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1、城市轨道交通车辆防滑原理和防滑控制,许建林,项目描述,现今城市轨道交通车辆正朝着安全性、高速性、环保性和舒适性的方向发展。其高速性也在不断促进单轴牵引功率和制动功率的不断提高。动力制动的实施等强力制动装置的采用，带来了因制动力过大而导致列车制动滑行的倾向。列车制动滑行会产生普遍的轮轨发热、轮轨表面擦伤等现象，严重时还会使线路失稳，产生所谓的胀轨等事故。因此有效地防止列车制动的滑行极为重要。,项目教学目标,掌握制动过程中车轮的防滑原理和防滑控制；学会学习方法和养成自主学习能力、搜集资料的方法和加工资料的能力；具有求知欲、乐于探索的精神，具有一定的分析能力，善于总结经验和创新；具有工作责任感，能进
2、行自我批评的检查；具有良好的心理素质和协作精神。,目 录,任务一：车辆防滑控制系统,任务二：防滑控制,任务三：防滑系统的基本要求,项目实施,【知识准备】制动系统 如图所示。,任务一：车辆防滑控制系统,电气指令单元（司机控制器/ATO）,电子制动控制单元（EBCU/BCE/MBCU）,空气制动控制单元（BCU）,供气系统,防滑装置,基础制动装置,动力制动,牵引控制系统（DCU）,【知识准备】轮对滑行即黏着失去的根本原因是制动力大于所能实现的黏着力。而恢复黏着的有效手段就是降低制动力，以满足制动力小于所能实现的黏着力。黏着一旦被破坏，单靠轮轨系统本身是不可能恢复的，需要借助外部机构才能使黏着恢复。
3、电子防滑控制装置就是帮助轮轨间恢复黏着的外部装置之一。防滑控制装置的基本原理就是当检测到因外界因素或制动力过大引起黏着系数下降时，就立即实施控制，尽快使黏着恢复。这种恢复应尽量接近当时条件所允许的最佳黏着，即黏着恢复必须充分提高黏着利用率。,任务一：车辆防滑控制系统,【知识准备】防滑系统是制动控制系统的一部分，它可独立工作，在每根车轴上都设有一个对应的排气阀G1，它们由防滑系统所控制。当某一轮对上的车轮的制动力过大而使车轮滑行时，防滑系统所控制的、与该轮对应的排气阀G1迅速连通制动缸与大气的通路，使制动缸迅速排气，从而解除了该轮的滑行现象。当滑行消失时，微处理器得到消失后的速度信号后，重新发出
4、指令，恢复该车轮的制动力。防滑系统通过车轮测速装置始终监视着同一车辆上4个轮对的转速，并控制着4个对应的排气阀G1。,任务一：车辆防滑控制系统,任务一：熟悉空气制动系统组成,活动一：防滑系统,1.防滑系统作用防滑系统用于车轮与钢轨粘着不良时，对制动力进行控制。它的作用是：防止轮子即将抱死。避免滑行。最佳地利用粘着，以获得最短的制动距离。,任务一：熟悉空气制动系统组成,活动一：防滑系统,2.防滑系统组成典型的防滑控制系统主要由控制单元、速度传感器、机械部件和防滑电磁阀组成。其中控制单元是防滑控制系统的核心部分，如图所示。,任务一：车辆防滑控制系统,活动二：速度传感器,用于检测列车速度和轮对速度的
5、装置称为速度传感器，也称为速度信号发生器。它安装在轮对上，其结构如图所示。速度传感器由测速齿轮和速度传感器探头以及电缆线所组成。测速齿轮与速度传感器探头之间有一个空隙，永磁式的传感器会在间隙中感应磁力线。当车轮旋转时，齿顶、齿根交替切割磁力线，从而在永磁式的传感器中产生一个频率正比于运行速度的电脉冲信号。这个电脉冲信号就是送入微处理器的速度信号。,任务一：车辆防滑控制系统,活动三：防滑电磁阀,防滑电磁阀（以下简称防滑阀）是轨道车辆中电子防滑系统的主要组成部分。它是防滑控制回路中的执行机构。防滑阀由电子开关装置控制，借助防滑阀，制动气缸压力C能够逐级降低或者再次升高到由控制阀设定的数值D。目前地
6、铁车辆使用的电磁阀主要有GVl2A、GVl2A-1A、GVl2-18、GVl2-2、GVl2-ESRA等。,任务一：车辆防滑控制系统,活动三：防滑电磁阀,1结构防滑阀主要由一个带有两个换向膜板的通道板、一个双阀用电磁铁、两个将阀用电磁铁与通道板连接在一起的侧板和一个阀门支架组成。通道板上有两个阀座（VD和VC）。每个阀座都能够通过PD膜板打开或关闭。PD膜板可以接通或者断开从D室C室（到制动气缸）的连接。PC膜板可以使C室和O（空气）相连。双阀用电磁铁由两个二位三通换向阀（VM1和VM2）组成。其线圈在一个共用的塑料外壳里。用于电气连接的触销被浇铸在外壳上。,通道板,双阀电磁阀,侧板,侧板,阀
7、门支架,电气连接触销,任务一：车辆防滑控制系统,活动三：防滑电磁阀,1结构,任务一：车辆防滑控制系统,活动三：防滑电磁阀,2（气）通路防滑阀D室与控制阀或压力转换器进行气动连接；C室与其控制的制动气缸连接。电磁阀在未励磁状态下，两个电枢通过电枢弹簧的弹力将外面的阀口密封；内部的阀口被打开，如图所示。两个侧板中包括膜板控制室SD和SC以及通向双阀用电磁铁的输入管路。阀门拧在阀门支架上。支架上有D和C管路的两个连接螺纹口。阀门从支架上拆下后，喷嘴dD和dC便很容易接近（并非所有的型号都配备喷嘴）。与防滑电子装置的电气连接采用三芯线。在防滑阀上设置了一个三极插头分离点。芯线和芯线是用来对排气和进气的
8、两个阀用电磁铁进行控制，芯线工是共用回路。,任务一：车辆防滑控制系统,活动二：防滑电磁阀,3作用原理（1）无防滑系统的制动和缓解（阀用电磁铁VM1和VM2不励磁）缓解状态缓解状态下如图所示，阀门处于无压状态。PD膜板通过锥形弹簧保留在阀座VD上。,通路：（1）D电磁铁VM1内部阀口控制室SC。（2）控制室SD 电磁铁VM2内部阀口O。,任务一：车辆防滑控制系统,活动二：防滑电磁阀,3作用原理（1）无防滑系统的制动和缓解（阀用电磁铁VM1和VM2不励磁）制动制动状态下如图所示，D管路内的压力作用于PD膜板，由于控制室SD仍然没有压力，膜板顶着锥形弹簧压向右侧末端，阀座VD开启。D管路内的压力通过
9、开启的VM1内部阀口控制室SC。D管路内的压力（与阀口 C的面积有关）作为一种闭合力作用于PC膜板，阀座VC被关闭，D与C管路间的通道开通。车辆可以无阻碍地进行制动。,任务一：车辆防滑控制系统,活动二：防滑电磁阀,3作用原理（1）无防滑系统的制动和缓解（阀用电磁铁VM1和VM2不励磁）制动后缓解在制动解除时阀门仍保持上述制动状态中所述位置，即D与C之间的通道保持开通状态。D管路内压力排出时，C管路内压力VD阀座（开启）D管路，随着D管路内压力不断降低。当锥形弹簧的弹力超过了D管路内压力（与膜板的有效面积有关），PD膜板关闭。,任务一：车辆防滑控制系统,活动二：防滑电磁阀,3功能说明（2）通过防
10、滑系统缓解（阀用电磁铁VM1和VM2励磁）D管路内的压力通过VM2控制室SD，使PD隔膜上压力平衡，锥形弹簧将隔膜压到阀座VD上。D管路内通C管路的压力被遮断。控制室SC通过VM1外部阀口O，控制室SC排气。C管路内的压力将PC隔膜压向左面。阀座VC打开；C压力通过VC 0，制动缸缓解。,任务一：车辆防滑控制系统,活动二：防滑电磁阀,3功能说明（3）通过防滑系统再次制动（阀用电磁铁VM1和VM2不励磁）控制室SD排气，SC进气。作用参见（1）无防滑系统的制动和缓解（阀用电磁铁VM1和VM2不励磁）制动内容所述。,任务一：车辆防滑控制系统,活动二：防滑电磁阀,3功能说明（4）通过防滑系统保持压力
11、恒定阀用电磁铁VM1不励磁，VM2励磁。给两个控制室（SD、SC）加载D管路内的压力。如图所示，隔板将阀座VD和VC关闭。C管路内压力与D管路内和O的通道都关闭。通过有效操作阀用电磁铁的控制不仅可以在排气阶段也可以在进气阶段产生恒压等级。因此，可以根据防滑系统调节逻辑的要求，快速（无级地）或慢速（一级一级地）增压或降压。进气或排气的压力梯度（无级）是由喷嘴dD和dC决定的。喷嘴的大小取决于需控制的C管路容积（并非所有型号都配有喷嘴）。,任务一：车辆防滑控制系统,活动三：防滑电磁阀,4防滑电磁阀在车辆上的安装将防滑阀固定在车身上时须使排气口方向向下。为了保持尽可能低的无效时间和气流损失，须注意要
12、使通向受控的制动气缸的输入管路要短而且不能被节流。防滑阀（除GVl2A外）在阀门支架上有一个C管路压力的测量接口。这个测量接口在车辆投入使用之前必须密闭起来。具体的安装尺寸和技术数据请参见相关的安装图纸。,任务二：防滑控制,【知识准备】列车防滑控制的逻辑框图,防滑控制系统在判断滑行时，使用了多种判据。这些判据主要有速度差、减速度、减速度微分和滑移率等。其中速度差和减速度使用最为普遍。无论采用哪一种判断依据，都把防滑和充分利用黏着作为主要目的，有时两种防滑系统采用相同的判据，但效果却不同，这主要是由于判据参数的选取以及对制动力的控制的过程不同造成的。防滑控制的关键是：首先要正确判断滑行即将开始的
13、时刻。判断提前，会使制动力损失过大，无法充分利用轮轨间的黏着，使制动距离延长；判断错后，就会产生滑行，造成踏面擦伤，起不到防滑作用。,任务二：防滑控制,【知识准备】综上所述，根据轮轨间极限摩擦力水平，滑行控制的主要出发点是：在合理控制滑移率量值的基础上，充分利用和挖掘列车的黏着潜力，通过控制制动力使车轮滑移率保持在一定范围内，完全能在防止滑行的基础上，充分利用黏着，防止制动距离延长过大。,任务二：防滑控制,活动一：速度差判据控制,速度差是根据某一根轴的速度与列车运行速度的差值。防滑时可针对速度差制定滑行检测标准。速度差控制就是当一辆车的四条轮对中的一条轮对发生滑行时，该轮对轴的速度必然低于其他
14、没有滑行的轮对车轴的速度，将该轴速度与各轴速度进行比较并判定滑行轴的速度与参考轴的速度的差值，当比较差值大于滑行判定标准时，该车的防滑装置动作，降低所控制的该轴制动缸压力，此时该轴的减速度逐渐减小；当比较差值达到某个预定值时，防滑装置将使制动缸保压，让车轴速度逐渐恢复；当其速度差值小于滑行判定标准时，防滑装置将使制动缸压力恢复。,任务二：防滑控制,活动一：速度差判据控制,能否精确地测定轮对间的速度差值是系统能否正常工作的关键。在检测轮径速度差时，必须考虑此轮径差异的因素，并对轮径差异设置校正功能。我国列车运行允许的轮径差同一车辆为10 mm，同一转向架为7 mm。实践表明，轮对在连续滑行时，采
15、用速度差判据控制，它需要把各根车轴联系在一起。同时，由于它往往受速度范围的制约且对于车轮磨耗造成的轮对圆周尺寸的误差特别敏感，因此速度差标准的制定和设计是个复杂的问题。,任务二：防滑控制,活动二：减速度判据控制,减速度判据进行控制就是当减速度值大于预定值时，防滑装置降低它所控制的制动缸压力；当减速度值逐渐减小，恢复到预定值时，防滑装置将使制动缸保压；当减速度值进一步恢复，小于预定值时，防滑装置将使制动缸压力逐渐恢复。当车轮速度发生突变时，减速度值也相应增大。减速度的标准是相对独立的，被检测的轴与其他轴无关。由于具有这个特点，所以绝大多数防滑控制系统（无论是机械离心式防滑器或电子防滑器）都采用此
16、标准作为判据。减速度判据值的确定对黏着利用也十分重要，部分防滑控制系统一般在减速度达到34 km/s2时降低制动缸压力，而且作为定值，不受速度变化的影响。,任务二：防滑控制,活动三：减速度微分判据控制,使用减速度判据不足之处：由于防滑机械部分动作的延迟使制动缸的压力变化作用滞后。当减速度达到判据标准时，防滑装置动作，但需经过延迟时间后制动缸压力才开始变化，而这段延迟时间内减速度的变化快慢会不同，即减速度的微分不同。结果是有可能造成减速度变化快的，防滑作用不良，而减速度变化慢的，黏着利用不良。,任务二：防滑控制,活动三：减速度微分判据控制,减速度微分控制，是解决问题的一个可行方案。减速度微分控制
17、的判据是,式中 开始检测计算时的减速度值；d/dt对减速度微分；t延时时间。假定判据达到了滑行的判定值，则防滑系统动作，经过延时时间后，无论减速度变化快还是慢，制动缸压力开始变化的减速度都是相同的。控制制动缸压力开始变化时的减速度，可以充分利用黏着和良好的防滑作用。但这种判断方式对防滑系统的要求较高，控制单元要求要有较高的运算速度。,任务二：防滑控制,活动四：滑移率判据控制,滑移率是某一轴的速度与参考速度之差值和参考速度的比值。滑移率与黏着的利用密切相关，控制滑移率可以达到充分利用黏着的目的。采用滑移率作为判据时，认为某一条轴的滑移率达到某一定值时就会发生滑行，防滑系统就会对该轴的制动缸压力进
18、行控制，其控制过程与以上几种基本相同。日本针对滑移率进行了专门试验，试验中把滑移率维持在10以下。当滑移率低于5时，瞬时黏着系数变化很小；当滑移率超过5时，黏着系数趋于下降。这表明，如果制动缸压力能被准确地控制，即车轮的滑移率能维持在确定水平，黏着就能得到有效利用，相应的也可防止滑行的产生。在日本883系摆式车组（最大速度为130 km/h）的制动试验中，使用常规防滑器，制动距离延长15；而采用滑移率控制的防滑系统仅延长3以内。,任务三：防滑系统的基本要求,活动五：恒转差率控制模式,（一）灵敏度高灵敏度也受滑行标准、滑行检测速等诸多因素的影响。速度较高时，黏着系数较低，容易发生滑行，而且在很短
19、的时间内滑行距离较长，危害是相当严重的。因此防滑控制系统应该具有高灵敏度。一旦某根车轴发生了滑行，要迅速被检测出来，不但要采用多种标准，而且关键问题在于这些标准的具体设置。标准定得高，使检测灵敏、动作快，可以使滑行很快地被制止。但是标准定得过高，会使滑行控制的稳定性能变差，以至一些微小的滑行也使防滑控制系统动作，从而延长了制动距离，危及运行安全；滑行标准若定得过低，会使滑行性能不安全，同时会使检测滞后时间延长。因此，制定防滑标准是一个复杂的技术工作，要充分考虑到防滑装置的结构及线路、使用的速度范围以及车轮的磨耗等诸多因素。,任务三：防滑系统的基本要求,活动五：恒转差率控制模式,（二）防滑特性良
20、好所谓防滑控制系统的防滑特性，就是当防滑控制系统检测到车轮发生滑行之后，通过逻辑线路和机械装置，立即切断动力制动并且使摩擦制动的制动缸快速缓解；而当车轮停止滑行并恢复再黏着以后，制动缸又重新充气的整个过程的特性。它取决于检测系统、机械部件的灵敏性，主要决定于防滑控制采用的控制方法及算法。防滑特性好，将会取得良好的防滑效果，使制动距离延长较短等。通常一个具有良好防滑特性的防滑系统可以保证：制动效率高、防滑反复动作次数少、制动距离适当延长、节约压力空气等特性。,任务三：防滑系统的基本要求,活动六：电制动滑行保护,电制动具有独立的滑行保护功能。由于四台电机是并联连接的，因此当DCU/M检测出任意一根
21、轴发生滑行时，DCU/M只能对四台电机进行同步控制，同时降低或切除四台电机的电制动力。如果这还不能纠正车轮滑行，气制动防滑系统将控制滑行和制动直到静止。,项目学习拓展,拓展训练,【知识拓展】活动：防滑系统检修,防滑系统的检修主要是定期检查气路有无泄漏，并对防滑电磁阀进行检修。其检修内容如下：1防滑电磁阀分解(1)除了标准工具之外还需要用到一个微调转矩扳手(5N.m)。(2)有些部件在拆下后或在每次检修时，原则上都应以新的部件来替换。这些需替换部件应该在分拆设备时挑出另放。(3)按照规定的步骤拆卸该阀。,拓展训练,【知识拓展】活动：防滑系统检修,防滑系统的检修主要是定期检查气路有无泄漏，并对防滑
22、电磁阀进行检修。其检修内容如下：2清洁(1)用化学清洁剂在个7080的热清洁池中清洗所有金属部件（不包括橡胶金属复合件），接着用压缩空气吹干。在清洗铝合金部件时，化学清洁剂腐蚀率必须符合有关技术规定。(2)必须注意清洗剂生产厂家给出的使用说明。(3)在温肥皂水中清洗阀用电磁铁的电枢、排气阀和阀门支架，并立即用清水冲洗，然后用压缩空气吹干。,拓展训练,【知识拓展】活动：防滑系统检修,防滑系统的检修主要是定期检查气路有无泄漏，并对防滑电磁阀进行检修。其检修内容如下：2清洁(4)用一块干布清洁阀用电磁铁的线圈架。(5)用石油醚（即清洁用去污轻汽油）清洁滤网。(6)防滑阀外表面上的腐蚀产物和程度严重的
23、脏污可用一把金属软刷去除。(7)原则上检修时必须更换的部件不需要清洗。检修时所有橡胶部件和隔膜都需更换，所以无需清洗。,拓展训练,【知识拓展】活动：防滑系统检修,防滑系统的检修主要是定期检查气路有无泄漏，并对防滑电磁阀进行检修。其检修内容如下：3检查(1)应对已清洁的部件认真地进行一次目检。如果查出部件有裂纹、变形、腐蚀或螺纹变形等影响部件继续使用的损伤，则应予以更换。(2)有些部件除必须进行目检以外，还需要其他附加的检查或再加工工作，必须符合规定的尺寸和表面粗糙度的要求，否则应更换相应的部件。外壳及阀座：外壳及阀座上的轻度划痕可通过二次抛光去除。必须达到表面粗糙度要求，否则应更换。,拓展训练
24、,【知识拓展】活动：防滑系统检修,防滑系统的检修主要是定期检查气路有无泄漏，并对防滑电磁阀进行检修。其检修内容如下：3检查阀用电磁铁：检查金属密封面和电枢的橡皮阀座是否有损伤，如果有损伤或橡胶凹下、隆起0.3mm以上，则须更换阀用电磁铁；检查线圈盒是否有损伤或裂缝，并检查接地连接情况；检查电枢套筒的内阀座以及电枢座孔的状态是否完好，电枢套筒在线圈盒中必须能轴向灵活转动，外壳上的孔与电枢套筒的直径之间的游隙必须至少为0.2mm。压缩弹簧：弹簧长度及弹力必须符合相关的技术规定，否则应更换压缩弹簧。(3)对于带喷嘴的防滑阀，还要检查喷嘴是否损坏。必要时更换喷嘴。(4)如果铭牌已模糊不清，请予以更换。
25、更换铭牌时要使用新的带槽铆钉。,拓展训练,【知识拓展】活动：防滑系统检修,防滑系统的检修主要是定期检查气路有无泄漏，并对防滑电磁阀进行检修。其检修内容如下：4组装(1)组装按照与分拆相反的顺序进行。组装必须按有关规范进行。(2)待用的阀用电磁铁必须已经过检修及检验合格备用。(3)安装阀用电磁铁时必须根据电接触销的位置将其正确放置。电枢的衔铁弹簧不允许装错。(4)组装之前应给所有密封环、O形环、压缩弹簧以及各个滑动面和导向面涂上少量润滑脂（阀用电磁铁的电枢及隔膜安装时应当没有油脂）。(5)组装防滑阀时应按照规定的拧紧力矩拧紧螺纹联接件。,拓展训练,【知识拓展】活动：防滑系统检修,防滑系统的检修主
26、要是定期检查气路有无泄漏，并对防滑电磁阀进行检修。其检修内容如下：5检验防滑阀的检验应按照相关的检验说明来进行。在通过检验的防滑阀上贴上一个不易脱落的检验标志。,任务一：熟悉空气制动系统组成,活动一：防滑系统工作原理,防滑系统控制车轮的线速度。当粘着不良时，车轮的速度必定会不同于车辆其他车轮的速度。防滑系统就是应用这个量对防滑排气阀G1进行控制从而达到控制车轮的滑行和减速度。具体的控制原理如下：防滑系统检测车辆每一根车轴的速度后形成一个参考速度来代替车辆的真实速度。利用速度传感器测得的车轮速度和减速度与某个规定的标准值进行比较，并与排放阀的实际指令形成一个筛选矩阵。滑动标准值V1，Vn与某一个相关的参考速度有关，车轮轮径变动的范围内提供一个滑动区域带，而选择的减速度是确定的，当轮子在粘着不良的区域内防滑系统要能有效地减小制动力，在这种情况下筛选矩阵可产生一个相对于排放阀的某一个实际指令（电磁阀励磁排气的指令），这样就使相应轴的制动力减小，轴速度上升（图2.127）。当轴速度经过一段时间上升到矩阵的另一个开启元素（包含另一个实际指令）时，电磁阀失电，则制动力将会增加。当选择的矩阵元素刚好在参考速度以下的波谷时，则滑动最小。,
