副风缸内压力可一直充至与制动管的压力相等，即达到制动管定压，制动缸缓解后的最终压力为零。（2）制动位制动管内压力空气经制动阀排气减压。三通阀活塞左侧压力下降，右侧副风缸压力大于左侧。当两侧压差较小时，不足以推动活塞，副风缸的压力空气有通过充气沟逆流的现象。随着制动管压力的继续下降，活塞两侧压差加大到能够克服滑阀与滑阀座之间的摩擦力时，活塞带动滑阀移至极端位，滑阀切断制动缸通大气的通路，同时滑阀孔下端与滑阀座制动缸孔r对准，形成副风缸向制动缸的充气通路。如果三通阀一直保持这个位置，最终将使副风缸压力与制动缸的压力平衡。（3）保压位在制动管减压到一定值后，驾驶员将制动阀操纵手柄放到保压位，制动管停止减压。当右侧副风缸压力稍低于左侧制动管的压力时，两侧压差达到能克服活塞和节制阀的阻力时，活塞将带着节制阀向右移一间隙距离，使滑阀与活塞杆之间的间隙位于后端，同时节制阀遮断副风缸向制动缸的充气通路，副风缸压力不再下降。由于此时活塞两侧压差较小，不足以克服滑阀与滑阀座之间的摩擦力，所以活塞位于此为不再移动，制动缸保压。但由于三通阀结构的限制，无法实现阶段缓解，而只能一次缓解（又称轻易缓解）。2.2.3直通自动式制动空气直通自动式空气制动机的结构如图2-3所示图2-3直通自动式空气制动机的结构注：1—空气压缩机2—总风缸3—总风缸管4—制动阀5—制动管6—制动7—基础制动装置8—制动缸缓解弹簧9—制动缸活塞10—闸瓦11—制动阀Ex口12—车轮13—定压风缸14—副风缸15—给气阀16—三通阀排气口17—排气阀口18—进气阀口19—进排气阀20—制动缸压力活塞21—主活塞22—单向阀直通式空气制动机三通阀的主控机构由大小两个活塞组成。其作用受制动缸压力活塞上侧制动缸压力、主活塞上下两侧制动管压力和增压气缸压力的差和平衡控制，属于三压机构阀。直通自动式空气制动机具有四个作用工况制动缓解位、制动位、制动中立位和缓解中立位。直通自动式空气制动机的特点如下：1、能阶段制动和阶段缓解。同时，制动管要充到定压，制动缸才能完全缓解。2、具有制动力不衰减性性能。2.3城轨车辆风源系统风源系统主要包括：空气压缩机组、主风缸、脚踏泵以及空气管路系统。用风设备主要包括：制动装置、空气悬挂装置、车门控制装置，以及风喇叭、刮雨器、受电弓气动控制设备、车钩操作气动控制设备等。2.3.1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。（1）活塞式空气压缩机活塞式空气制动机由固定机构、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2-4所示。图2-4活塞式空气压缩机作用原理注：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。（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。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，如图所示2-5流程图。图2-5螺杆式空气压缩机系统流程图注：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2.3.2空气干燥器液态的水、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。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。2.3.3风缸及其他空气管路部件（1）风缸：风缸是用于储存压缩空气的，用钢板制成，具有很高的耐压性，是一种高压容器。车载风缸有各种用途，比如上海直流制地铁车辆每节车上有四个风缸：总风缸，空气悬挂系统风缸、制动风缸、气动车门风缸、再生储风缸（带有空气干燥塔的C车）。（2）其他空气管路部件：①脉冲电磁阀：它是先导控制的二位三通阀，它是由一个气动往复阀芯和用于预控的电磁阀组成。而且，它还配有附加的手动控制。脉冲电磁阀用于气电控制回路中，如果电脉冲触发，则控制腔充气或排气，或按顺序交替进行，双塔式干燥塔要用到。②止回阀：它安装于只允许空气从一个方向流入且反向截止的空气管路，以避免降压。③减压阀：它的作用是调节压缩空气系统中的空气压力。④空气过滤器：空气过滤器用于压缩空气制动系统，气动车门机构等，可以保护这些敏感的设备不受损坏。空气过滤器对在多尘环境下运行的地铁车辆的制动系统的可靠性具有极其重要的作用。⑤安全阀：它是空气制动系统中保证空气压力不至于过高的部件。设定压力通过调节螺母来调节。2.4地铁车辆的制动性能参数设计地铁车辆制动减速度及列车冲动限制符合GB/T7928-2003规定。列车纵向冲击率不应大于1m/s3。常用制动在正常运行状态使用，由司机将司控器手柄置制动位或ATO施加。常用制动时，电制动优先，空气制动根据减速要求提供剩余的减速力。最大常用制动平均减速度为1.0m/s3。常用制动时电制动力受踏面粘着限制。常用制动具有防滑保护和受冲动限制，常用制动可恢复。紧急制动平均减速率设计为1.2m/s3，仅由空气制动完成。每种操作模式（自动和手动模式）总能施加紧急制动。当司机主控制器位于快速制动位时，列车施加快速制动。快速制动设计以紧急制动减速率（l.2m/s3）制动而不断开安全回路。快速制动设计为紧急情况下一种制动方式，快速制动具有防滑保护，并受冲动限制。快速制动由电制动和电空制动产生。快速制动命令是可恢复的。停放制动仅在静止时采用，防止停放的列车滚动。应保证超载（AW3载荷）的列车停在不超过40%0的坡道上。整个制动装置的控制采用二级控制，简述为“电控制空气，空气再控制空气”即为“电子控制单元”控制“气路控制单元”，控制空气再控制执行空气。电空控制系统方框图如图2-6所示，图中输入信号的功能如下：图2-6电空制动控制系统方框图2.5本章小结本章主要介绍了空气制动系统的组成，从直通式空气制动机、自动式空气制动机、直通自动式制动空气等方面分析了空气制动系统的控制方式，并探讨了城轨车辆风源系统，并对地铁车辆的制动性能参数进行了设计。

第三章地铁车辆的制动设计这一章，主要是根据前面第二章有关地铁车辆的参数以及第三章有关国内地铁车辆制动的了解，和第四章对于车辆制动的计算，进行地铁车辆制动方面的设计。3.1制动概况通过对地铁制动的了解，我们知道动车的制动方式，当高速时，采用再生制动，将列车的动能转换为电能；当再生的电能无法再回收时，则采用电阻制动。当车速低于10km/h时，则电制动切除，全部采用空气制动。一般地铁列车设计中的最高速度为80km/h，平均速度为35km/h。车辆自重，动车为38.5t，拖车为33t。满载时，动车为57.5t，拖车为51.9t（每辆车的定员均为310人）。超载时，动车为63.6t，拖车为58.1t（每辆车为410人），这为重载工况。列车的平均制动率应保证在整个速度范围内的平均减速度达1.15m/s2，制动初速为50km/h、60km/h、40km/h和20km/h时达到停车的时间要求分别为19.3士15%s、14.5士15%s、11.1士15%s和5.6士15%s（反应时间除外）。本文设计的制动为模拟式电空气控制制动系统，它用一条电缆贯通整个列车，形成连续回路。模拟式制动系统的操作指令是采用电控制空气、空气再控制空气的方法。制动电指令是利用脉冲宽度调制，能进行无级控制。制动方式有再生制动、电阻制动和空气（摩擦）制动三种，它们分别为第一、第二和第三优先制动。再生制动取决于接触网的接收能力，亦即取决于网压高低和负载利用能力；电阻制动承担电机电流中不能再生的那部分制动电流。再生制动电流加电阻制动电流等于制动控制要求的总电流，此电流受电机电压的限制。当地铁列车速度降到6km/h，电制动被全部切除时，所有给定的制动力全由空气制动提供。3.2空气制动的设计空气制动是个很主要的部分，设计时我将空气制动分成三个部分：供气部分、控制部分、执行部分。如图5.1所示。其中，图5.1a示出供气部分（A类部件）和受电弓气动升降部件（U类部件）的管路连接示意图，图5.1b示出空气制动系统。空气制动系统每辆车上均有，而供气部件只有C车上有，受电弓气动升降部件只有B车上有。各主要组成部件的名称和用途如下。图5.1a地铁车辆空气制动系统3.2.1空气压缩机的设计空气压缩机是用来制造空气制动系统和其他各种气动器件（例如空气弹簧，客室的风动车门等）所需的压力空气。为了能满足制动需要，本文设计一个活塞式空压机，它的排气量为1500L/min；输出压力为1100kpa（11bar）；转速为1520r/min；用1500V直流电动机M通过弹性联轴器直接驱动。四个气缸（其中三个低压缸的直径为95mm，一个高压缸的直径为85mm），两级压缩带有两个空气冷却器（中间冷却和后冷却），并用风扇强迫通风。此压缩机的主要特点是它的缸体与曲轴箱不连成一体，这样的设计便于缸套的安装和调换。图5.1b3.2.2空气干燥器的选择和设计空气干燥器采用单筒式无热再生工况的干燥装置（图5.2），它的特点是吸附剂（干燥剂）的吸附作用与再生作用只在一个干燥筒内进行。无热再生工况干燥法的基本原理是：利用吸附剂具有大量微孔的特点，吸附压力空气中的水蒸汽分子，达到干燥空气的目的。图5.2空气干燥器1-空气干燥器；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-“拉希格”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3.2.3风缸的设计在每辆车上设四个风缸（参图5.1），其中，一个250L的总风缸，一个100L的空气悬挂系统（空气弹簧）风缸，一个50L制动贮风缸和一个50L的客室风动门的风缸。另外，C车上还得增加一个50L的再生风缸。3.2.4制动控制单元设计制动控制单元是空气制动的核心，主要有模拟转换阀a、紧急阀e、称重阀。、均衡阀d等组成。这些部件都安装在一块铝合金的气路板上。犹如电子分立元件安装在印刷线路板上一样。同时在气动线路板上安装了一些测试接口（I、K、L、M、N），只要在气动线路板上测试，就可以方便地测量各个控制压力和制动缸压力。同样，整个气路板的安装、调试和检修都很方便。制动控制单元的主要功能是通过模拟转换阀A将微处理器B5/G2发出的电子模拟制动信号转换为相应的预控（空气）压力。预控压力呈线性变化，也受到称重的影响阀门。和防冲动检测装置的检测和限制，最后使制动缸C1和C3获得符合制动指令的气制动压力。整个制动控制单元犹如一个放大器。模拟转换阀（图5.3）是由一个电磁进气阀（类似控导阀）、一个电磁排气阀及一个气电转换器组成。图5-3模拟转换阀1-阀体；2-电阻进气阀（线圈处于励磁状态）；3-电磁排气阀；4-气电转换器；0-排气口；Cv1-预控制压力；R-由控制贮风缸引入降低到制动指令的要求为止。从模拟转换阀出来的Cv1，压力空气通过管路板进入紧急阀（图5.4）。它实际上是一个二位三通电磁阀，它的三个通道分别与模拟转换阀输出口、制动贮风缸及称重阀进口相连接。在常用制动时，紧急阀励磁，紧急阀使模拟转换阀与图5-4紧急阀结构图5-空心阀弹簧；9-活塞；18-电磁阀；23-空心阀杆；3a、3b、3c、16、25-K形密封圈；V1、V2、V3、V4-阀口由于紧急制动前的控制压力直接从紧急阀门的制动和制动容器中到达加压阀，该中心不受模拟转换阀门的控制，紧急阀门仅作为一种访问选择使用，不允许使用压力大小控制系统。所以，在紧急制动时，预控制压力只受称重阀的限制，即为最大的预控制压力。图5.5称重阀同样，预控制力Cv2流经称重阀时也受到阀的通道阻力，压力有所下降，成为预控制压力Cv2，并且通过管路板进入均衡阀（如图5.6）。图5.6均衡阀1-均衡阀；2-连接座；V1、V2阀口；1.2-阀体；1.6导向杆弹簧；1.7-空心导向杆；1.9-均衡活塞；K1-K2-K3-形密封圈；D1、D2节流孔；M1-橡胶模板从D2孔进入均衡器的Cv3压力空气，推动具有模板的活塞上移，首先关闭同乡制动缸的排气阀V2，然后进一步打开进气阀V1，使制动贮风缸经接口R进入均衡阀的压力空气通过进气阀V1经接口C充入制动缸，制动缸活塞被退出，带动闸瓦紧贴车轮产生制动作用。从上述中可以看出，均衡阀能迅速进行大流量的充排气。大流量压力空气的压力变化是随着预控制压力Cv3的变化而变化，并且相互间的压力传递比为1：1，即制动缸压力与Cv3相等。3.2.5单元制动器设计该装置的弹簧制动器是一种杠杆装置，它利用弹簧力推杠杆，将柏油闸门放在车轮上，并为刹车制造闸门压力，主要是在车辆停车时使用。而它的缓解，则需要使用压力空气向弹簧制动器中充气才能使弹簧压缩，从而使制动缓解。因此，弹簧制动器也使用电磁阀进行控制，其操作也集中在驾驶室里进行。。单元制动器由制动缸、传递杠杆、闸瓦间隙自动调整机构和复原机构等组成。闸瓦间隙自动调整机构在闸瓦磨耗后能对增大的闸瓦间隙自动进行调整，使之符合规定的间隙大小。复原机构在更换闸瓦时用。图5-8单元制动器具有弹簧制动器的单元制动器还具有附加的功能，即以弹簧作动力的组合件，并带有可自动复位的人工辅助缓解装置。当制动缸排气时，活塞的缓解弹簧及扭簧使传动组合件复位，从而达到制动缓解目的。闸瓦间隙自动调整器中的推杆的伸长是用于修正由于闸瓦磨耗所增加的间隙，其作用原理与英国SAB的间隙调整器相同。在更换磨耗到限的瓦时，必须使推杆复位，这个机构允许在不卸下螺栓或防尘皮腔的情况下而使推杆复位。型单元制动器中的弹簧制动器及传动组合件，其弹簧力是通过离合器、非自锁螺纹推杆及牵引套筒传到制动缸。3.3空气制动工作方式供气系统A1（图1a）要为三辆车组提供足够的所需的干燥压力空气，在供气过程中有安全阀A6和气电开关A13对空气压力的监控。安全阀的锁定值为10bar（l000kPa），气电开关是空压机电动机的控制元件，它的开启压力为7.0bar，切断压力为8.5bar。整个供气系统为空气制动、受电弓升降、客室气动门、空气悬挂系统、刮雨器及空调系统的紧急回风门的关闭等提供压力空气。空气干燥器输出的压力空气通过单向阀A14和主风管MRE到达每辆车的总风缸、制动贮风缸、空气弹簧风缸和车门风缸。驾驶室内的双针压力表的白色指针显示主风管压力，红色指针显示制动缸压力。主风管还通过截止阀U1、单向阀U4.2二位三通电磁阀U3至受电弓气缸。当电磁阀U3的励磁线圈得电时，电磁阀导通，主风管向受电弓气缸充气，使受电弓升高；当励磁线圈失电时，阀芯动作，切断与主风管的通路而使受电弓气缸排气，受电弓落弓。当火车处于弧形状态，主气缸内没有压力空气（例如，火车长时间停留），火车必须从一个弧形起头，可以用一个踏板泵向电弧缸提供风力，当然，在向风进气之前，必须手动启动电磁阀门的核心，以便使管子运转。当受电弓升起与接触网相碰，空压机立即工作，使总风缸充气，并可停止脚踏泵供气。3.4车辆制动微处理机控制系统设计在地铁车辆制动控制系统中，必须有一个用于控制电空制动和防止车轮滑行控制的微处理机。在本文的设计中，上述微处理器是由Knoll设计的，目的是在火车运行时将所有与刹车有关的参数信号传送到微处理器。微处理器立即计算出一个制动指令，该指令具有当时所需的制动力，从一个空转发器转到另一个空转发器，成为一个与电压指令成比例的空气压力调节器，这反过来又能使制动瓶充满压力空气，使制动瓶的压力与空气压力控制相适应。3.5电空制动控制系统电空制动控制系统的方框图如图5-9所示。图中的输入信号的功能如下：（1）制动指令：此指令是微处理机根据变速制动要求，即司机施行制动的百分比（常用全制动为100%）所下达的指令。它可以是各种形式的，例如模拟电流、七级数字信号等，而上海地铁车辆所使用的是最常用的脉宽调制信号。（2）制动信号：这个信号是制动指令的一个辅助信号。它是对运行的列车指示要制动了。（3）电制动关闭信号：此信号为信息信号，它的出现就意味着空气制动要立即替补即将消失的电制动。（4）紧急制动信号：这是一个安全保护信号，它可以跳过电子制动控制系统，直接驱动制动控制单元中的紧急阀动作。（5）保持制动：这个信号能防止车辆在停止前的冲动，能使车辆平稳地停车。它的功能分为三个阶段：第一阶段：当动车车速低于10km/h时，保持制动并开始接受摩擦制动力，而电制动逐步消失。在保持制动出现后，电制动的减小延迟0.25S。动车和拖车的摩擦制动力只可达到制动指令的70%。第二阶段：当车速低于4km/h时，一个小于制动指令的保持制动的级开始实施，即瞬时地将制动缸压力降低。这个保持制动的级取决于制动指令。这个级与时间有关，是由停车检测根据最初的状态来决定的。3.6电空制动控制工作方式当微处理器根据制动要求发出制动指令，并伴有制动信号时，该信号使开关线路R接通，使制动指令通过RL和RZ进入脉冲限制器，以便检测减速变化率是否过大。通过防冲动限制器的制动指令立即又到达负载补偿器，此补偿器实际就是一个负载检测器。它根据负载信号贮存器中所贮存的负载大小，检测制动指令的大小，然后检测调整好的指令送至开关线路R:。为了防止制动力过大，R3只有当电制动关闭信号触发下才导通，否则是断开的。通过R3的指令又被送至制动力作用器（这里的制动力还是电信号），中途还经过R；。制动力作用器将指令信号转化为制动力。为了缩短空走时间，因此作用器的初始阶段有一段陡峭的线段，然后再转向较平坦斜线平稳地上升，直至达到指令要求。从作用器出来的电信号被送至电一气转换器。这个转换器是将电信号转换成控制电流，再由这个控制电流去控制制动控制单元BCU中的模拟转换阀。并且接受模拟转换阀反馈回来的电信号，从而进一步调整控制电流。它并没有真正将电信号（弱电）转换成控制空气压力。从电一空气转换器输出的控制电流直接控制BCU中的模拟转换阀，这就完成了微处理机对BCU的控制。当然在列车速度低于4km/h时，制动指令将被保持制动的级（与制动指令相对应）所替代，这在前面已有叙述。图5.9电空制动控制系统方框图3.7本章小结制动作用器初始阶段有一段陡峭线段，这是由于跃升元件所导致的。跳变元件是一种非稳态触发器，它可以由电制动停车信号、制动信号和制动指令信号的任意信号触发，从而输出高电平。类似地，这个高电平可以触发旁路或门电路输出一个高电平，使得R4动作，导致制动动作直接接收到负载信号，导致直线段变陡。

第四章计算与校核4.1地铁车辆制动能力初步设计和计算地铁车辆分为两个移动单元和一个牵引单元。每个单元由一辆带司机室的拖车、一辆受电弓车辆和一辆非受电弓车辆组成。相关技术参数如下：最高运行速度80km/h；常用制动减速度1.0m/s²；常用制动冲击率小于0.75m/s³；紧急制动减速度1.20m/s²；每辆拖车自重AWo33t；每辆动车自重AWo38t；供电DC1500V。采用三相异步交流电动牵引，VVVF主电路控制设计。载荷设计：AW1工况—拖车、动车均56位坐客，60㎏/人；AW2工况—除坐客外，站客6人/m²，拖车、动车站立面积均42mAW3工况—为超员情况，站客9人/m²；由表5.1知：在AW1时载重∶自重≌1∶10；在AW2时载重∶自重≌1∶2；在AW3时载重∶自重≌1∶1.4。因此在制动力的设计中，乘客的多少是必须计入的。在牵引制动设计计算时，除了考虑载荷所占分量外，由于车组车体相对比较轻，动车每辆除轮对外，还有牵引电机和传动齿轮箱。在设计过程中要将车辆的转动惯量考虑进去。根据相关资料显示，动车在此按其空载质量的14%考虑，拖车按其空载质量的6%考虑。忽略空气阻力和隧道阻力，并按平直道考虑。表5.1载荷工况T拖车M动车全列定员全列重量AW033.0t0人38.0t0人0人218tAW136.36t坐56人41.36t坐56人336人238.16tAW251.48t坐56人，站252人56.48t坐56人，站252人1848人328.88tAW359.04t坐56人，站378人64.04t坐56人站252人2604人374.24t车组所需制动力BB=Ma（式5.1）式中a—平均减速度；M—制动总载荷；即M=M分（列车总的质量负载）＋R（列车全部转动惯量负载），那么：每辆动车的转动惯量负载：RM=38000×14%＝5320（kg）每辆拖车的转动惯量负载：RT=33000×6%＝1980（kg）故在不同质量负载工况下，每辆动车拖车的制动总负载见表5.2（单位：kg）表5.2制动总负载负载工况T拖车M动车AW03498043320AW25346062800AW36102069360在常用制动减速度1.0m/s²的要求下，每辆车所需要制动力为：每辆拖车：BW0=34980×1=34980（N）BW1=38340×1=38340（N）BW2=53460×1=53460（N）BW3=61020×1=61020（N）每辆动车：BW0=43320×1=43320（N）BW1=46680×1=46680（N）BW2=62800×1=62800（N）BW3=69360×1=69360（N）在紧急制动减速度1.20m/s²的要求下，每辆车所需要制动力为：每辆拖车：BW0=34980×1.2=41976（N）BW1=38340×1.2=46008（N）BW2=53460×1.2=64152（N）BW3=61020×1.2=73224（N）每辆动车：BW0=43320×1.2=51984（N）BW1=46680×1.2=56016（N）BW2=62800×1.2=75360（N）BW3=69360×1.2=83232（N）每辆车轮所需负担的制动力为每辆车的1/8，采用840mm轮径，行车最高速度为80km/h，基础制动系统按单侧踏面制动设计。采用高磨合成闸瓦平均摩擦系数µ=0.25。则每个轮的制动力：B=F×µ（式5.2）式中F—每个轮上闸瓦压力；µ—平均摩擦系数；表5.3每个轮上所需闸瓦压力F车辆制动常用制动常用制动紧急制动紧急制动载荷工况拖车每轮拖车每轮拖车每轮拖车每轮AW017490216602098825992AW119170233402300428008AW226730314003207637680AW330510346803661241616踏面制动单元为7英寸缸，制动倍率3.7，传动效率95%，缸活塞推出平均阻力为1200N，制动单元空气压力P为：P×π/4×（2.54×7）²×3.7×0.95=F（式5.3）在紧急制动AW3动车情况下（所需闸瓦压力为最大压力F），由表5.3：F=41616N，则P=500kPa表5.4每个7英寸缸所需空气压力P（单位：kPa）车辆制动常用制动常用制动紧急制动紧急制动载荷工况拖车每轮每缸动车每轮每缸拖车每轮每缸动车每轮每缸AW0218267260318AW1238287283342AW2327381389455AW3370420442500地铁车辆紧急制动不涉及电制动，其制动能力由空气制动系统完成。紧急制动力的计算是计算所能达到的最大闸瓦力。电制动力是由牵引电机产生的，当牵引电机转到电制动工况时，在电枢形成制动转矩，通过减速器阻碍车轮向前滚动，牵引电机与小传动齿轮同轴，大传动齿轮与车轴同轴。设传动比i，车轮直径d（m），传动效率为Ki，电机的制动转矩为M（vi）（kN·m）轮周点制动力b（vi），见式5.4b（vi）×d/2＝i×M（vi）×Ki（式5.4）在电制动力的发生中，车轮的磨耗会对电制动力值产生影响，采用直径为840mm的新轮，半磨耗为805mm，全磨耗为770mm。按电机工程学知识，制动时车辆速度从80km/h逐渐降至0，牵引电机制动工况可分为三个区段：（1）恒制动功率区（80km/h降至50km/h）在此区段电机功率保持不变，而制动力矩从80km/h的1.25kN·m，随速度的下降逐渐上升到最大值2.0kN·m。（2）恒制动力区（50km/h降至6km/h）制动力矩一直保持2.0kN·m。（3）降制动力区（6km/h降至0）当速度降至6km/h时电制动力丧失，此段无电制动力。将以上电机电制动力矩代入公式，设传动比i=6.3，传动效率Ki=0.9，轮径为0.84m，b80=2×1.25×6.3×0.9/0.84=16.88（kN）；b50b6=2×2.0×6.3×0.9/0.84=27（kN）。这是每根动车轴轮对上的不同速度区段的电制动力，在常用制动减速1m/s²时，在各种载荷工况下每辆车所需的制动力，那么全列的制动力为：

表5.5一列车常用制动所需总制动力AW034980×2+43320×4=243240AW138340×2+46680×4=263400AW253460×2+62800×4=358120AW361020×2+69360×4=399480如果将全列所需制动的总制动力全部由电制动承担，即分摊到16根动轴轮对上，则每轴各载荷工况所需制动力：AW0=243240/16=15203（N）；AW1=263400/16=16462（N）；AW2=358120/16=22383（N）；AW3=399480/16=24968（N）。由数据知，在80km/h降至50km/h速度范围内AW2、AW3载荷工况时有部分电制动力是不够的，而在6km/h降至0时需要空气制动。计算表明在所设计车辆中，电制动力是相当充足的，在整个制动过程中基本不需要空气制动，只有在80km/h降至50km/h高速度和6km/h以下低速度用空气制动擦轮对踏面。对于动轴占多数的车组，动轮的黏着一般式够得，在常用制动中电制动起重要作用，因此闸瓦磨耗极少。在两动一拖时，若拖车无制动力，那么牵引和制动时，一辆动车的黏着要负担本车和半拖车。当一辆动车不起作用时，要求一列AW3载荷的列车能够运行一个来回，速度限制在60km/h；当列车电制动失效时，摩擦制动能够完全担负起整列车的制动作用；当两辆动车不起作用，该列车能运行到下一站，并且将空车运行到车库；当列车仅剩1/3的动力情况下，AW3载荷的列车能够在38‰的坡道上启动。最大速度：50.5km/h。当列车电制动失效时，摩擦制动能够完全担负起整列车的制动作用。4.2制动距离计算这样，列车制动过程简化为两个阶段：从制动时刻到假设制动力突然增大的时刻，变为无制动力的空行过程。它所经过的时间是空走时间，用tk表示，在此期间它所走的距离是空走距离，用sk表示，从突然增加的时刻开始。从瞬间到列车停车的这段时间，成为保持整列车预定闸瓦压力的有效制动过程。它经过的时间是有效制动时间。在此期间行驶的距离称为te表示的有效制动距离，se表示的制动距离称为有效制动距离。sb=sk+se（式5.5）列车在空走时间内是在惰行：sk=1000×v0×tk/（60×60）=v0×tk/3.6；（式5.6）在电空制动下：tk=2－0.08ij；（式5.7）式5.7中，ij—加速坡度千分数，当ij＞0时，规定按ij=0计算。则：tk=2（s）；sk=80×2/3.6=44（m）。空走阶段到突增那一瞬间列车速度v。则有公式5.8得：2as=v²-v0²（式5.8）v=19.5（m/s）；将v=19.5（m/s），代入公式5.8得：se=158（m）；根据公式5.5得：sb=202（m）。列车在紧急制动时，整列车平均减速度＞1.3m/s²，在设计中选为a=1.33m/s²，则列车紧急制动距离有公式5.sb=v0²/2a（式5.9得：sb=186（m）