動車制動

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1緒論 當(dāng)前 測控專業(yè)實驗設(shè)備老化和短缺的問題已經(jīng)非常突出 很多實驗的設(shè) 置 尤其是一些重要的專業(yè)主修課程和專業(yè)特色課程的實驗 如動車組傳動與控制 動 車組牽引與控制等 未能將基本理論和公式用形象的實驗來描述 既沒有滿足素 質(zhì)教育的要求 也沒有體現(xiàn)研究型大學(xué)的教學(xué)特色 特別是無鐵路特色 直接原 因是實驗設(shè)備的不足 另外 3 1專業(yè)已經(jīng)開始培養(yǎng)學(xué)生 鐵路機車車輛專業(yè)已經(jīng) 招生 馬上面臨專業(yè)實驗 實驗建設(shè)已經(jīng)迫在眉睫 因此動車組網(wǎng)絡(luò)控制平臺的 建設(shè)是非常必要的 動車組網(wǎng)絡(luò)控制平臺以CRH2型動車組為參考 構(gòu)建基于列車總線 WTB 和 車輛總線 MVB 的網(wǎng)絡(luò)平臺 能夠?qū)崿F(xiàn)時速200公里動車組的基本網(wǎng)絡(luò)控制功能 包括牽引控制 制動控制 車門控制 駕駛臺控制等 如圖 1 1 所示 圖卜 1 動車組網(wǎng)絡(luò)控制平臺總體結(jié)構(gòu)圖 Fig 1 1 Structural Diagram ofEMU Network Control Platform 通過該實驗平臺可以實現(xiàn)基于總線的網(wǎng)絡(luò)控制實驗 也可以實現(xiàn)單獨的各子 系統(tǒng)的功能實驗 能夠達到使學(xué)生了解動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理 理 解牽引控制 制動控制 車門控制以及駕駛臺控制等子系統(tǒng)的工作原理 掌握控 制系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù) 最終實現(xiàn)能夠應(yīng)用的目的 本論文主要闡述動車組網(wǎng)絡(luò)控制平臺中制動實驗系統(tǒng)的組成和控制方法 1 動車組制動技術(shù) 制動裝置是保證列車安全運行所必需的裝置 因此高速動車組對制動技術(shù)提 出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn) 動車組的動能與速度的平方成正比 而在一定的制動距離條件 下 列車的制動功率是速度的三次函數(shù) 因此 傳統(tǒng)的空氣制動能力遠遠不能滿 足需要 動車組常采用再生制動與空氣制動的復(fù)合制動模式 制動控制系統(tǒng)包括 再生制動控制系統(tǒng)和空氣制動控制系統(tǒng) 此外還有電子防滑器及基礎(chǔ)制動裝置等 制動系統(tǒng)工作原理如圖 1 2 所示 相對動力集中式列車而言 動力分散列車的控制系統(tǒng)具有許多優(yōu)點 動力集 中式列車動力制動往往集中在機車上 而拖車往往只采用摩擦制動 而動力分散 列車的動力制動分散在列車的多輛 可能全部 車上 因而能更充分地利用再生制 動 電阻制動等動力制動的制動能力 這就大大減少了摩擦制動摩擦副的磨損 提高了列車運行的經(jīng)濟性 同時大大減少了制動時的噪聲 29 動車組制動系統(tǒng)需要具備的條件是 1 盡可能縮短制動距離以保障列車安全 2 保證高速制動時車輪不滑行 3 司機操縱制動系統(tǒng)靈活可靠 能適應(yīng)列車自動控制的要求 2 制動系統(tǒng)綜述 動車組運行速度高 給列車的制動能力 運行平穩(wěn)性等方面提出一系列挑戰(zhàn) 因此 高速動車組必須裝備高效率和高安全性的制動系統(tǒng) 為列車正常運行提供 調(diào)速和停車制動的手段 并在意外故障或其它必要情況下具有盡可能短的制動距 離 此外 高速運行的動車組對制動系統(tǒng)的可靠性和制動時的舒適度也提出了更 高的要求 所以 動車組制動系統(tǒng)的性能和組成與普通旅客列車完全不同 它是一個能 提供強大制動力并能更好利用粘著的復(fù)合制動系統(tǒng) 包含多個子系統(tǒng) 主要由電 制動系統(tǒng) 空氣制動系統(tǒng) 防滑裝置 制動控制系統(tǒng)等組成 制動時采用電空制 動聯(lián)合作用的方式 且以電制動為主 2 1 動車組制動方式的分類 2 1 1 按制動用途分類 動車組制動作用按用途可分為如下四大類 1 常用制動 常用制動是正常條件下為調(diào)節(jié) 控制列車速度或進站停車施行的制動 其特 點是作用比較緩和 且制動力可以調(diào)節(jié) 通常只用列車制動能力的20 80 多 數(shù)情況下只用50 左右 2 非常制動 非常制動是緊急情況下為使列車盡快停住而施行的制動 其特點是把列車制 動能力全部用上 且動作迅猛 制動力為最大常用制動力的1 4 1 5倍 非常制 動有時也稱快速制動 3 緊急制動 緊急制動也是在緊急情況下采取的制動方式 特點與非常制動類似 它與非 常制動的區(qū)別在于 非常制動一般為電 空聯(lián)合制動 也可以是空氣制動 而緊 急制動只有空氣制動作用 4 輔助制動 輔助制動又包括備用制動 救援 回送制動 停放制動和停車制動等 2 1 2 按能量轉(zhuǎn)移方式分類 從能量的觀點來看 制動的實質(zhì)就是將列車動能轉(zhuǎn)變成別的能量或轉(zhuǎn)移走 根據(jù)列車動能消耗的方式不同 制動方式可分為摩擦制動和動力制動 摩擦制動是指通過機械摩擦來消耗列車動能的制動方式 其優(yōu)點是制動力與 列車速度無關(guān) 無論列車是在高速還是低速時都有制動能力 特別是在低速時能 對列車施行制動直至停車 可以說摩擦制動始終是列車最基本的制動方式 摩擦制動的缺點是 制動力有限 這是受熱能散發(fā)的限制而直接影響制動功 率增大的緣故 摩擦制動包括閘瓦制動 盤形制動和磁軌制動等 1 閘瓦制動 閘瓦制動也稱踏面制動 是自有鐵路以來使用最廣泛的一種制動方式 它用 鑄鐵或其他材料制成的瓦狀制動塊 閘瓦 緊壓滾動著的車輪踏面 通過閘瓦與車輪 踏面的機械摩擦將列車的動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮芎纳⒂诖髿?并產(chǎn)生制動力 如圖2一l所 示 閘瓦作用于車輪的法向壓力 K 引起閘瓦作用于車輪 的切向滑動摩擦力K 仇 仇為閘瓦與車輪間的滑動摩 擦系數(shù)1 由于車輪緊壓在鋼軌上 故閘瓦摩擦力對輪心 的逆時針方向的力矩K 仇 R在輪軌接觸點又引起鋼軌 反作用于車輪的切向靜摩擦力B R為車輪滾動圓的半 徑 此力即由制動裝置引起的與列車運行方向相反的外 力一制動力 在輪軌間保持靜摩擦和忽略車輪回轉(zhuǎn)慣性 的條件下 制動力在數(shù)值上可以認(rèn)為就等于閘瓦摩擦力 如式2 1所示 當(dāng)制動力超過粘著力時 輪軌接觸點將發(fā)生相對滑動 制動力將變成滑動摩 擦力 由于滑動摩擦系數(shù)比粘著系數(shù)小得多 故制動力將突然迅速減小 在強大 的閘瓦摩擦力矩作用下 車輪轉(zhuǎn)速將顯著降低 直至停止轉(zhuǎn)動 但列車速度并未 同時顯著降低 已停止轉(zhuǎn)動的車輪在鋼軌上滑行 使車輪踏面發(fā)生局部擦傷 當(dāng) 閘瓦壓力一定時 制動力的大小取決于閘瓦摩擦系數(shù) 閘瓦摩擦系數(shù)與閘瓦的材 質(zhì) 列車運行速度 閘瓦壓強和制動初速有關(guān) 2 盤形制動 盤形制動 摩擦式圓盤制動 是在車軸或車輪輻板側(cè)面安裝制動盤 用制動夾鉗 使兩個閘片緊壓制動盤側(cè)面 通過摩擦產(chǎn)生制動力 將列車動能轉(zhuǎn)變成熱能 消 散于大氣 如圖 2 2 所示 與閘瓦制動相比 盤形制動有下列主要優(yōu) 點 大大減輕車輪踏面的熱負(fù)荷和機械 磨耗 可按制動要求選擇最佳 摩擦副 盤 形制動的制動盤可以設(shè)計成帶散熱筋的 它旋 轉(zhuǎn)時具有半強迫通風(fēng)作用 以改善散熱性能 為采用摩擦性能較好的合成材料閘瓦提供了 有利條件 與閘瓦制動相比 它更適宜于高速 列車 制動平穩(wěn) 幾乎沒有噪聲 高速列車的空氣制動系統(tǒng)普遍采用盤形1 制動方式取代踏面制動 后者即使 被使用也4 緩解彈簧 僅僅是作為踏面清掃裝置的作用 眾所周知 杠桿拉桿 盤形制動具有較好的摩擦性能和更大的制動能力 后者不僅取決于盤形制動的制動 盤數(shù) 也取決于其散熱性能和耐磨性 這 些性能需要通過設(shè)計合理的制動盤結(jié)構(gòu)形式和制動閘片材料才能取得 盤形制動 的制動力公式如式 2 2 式中 K 為閘片壓力 伊為閘片摩擦系數(shù) 為閘片作用半徑 R為車輪 滾 動圓 半徑 國內(nèi)目前自行開發(fā)的制動盤主要是高強度和抗熱裂性能良好的 鍛鋼盤 對200km h以上高速車輛使用的閘片材料也正在研究開發(fā)之 中 盤形制動的不足之處是車輪踏面沒有閘瓦的摩刮 輪軌粘著將 惡化 因此還要考慮加裝踏面清掃器 或采用以盤形制動為主 盤形 加閘瓦的混合制動方式 否則即使安裝有防滑器 制動距離也比閘瓦 制動要長 3 磁軌制動 磁軌制動也稱摩擦式電磁軌道制動或磁軌摩擦制動 磁軌制動是在轉(zhuǎn) 向架的兩個側(cè)架下面 在同側(cè)的兩個車輪之問各安置一個制動用的電 磁鐵 制動時將它放下并利用電磁力緊壓鋼軌 通過電磁鐵上的磨耗 板與鋼軌之間的滑動摩擦產(chǎn)生制動力 并把列車動能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?消 散于大氣 動力制動是指利用某種能量轉(zhuǎn)換裝置 將運行中列車的動 能轉(zhuǎn)換為其他形式的能量 并予以消耗的制動方式 動力制動的基本 原理是使?fàn)恳姍C作為發(fā)電機工作而產(chǎn)生制動力 所產(chǎn)生的電能可以 在制動電阻上轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮馨l(fā)散 電阻制動 或反饋至供電網(wǎng) 再生制動 在高速列車中的應(yīng)用以后者為多 其特點是制動力與列車速度有很大 關(guān)系 列車速度越高 制動力越大 隨著列車速度的降低 制動力也 隨之下降 動力制動包括電阻制動 再生制動 電磁渦流軌道制動 以及電磁渦流轉(zhuǎn)子制動等 1 電阻制動 電阻制動廣泛用于電力機車 電動車組和電傳動內(nèi)燃機車 它是在制動時將 原來驅(qū)動輪對的自勵牽引電動機改變?yōu)樗麆畎l(fā)電機 由輪對帶動發(fā)電 并將電流 通往專門設(shè)置的電阻器 采用強迫通風(fēng) 使電阻器產(chǎn)生的熱量消散于大氣而產(chǎn)生 制動作用 2 再生制動 與電阻制動相似 再生制動也是將牽引發(fā)動機變?yōu)榘l(fā)電機 不同的是 它將 電能反饋回電網(wǎng) 使本來由電能變成的列車動能再生為電能 而不是變成熱能消 散掉 3 旋轉(zhuǎn)渦流制動 旋轉(zhuǎn)渦流制動是在牽引電動機軸上裝有金屬盤 制動時金屬盤在電磁鐵形成 的磁場中旋轉(zhuǎn) 盤的表面感應(yīng)出渦流 產(chǎn)生電磁吸力 并消散于大氣 從而產(chǎn)生 制動作用 此種制動方式廣泛應(yīng)用于日本新干線100系 300系和700系動車組的 拖車上 4 軌道渦流制動 軌道渦流制動又稱線性電磁渦流制動 它與上述磁軌制動很相似 也是把電 磁鐵懸掛在轉(zhuǎn)向架側(cè)架下面同側(cè)的兩個車輪之間 不同的是 軌道渦流制動的電 磁鐵在制動時只是放下到離軌面幾毫米處 而不與鋼軌接觸 它是利用電磁鐵和 鋼軌的相對運動使鋼軌感應(yīng)出渦流 產(chǎn)生電磁吸力作為制動力 并把列車的動能 變?yōu)闊崮芟⒂诖髿?2 1 3 按制動力形成方式分類 從作用力的觀點來看 制動就是讓制動裝置產(chǎn)生與列車運行方向相反的外力 使列車產(chǎn)生較大的減速度 盡快減速或停車 根據(jù)制動力的形成方式 制動方式 又可分為粘著制動和非粘著制動 12 車輪在鋼軌上滾動時 輪軌接觸處既非靜止 也非滑動 在鐵路術(shù)語中用 粘 著 來說明這種狀態(tài) 粘著制動是指依靠粘著滾動的車輪與鋼軌粘著點之間的粘 著力來實現(xiàn)列車制動的方式 粘著制動包括閘瓦制動 盤形制動 電阻制動 再 生制動及電磁渦流轉(zhuǎn)子制動等 以閘瓦制動為例 車輪 閘瓦和鋼軌三者之間有 三種可供分析的狀態(tài) 第一種是難以實現(xiàn)的理想的純滾動狀態(tài) 第二種是應(yīng)極力 避免的 滑行 狀態(tài) 第三種是實際運用中的 粘著 狀態(tài) 根據(jù)輪軌間的靜摩 擦系數(shù) 粘著系數(shù) 動摩擦系數(shù)的關(guān)系 在上述三種情況中 可能實現(xiàn)的制動力的 最大值以純滾動狀態(tài)時為最大 但實際上這是達不到的 滑行 狀態(tài)最小 這不 但會延長制動距離 而且會擦傷車輪 粘著 狀態(tài)介于兩者之間 它隨氣候與速 度等條件的不同可以有相當(dāng)大的變化 1 粘著系數(shù)及其影響因素 如上所述 粘著制動是指依靠粘著滾動的車輪與鋼軌粘著點之間的粘著力來 實現(xiàn)列車制動的方式 根據(jù)剛體平面運動學(xué)的分析 沿鋼軌自由滾動的車輪 具 有不斷變化的瞬時轉(zhuǎn)動中心 車輪與鋼軌的各個接觸點在兩者接觸的瞬間是沒有 相對運動的 輪軌間的切向作用力就是物理學(xué)上說的靜摩擦力 其最大值是一個 與運動狀態(tài)無關(guān)的常量 它等于輪軌間的法向作用力 與靜摩擦系數(shù)的乘積 但 這是一種難以實現(xiàn)的理想狀態(tài) 實際情況是 車輪與鋼軌在很高的壓力作用下都有少許變形 輪軌間并非點接 觸 而是橢圓形面接觸 車輪在鋼軌上滾動的同時 必然伴隨著微量的輪軌間的縱 向和橫向滑動 所以輪軌之間接觸面不是純粹的靜摩擦狀態(tài) 輪軌之間的最大切向 力實際上比物理學(xué)上的靜摩擦力要小 并隨列車速度的升高而降低 因此 在鐵路 牽引和制動理論中 把 靜中有微動 的狀態(tài)稱為 粘著狀態(tài) 在分析輪軌問切向 作用力的問題時 不用靜摩擦這個名詞 而以 粘著 一詞來代替它 相應(yīng)地 把 粘著狀態(tài)下輪軌間切向摩擦力的最大值稱為 粘著力 把它與輪軌間垂直載荷之比 稱為 粘著系數(shù) 粘著系數(shù)的影響因素主要有兩個 一個是車輪和鋼軌的表面狀況 另一個是列車運行速度 表 2 1 所示軌面狀況對粘著系數(shù)的影響 表 2 1 軌面狀況對粘著系數(shù)的影響 Table2 1 Efrect of Rail Surface Condition on Adhesion Coe cient 輪軌間表面狀態(tài)包括 干濕情況 臟污程度 是否有銹 是否撒砂以及砂的 數(shù)量和品質(zhì)等等 輪軌的濕度 臟污程度又與天氣 環(huán)境污染狀況和制動裝置 的 形式等因素有關(guān) 輪軌干燥而清潔時粘著系數(shù)較大 在輪軌剛剛潮濕 或有霜 雪 油污時 粘著系數(shù)明顯減小 列車運行速度對粘著系數(shù)的影響主要是 隨著制 動 過程中列車速度的降低 沖擊振動以及伴隨而來的縱向和橫向的少量的滑動都 逐 漸減弱 因而粘著力和粘著系數(shù)也逐漸增大 其增大程度與列車動力性能 軌 道 的情況等有關(guān) 高速列車和普通列車均采用粘著制動方式 其最大制動力和制動距離都受到 輪軌制動粘著系數(shù)的限制 不同的是 普通列車在制動過程中遠未達到粘著限 制 對粘著系數(shù)的充分利用是高速列車的新問題 也是動車組制動模式曲線的依據(jù) 世界各國的制動利用粘著系數(shù)不盡相同 如圖 2 3 及表 2 2 所示 粘著制動通過輪軌間的粘著作用產(chǎn)生制動力 且制動力的最大值受粘著力 的 限制 一旦輪軌間的作用超過了輪軌粘著的限制 就會打滑 而非粘著制動方 式 則無需通過粘著產(chǎn)生制動力 其制動力的大小自然也就不受其限制 在各國高速動車組所采用的方 式當(dāng)中 除磁軌制動和軌道渦流制動外 其它 方式一般來說都屬于粘著制動