1、第5章 KBGM模擬式電氣指令制動系統(tǒng)上海地鐵DC01型列車采用德國克諾爾(KNORR)制動機公司生產(chǎn)的KBGM模擬式電氣指令制動系統(tǒng)。該系統(tǒng)用一條列車線貫通整列車，形成連續(xù)回路，其電氣指令采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)，能進行無級控制。它的制動方式有三種，即再生制動、電阻制動和空氣(摩擦)制動，分別為第一、第二和第三優(yōu)先制動。當列車開始制動時，首先是動力制動，即再生制動和電阻制動。電阻制動是承擔不能再生的那部分制動電流。如果再生制動失敗，則由電阻制動承擔全部動力制動。再生制動電流加上電阻制動電流等于制動控制要求的總電流。當列車速度降低到10 km/h以下時，動力制動將被全部切除，所有給定的制動力

2、全由空氣制動提供。列車早期編組為6節(jié)，即ABCBCA，其中A為無動力的拖車，B為動車，C為帶制動空氣壓縮機組的動車；后期編組為8節(jié)，即ABCBCBCA。圖5-1是上海地鐵DC01型列車使用的KBGM模擬式電氣指令制動系統(tǒng)，它由供氣單元、制動控制單元(BCU)、微機制動控制系統(tǒng)(MBCU)、防滑系統(tǒng)和單元制動機五個部分組成。5-1 模擬空氣制動及供氣系統(tǒng)5.1 供氣單元供氣單元主要由VV2301802型活塞式空氣壓縮機組A1、單塔空氣干燥器A7和多個風(fēng)缸組成。空氣壓縮機組和空氣干燥器只在C車上安裝，即一個6節(jié)編組列車有2套供氣機組，而一個8節(jié)編組列車則有3套供氣機組。其他每節(jié)車，無論拖車還是動車

3、，都裝有4個風(fēng)缸，即250 L總風(fēng)缸、100 L的空氣懸掛系統(tǒng)(空氣彈簧)風(fēng)缸、50 L制動儲風(fēng)缸和50 L客室風(fēng)動門風(fēng)缸。在每個C車上另外還有一個50I。的用于空氣干燥器的再生風(fēng)缸。由圖5-1可見，空氣壓縮機組A1要為每個車組(ABC或BC)提供足夠的所需的干燥壓力空氣，在供氣過程中由安全閥A6和壓力繼電器(氣一電開關(guān))A13對空氣壓力進行監(jiān)控。安全閥的鎖定值為l 000 kPa；壓力繼電器是空氣壓縮機組電動機的控制元件，它的開啟壓力為700 kPa，切斷壓力為850 kPa。整個供氣系統(tǒng)除了為空氣制動供氣外，還為受電弓升降、客室氣動門、空氣懸掛系統(tǒng)和刮雨器等提供壓縮空氣。單塔空氣干燥器A7

4、輸出的壓力空氣通過單向閥A14和總風(fēng)管到達每輛車的總風(fēng)缸A9、制動儲風(fēng)缸B4、空氣彈簧風(fēng)缸和客室車門風(fēng)缸。司機室駕駛臺上的雙針壓力表B29用白色和紅色指針分別顯示總風(fēng)管壓力和制動缸壓力。在空氣制動系統(tǒng)中，由制動儲風(fēng)缸進入制動控制單元B6的壓力空氣，在微處理機和制動控制單元的控制下，進入各個單元制動機，中間要經(jīng)過數(shù)個截斷塞門B9和排氣(防滑)閥G1等。排氣閥僅受微處理機的防滑系統(tǒng)控制，在制動和緩解過程中，排氣閥僅作為進出制動缸的壓力空氣的通道而已，不產(chǎn)生任何動作。此外，總風(fēng)管還通過截斷塞門B2、減壓閥B12、電磁閥B19及雙向閥B20通向具有彈簧(停車)制動器的單元制動機C3。這條通路是由司機在

5、駕駛室內(nèi)操縱電磁閥B19來控制停放制動的施行或緩解的，而雙向閥B20的另一端與一般的單元制動機C1相連，這主要是為了防止通常制動與停放制動同時施加而造成制動力過大的安全回路。5.2 制動控制單元制動控制單元(BCU)是電控制動的核心，主要由模擬轉(zhuǎn)換閥(EP閥)、緊急閥、稱重閥和中繼閥等組成，如圖5-2所示。這些部件都安裝在一塊鋁合金的氣路板上，如同電子分立元件安裝在一塊印刷線路板上。同時，氣路板上裝置了一些測試接口，如果要測量各個控制壓力和制動缸壓力，只需在氣路板上測試，操作簡便。此氣路板被安裝在車底的箱體里，打開箱蓋便可以進行整機或部件的測試、檢修。5-2 BCU氣路圖5.2.1 模擬轉(zhuǎn)換閥

6、模擬轉(zhuǎn)換閥又稱為電-氣轉(zhuǎn)換閥或EP閥，是由一個電磁進氣閥(類似控導(dǎo)閥)、一個電磁排氣閥和一個氣-電轉(zhuǎn)換器組成，如圖5-3所示。當電磁進氣閥的勵磁線圈接收到微處理機要求提供摩擦制動的電指令時，吸開閥芯，使R口引入的制動儲風(fēng)缸的壓力空氣通過該進氣閥轉(zhuǎn)變成與電指令要求相符的壓力，即預(yù)控制壓力Cv1，并送往緊急閥(通過它的旁路)。與此同時，具有Cv1的壓力空氣也送往氣電轉(zhuǎn)換器和電磁排氣閥。氣-電轉(zhuǎn)換器將壓力信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的電信號，馬上反饋送回微處理器，讓微處理器將此信號與制動指令比較。如果信號大于制動指令，則關(guān)小進氣閥并開啟排氣閥；如果信號小于制動指令，則繼續(xù)開大進氣閥，直到預(yù)控制壓力Cv1與制動電

7、指令的要求相符為止。從模擬轉(zhuǎn)換閥出來的Cv1壓力空氣通過氣路板內(nèi)的氣路進入緊急閥的A2口。5-3 模擬轉(zhuǎn)換閥l-氣電轉(zhuǎn)換器；2-電磁排氣閥；3-電磁進氣閥(圖示線圈處于勵磁狀態(tài))；4-閥座；5-閥；6-彈簧；7-閥體；R-由制動儲風(fēng)缸引入壓力空氣；Cvl-預(yù)控制壓力空氣引出；D-排氣口5.2.2 緊急閥5-4 緊急閥兩種工況Al-通制動儲風(fēng)缸；A2-通模擬轉(zhuǎn)換閥；A3-通稱重閥；A4-控制空氣的通路；O-排氣口緊急閥實際上是一個二位三通電磁閥，它有三個通路：A1與制動儲風(fēng)缸相連接，A2與模擬轉(zhuǎn)換閥輸出口相連接，A3與稱重閥的進口相連接。在緊急制動時，緊急閥不勵磁（如圖5-4(a)所示），滑動閥

8、受彈簧壓力滑向右側(cè)，使制動儲風(fēng)缸與稱重閥直接相通，而切斷模擬轉(zhuǎn)換閥與稱重閥的通路，使壓力空氣直接通過稱重閥作用在單元制動機上。在常用制動時，緊急閥勵磁（如圖54(b)所示），滑動閥受控制空氣壓力滑向左側(cè)，使模擬轉(zhuǎn)換閥與稱重閥相通，而切斷與制動儲風(fēng)缸的通路，這時預(yù)控制壓力Cv1越過模擬轉(zhuǎn)換閥而直接進入稱重閥。當預(yù)控制壓力Cv1經(jīng)過緊急閥時，由于閥的通道阻力使預(yù)控制壓力略有下降，這個從緊急閥輸出的預(yù)控制壓力稱為Cv1。同樣，Cv1壓力空氣通過氣路進人稱重閥。5.2.3 稱重閥5-5 稱重閥1-螺蓋；2-閥體；3-從動活塞；4-K形密封圈；5-膜板；6-活塞；7-調(diào)整螺釘；8-支點滾輪；9-杠桿；1

9、0-調(diào)整螺釘；11-管座；12-彈簧；13-空心桿；14-活塞；15-膜板；16-橡膠夾心閥；17-充氣閥座；18-排氣閥座；19-彈簧；20-調(diào)整螺釘；稱重閥即空重車調(diào)整閥，為杠桿膜板式。稱重閥主要用來限制過大的制動力。由于模擬轉(zhuǎn)換閥輸出的預(yù)控制壓力Cv1受微處理器的控制，而微處理器的制動指令本身又是根據(jù)車輛的負載、車速和制動要求而給出的。因此，在常用制動中稱重閥幾乎不起作用，僅起預(yù)防作用，預(yù)防模擬轉(zhuǎn)換閥控制失靈。而稱重閥主要作用是在緊急制動時，壓力空氣是從制動儲風(fēng)缸直接經(jīng)緊急閥到達稱重閥，中間未受模擬轉(zhuǎn)換閥的控制，而緊急閥也僅僅作為通路的選擇，不起壓力大小的控制作用。因此，在緊急制動時，預(yù)

10、控制壓力只受稱重閥的限制，即為最大的預(yù)控制壓力如圖5-5所示。稱重閥由左側(cè)的負載指令部、右側(cè)的壓力調(diào)整部和下方的杠桿部組成。與車輛負載(車重)成正比的由空氣彈簧所輸出的具有一定壓力的壓力空氣，經(jīng)稱重閥管座的接口T、閥內(nèi)通路沖入活塞和膜板的上腔，在活塞和膜板上形成向下的力，該力通過與活塞連接的作用桿作用在杠桿的左端。杠桿的支點滾輪的位置可通過調(diào)整螺釘進行調(diào)整，從而改變力臂a、b的大小。由于杠桿左端受力，通過杠桿右端及空心桿的上移，使橡膠夾心閥離開其充氣閥座而被頂開，于是，具有預(yù)控制壓力Cv2的壓力空氣經(jīng)開啟的夾心閥閥口充入活塞和膜板的上腔，當作用在活塞和膜板上的向下作用力達到某一值，從而使杠桿處

11、于平衡狀態(tài)時，夾心閥閥口關(guān)閉，活塞和膜板上的空氣壓力為預(yù)控制壓力Cv3并經(jīng)管座的接口及氣路板內(nèi)的通路引向中繼閥，Cv3作為中繼閥動作的控制壓力。5.2.4 中繼閥圖5-6 中繼閥功能示意圖1-閥體；2、3、9 -K形密封圈；4-彈簧；5-空心導(dǎo)向桿；6-活塞；7-閥底座；8-膜板；BP-安裝座；C-接口，通向各個單元制動缸；Cv-來自稱重閥的預(yù)控制壓力(空氣)；D1、D2-節(jié)流孔；O-排氣口；R-接口，通向制動儲風(fēng)缸；Vl、V2-橡膠閥；中繼閥結(jié)構(gòu)如圖5-6所示。從稱重閥經(jīng)節(jié)流孔進人中繼閥的Cv壓力空氣，推動具有膜板的活塞上移，首先關(guān)閉了通向制動缸的排氣閥口(下方的橡膠閥面與排氣閥座緊密貼合)

12、，然后進一步打開吸氣閥(上方的橡膠閥面離開進氣閥座)，使制動儲風(fēng)缸經(jīng)接口R進人中繼閥的壓力空氣通過該開啟的吸氣閥口，經(jīng)接口C充入各單元制動缸，產(chǎn)生制動作用。從上述介紹中可以看出，中繼閥能迅速進行大流量的充、排氣。大流量壓力空氣的壓力變化是隨預(yù)控制壓力Cv的變化而變化的，并且互相問的壓力傳遞比為1：1，即制動缸壓力與Cv相等。因此，我們可以把中繼閥看作是一個氣流放大器，相當于電子電路中的一個電流放大器。當經(jīng)過節(jié)流孔反饋到膜板活塞上腔C的制動缸壓力與膜板活塞下腔的Cv壓力相等時，吸氣閥口關(guān)閉。如果Cv壓力空氣消失，中繼閥活塞在其上方的制動缸壓力空氣作用下向下移動，于是空心導(dǎo)向桿的下橡膠閥面離開排氣

13、閥座，排氣閥口開啟，使各單元制動缸中的壓力空氣經(jīng)開啟的排氣閥口、空心導(dǎo)向桿中空通路及排氣口O排入大氣，列車得到緩解。制動控制單元BCU各部件在氣路板上的安裝位置如圖5-7所示。5-7圖 BCU各部件在氣路板上的安裝位置圖5.2.5 停放脈沖閥停放脈沖閥是先導(dǎo)控制的二位五通閥(R、A、P、B、S)，用于氣電控制回路中，如果電脈沖被觸發(fā)，則控制腔充氣或排氣，或按照順序交替進行。例如，用于單作用風(fēng)缸或雙作用風(fēng)缸(操作彈簧駐車制動，控制門風(fēng)缸等)。其作用原理是：當閥磁鐵1和閥磁鐵2失電時，城軌車輛處在緩解位，即電磁鐵斷電，活塞總是處于一個端部位置(如圖5-8所示，活塞處于左端)。進氣口P和排氣口A形成

14、通路。當閥磁鐵1得電時，控制空氣經(jīng)閥座5到活塞，使活塞移到右端位。當電脈沖終止時，銜鐵同其底座被彈簧壓在閥座5上，流進活塞的控制空氣被切斷，活塞仍留在原處(右端位)。操作氣流A經(jīng)排氣口R排人大氣。當閥磁鐵得電時，壓力空氣驅(qū)動活塞運動到左端位。當斷電情況下，可以手動操作脈沖電磁閥，按下按鈕到停止位，使活塞移到左右兩端中的一端，松開手后，按鈕復(fù)原，活塞停留在原處。圖5-8 脈沖電磁閥1、2-閥用電磁鐵；3、4-閥蓋；5、6-閥座；7、8-手動操作按鈕；9-彈簧；10-K形密封環(huán)；11-活塞；12-底閥；A、B-用氣設(shè)備接口；O-排氣口；P-壓縮空氣接口；R、S-排氣口5.3 微機制動控制系統(tǒng)制動控

15、制系統(tǒng)有一個用于控制電空制動和防止車輪滑行控制的微處理機，常稱為制動微機控制單元(ECU)。它是空氣制動管路控制的核心。制動實施時，它接收各種與制動有關(guān)的信號(如制動指令值PWM信號、電制動實際值信號、載荷信號等)，計算出一個當時所需空氣制動力的制動指令，并將其輸出給BCU。同時ECU還實時監(jiān)控每根軸的轉(zhuǎn)速，一旦任一輪對發(fā)生滑行，能迅速向該輪軸的防閥閥(G01)發(fā)出指令，溝通制動缸與大氣的通路，使制動缸迅速排氣，從而解除該輪對的滑行現(xiàn)象，實現(xiàn)ECU對各輪對滑行的單獨保護控制。此外，制動微處理機控制系統(tǒng)還具有本車的控制系統(tǒng)故障自診斷功能和故障儲存功能。制動微處理機控制系統(tǒng)對每一輛車都是獨立的。E

16、CU的基本功能：實現(xiàn)了與列車制動相關(guān)的各項功能，包括：制動力的計算和分配、保壓制動的觸發(fā)、快速制動指令、制動指令值PWM信號、載荷壓力信號、躍升元件觸發(fā)器、沖擊極限、防滑控制等。5.3.1 電空制動控制信號整個制動裝置的控制采用二級控制，簡述為“電控制空氣，空氣再控制空氣”。即為“電子控制單元”控制“氣路控制單元”，控制空氣再控制執(zhí)行空氣。電空制動控制系統(tǒng)方框圖如5-9所示，圖中輸入信號的功能如下：圖5-9 電空制動控制系統(tǒng)原理圖（1）制動指令：此指令是微機根據(jù)變速制動要求，即司機施行制動的百分比（全常用制動為100）所下達的指令。（2）制動信號：這是制動指令的一個輔助信號，它表示運行的列車即

17、將要制動。（3）負載信號：這個信號來自于空氣彈簧。（4）電制動關(guān)閉信號：此信號為信息信號，它的出現(xiàn)就意味著空氣制動要立即替補即將消失的電制動。（5）緊急制動信號：這是一個安全保護信號，它可以跳過電子制動控制系統(tǒng)，直接驅(qū)動制動控制單元（BCU）中的緊急閥動作，從而實施緊急制動。（6）保持制動（停車制動）：這個信號能防止車輛在停車前的沖動，能使車輛平穩(wěn)地停止。第一階段：當列車車速低于10km/h時，保持制動開始接受摩擦制動力，而電制動逐步消失。在保持制動出現(xiàn)后，電制動的減小延遲0.3s。動車和拖車的摩擦制動力只可達到制動指令的70。第二階段：當車速低于4km/h時，一個小于制動指令的保持制動級開始

18、實施，即瞬時地將制動缸壓力降低。這個保持制動的級取決于制動指令，這個制動級與時間有關(guān)，由停車檢測根據(jù)最初的狀態(tài)來決定。第三階段：由停車檢測和保持制動信號共同產(chǎn)生一個固定的停車制動級，這個固定的制動級經(jīng)過負載的修正且與制動指令無關(guān)。停車制動的制動級只能隨保持制動信號的消除而消除。5.3.2 電空制動控制原理電空制動控制原理當微處理機根據(jù)制動要求而發(fā)出制動指令時，伴隨著也出現(xiàn)制動信號，此信號使開關(guān)線路R1導(dǎo)通，這樣，制動指令就能通過R1和R2到達沖動限制器，以讓其檢測減速度的變化率是否過大。通過沖動限制器后的制動指令立即又到達負載補償器，此補償器實際就是一個負載檢測器。它根據(jù)負載信號儲存器中所儲存

19、的負載大小，檢測制動指令的大小，然后將檢測調(diào)整好的指令送至開關(guān)線路R3。為了防止制動力過大，R3只有當電制動關(guān)閉信號觸發(fā)下才導(dǎo)通，否則是斷開的。通過R3的指令又被送至制動力作用器(這里的制動力還是電信號)，中途還經(jīng)過R4。制動力作用器將指令信號轉(zhuǎn)化為制動力。為了縮短空走時間。作用器的初始階段有一段陡峭的線段，然后再轉(zhuǎn)向較平坦斜線平穩(wěn)的上升，直至達到指令要求。從作用器出來的電信號被送至電氣轉(zhuǎn)換器。這個轉(zhuǎn)換器是將電信號轉(zhuǎn)換成控制電流，再由這個控制電流去控制制動單元BCU中的模擬轉(zhuǎn)換閥，并且接受模擬轉(zhuǎn)換閥返饋回來的電信號，從而進一步調(diào)整控制電流，這就完成了微處理機對BCU的控制。在這過程中，電氣轉(zhuǎn)換

20、器并沒有真正將電信號(弱電)轉(zhuǎn)換成控制空氣壓力，而是控制BCU中的模擬轉(zhuǎn)換閥。當然在列車速度低于4km/h時，制動指令將被保持制動的級(與制動指令相對應(yīng))所替代。當列車需要施行常用全制動(即100制動指令)和緊急制動時，最大常用制動信號或緊急制動信號可觸發(fā)一個旁路或門電路，使它輸出一個高電頻來驅(qū)動開關(guān)電路R4，使制動作用器直接接受負載儲存器的信號，從而大大縮短信號傳輸時間，并使電氣轉(zhuǎn)換器工作。需要補充說明的是：制動作用器初始階段有一段陡峭線段，這是由于躍升元件所導(dǎo)致的。躍升元件是一個非穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它可由電制動關(guān)閉信號、制動信號及制動指令信號中的任意一個信號將其觸發(fā)，使它輸出一個高電頻。同樣，這

21、個高電頻也可使旁路或門電路觸發(fā)輸出一個高電頻，從而使R4動作，導(dǎo)致負載作用器直接接收負載信號，產(chǎn)生了一段陡峭的線段。5.4 空氣制動制動系統(tǒng)作用原理空氣制動系統(tǒng)的主要作用是將來自微處理制動控制系統(tǒng)MBCU(B5G2)的電子模擬信號通過B6制動控制單元中的模擬轉(zhuǎn)換閥轉(zhuǎn)換成一個與其相對應(yīng)的預(yù)控制(空氣)壓力，這個預(yù)控制壓力是呈線性變化的，以后還受到稱重閥和防沖動檢測裝置的檢測和限制，最后使制動缸C1和C3獲得符合制動指令的空氣制動壓力。制動控制單元的工作原理如圖5-10所示。圖5-10 空氣制動的工作原理圖一、常用制動當模擬轉(zhuǎn)換閥的電磁進氣閥的勵磁線圈接收到摩擦制動的電指令時，吸開閥芯，使壓力空氣

22、從制動儲風(fēng)缸接口R進入模擬轉(zhuǎn)換閥，并通過該進氣閥轉(zhuǎn)變成與電指令要求相符的壓力，即預(yù)控制壓力Cv1。由于是常用制動，這時緊急閥處于勵磁工況，滑動閥在左側(cè)，接口A2和A3導(dǎo)通，Cv1經(jīng)緊急閥成為Cv2由接口A3進入稱重閥。稱重閥根據(jù)車輛負載對Cv2再次進行調(diào)整，輸出預(yù)控制壓力Cv3。Cv3進人中繼閥后推動具有膜板的活塞上移，打開進氣閥，使制動儲風(fēng)缸經(jīng)接口R進人中繼閥的壓力空氣通過該開啟的進氣閥口，經(jīng)輸出口C充人各單元制動機的制動缸，產(chǎn)生制動作用。同樣，制動緩解指令也由微處理機發(fā)出，模擬轉(zhuǎn)換閥接到緩解指令后，將其電磁排氣閥打開，使預(yù)控制壓力Cv1通過此閥向大氣排出。Cv2、Cv3壓力空氣也都在緊急閥

23、和稱重閥輸出口消失，中繼閥活塞向下移動，排氣閥口開啟，使各單元制動缸中的壓力空氣經(jīng)開啟的排氣閥口和空心導(dǎo)向桿中空通路及排氣口O排人大氣，列車得到緩解。二、緊急制動緊急制動時，緊急閥處于不勵磁工況，滑動閥在右側(cè)，接口A1和A3導(dǎo)通，從制動儲風(fēng)缸接口R傳來的壓力空氣繞過模擬轉(zhuǎn)換閥直接進人稱重閥。稱重閥根據(jù)車輛負載輸出最大預(yù)控制壓力，進人中繼閥后使制動儲風(fēng)缸的壓力空氣通過該開啟的進氣閥口和輸出口C充入各單元制動機的制動缸，產(chǎn)生緊急制動作用。5.5 防滑控制系統(tǒng)防滑系統(tǒng)是制動控制系統(tǒng)的一部分，牽引微機控制單元DCU(用于電制動)和制動微機控制單元ECU(用于空氣制動)均有獨立的防滑控制系統(tǒng)，在常用制動

24、、快速制動和緊急制動狀態(tài)下，防滑控制系統(tǒng)均處于激活狀態(tài)。下面介紹制動微機控制單元ECU的組成和工作原理，防滑系統(tǒng)由防滑電磁閥(G01)、控制中央處理器(G02)、速度傳感器(G03.1、G03.2)和測速齒輪(G04)等部件組成。如圖5-11所示，在每根車軸上都設(shè)有一個對應(yīng)的防滑電磁閥G01(也稱排放閥)，它們由ECU防滑系統(tǒng)所控制。當某一輪對上的車輪的制動力過大而使車輪滑行時，防滑系統(tǒng)所控制的、與該輪對對應(yīng)的防滑電磁閥G01迅速溝通制動缸與大氣的通路，使制動缸迅速排氣，從而解除了該車輪的滑行現(xiàn)象。該系統(tǒng)通過G03.1、G04、G05始終監(jiān)視著同一輛車上四個輪對的轉(zhuǎn)速，并對應(yīng)著四個對應(yīng)的防滑電磁閥G01。防滑系統(tǒng)有一安全回路，當防滑閥被激活超過一定時間(如5s)時，安全回路起作用，取消防滑控制，并產(chǎn)生一故障信號。防滑系統(tǒng)用于車輪與鋼軌粘著不良時，對制動力進行控制。作用如下：防止車輪即將抱死。避免滑動。最佳地利用粘著，以獲得最短的制動距離。圖5-11 防滑控制原理圖防滑系統(tǒng)控制車輪的線速度。當粘著不良時，列車的速度和車輪的速度之間將產(chǎn)生一個速度差。防滑系統(tǒng)就是應(yīng)用這個量對防滑電磁閥G01進行控制從而達到控制車輛的滑行和