南京地铁1号线车辆制动系统分析
摘 要： 文章介绍了南京地铁 1 号线车辆制动系统的组成，阐述了制动系统各组成部分的结构和功能，重点分析了列车在不同制动模式下运行时制动系统的工作过程。
关键词： 地铁车辆； 制动系统； 电气制动； 空气制动； 制动缸
0 引言
南京地铁 1 号线列车为 A 型车 6 辆编组， 使用受电弓与 1 500 V 高压接触网滑行接触受电。 车辆的制动系统采用原英国 Westinghouse 公司设计的 KBWB模拟式电气指令制动系统。
1 制动系统组成（见图 1）
南京地铁 1 号线车辆制动系统由电制动系统、空气制动系统、制动控制装置和防滑装置组成。
在两端拖车的司机室操纵台上， 安装有牵引/制动控制器，用于产生制动指令。安装在动车上的牵引传动系统在列车运行在制动工况时产生电气制动力； 安装在每辆车上的空气制动系统在电制动力不足时产生空气制动力；安装在每辆车上的制动控制装置（BCE）实现对电制动、空气制动、防滑装置工作的控制；安装在每辆车上的防滑装置在某一轮对出现滑行时消除轮对的滑行。 车辆制动系统采用拖车空气制动滞后控制策略，即拖车所需制动力先由动车的再生制动承担，然后根据电—空联合制动运算， 不足部分先由动车的空气制动力补充， 动车不足以承担的拖车所需制动力再由拖车的空气制动力承担。 该制动系统实现了空气制动与电制动的高度结合，不仅满足了电制动优先的要求，而且实现了电空混合制动的平滑过渡， 还设有冲动限制以提高旅客乘坐舒适度。
2 电气制动力的产生
地铁车辆的电气制动系统与牵引传动系统共用一套装置，主要包括受电弓、主断路器、主变流器和牵引电机等部件。
地铁车辆电气制动力的产生基于牵引电机的可逆运行。列车在制动工况下运行时，牵引电机的转子就成为在磁场中运动的导体，根据右手定则，在转子绕组内会产生感应电流；此时转子又成为通电导体，根据左手定则，通电导体在磁场中会受到力的作用，该力的方向总是与导体运动的方向相反， 也就是阻碍列车运行的电气制动力。
南京地铁 1 号线车辆采用三相异步牵引电机，采用变频调速技术对牵引电机的转速进行控制。 在制动工况时， 电机的减速和停机是通过逐渐降低定子给定频率，使旋转磁场转速低于转子转速来实现的。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地铁直流供电网。 当直流电压 Ud＞1 750 V 时， 制动斩波器功率管以 PWM 方式开通，自动接通能耗制动电路，制动电流流过制动电阻，使直流电路通过制动电阻后以热能方式释放能量。 当直流电路电压 Ud＜1 650 V 时， 制动斩波器功率管截止，制动电阻无电流流过。
3 空气制动力的产生
空气制动力由空气制动系统产生， 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，空气制动控制装置，空气制动执行装置。
3.1 空气供给/处理装置
列车两端带司机室的车辆上装有一套空气供给/处理装置， 该装置按司机室的启用位置定义为主空气供给/处理装置或辅助空气供给/处理装置。 每套空气供给/处理装置由空气压缩机组、空气干燥器及控制装置组成。
空气压缩机选用 VV120 型， 理论上每分钟能为列车制动系统提供 950 L、压力为 10 bar 的压缩空气。 正常情况下，若一个压缩机能够满足向列车供气的需求，则仅启动主空气供给/处理装置。 在辅助模式或降级模式下，需同时启动主、辅空气供给/处理装置的空气压缩机。 空气压缩机的启/停控制通过 BCE 来实现，每套空气供给/处理装置配有一个压力传感器，用于检测主风缸管的压力并传送信号给 BCE。 BCE 根据压力传感器显示的主风管压力信号决定空气压缩机的启/停和启用台数， 并通过控制空气压缩机电机继电器的吸合或断开来实现。 该空气供给/处理装置装有安全阀来保证制动系统的安全，其设定值为 10.5 bar，防止因供风自动控制系统故障导致主风缸过压。
空气干燥器采用双塔无热再生式空气干燥器，双塔交替工作，每 2 min 转换一次工作状态，确保两个塔工作时间均等，保证压缩空气的干燥效果。
3.2 空气制动控制装置
空气制动控制装置包括 EP 控制板、称重阀和主控阀三部分，如图 2 所示（此处省略 EP 控制板，仅将 EP控制板与主控阀的连接管路标出）。
EP 控制板是空气制动单元（BCU）的安装基座，也是 BCU 的管道接口座，管道接口座的背面有 5 个气路连接口，分别与主风缸（MR）、空气弹簧（AS）、制动储风缸（BSR）、停放制动风缸（PBC）和单元制动机风缸（BC）连接。 另外还有 4 个压力测试点，分别用来测试空气弹簧压力、制动缸压力、主风缸压力和停放制动风缸压力。
主控阀由电气转换部分和输出放大部分组成，电气转换部分包括 5 个电磁阀、控制腔室 X 和气电转换器。 输出放大部分包括控制膜板、控制腔室 Y、控制腔室 A、阀杆和进/排气阀。
称重阀用以根据来自 AS 系统的控制压力信号，控制主控阀控制腔室 X 向控制腔室 Y 的输出。
3.3 空气制动执行装置
南京地铁 1 号线车辆空气制动执行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型式，这两种型式的踏面制动单元在同一转向架上呈对角线安装。 制动时闸瓦压紧车轮，车轮闸瓦间发生摩擦，车辆的动能通过摩擦变成热能，经车轮和闸瓦最终逸散到大气中。
4 电制动与空气制动的协调配合
BCE 用于接收来自牵引/制动控制器的制动指令信号，并接收来自于 AS 的载荷信号、来自于每车轴端部速度传感器的速度信号等， 实现动车与拖车电气制动和空气制动的协调配合， 并在轮对出现滑行时控制消除滑行。
紧急制动时，紧急电磁阀失电，BSR 的压力空气直接经紧急电磁阀到达称重阀，中间不受主控阀的控制，而紧急电磁阀也紧急作为压力空气流经的通路， 不起压力大小的控制作用。 来自于 AS 的压力信号使上、下膜板与滑块分离，排气杆向上顶开进/排气阀，来自紧急电磁阀的压力空气进入输出压力室和控制腔室 Y，直到输出压力室内的压力空气能够与 AS 的作用力相平衡。 此时，控制腔室 Y 内的输出压力比最大常用制动时还要高出 30%～40%，主控阀控制膜板在控制腔室Y 内压力空气作用下带动阀杆下移顶开进/排气阀口，控制 BSR 向控制腔室 A 和制动缸充气，直到制动缸内压力和控制腔室 Y 内压力相等为止，列车产生紧急制动作用。
常用制动时，BCE 根据车辆所有 AS 平均压力信号和制动指令计算出所需的制动力，同时将本车辆载荷信号传送给 FIP 网络系统，拖车的载荷信号通过 FIP 网络送给动车的 BCE 和牵引控制装置（PCE）。 动车的载荷信号也通过 PWM 线传送到相应的 PCE，PCE 经过综合计算， 若制动力能够满足要求， 则空气制动不投入，否则，BCE 发出制动指令，两个制动电磁阀得电，开始对控制腔室 X 充气。 在充气过程中，压力传感器不断地将控制腔室 X 内的压力转换成电信号并反馈给 BCE，BCE 也不断地发出调整指令， 直到控制腔室 X 内的压力与指令值精确一致。 控制腔室 X 内的压力空气经得电的紧急电磁阀与称重阀的进/排气阀相通，在来自 AS的空气压力作用下，称重阀排气杆向上顶开进/排气阀，将控制腔室 X 内的压力空气引入控制腔室 Y； 控制腔室 A 的阀杆在控制膜板作用下， 向下顶开进/排气阀的上口并堵住其排气通路，BSR 向控制腔室 A 和制动缸充气， 直到制动缸内压力和控制腔室 Y 内压力相等为止，施加的空气制动力与 BCE 发出的制动指令一致。
5 滑行的检测与消除
防滑控制单元（WSP）是 BCE 的一部分，在每根车轴的一侧轴箱内装有速度传感器。列车制动时，速度传感器采集速度信号并将其送入 BCE。 WSP 根据接收到的速度信号进行以下两项计算和比较：1）一根车轴的减速度是否超过了设定值；2）所有车轴的速度差是否超过设定值。一旦 WSP 检测到某根车轴减速度过快或某根车轴转速与最大车轴转速之差超过设定值， 即判断为该轴出现滑行，WSP 进行防滑控制。 在实施电制动时，PCE 会通过减小电制动力来防止车轮滑行，同时向 BCE 提供一个 EBD 低电位信号， 防止 BCE 用增加空气制动力来补偿。 在空气制动时， 防滑控制是通过BCE 对安装在转向架上的双防滑阀的通气和排气的控制来实现的。 双防滑阀是两个完全对称的单防滑阀的组合，每个转向架配置一个双防滑阀，控制两个轮对，如图 3 所示。 若 WSP 检测到某一轮对出现滑行，则会控制防滑阀工作在排气工况，排气电磁阀 A 和进气电磁阀 C 均得电，阀板处于右端位置。 从主控阀输出的压力空气经进气口和进气电磁阀 C 作用到膜板进气阀1 的上部，膜板进气阀 1 下移关闭进气口和输出口 1；同时膜板排气阀上侧的压力空气经左侧管道排入大气，膜板排气阀 1 在制动缸压力作用下上移，打开制动缸与大气的通路，使制动缸压力降低，直到滑行消失为止。
6 结束语
制动系统是列车安全运行的保障， 南京地铁 1 号线车辆在运行过程中， 也因为制动系统故障给列车的正常运行带来了一些影响。 随着控制技术的不断发展和长期运行经验的积累， 制动系统的功能将会越来越完善，对制动系统故障的处理经验也会越来越丰富，对保证地铁车辆的安全、正点服务，将会起到良好的促进作用。
参考文献：
[1] 邓志刚 ，王丽艳. 南京地铁 1 号线车辆紧急制动系统浅析[J]. 机车车辆工艺，2009（1）：7-8.
[2] 姜祥禄，蔡永丽. 地铁车辆 EP2002 制动系统防滑保护[J]. 电力机车与城轨车辆，2008（4）：47-49.
[3] 殳企平. 城市轨道交通车辆制动技术[M]. 北京：中国水利水电出版社，2011.
[4] 孟繁东，王学东. 浅析高速动车组制动系统[J]. 科技创新导报，2010（13）：129-130.
京公网安备 11010202007575号