南京地铁1号线制动系统的原理及故障排除.docx

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南京地铁1号线制动系统的原理及故障排除

南京铁道职业技术学院

毕业论文

题目：

南京地铁1号线制动系统的原理及故障处理

作者：

蒋志强学号：

093311223

系：

动力与工程学院

专业：

地铁司机

班级：

0911

指导者：

沈骏

评阅者：

2012年6月

毕业设计（论文）中文摘要

南京地铁1号线制动系统的原理和故障处理

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。

并根据南京地铁一号线列车紧急制动设计原理和电路图分析了南京地铁一号线列车产生紧急制动的各种常见情况，通过车载记录对紧急制动发生原因进行了探讨，并以南京地铁列车正线发生紧急制动故障处理实例进行分析，同时提出了减少紧急制动发生的预防措施。

关键词制动系统地铁车辆特点分析紧急制动车载信号

目次

1　引言1

2　南京地铁1号线制动系统的组成1

3电制动1

3.1作用原理1

4空气制动2

4.1空气供给/处理装置及其作用原理2

4.2摩擦制动控制装置2

4.3防滑系统（WSP）3

4.4辅助设备3

5制动控制4

6发生紧急制动情况分析4

7车载记录紧急制动原因探讨5

7.1来自列车的紧急制动5

7.2超速6

7.3报文传输故障6

7.4未经允许的驾驶室解锁6

7.5ATP在自动折返中收到DTRO为06

7.6紧急停车报文7

7.7一个车门打开时列车未停稳7

结论10

致谢11

参考文献12

1　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。

2　南京地铁1号线制动系统的组成

1．组成：

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。

2．作用：

在网压高于DC1800V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。

3电制动

3.1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。

因此，当直流电压Ud超过一定值时，必须采用能耗制动。

3.3.1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Ud＞1750V，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。

3.3.2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。

3.3.3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Ud＞1750V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Ud＜1650V时，制动斩波器功率管截止，制动电阻无电流流过。

4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。

4.1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8.4~9.5bar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。

4.2摩擦制动控制装置

（1）常用制动

BCEA6.9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BCUA6.6.1。

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BCUA6.6.1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≤3.3bar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≥3.8bar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。

4.3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。

4.4辅助设备

4.4.1四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。

4.4.2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。

5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18km/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（1.3cm/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18km/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。

6发生紧急制动情况分析

南京地铁一号线列车紧急制动采用两级列车线设计，第一级为紧急制动列车环线（见图1），由它驱动两个紧急制动接触器EBK1和EBK2；接触器的触点再去驱动第二级列车线（见图2）———紧急制动激活列车线，再由它经过每辆车去驱动每辆车BCU上的紧急制动电磁阀EBMV。

两级列车线均为失电产生紧急制动，即只要第一级紧急制动列车环线失电，造成紧急制动接触器失电，然后第二级列车线就失电，紧急制动电磁阀随之失电，列车产生紧急制动。

根据列车紧急制动设计原理，列车产生紧急制动的原因主要有以下几点：

1）110V列车控制电压失电。

紧急制动相关的断路器EBCB、EBTLCB、EBVCB断开或者辅助供电系统故障。

2）司机警惕按钮DMS动作。

人工驾驶时，司机需长按住此按钮，一旦司机的手没有有效按住DMS超过规定钟的时间（2s），DMR（警惕按钮继电器）失电，将紧急制动环线最头端的110V供电线断开，造成紧急制动。

3）模式选择的改变。

当列车处于运行状态时，模式选择器从“WM”（洗车模式）转向“RMR”（限速向后模式）必须经过“OFF”位，会触发紧急制动。

4）司机室紧急制动按钮EMPB被按下。

司机按下此按钮，就切断了紧急制动环线，造成紧急制动。

5）总风缸欠压。

在每个TC（拖）车上设一个总风缸压力检测开关LMRG，一旦检测到总风缸的压力低于某一个预先设定的值（7bar）时，压力开关继电器LMRGR失电并切断紧急制动环线，造成紧急制动。

6）列车脱钩。

列车车钩的断裂也将造成紧急制动环线失电，触发紧急制动。

7）其它的任何造成紧急制动环线失电的故障。

如继电器、继电器触点接触不良；线路接点接触不良等。

8）车载信号触发的紧急制动。

紧急制动的触发是ATP的一项重要功能。

当出现一个运行错误时，ATP将启动一个紧急制动给车辆的控制系统。

紧急制动是故障安全输出，当检测到任何输出干扰，ATP车载单元会安全切断，在下列情况出现时，ATP车载单元实施紧急制动：

a.违反速度曲线（司机、ATO驾驶超速）；

b.违反车辆的最大速度；

c.位于站台的紧急制动按钮被按下；

d.报文传输故障，运行超过10m和5s没有收到报文；

e.启动了错误方向，或车辆后退；

f.列车运行时，打开车门；

g.ATP车载设备全面的故障。

具体产生过程如下：

如图1所示，EBATP是串入车辆紧急制动环线之中，即车辆供给的110V电压经ATP车载单元的K6、K7继电器接点后，返回到车辆的紧急制动接触器EBK1、EBK2。

如果ATP没有启动紧急制动，继电器K6、K7接点闭合，ATP车载单元输入车辆的是110V电压，紧急制动列车线环线形成闭环，车辆不会实施紧急制动。

反之，当ATP启动紧急制动，继电器K6、K7接点断电，紧急制动列车线环线断开，使得车辆的EBK1、EBK2失电产生紧急制动。

7车载记录紧急制动原因探讨

车载ATP具有紧急制动事件记录功能。

通过车载ATP记录的紧急制动事件，结合车辆EVR卡记录的紧急制动数据，可以帮助我们分析运营过程中紧急制动发生的原因，以辨别因操作不当或设备作用不良而触发的紧急制动。

7.1来自列车的紧急制动

如图3所示，ATP车载单元通过4块DES4板（安全性计算机的数字输入板）周期性地读取X113-325、X113-319、X113-320和X113-318、X113-321、X112-113

等6点的电压来确认车辆紧急制动状态。

车辆分两路输入紧急制动信号：

一路110V→ATCCB1→EBR→车载信号分线盘X113-325；另一路110V→ATCCB2→EBR→车

载信号分线盘X113-318。

当输入ATP车载单元的电压是110V时，为非紧急制动状态；当输入ATP车载单元的电压是0V时，为紧急制动状态。

由于车载ATP设备采用故障导向安全设计，当检测到6个回读点中有一个点的电压为0V时，ATP车载单元就认为车辆触发了紧急制动，ATP车载单元随即触发紧急制动；同时，ATP车载单元将记录一条紧急制动信息：

来自列车的紧急制动。

在列车处于停稳的状态，车辆实施了紧急制动，ATP车载单元不会触发紧急制动，也不会记录故障信息。

根据ATP车载单元回读紧急制动过程，分析紧急制动信息产生的原因主要如下：

1）车辆方面的原因：

上述发生紧急制动情况分析中所列的前七项之一；两条紧急制动回读线路中有虚接或断路处所；EBR继电器触指接触不良。

2）信号方面的原因：

F2、F3保险作用不良；4块DES4模块中有一块（或以上）作用不良；ATO驾驶时ATO设备故障，当ATO设备出现故障时,旁路DMS的AMR（自动模式继电器）失电，相当于司机手动驾驶时松开了警惕按钮，造成EBK1、EBK2失电产生紧急制动。

由于来自列车的紧急制动产生的原因很多，处理故障的关键点首先要区分是车辆的原因还是车载信号的原因，可以通过测量信号分线盘X113-325和X113-318两点的电压有无来区分；对时有时无的故障，也可以通过甩线和重新接入电源的方式来判断，然后有针对性地进行分析查找，确定故障点。

7.2超速

1）SM模式超速：

在列车运行中，由于司机控制列车速度超出ATP保护速度4km/h以上，ATP触发紧急制动；雨天轨道潮湿，司机制动时制动力过大，造成防滑系统保护，产生超速。

2）ATO模式超速：

雨天轨道潮湿，ATO制动时制动力过大，造成防滑系统保护，产生超速；AMBDR继电器作用不良；TASTE模块作用不良，没有发出制动指令造成超速紧急制动。

3）AR模式超速：

在折返过程中，因某种原因（如司机未能按照规定时间、速度进折返轨）造成折返时间超过2min，地面停车点前移触发紧急制动。

4）RM模式超速：

司机控制不当，速度超过29km/h，ATP触发紧急制动。

5）车辆原因：

没有制动指令发出或BDR制动施加继电器作用不良，造成列车没有制动力而引发超速紧急制动。

7.3报文传输故障

1）由于轨旁设备原因，ATP天线接收不到报文。

2）ATP天线作用不良、连接线虚接；车载ATP通道中ALF702（滤波放大板）、DAISI（解调板）模块作用不良。

7.4未经允许的驾驶室解锁

这种情况的紧急制动一般是由于在执行自动换端或折返操作过程中，车载信号还没有完成折返的情况下司机打开钥匙。

7.5ATP在自动折返中收到DTRO为0

这种情况的紧急制动一般发生在鼓楼（有存车线车站）上行站台。

如果此时列车进存车线，司机若确认AR按钮，那么，在进存车线的过程中就会因此而产生紧急制动。

正确的操作是列车进入存车线后司机确认AR按钮。

7.6紧急停车报文

站务人员发现危及行车或人身安全的紧急事件时，按下站台上的紧急停车按钮。

7.7一个车门打开时列车未停稳

ATP车载单元通过4块DES4模块周期性地检测门关好信号。

当检测到24V时，表示车门在关好状态，反之，车门在打开状态。

列车在运行中车载ATP单元如果没有检测到车门关好信号，在速度低于5km/h的情况下，车载ATP会触发紧急制动。

1）信号方面的原因：

模块作用不良，没有检测到车门已关好信号。

2）车辆方面的原因：

门关好继电器DIR作用不良；门关好列车线有断路处所，造成DIR不得电。

3）司机在执行自动换端或折返操作过程中，未按进路要求操作或在车载信号还没有完成折返的情况下打开主控钥匙。

南京地铁运营初期曾有多列车发生快停车时产生紧急制动，车载读取紧急制动信息为：

车门打开时列车未停稳，司机反馈的信息为：

列车在运行中出现门关好指示灯时亮时灭，司机显示单元DDU上显示司机室逃生门图标有时显黄。

列车回库后对逃生门进行检查，发现逃生门限位开关作用不良，并要求供货商及时进行整改，消除了安全隐患，此类故障已明显减少。

8减少紧急制动发生的预防措施

通过上述分析，我们可以看出列车产生紧急制动的原因很多，为减少紧急制动的发生，我们可以有针对性地采取以下预防措施。

1）下雨天，由于车载设备没有检测车辆防滑的装置，无法对轨道的状况进行判断，ATO驾驶易超速产生紧急制动，因此下雨天或在轨面潮湿的轨道应采用手动驾驶。

2）进一步提高司机的操纵水平，尽可能防止人为超速和不当操作而产生的紧急制动。

如下雨天手动驾驶进地面站前，司机应提前采取小减压的制动措施，避免因车辆防滑启动而造成紧急制动；手动驾驶列车运行过程中，司机要时刻有效按住DMS直至列车停稳；手动驾驶列车运行过程中，司机应加强对列车实际速度和ATP保护速度值的观察，等等。

3）进一步细化交接车手续。

在交车时对发生紧急制动前后司机的操作及列车的不正常现象须做详尽描述，以便维修人员分析紧急制动的原因，查找故障点。

4）车辆及车载检修部门对下载的紧急制动数据，应结合列车运行情况逐条认真分析，找出原因，涉及设备功能缺陷的应督促供货商整改。

5）车辆及车载检修部门在日常检修作业中应加强对系统和部件指示灯显示的状态进行检查，确保系统和部件的工作可靠性，尽可能减少因系统和部件作用不良而造成的紧急制动。

我们相信通过维修人员和司机的共同努力，列车非正常的紧急制动将会得到有效的控制，列车安全、正点运营将得到保障，地铁服务品质将得到进一步提升。

图1第一级列车线———紧急制动列车环线

图2第二级列车线———紧急制动激活列车线

图3ATP车载单元数字静态输入图

结论

我认为南京地铁1号线车辆制动系统的设计开发和应用是非常成功的。

相信不久将会有更多先进的地铁车辆面世，对未来地铁车辆制动技术的发展起到一些有益的作用。

致谢

这次毕业论文能够得以顺利完成，并非我一人之功劳，是所有指导过我的老师，帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。

我要在这里对他们表示深深的谢意！

参考文献

1、《列车制动系统》（程迪编著）郑州大学出版社1998年；

2、《城市轨道交通车辆制动技术》（殳企平主编）中国铁道出版2007年；

3、张和平.南京地铁车辆制动系统特点分析[J].机车电传动，2005（5）