（光学工程专业论文）重载列车ecp制动系统方案设计及仿真研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第f 页 摘要 对铁路货运而言，重载运输是铁路运输扩能增效的有效措施，也是缓解经 济发展给铁路运输压力的重要途径。伴随着铁路货车载重量的增加，编组越来 越长、轴重也越来越大，车辆制动、缓解等操纵上的问题更加突出，因此，提 高货物列车的制动性能，特别是重载列车的制动性能就显得尤为关键。传统空 气制动系统由于其固有局限性，制动性能的提高有限，需要寻求一种能突破传 统空气制动局限性的制动系统。在这种时代背景下，电控空气制动系统应运而 生。 本文选择重载列车电控空气制动系统为研究对象。通过参考国外e c p ( e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dp n e u m a t i c ) 制动系统结构特点的基础上设计了适合 中国铁路重载列车的有线重叠式e c p 制动系统。然后利用a m e s i m 软件对e c p 制动系统进行建模及仿真分析。 制动系统的核心是制动力的控制，因此，对重载列车e c p 制动系统进行系 统研究时，主要集中研究了车辆控制单元和备用制动部分。其中车辆控制单元 包括：制动力分配、制动指令的定义、制动缸压力的控制。备用制动部分采用 传统的1 2 0 型制动机进行制动控制。 在a m e s i m 软件中建立e c p 制动系统的车辆控制装置的制动缸压力控制 模型、隔离模块模型、电空执行模块模型、备用制动模型以及单车和编组列车 制动系统模型，并对单车和编组列车制动系统模型进行仿真。在制动缸压力控 制模型中，通过车辆制动率、车辆载重和基础制动装置的参数进行制动缸目标 压力的确定，突破了传统空气制动系统中制动力的分配方式。单车制动系统的 。仿真结果表明：有线重叠式e c p 制动系统在e c p 模式下简化了列车操纵，司 机可以根据列车运行要求任意调节制动力，列车在意外情况下( 制动管漏泄) ， 制动管压力小于3 0 0 k p a 时，隔离模块中低压切入阀动作，利用备用制动系统施 行意外空气紧急制动。编组列车制动系统的仿真结果表明：该系统在e c p 模式 下各车辆能同步制动，可有效地降低列车之间的纵向力。对装有该制动系统的 1 5 0 辆编组列车进行紧急制动距离的计算结果表明：与备用( 传统空气) 制动 模式相比，e c p 模式的制动距离缩短了2 4 5 。因此，e c p 制动系统具有传统 空气制动系统无法实现的性能，是提高重载列车制动系统性能的一种较好方式。 关键词le c p 制动系统；a m e s i m ：仿真；重载列车 西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 一a i l _ _ l l i _ l _ i _ l l _ _ _ _ _ _ _ - _ _ l _ i _ _ _ l _ _ _ _ _ i l _ _ _ _ _ l l a b s tr a c t f o rr a i l w a yf r e i g h t ，t h eh e a v yh a u lt r a n s p o r t a t i o ni se f f i c i e n c ym e a s u r et h a t c a ne x p a n da n di n c r e a s er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n ，b u ta l s oa ni m p o r t a n tw a yt h a t a l l e v i a t et h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n tt ot h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o np r e s s u r e a l o n g w i t hi n c r e a s i n gl o a di nr a i l w a yw a g o n ，g r o u p i n gm o r ea n dm o r e ，a l s og r o w i n g m o r eo fa x l el o a d ，t h ep r o b l e mo nt h em a n i p u l a t i o na b o u tv e h i c l eb r a k eo re a s e b e c o m em o r ep r o m i n e n t ，t h e r e f o r e ，i m p r o v et h eb r a k i n gp e r f o r m a n c eo ft h ef r e i g h t t r a i n s ，e s p e c i a l l yt h eh e a v yh a u lt r a i n 。sb r a k i n gp e r f o r m a n c ei sp a r t i c u l a r l yc r i t i c a l c o n v e n t i o n a lp n e u m a t i cb r a k es y s t e md u et oi t si n h e r e n tl i m i t a t i o n s ，i m p r o v i n g b r a k i n gp e r f o r m a n c ei sl i m i t e d ，n e e dt os e e kab r a k es y a t e mc a nb r e a k t h r o u g ht h e l i m i t a t i o n so fc o n v e n t i o n a lp n e u m a t i cb r a k es y s t e m i nt h i s b a c k g r o u n d ，t h e e l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dp n e u m a t i cb r a k es y s t e mc a m ei n t ob e i n g t h i sp a p e rc h o s et h ee l e c t r o n i c a l l yc o n t r o l l e dp n e u m a t i c ( e c p ) b r a k es y s t e m o nh e a v yh a u lt r a i n s f o rs t u d y b yr e f e r e n c et o f o r e i g ne c pb r a k es y s t e m s s t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e nd e s i g naw i r e do v e r l a pe c pb r a k i n gs y s t e mf o r c h i n ar a i l w a yf r e i g h tt r a i n a n dt h e nu s ea m e s i ms o f t w a r et om o d e l i n ga n d s i m u l a t i o na n a l y s i so fe c pb r a k es y s t e m t h ec o r eo ft h eb r a k es y s t e mi st h ec o n t r o lo ft h eb r a k i n gf o r c e ，s ow h e ns t u d y o nh e a v yh a u lt r a i ne c pb r a k es y s t e m ，m a i n l yf o c u s eo nt h ev e h i c l ec o n t r o lu n i t a n ds t a n d b yp n e u m a t i cb r a k es y s t e m t h ev e h i c l ec o n t r o lu n i ti n c l u d e s ：b r a k e f o r c e d i s t r i b u t i o n ，b r a k ed i r e c t i v ed e f i n i t i o n ，b r a k ec y l i n d e rp r e s s u r e c o n t r 0 1 s t a n d - b yp n e u m a t i cb r a k es y s t e mi sm a k i n gu s eo ft r a d i t i o n a l12 0 - t y p eb r a k ev a l v e t oc o n t r 0 1 m o d e l i n gt h ee c pb r a k es y s t e mi na m e s i ms o f t w a r e ，t h ee c pb r a k es y s t e m i n c l u d e s ：b r a k e c y l i n d e rp r e s s u r e c o n t r o l m o d e l ，t h e i s o l a t i o nm o d u l e m o d e l ，i m p l e m e n t a t i o no ft h ee l e c t r o - p n e u m a t i cm o d u l em o d e l ，s t a n d b yp n e u m a t i c b r a k em o d e la sw e l la sm o t o r c y c l e sa n db l o c kt r a i n sb r a k es y s t e mm o d e l ，t h e n m o t o r c y c l e sa n db l o c kt r a i n sb r a k es y s t e mm o d e la r es i m u l a t e d i n t h eb r a k e c y l i n d e rp r e s s u r ec o n t r o lm o d e l ，t h o u g hv e h i c l eb r a k i n gr a t e ，v e h i c l el o a da n dt h e p a r a m e t e r so ft h ef o u n d a t i o nb r a k ed e v i c et od e f i n eb r a k ec y l i n d e rt a r g e tp r e s s u r e a n db r o k e t h r o u g h t h ec o n v e n t i o n a l p n e u m a t i c b r a k e s y s t e m s b r a k ef o r c e d i s t r i b u t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fm o t o r c y c l e sb r a k es y s t e ms h o wt h a t ：i nt h e e c pm o d ew i r e do v e r l a pe c pb r a k i n gs y s t e ms i m p l i f i e st r a i n sc o n t r o l ，t h ed r i v e r c a n a d j u s tt h eb r a k i n gf o r c ea c c o r d i n gt or e q u i r e m e n t so fa n yt r a i no p e r a t i o n ，w h e n t r a i ni na c c i d e n tc a s e ( b r a k ep i p el e a k a g e ) ，t h eb r a k ep i p ep r e s s u r ei sl e s st h a n 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 3 0 0 k p a ，t h el o wp r e s s u r ec u tv a l v ei ni s o l a t i o nm o d u l et a k ea na c t i o n ，t h e na p p l y e m e r g e n c yb r a k i n g t h es i m u l a t i o nr e s u l t so fb l o c kt r a i n sb r a k es y s t e ms h o wt h a t ： i ne c pm o d e ，t h ev e h i c l ec a nb es y n c h r o n i z e db r a k i n g t h er e s u l t so ft h e15 0b l o c k t r a i n se q u i p p e dw i t ht h eb r a k i n gs y s t e mf o re m e r g e n c yb r a k i n gd i s t a n c es h o wt h a t ： c o m p a r e dw i t ht h es t a n d b y ( t r a d i t i o n a lp n e u m a t i c ) b r a k em o d e ，t h eb r a k i n g d i s t a n c eo ft h ee c pm o d ei sr e d u c e db y2 4 5 t h e r e f o r e t h ee c pb r a k es y s t e m h a st h ep e r f o r m a n c et h a tc a nn o tb ea c h i e v e db yc o n v e n t i o n a lp n e u m a t i cb r a k e s y s t e m ，i sab e t t e rw a yt oi m p r o v et h eh e a v yh a u lt r a i n sb r a k i n gp e r f o r m a n c e k e yw o rdsle c pb r a k es y s t e m ：a m e s i m ：s i m u l a t i o n ：h e a v yh a u lt r a i n 。西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 论文的选题背景 第1 章绪论 随着经济的飞速发展，我国铁路货运量激增，为满足我国铁路货运的要求， 除了对既有线进行提速以外，还大力发展重载货物列车。重载货物列车的发展 可以有效地提高运输能力，同时也能有效地减轻经济发展给铁路运输带来的压 力。自2 0 世纪7 0 年代以来，各国越来越重视对重载列车的发展，特别是在一 些资源丰富、地域辽阔、煤炭、矿石等大宗货物运输量大的国家，重载列车得 到更快速的发展。 由于铁路货车载重量的增加、列车编组越来越长、轴重越来越大，在车辆 制动、缓解等操纵上非常困难，因此发展重载列车必须首先解决的问题就是车 辆的制动问题。 在蒸汽机车时代，列车的制动是依靠“人力 来施行的，制动指令依靠司 机鸣笛来与车辆上的制动员进行传递，期间声音的传递，制动员的反应等都给 制动的及时性与制动力的一致性带来很大影响。尤其在长大坡道上，“人力 制 动难以控制车辆速度，不能保证行车的安全。l8 6 9 年，美国的乔治韦斯汀豪 斯从空气钻岩机受到启发，研究出了适合铁道车辆使用的直通制动机【l 】。该项 发明是列车制动方式的革命，从此车辆制动由“人力 控制转入到“机力 控 制，但该型制动机的缺点是：当列车分离时失去了作用，不能自动停车。因此， l8 7 2 年，乔治韦斯汀豪斯发明了自动制动机，设计出了第一个三通阀，它是 典型的二压力控制的自动制动机，通过列车管和副风缸之间的压力差来控制三 通阀的动作，对车辆产生制动和缓解作用。随着列车编组辆数的增加，为了减 小车辆间的冲动以避免车钩断裂，通过不断改进的三通阀结构，空气制动、缓 解波速都不断提高，但过高的制动、缓解波速又会影响制动机的稳定性，为了 防止列车出现意外紧急制动，制动波速的提高必须考虑灵敏性与稳定性方面的 要求。目前，我国的l2 0 型制动机，美国的a b d x 型制动机等的制动波速已经 较高，稳定性也很好，基本上能保证万吨重载列车开行的安全，但从对万吨列 车的试验研究情况看1 2 】，重载列车车辆间的冲动和纵向力还是比较大，限制了 车辆轴重和车辆编组辆数的增加。究其原因，不论三通阀的结构改进得多么优 良，都不可避免地受到制动指令传递所用介质一压力空气的限制，因为压力空 气的传播速度不可能超过声速3 4 0 m s 的限制。因此，利用传统空气制动即压 力空气既要提供制动力又要传递制动指令的方式已不能解决重载列车制动的问 题。 为此，世界上重载运输发达的国家已研制出新的制动方式，即以“电 为 制动指令的传输介质来改善列车前后车辆制动、缓解的一致性以减小冲动。该 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 种制动方式就是电控空气制动( e c p ) ，取得了非常成功的经验，并在多国投入 实际运营中。我国货物列车电控空气制动的研究还处于初级阶段，在0 3 年前后 对国外研究e c p 的公司和运用e c p 的公司进行了考察。 长期以来，列车制动性能的好坏都是通过定置试验和线路试验来完成的， 进行线路试验时要占用现有运营线路，耗时费力，而且得出的结果数据离散性 较大。计算机仿真技术的发展，为科研工作人员提供了一个很好的平台。利用 计算机仿真技术不仅能够进行二般气动元件和复杂结构内气体流动的数值仿 真，还能进行列车制动系统的数值计算仿真。计算机仿真技术与实物试验相比， 能极大地减少试验工作量和试验工作的盲目性，因此，仿真技术在现在工程中 得到广泛运用。 1 2 我国重载列车制动技术发展概况 3 - 1 o 】 对铁路货运来说，安全运输是最重要的，由于安全因素制约了列车提速和 重载的发展，而安全的保证来源于制动装置性能的优劣。改革开放以后，随着 经济的快速增长，铁路货运量的加大，促使我国铁路货车制动技术的快速发展。 尤其是为了满足货运快速，重载的需求，货车制动系统运用了大量的新技术、 新材料，并取得了显著的成效。 1 2 1 早期的制动系统 从2 0 世纪5 0 年代开始，我国就着手发展长大货物列车，那时车辆的载重 普遍为3 0t 和4 0 t ，并在l9 5 3 年推行过满载超轴5 0 0 k m 的运动，在该运动中列 车使用蒸汽机车牵引，车辆使用的是k i 和k 2 型三通阀。运动中暴露出许多问 题，其中比较突出问题就是列车的制动问题，为攻克这一问题，铁科院前身大 连铁道研究所在l2 0 辆货车制动试验台上进行了充气、制动、缓解性能试验。 其结果表明：列车编组l2 0 辆，机车采用e t 6 型制动机，车辆采用k 1 型三通 阀，制动时出现的主要问题是尾部车辆在列车施行小减压量时不发生制动作用， 这是由于k 1 型三通阀的制动波速较低，常用制动时只有8 5 m s ，紧急制动时也 只有18 0 m s 。在5 0 年代后期，制动专家在k 型三通阀的基础上，增添了紧急 三阶段上升性能，装备了简单的空重车调整装置，还在降压气室上增设安全阀， 以便和1 4 英寸制动缸匹配，即g k 型三通阀。于19 5 9 年开始逐步在新造货车 上推广。 1 2 2 电空制动机的研究与试验 我国货车电空制动机的研制早在1 9 5 8 年时就呈现出欣欣向荣之势，当时不 仅铁科院在对电空制动机进行研制和试验，各个路局也进行了大量的研究与试 验。根据技术条件的要求，经过讨论、分析，借鉴国内外经验，设计出了铁路 货车用的单线式电空制动机方案。图l - l 是货车单线式电窄制动机原理图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 犬 欠 犬 图1 1 货车单线电空制动机原理图 电空制动机相较于传统制动机的优点是具有阶段缓解作用，在制动过程中 列车管始终向副风缸中补充压力空气。 19 6 0 年，铁道部安排在郑州铁路局进行6 0 辆装有单线电空制动机车辆的 试验，在郑州车站进行定置试验，在孟庙至平顶山的线路之间进行运行试验， 下坡道试验在兰州铁路局的乌稍岭2 0 的坡道上进行。 表1 1 是列车编组6 0 辆【3 】，列车管定压6 0 0 k p a ，测得的电空制动机和空气 制动机常用制动的数据，从数据可看出，电空制动机具有明显的优越性，缩短 了制动、缓解的时间，制动缸压力较大，前后车辆的制动较一致，能使列车平 稳的停车，减小列车纵向冲击力。 ， 表1 1 电空制动机试验结果 制动时间s制动缸压力k p a缓解时间s 测量位置 编组数量 电空空气电空空气电空空气 6 0 辆 l 2 53 0 4 0 03 6 01 82 5 6 02 55 94 2 03 4 0l81 9 表1 2 是l9 6 0 年6 月8 日在兰州铁路局乌稍岭2 0 o 下坡道区段上对使用 电空制动机的编组列车进行试验时测得的数据【3 1 。从试验结果可知，电空制动 机在下坡道上运用时优越性更加明显，由于电空制动机具有连续补风的功能， 列车管、工作风缸和副风缸在短暂降压后很快升至定压，因此编组列车使用电 空制动机对下坡道上车辆运行速度的提高有很大帮助。 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第4 页 表1 2 电空制动机在坡道上运行试验数据 区间距离技术速度k m h 。1 运行时分r a i n 运行区间 公里规定速度实际速度规定时分 实际时分 乌稍岭一青河 7 62 6 8 51 3l78 5 5 ” 青河一天祝 5 62 1 64 9 8l5 6 f 2 9 ” 天祝一沙沟 7 62 6 84 9 6l7 9 1 3 ” 沙沟一龙沟 7 72 7 24 2 9l71 0 4 8 ， 龙沟一柳家台 7 12 6 64 9 2l6 8 3 9 “ 柳家台一十八里 5 o2 0 03 8 3l5 7 5 2 “ 电空制动机的主要缺点就是推广难，要使全国的货物列车都装上电空制动 机，需要相当长的时间，这主要和当时的历史、经济条件有关。因此电空制动 机除非是安装在货运专列上，否则要想在货物列车上大面积推广使用都具有一 定的难度。 1 2 3 空气制动机的改进 由于在货物列车上推广使用电空制动机有很大难度，而货车制动问题又直 接影响货物运输及行车安全，在电空制动机的基础上，于l9 6 1 年推出了10 3 型空气分配阀，将常用、紧急分开设置，加装中继阀并设置空重位。其制动缓 解波速大大提高，基本能满足5 0 辆以上货车编组的需要。10 3 型空气分配阀采 用的是间接作用方式，由于增添了工作风缸进行间接控制，其优点是可以和不 同直径的制动缸进行搭配，但缺点是通常副风缸的容积都较大，这就延长了初 充气时间，尤其是长大列车，充风的问题更加严重。改革开放后，由于经济的 快速发展使铁路货运量激增，为了扩大铁路运能可以采用开行重载列车 ( 6 0 0 0 10 0 0 0 吨) 的方法，但是l0 3 阀已经不能满足开行重载列车的要求。于 是铁道部在l9 8 9 年开始进行了制动、缓解性能更加优良的直接作用方式制动阀 的研制，即现在的12 0 阀。12 0 阀在l0 3 阀结构的基础上增加了先导阀，加速 缓解阀和加速缓解风缸；先导阀的作用是提高紧急制动时的波速，加速缓解阀 的作用是在列车缓解时利用加速缓解风缸中的压力空气向列车管逆流来提高缓 解波速，达到列车加速缓解的目的。由于l2 0 阀的综合性能指标在2 0 世纪8 0 年代时处于国际先进水平，于l9 9 3 年得以在全国推广，目前l2 0 阀是我国货车 主型制动机。 1 2 4 空气同步制动的研究与试验 目前，制动波速较高的制动机有美国的a b d w 、a b d x ，我国的l2 0 阀以 及俄罗斯的n g4 8 3 型分配阀。其中美国的a b d w 型制动机的制动波速已能达 2 9 0 m s 。但是当列车编组数量超过l2 0 辆时，甚至列车编组达到l5 0 辆或2 0 0 辆时，由于列车长度加长，而制动波速又受约束，造成前后车辆制动开始的时 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 间差变大。其结果是直接导致车辆间的纵向冲击力也变大，容易造成车辆损坏 或断钩事故，影响行车安全。 空气同步制动方案采用的是将两列或多列编组的列车联挂在一起，第二列 和第三列的机车上都装有空气同步制动装置，由本务机车进行制动操纵，其原 理就是依靠本务机车对列车管施行减压或充气，然后以此作为控制命令来控制 第二列车列车管的减压和充气：以此类推，第二列车又控制第三列车列车管的 减压和充气。经过此过程，使组合列车的制动和缓解过程加快。其原理如图1 2 所示。 图1 2 空气同步制动装置原理图 铁科院不仅在实验室对组合列车同步制动方案进行试验，还于l9 8 5 年11 月在山海关进行了现场试验，列车编组总数为l0 3 辆，总重7 5 8 4 t ，两台机车 均为d f 4 型。试验结果表明，编组列车采用空气同步制动方案时，当列车管减 压5 0 k p a 时，列车制动减压时间缩短了3l ：当列车管减压l4 0 k p a 时，制动 减压时间缩短了4 3 ，制动性能有了很大程度的提高；减压5 0 k p a 时的再充气 时间缩短了6 7 ，减压1 4 0 k p a 时的再充气时间缩短了7 1 ，因此在组合列车 上采用空气同步制动系统对列车制动性能的提高是较好的办法，但该方法也有 明显的缺点，即机车和车辆的制动率有较大差别，车辆间有较大的纵向冲击力。 1 2 5 遥控机车同步操纵技术 我国重载列车的存在问题是： ( 1 ) 重载列车前后车辆的制动、缓解不一致： ( 2 ) 副风缸充气时间太长，不适应重载列车要求； ( 3 ) 制动波速的问题，g k 型制动机常用制动波速为8 5 m s 左右，紧急制动 波速为l7 0 m s 左右；l0 3 型制动机常用制动波速约为18 0 m s ，紧急制动波速约 为2 0 0 m s ：l2 0 型制动机常用制动波速约为2 3 0 m s ，紧急制动约为2 7 0 m s ；可 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 见利用制动机的改进来提高制动波速，其性能提高有限，很难超过3 0 0 m s 。 这些问题可以通过无线遥控机车同步操纵技术的运用而得以解决，如图1 3 所示，使用该技术时重载列车采用组合列车的方式，主控机车可通过无线遥控 技术同时对多台机车发送制动指令，可实现多台机车的同步操纵，能很大程度 地降低充风时间和缩短制动、缓解时间。这是由于前后部列车的列车管充气或 减压可通过前后两个不同的方向进行，前部列车可通过主控机车对列车管进行 充气或减压，从控机车控制一部分前部列车和后部列车的充气或减压，从而加 快了整列车的充气速度或排气速度，制动波速得以提高，车辆间的纵向冲击力 得以减小。 - 一，。一一一r o一一一7 一。“。一- 卜 i 诋蚤 l 、j 图1 3 无线遥控机车同步技术示意图 2 0 世纪8 0 年代，铁科院在8 0 辆货车制动试验平台上进行了无线遥控机车 同步操纵系统的性能试验，其结果如表1 3 所示1 3 。 表1 3 无线遥控机车同步操纵系统的性能试验结果 列车管减压量减压时间及列车管压力测量位置 k p a 充至4 8 0k p a 的时间s 8 04 52 55 4 0 减压时间 1 2 512 5l2 58 3 4 0 充气时间 4433 6 0 减压时间 1 4 5l1 51 2l0 6 0 充气时间 2 2 2 3 52 l9 9 0 减压时间 2 3 5 2 0 52 11 4 9 0 充气时间 2 82 92 72 4 5 llo 减压时间 2 62 22 72 0 llo 充气时间 3 3 53 3 5312 8 5 13 0 减压时间 3 62 82 92l l3 0 充气时间 4 3 4 24 3 3 9 l5 0 减压时间 4 0 3l2 72 3 1 5 0 充气时间4 2 4 24 54 2 紧急紧急制动开始时间 2 71 41 70 2 试验表明，列车前后车辆的常用制动减压和充气时间都较一致，紧急制动 时，后部车辆动作稍有延迟。因此，采用无线遥控机车同步操纵技术后前后车 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 辆制动、缓解基本上能同步实施。 随着无线通信技术的发展，为实现大秦运煤专线年运输能力达到2 亿吨以 上，大秦线从2 0 0 4 年开始试验使用l o c o t r o l 技术开行重载组合列车。该技 术是由g e 公司开发出的全计算机式的无线遥控设备，已在北美、南非和澳大 利亚得到成功应用。 1 2 6 电控空气( e c p ) 制动系统 传统空气制动系统与e c p 制动系统的比较： 传统空气制动系统的特点是：列车管减压制动、增压缓解。列车管内的压 力空气既作为制动指令传播介质，又作为制动系统的制动源动力。车辆载重的 增加，列车编组长度的加长，使制动指令的传播距离越来越长，必然导致后部 车辆制动的延迟。尽管，通过对三通阀或分配阀的结构改进，使列车制动波速 和缓解波速已经大大的提高了，但是，不论制动机的结构怎么改进，制动波速 始终低于空气的理论波速( 3 4 0 m s ) ，故传统的空气制动系统有着无法改变缺陷。 传统空气制动系统的缺点总结如下： 1 制动波速始终低于空气理论波速； 2 制动时列车管内的压力空气直接排向大气，浪费能源： 3 列车编组越长，前后车辆制动时的一致性越差，产生的冲动越大，产 生的车钩力也越大，严重时有断钩的危险，危及行车安全： 4 制动力不能任意调节，使列车在长大下坡道时操作变难，对司机的操 纵技术要求高，工作强度大； 5 制动缸压力的高低由列车管的减压量控制，由于每辆车的制动率不同， 造成制动力分配不均，重车制动力不足，空车制动力过高； 6 制动时的纵向冲动引起的列车管局部压力的波动，由于阀的稳定性问 题，容易引起列车的意外紧急制动： 7 制动过程中副风缸的压力空气得不到补充，在长大下坡道上可能引起 制动力衰竭； 8 制动缸鞲鞴的行程影响制动缸的目标压力； 9 长大下坡道上进行频繁的调速制动有可能引起列车管减压却不制动， 这是由于频繁制动使副风缸压力来不及得到补充而下降太多，当列车管再次减 压时，若是减压后的压力还比副风缸压力大，此时的减压就不能使制动机动作， 即无效减压； 电控空气( e c p ) 制动系统的制动指令采用电传递，而制动力仍然依靠压 缩空气产生，而且每车所需要的制动力都由本车的车辆控制装置( c c d ) 经过 计算后给出，因此，e c p 制动系统制动时不论是制动的同时性还是对制动力的 调节都远远优于传统的空气制动。其优点总结如下： 1 制动指令由电指令进行传递，列车制动的一致性很好，可以有效降低纵 向力，减少车辆问掩击事故甚至车钩断裂的发，毫，对于长大列车，效果更明屁： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 压缩空气只所为制动力产生的动力源，制动时列车管内的压力空气不排 向大气，能节约能源； 3 可以阶段制动和阶段缓解，具有连续再充气能力。列车管仅为供风管， 制动系统的泄漏可自动进行补风，保证了在e c p 系统中副风缸的持续充风和列 车再制动能力。解决了长达下坡道因频繁制动造成副风缸压缩空气不足，制动 力减小的问题，有效地防止了放飚的发生： 4 车辆制动力由计算机进行控制，可以根据各个车辆的实际情况由c c d 提供所需的目标压力，制动力的分配均匀，提高制动作用的精确度，还可以任 意的调节制动力的大小； 5 司机操纵简单，降低了劳动强度； 6 列车制动的同步性好，缩短了空走时间，故能有效的缩短制动距离，制 动距离可减少到规定的5 0 7 0 ： 7 列车缓解迅速且一致性好，避免了车辆带闸运行，减低能耗； 8 制动缸鞲鞴的行程不影响制动缸的目标压力； 9 制动和缓解一致性好，制动产生的热负荷在全列车上分配均匀，减小了 车轮磨耗，减低维修费用； 尽管e c p 制动系统比传统制动系统有更大的优势，但也存在一定的不足： e c p 制动系统在推广应用过程中最突出的问题就是将传统列车改造成e c p 列车 的费用较高，大概每辆货车需花费8 0 0 0 美元。虽然运用e c p 技术可以帮助节 省燃料、增加货车载重，但在降低车轮和制动闸瓦等维修费用方面没有明显优 势。 目前国外e c p 制动系统的运用如下： 1 美国e c p 制动系统的运用。南方公用事业公司是美国一级铁路的最大 运煤客户，并且在支持e c p 制动系统的工业转化方面起了引领作用。近4 0 0 0 辆南方公司的煤车已经安装了w a b t e c 公司的e c p 系统，该系统采用重叠式结 构，既支持传统空气制动模式下的运行，又支持e c p 制动模式下的运行：l9 9 8 年1 月，魁北克卡捷采矿公司( q c m ) 开始对纽约空气制动机公司( n y a b ) 生产的e p 6 0 独立e c p 制动系统进行运营试验。19 9 8 年3 月，q c m 公司e p 6 0 独立制动列车的试车取得成功。试验过程中将l 列e c p 列车和4 列传统列车各 方面数据进行对比，证实了e c p 制动系统的优越性； 2 南非e c p 制动系统的运用。理查兹海岸线路是南非最为繁忙的线路， 同时也是具有重要经济地位的出口煤运输线路。这是一条2 5 k v 窄轨电气化线 路，目前每年运输煤约7 千万吨。采用w a b t e c 缆接电空制动( e c p ) 系统，若 装有e c p 的机车无法使用，还可以继续使用传统的空气制动模式： 3 澳大利亚e c p 制动系统的运用。o z e c p 制动系统只使用一个单一的 微型控制阀来控制制动和缓解。经小幅改动并增加了中继阀的非中继式制动系 统o z e c p ，可装备在世界范围内大多数的r o a ，a a r 和u i c 货车上。o z e c p 的丰要优点就是备用的传统窄气制动系统在电控故障的情况下可保证行车安 西南交通大学硕士研究生学位论文 。 第9 页 全。同时，o z e c p 成本是很低的，集成化的设计降低了维护要求。o z e c p 在2 0 0 6 年初试验成功后，2 0 0 7 年投入商业运营； 4 加拿大e c p 制动系统的运用。1 9 9 7 年，加拿大太平洋铁路( c p r ) 开 始关注电子控制的空气制动技术，作为改善其专用运煤列车运营的另一个途径。 与此同时，c p r 也开始试验不同的铝制煤车设计。c p r 有机会租赁了t r i n i t y 工业公司制造的l3 0 辆铝制煤车。这些车安装了t s me c p 重叠式制动系统。 2 0 0 1 年6 月，c p r 对第一列缆接动力分配控制的e c p 制动运煤列车进行了试 车和收费试运行。 我国的电控空气制动系统是在大秦线铁路重载前期技术论证的大背景下， 开始认识，学习，研究的。 在列车速度、密度合理匹配的同时，将大秦铁路列车重量由5 0 0 0 - - 6 0 0 0 吨提高到l 万吨和2 万吨，年运量可以由设计能力1 亿吨提高到4 亿吨，与新 建一条重载线路相比，可以节约2 3 的投资，节约2 4 万亩土地。因此，确定 立足既有大秦铁路，走重载运输技术创新之路，是大幅度提高运输能力的最佳 选择。2 0 0 3 年l2 月，铁道部组织考察组对美国和南非铁路重载技术的研究和 应用进行考察，期间主要对无线遥控机车同步操纵( l o c o t r o l ) 和电控空气 制动系统( e c p ) 进行对比分析。通过对比可以知道，制动性能方面：尽管 l o c o t r o l 技术随着无线通信技术的发展，对缩短制动时间有较好效果，但仍 然存在着一定的延迟时间，导致各车辆的制动作用不同步，无法从根本上解决 各车辆制动不同步的问题；而e c p 制动系统却有着传统空气制动以及 l o c o t r o l 系统无法比拟的优越性，即制动缓解的同时性。改造成本方面：由 于l o c o t r o l 系统结构简单，只需对机车进行加装改造，成本较低，易于维 护和管理；而e c p 制动系统中货车的批量改造成本较高，以及配置e c p 制动 系统车辆的任意编组、连挂和电源可靠性等问题仍有待进一步研究以及解决。 因此，从经济效益考虑，暂时没有运用e c p 制动系统。 1 3 制动系统数值仿真的国内外发展现状 1 3 1 国外发展现状 随着计算机技术的发展，美国、日本以及印度等国家已经突破了用传统试 验的方法来研究和设计空气制动系统的局限，相继开展了利用计算机仿真技术 对制动系统进行模拟仿真的研究工作。 19 8 3 年，美国新罕布什尔大学利用气体流动的基本方程，建立了管路模型， 用改进算法对加速缓解阀、跃升阀、a b d a b d w 阀及机车自动制动机进行建 模仿真，此模型具有一定的实用价值。l9 8 8 年，利用该模型对列车管漏泄进行 仿真研究i i i 】。 1 9 8 6 年，日本基于气体流动基本方程建立控制方程，利用特征线法将控制 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 方程无因次后变成常微分方程。用该方法建立模型，预测了列车管首尾减压时 间与机车排气e l 的开口度的关系，取得了很多试验难于得到的数据【14 1 。 19 9 3 年，在仿真模型中印度专家用等温假设代替绝热假设，研究了该国的 真空制动系统，还对双管制动系统进行研究，将大量仿真结果拟合成经验公式。 【1 9 , 2 2 o l9 9 3 年，新罕布什尔大学建立了铁路货车空气制动系统仿真模型 ( f t a b s ) 。该模型能模拟仿真a a r 标准空气制动系统的各种动作【2 5 】： 2 0 01 年，r j f o y 利用g e 公司的t r a i no p e r a t i o na n de n e r g ys i m u l a t o r ( t o e s ) 模型，对采用传统阀和e p 阀的重载列车制动系统进行仿真对比【27 1 。 2 0 0 3 年，意大利佛罗伦萨大学应用力学组的lp u g i ，mm a l v e z z i 等对欧洲 列车制动系统的各组成部分：管路、孔、阀、储风缸等进行建模，并建立各种 仿真模型库，包括货车、客车、机车等，以便将各部分组装成制动系统在 m a t l a b s i m u l i n k 中进行仿真研究，仿真结果与试验结果很吻合【29 1 。 2 0 0 8 年，意大利佛罗伦萨大学的lp u g i 利用a m e s i m 软件对欧洲 s a a d k m s 型货物列车制动系统的进行研究，仿真结果与试验相当吻合【3 。 2 0 0 8 年，都灵理工大学利用a m e s i m 软件对城轨车辆制动系统的安全制 动阀、放气阀、加压阀及中继阀等进行了仿真，并与试验台测试结果进行对比 【3 2 】 o 2 0 0 8 年，德国克诺尔公司的研究人员使用a m e s i m 软件对列车制动系统 的防滑阀、中继阀、数字阀进行建模仿真，并对整个制动系统进行仿真研究p 2 1 。 1 3 2 国内发展现状 我国对制动系统的数值仿真与国外相比，起步较晚。其中，大连交通大学 在这方面作了很多研究，利用气体动力学理论为基础，建立列车制动系统的数 学模型，然后通过计算机编程求解。 l9 9 2 年，魏伟、张善荣、刘庆忠基于气体流动基本方程建立控制方程，利 用特征线法求解的方法，建立列车制动主管、支管的数学模型并利用计算机编 程计算，完成了列车制动主管、支管组成的仿真模型，通过仿真得到与试验一 致的结果i l2 。 l9 9 4 年，魏伟和张开文，建立了列车空气制动系统的数学模型。该仿真模 型包括g k 型三通阀、j z 7 机车自动制动机、制动缸及副风缸、列车主管、支 管、缸间连接管等。该模型能较好地反应制动过程中的基本现象【l5 1 。 l9 9 5 年，魏伟利用建立的空气制动系统仿真模型，预测了在列车不同减压 量、不同编组长度条件下缓解时的性能1 2 1 1 。 2 0 0 0 年，魏伟建立了l2 0 型控制阀和试验台的仿真模型，预测了12 0 阀在 试验台上的试验过程，通过试验表明利用该模型能较好地再现l2 0 阀在试验台 上的试验过程1 2 引。 2 0 0 3 年，魏伟建立了包括j z 7 型自动制动机，15 0 辆装有12 0 阀车辆的制 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 动系统定置试验台的仿真模型，给出了4 0 辆编组长度，减压量为14 0 k p a 的常 用制动缓解和紧急制动的仿真结果【2 6 1 。 2 0 0 4 至2 0 0 5 年，中南大学的刘金朝、王成国、马大伟和铁科究院的赵鑫 研究列车在不同编组辆数、列车制动管系组成( 弯管、软管、塞门、直径、材 质) 、列车制动管系泄漏等因素对列车管充风压力的影响和沿列车长度方向的列 车管充风压力分布情况。在此基础上，还建立了长大货物列车制动管系与副风 缸组合的二维数值仿真模型。最后建立了三维模型来研究列车制动管系的充风 特性，利用它能得到主管、支管的压力和速度，还将其应用到万吨重载列车制 动系统初充气性能研究当中 3 5 , 3 8 】。 2 0 0 6 年，魏伟开发出了货运列车空气制动仿真模型，利用特征线方法求解 管内气体状态，利用边界条件方程求解边界上气体状态，利用热力学第一定律 求解缸内状态变量。并将仿真结果与试验结果进行对比。仿真得到的列车管、 制动缸等的空气压力随时间的变化与试验结果比较吻合，说明