（电力电子与电力传动专业论文）电力机车制动系统实时监测与故障诊断.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 li 页 a b s t r a c t t h ep o w e re a rb r a k i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to ft h ee n t i r es y s t e m a t i c l o c o m o t i v e ，w h i c hh a sd i r e c ti m p a c tt ot h eo p e r a t i o no ft h el o c o m o t i v e i no r d e rt o a v o i dt h ea c c i d e n tr e s u l t i n gf r o mb r a k i n gs y s t e mm a l f u n c t i o ni nt h el o c o m o t i v ea n d t r a i no p e r a t i o n ，m o n i t i o no nl i n ew i t hm a l f u n c t i o nd i a g n o s et h a tt h em a i nb o d yo f t h i sp a p e ri sp r o p o s e d f i r s t ，t h i sp a p e rh a sd i s c u s s e dt h es i g n i f i c a n c eo fr e a lt i m er e a l i z i n gl o c o m o t i v e b r a k i n gs y s t e mm o n i t o rw i t hm a l f u n c t i o nd i a g n o s ea n dp r e s e n ts i t u a t i o n s e c o n d l y , t h eo v e r a l lp l a nh a ss t u d i e da ni m p a c to fd i r e c t i o nd r i v i n gf o r c eo v e rt r a i nb r a k i n g s y s t e m ，a n da c c o m p l i s h e ds y s t e mo nt h eb a s i sd e s i g n sp r i n c i p l es t u d y i n gb r a k i n g s y s t e mi ns y s t e m ，a sw ek n o w , r e a l i z i n gt h es y s t e m a t i cb r a k i n gm a l f u n c t i o nd i a g n o s e i ss i g n i f i c a n tf o rb r a k i n gs y s t e mv a r i o u sm a l f u n c t i o ni n e v i t a b l yw h e nt h el o c o m o t i v e w o r k s t h ep a p e ri so nt h eb a s eo fd i r e c t i o nd r i v i n gf o r c es y s t e mt h e o r y , a n dt h em o d e l t h a tb r a k i n gs y s t e mm a l f u n c t i o nc h e c k i n gi sb u i l tb yc o m p u t e rs i m u l a t i o n i n s q u e e z e t ot h ea c c i d e n t sd r i v i n gs u c ha sb ya c c i d e n t ，c l o s i n ga n dl e a k i n gi n s p e c i f i c a l l yf o ro f t e nh a p p e n i n gi n t r a i n o p e r a t i o n ，a n dg a s s t a t et h a tc h a n g e s c o n d i t i o ni nt h e p r o c e s sb r a k i n gs y s t e m t h et r a i n ，t h i sp a p e rh a st e s t i f i e dt h e f e a s i b i l i t yo fd i a g n o s i n gl o s i n ga na n g l es q u e e z i n gt h ed o o rp a s s i n gi nb ym i s t a k e a n da l s oi th a s a c c o m p l i s h e dt h e s o f t w a r ea l g o r i t h md i a g n o s i n gt e c h n o l o g i c a l p r o c e s sa n dt h es a m p l i n gd a t as t u d y i n g b yt h er e s e a r c ht o d i r e c t i o nd r i v i n gf o r c e t h e o r y , u n d e rt h ee f f e c tr e a c h i n gt r a i nf a c t o r ss u c ha sr u n n i n gs p e e d ，b e i n gu n l i k e l a d e nm a s si nd i v e r s i t y , d i r e c t i o nd r i v i n gf o r c ea f f e c t st h ev a r i e sc o n c l u s i o nt ow h a t t r a i nb r i n g sa b o u t o nt h eb a s eo fr e a l i z a t i o no fm o n i t o r i n gs y s t e ms o f t w a r ea n dt h e t h e o r yo ff o r m a t i o no ft h es y s t e m ，t h es o f t w a r eh a sb e e nv e r i f i e dt ob ef e a s i b l eb yt h e f a c tt h a tt h ed a t ab a s ep r o c e d u r em a t e s t h et h e s i sh a ss u m m a r i z e dt h er e s u l to ft h i st e s t ，a n db r o u g h tf o r w a r dt h e d e f i c i e n c yf i n d i n gt h a ti ns y s t e mr e s e a r c h a tl a s t ，t h ep a p e rp r o p o s e da u t h o r sa d v i s e a n dl o o k i n gf o r w a r dt h ef u t u r e k e yw o r d s ：l o c o m o t i v eb r e a k i n gs y s t e m ：d i r e c t i o nd r i v i n gf o r c e ： m a t e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章引言 本章在介绍电力机车运行过程中对机车制动系统实现在线监测与故障诊 断的重要性的基础上，制定了对制动系统进行监测的任务和目的及本论文研 究的主要内容以及要完成的工作。 1 1 电力机车制动系统故障诊断的意义、目的及任务 日常生活中，任何运输工具都离不开制动系统。小到自行车，大到航天 飞机，制动系统都起着保证运输安全的重要作用。对于铁路运输来讲，列车 的运行过程包括牵引、惰行和制动三个基本工况，而制动工况的顺利实施关 键在于制动系统有效、可靠的工作。所谓制动是指能够人为地产生列车减速 力并控制这个力的大小，从而控制列车减速或阻止它加速运行的过程。而制 动系统是指能够产生可控的列车减速力，以实现和控制能量转换的装置或系 统。有效的制动装置是铁道机车车辆的重要组成部分。随着社会的发展，科 学技术的进步，制动机由原始的手制动机、直通式空气制动机，发展到近代 的性能较完善的自动空气制动机、电空制动机等。与此同时，伴随着铁道牵引 动力的革命，制动技术也得到飞跃发展，再生制动、电阻制动和液力制动的 问世虽历史不长，但这些制动方式的强大制动功率、极好的高速性能以及很 好的经济性，使它们得到较为广泛的应用。 高速、重载是世界铁路技术的两个重要方向，同样也是我国铁路技术的 发展方向。随着新形势的发展，对电力机车的设计、制造、维修、运营管理 提出了一系列新的问题。随着列车长度、重量和速度的增加，机车车辆制动 机不断的发展，制动机的性能也不断地趋于完善。各国陆续研制出各种各样 的制动机。这些制动机的主要特点分别为：司机一人操纵；提高制动波速、 缩短制动距离，使列车的缓解或制动趋于一致，减少缓解或制动的冲击。 监测与诊断的目的是： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 ( 1 ) 保证机车制动系统无故障或及早发现故障； ( 2 ) 科学操作制动系统，保证列车平稳可靠运行： ( 3 ) 及时对制动系统的异常或故障做出诊断，并采取相应的保护措施； ( 4 ) 通过性能评价，为优化设计与正确制造提供信息和依据。 列车的安全运行需要可靠和高性能的制动来保证，而作为提供牵引力和 制动力来源的机车，其制动系统的运用状态将直接影响着整列车的安全。铁 路机车的制动系统经常处于频繁起动、环境恶劣、连续较长时间的运转、冲 击频繁以及振动剧烈的运行状态下。列车提速后，因为制动系统出现故障而 导致的事故频繁发生，铁路运营中的许多大事故都是由于制动系统出现故障 或对制动系统操作不当所引起的。随着机车运行速度的不断提高，由制动系 统故障引起的行车事故将更加突出。为了预防因机车制动系统故障而引发恶 性事故，我国传统的方法是定期进行辅修、小修、中修和大修，集中检查、 解决机车制动系统各零部件的状态及故障。为了提高机车运行的安全性，及 时发现机车制动系统的故障，对制动系统进行实时监测与故障诊断是十分必 要的。 另外，机车运用部门需要更好的、能够识别早期故障的新技术为提速战 略服务，以确保安全正点，确保人身和设备的安全：维修部门也要求预知和 跟踪机车制动系统各组成部分的故障发展状态，以便科学的安排“状态”维 修计划以节约和降低维修成本，杜绝突发事故、机破事故、中途停车事故。 此夕b 在高速、重载下运行的机车，其工作条件更加苛刻、严峻，因此对机 车制动系统的性能要求也越来越高。在这种情况下。电力机车的制造厂商有 必要及时掌握机车制动系统在长期高速、重载的运行中各部件所表现出来的 动态特性，分析实际运营中的制动系统在长期运行中的变化情况，从而提高 设计制造的可靠性、安全性。为了解决这些问题，也需要对机车制动系统进 行实时监测与故障诊断研究的支持。 综合上述可见，如何通过对机车制动系统工作状态进行在线监测和故障 诊断，进而了解机车甚至整列车的制动、缓解、保压、运转、紧急等工况下 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 的运行状态，将成为铁路部门急需解决的问题。随着现代科技如通信技术、 电子技术、控制技术和网络技术的发展，解决上述问题已经成为可能。而进 行机车制动系统实时监测与故障诊断的理论、方法和应用研究具有重大的理 论意义、现实意义和广阔的市场前景。 1 - 2 故障诊断的研究现状及发展 状态监测与故障诊断初步形成于2 0 世纪6 0 年代，起源于美国和欧洲，迅 速发展在七、八十年代，它是一项年轻的技术，是- - f - j 既有基础理论，又有 广泛实际应用背景的，正在不断完善和发展的交叉型工程应用性学科。涉及 数学、物理、力学、传感器与测试技术、信号处理、电子技术、计算机科学 与技术、信息科学、人工智能、专家系统等领域。其重点是研究故障诊断及 故障预报的理论、方法。美国在上世纪六、七十年代就成立了许多关于故障 诊断技术的研究单位。如1 9 6 7 年4 月召开了美国“机械故障预报小组 ( m f p g m a c h i n ef a u l t sp r e d i c tg r o u p ) ”的成立大会，m f p g 后来正式划归 美国国家标局( n s b ) ；美国西屋公司( w e s th o u s ee l e c t r i c a lc o l t d ) 从1 9 7 6 年起便展开了汽轮机故障诊断研究工作，到1 9 9 0 年己完成了网络化的汽轮发 电机组故障诊断专家系统；在欧洲国家，诊断技术的研究也有不同程度的进 展，如英国的“英国机器保健中心( u k m e c h a n i c a lh e a l t hm o n i t o r i n g c e n t e r ) ”；瑞典的s p m 轴承监测；挪威的船舶诊断以及丹麦的振动噪声分析系 统等。 就我国机车制动技术的运用和发展来看，主要经历了以下三个阶段： ( 1 ) 解放初期一般沿用美国西屋空气制动系统的产品。蒸汽机车大多装备 e t 一6 型制动机。 ( 2 ) 1 9 6 6 年，四方所与天津厂共同研究了j z 一7 型机车空气制动机，具有 良好的性能，1 9 7 8 年通过铁道部鉴定，在内燃机车上全面推广。 ( 3 ) 1 9 7 4 年，铁科院机辆所和株洲电力机车厂采用有触电逻辑控制技术共 同研制成功的d k l 型机车电空制动机，并在韶山电力机车上安装试用。1 9 7 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 年，在铁科院环形线进行6 0 辆g k 阀静止和运行试验。试验结果表明，制动性 能良好。1 9 8 2 年经过技术鉴定后广泛运用于干线电力机车。 1 3 本文的研究内容和目标 主要针对电力机车制动系统，构建一个在线实时状态监测与诊断系统， 系统在机车运行过程中监测制动机工作运行状态，判断制动机是否存在故障 以及故障可能存在的位置，实现对制动系统快速检修。 电空制动机是指以电信号作为控制指令，压力空气作为动力源的制动机。 在自动空气制动机的工作过程中，由于空气波、制动波的存在，不可避免地 导致列车中各车辆制动的不同时性，从而造成列车制动时的纵向动力作用， 特别是随着列车运行速度和牵引重量的大大提高，这一问题愈加突出，甚至 己成为制约铁路运输发展的主要矛盾之一。本文分析了列车纵向动力产生的 原因及影响其各个因素。论文的主要内容包括以下几个方面： ( 1 ) 列车制动系统的基本工作原理及常见故障( 本文主要以s s 8 型机车为 例详细介绍了其工作系统及作用原理制动系统的常见故障) ； ( 2 ) 学习列车动力学理论基础，为研究列车运行时由于制动所引起的动力 学问题； ( 3 ) 考虑由于纵向动力这一主要原因引起的机车制动系统故障，主要讨论 了列车管折角塞门误关或泄漏所导致的制动系统的故障： ( 4 ) 采用以嵌入式p c i 0 4 为核心计算机技术，通过对关键部件在线数据采 集，对照电空制动系统的关键部件的门限参数，控制程序作出工作正常的显 示或故障报警对知识工程的方法和手段，同时利用计算机人工智能技术，将 电空制动故障诊断专家的知识、经验和解决问题的方法系统化、形式化，并 通过与专家系统技术的有机结合，建成故障检测诊断系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章电力机车制动系统基本工作原理 铁路运输中，无论是机车还是车辆，都具有各自的制动系统。当机车、 车辆组成列车后。其各自的制动系统相互联系而构成一个统一的制动系统一 一列车制动系统。作为列车制动力来源的电力机车制动系统，其运用状态对 列车运行安全的影响非常重要，对其进行实时监测不仅可以及时发现机车制 动系统的早期故障，而且还能从监测结果中掌握列车制动系统的一些状态信 息。为了确定本系统中需要检测的状态信息，首先要学习电力机车制动系统 的一些知识。本文主要以s s 8 型电力机车为例进行说明。 2 1s s 8 型电力机车制动系统的基本组成结构及作用原理 2 1 1 空气管路系统 风源管路系统为机车、车辆提供洁净干燥的高质量的压缩空气，以保证 列车空气制动系统、空气弹簧、风动门装置及气动电器等正常工作。 i q z 2 倩 ： ：竺咎。二= 一 5 口+ 1 i o ! 一歹- 一 7 一娣 ，孑笔 国2 一i 风源管路系统组成 注释：4 3 、4 4 3 k w 一1 6 9 型空气压缩机：2 4 7 y 卜启动放风电空阀； 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 4 5 、4 6 一高压安全阀；4 7 、4 8 止回阀；4 9 一空气干燥器；9 l 、9 2 一 一主风缸；1 1 1 1 1 卜截断塞门d 9 3 2 ：5 4 7 k p _ _ y w k 一5 0 一c 型压力控制 器；8 5 、8 卜故障塞门；1 3 卜截断塞f 3 d 9 8 ：1 6 3 1 6 6 1 2 英寸排水 阀：5 卜逆流止回阀；6 5 、6 卜供风软管连接器；6 3 、6 4 一折角塞门。 它由空气压缩机组、高压安全阀、启动放风电磁阀、止回阀、空气干燥 器、主风缸、压力控制器及截断塞门及连接钢管等组成。其组成及管路原理 见图2 1 。 由图2 1 可知，正常工况时，由两台压缩机组供风，其通路如下： 孵 5 盯口 由两台3 k w 一1 6 9 型空气压缩机4 3 、4 4 产生的压缩空气经止回阀4 7 、4 8 汇合后，经一段冷却钢管冷却后进入空气干燥器4 9 ，压缩空气在空气干燥器 内除去冷凝水、油和尘埃等杂质后，向第一主风缸9 1 及第二主风缸9 2 充风贮 存，然后由第二主风缸经截断塞f 1 1 1 3 进入机车总风缸供机车制动机系统、控 制管路系统及辅助管路系统使用。 与此同时，由压缩机产生的压缩空气经空气干燥器处理后进入第一主风 缸，然后由第一主风缸两端向车辆供风，以满足车辆的空气弹簧、风动门装 ， 埒 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 置及其它气动装置用风需要。 压缩空气的压力由连接在机车总风管上的y w k 5 0 c 型压力控制器 5 4 7 k p 来自动控制。当机车总风缸的压力降至7 5 0 k p a 时，压力控制器5 4 7 k p 闭 合，接通空气压缩机电机电源，压缩机启动工作；当机车总风缸压力大于 9 0 0 k p a 时，压力控制器5 4 7 k p 断开，切断空气压缩机电机电源，压缩机停止工 作。当压力控制器5 4 7 k p 故障时，可通过1 3 9 塞门将其切除，再利用司机台上 “强泵”按钮将其短接，此时，压缩机组的启动与停止工作只能由司机人工 控制。另外，当主风缸压力达至f , 1 9 5 0 k p a 时，高压安全阀4 5 、4 6 动作，连续向 外排气，此时司机应停止压缩机组工作。 压缩机组启动过程中，启动放风电空阀2 4 7 y v 、2 4 8 y v 动作，将压缩机出 风管中的压缩空气排除，消除压缩机气缸内的背压，保证空压机的空载正常 启动。 压缩机出风管上的止回阀4 7 、4 8 在压缩机组停止工作时，阻止总风向压 缩机逆流。 在机车运行中，如某台压缩机组故障，可通过低压电器柜上的隔离开关 将其切除，由另一台压缩机组维持运行。 机车在使用中，应定期将主风缸上的排水阀1 6 3 、1 6 4 、1 6 5 、1 6 6 进行检 查并排除主风缸内的积水，保证压缩空气的干燥洁净。 机车入库时，可将截断塞门1 1 1 、1 1 3 关闭，以保存主风缸内的压缩空气。 机车无动力回送时，应将截断塞f 1 1 2 关闭，切除第一主风缸，缩短列车 充气时间。 在风源管路系统中，采用了d j k g a 8 型无热、再生、吸附式单塔空气干 燥器，该干燥器具有滤清和干燥功能，可去除压缩空气中的杂质、油和水等， 防止列车空气制动系统的阀类零部件和管路产生锈蚀、堵塞及结冰等以及由 上述现象所引起的空气制动系统失灵而造成的行车事故，同时，也能延长制 动系统的零部件检修周期。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 & _ 一； 图2 2d j k g - a 8 型空气干燥器的组成 该装置由干燥简、滤清筒、再生风缸、温控器、排泄阀、排气消音器及 截断塞门组成。 该干燥器设置在第一主风缸9 1 之前，因此，空气压缩机生产的压缩空气 可以全部得到处理。同时，两主风缸储存的全部系经干燥器处理过的洁净、 干燥空气。其空气处理分为吸附干燥与再生两个过程。 空气压缩机启动运转后，其产生的饱和的潮湿空气经过一段较长的冷却 钢管降温后进入滤清筒，在此将压缩空气中的水、油污及颗粒杂质截获滤清， 然后，压缩空气进入干燥筒底部止回阀向主风缸充气，同时，经过0 4 5 m m 的节流孔向再生风缸充气，直至主风缸内压缩空气压力达到9 0 0 k p a 、压缩机 停止工作时，吸附过程结束。 此时，控制电路控制排泄阀电磁阀受电动作，开启排泄阀，进风管、滤 清筒及干燥筒内的压缩空气，油污、水及颗粒杂质经排泄阀口、消音器一同 排向大气。与此同时，再生风缸内的压缩空气通过节流孔膨胀成为接近大气 压力的超干燥空气，沿着与吸附过程相同的通道，反向通过干燥筒内的活性 氧化铝吸附剂，将其吸附过程中吸附的水分全部排入大气中，使活性氧化铝 干燥剂恢复干燥状态。当再生风缸内的空气压力降至5 0 k p a 左右时，排泄阀自 动关闭，再生作用结束。至此，完成了一次空气处理过程。 当机车总风压力降至7 5 0 k p a 时，压力控制器将再次接通压缩机电机电源， 压缩机组启动工作。空气干燥器将重复上述的吸附干燥与再生过程。如此循 i 了 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 环交替工作。 风源管路系统中不同工况下各塞门开闭见表2 1 。 表2 1 风源管路系统中不同工况下各塞门开闭情况 机车工况塞门所处状态 1 1 11 1 21 1 35 9 6 01 6 3 1 6 61 3 9 6 36 4 正常运行开开开开闭开 无动力回送开 闭开开 闭开 库停闭开闭开闭开 库停时，应将主风缸内的水排尽。 2 1 2 控制管路系统 控制管路系统提供机车受电弓、主断路器及高压电器柜内的电空接触器、 二位置转换开关及机车气动电器所需的压缩空气，以保证机车的安全、正常 坤2坤 c j 9 专午一警一( 互譬一 图2 3 控制管路系统组成 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 使用。它由辅助压缩机、控制风缸、辅助风缸、单向阀、调压阀转换阀、 分水滤气器、膜板塞门、截断塞门及连接钢管组成。其组成及原理见图2 3 。 9 y v 、i o y v 、w 电空阀：6 双针压力表：1 0 2 控制风缸； 1 0 5 辅助风缸；1 0 6 、1 0 7 、1 0 8 一单向阀；9 6 一辅助压缩机；1 6 卜 1 ，2 英寸排水阀；1 4 0 、1 4 卜截断塞门：1 5 卜转换阀：5 1 、5 卜调压阀； 1 6 8 、1 6 9 1 2 英寸排水塞门；9 7 一膜板塞门：2 0 卜分水滤气器1 1 1 。 s s 8 型机车控制管路系统中，除主断路器由主风缸( 总风) 直接供风( 工 作气压为7 5 0 9 0 0 k p a ) 外，其余均由减压调压阀5 l 、5 2 将总风缸送来的压缩 空气降压至5 0 0 k p a 后供给。系统中，全部采用单向阀取代传统的换向阀来转 换风源，大大提高了管路的工作可靠性。同时，在系统中，取消了传统的门 联锁阀，而采用门联锁钥匙箱来防止在机车高压室门未关好的情况下引入高 压而危及司乘人员的安全。控制风缸1 0 2 用于储存控制系统用压缩空气( 容积 5 5 l ) ，以减轻辅助压缩机的工作负担。控制风缸上设置有密封性极佳的膜板 塞门，储存其内的9 0 0 k p a 的压缩空气，经2 4 h 后，仍能保持压力不低于7 5 0 k p a 。 控制管路系统的作用可分为以下三种工况：正常运用时主风缸供风工况、 库停后由控制风缸供风工况和库停后由辅助压缩机供风工况。 ( 1 ) 正常运用时主风缸供风工况 机车总风缸内压缩空气经过开通的1 4 0 塞门后，一路经调压阀5 1 减压至 5 0 0 k p a ( 调压阀体上有压力表显示) ，再经塞门1 4 1 、1 4 2 供给i 、i i 号高压电 器柜，同时经1 4 6 塞门供机车作备用风源另一路经单向阀1 0 8 后又分为四路： 一路经开放后的膜板塞1 1 9 7 进入控制风缸内储存( 可通过压力表6 显示其压 力) ，一路被单向阀1 0 6 截止；一路经塞门1 4 5 至1 j 分水滤气器2 0 7 再次净化后向 主断路器供风，以满足主断路器正常动作需要；还有一路经调压阀5 2 减压至 7 0 0 k p a 后，再经转换阀1 5 9 ( 在门联锁钥匙箱内) 分别通过塞门1 4 3 、1 4 4 向i 、 i i 端受电弓风缸供风，以保证受电弓升弓需要。 机车正常运用时，由总风缸直接向控制管路系统供风。其工作通路如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 息风 若在升弓前，任一高压室或变压器室门未关好，则其门钥匙不能取出， 因而钥匙不能插入门联锁钥匙箱内，因此转换阀1 5 9 也就不能开通，升弓用压 缩空气通路被截断而不能升弓。若在受电弓升起后，转换阀1 5 9 处开通状态， 则门钥匙不能取出，因而高压室或变压器室门均不能开启。这样也就有效的 保证了人与高压区的隔离，保障了人身的安全。 控制风缸1 0 2 的设置，一方面为了在机车主断路器分、合闸操纵引起局 部气压波动时，稳定控制管路系统气压。另一方面是在机车停放前( 如乘务 员退乘等) ，将控制风缸充满9 0 0 k p a 压缩空气后关闭膜板塞f 3 9 7 ，以备机车再 次使用时受电弓、合闸用，以降低辅助压缩机组的工作频次。 由于膜板塞f 9 7 是橡胶板结构，因此，在操作时，不宜用力过猛，以免 造成膜板的损坏。 在主断路器风缸上设有排水塞门1 6 8 ，在每次出乘前，应将其打开，排除 积水后关闭，以保证主断路器操纵的安全可靠。 ( 2 ) 库停后由控制风缸供风工况 机车停放后，再次投入使用时，如果总风缸风压低于4 5 0 k p a ( 主断路器 分闸所需最低工作压力) 而控制风缸1 0 2 风压大于7 0 0 k p a ，则可打开膜板塞门 9 7 来升弓、合闸。在升弓、合闸过程中，因用风量较大，控制风缸风压下降 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 较多。所以升弓、合闸后应及时开启主压缩机组，恢复由总风缸供风的正常 运用工况。 控制风缸供风时的工作通路如下： 一l t m a g 日h l j + l 单冉阏截止 e 蛔瓤_ + 9 t 爱扳塞门一 - - # 1 4 5 t i 门2 0 7 势水掳气墨 均端器厦缸 a c 自， m c 6 h * 口 x h i ，一71 0 w ! a h 控制风缸1 0 2 内储存的压缩空气，经开放的膜板塞1 1 9 7 后分为四路：一路 被单向阀1 0 6 截止；一路被单向阀1 0 8 截止；一路经过1 4 5 塞门、2 0 7 分水滤气 器进入主断路器风缸供主断路器分、合闸用；一路经过调压阀5 2 减压至7 0 0 l ( p a 后经转换阀1 5 9 ，再分别经1 4 3 、1 4 4 塞门向i 、i i 端受电弓风缸充风，供受电 弓升弓用。 ( 3 ) 库停后由辅助压缩机供风工况 机车停放时间长而重新投入使用时，主风缸内压缩空气压力低于4 5 0 k p a 且控制风缸内压力低于7 0 0 k p a 时，则必须启动辅助压缩机供风，以满足机车 升弓及合闸需要。 为了缩短打风时间，减轻辅助压缩机工作负担，在启动辅助压缩机前， 应关闭膜板塞f - 9 7 ，以切除控制风缸1 0 2 。当辅助风缸1 0 5 内的压缩空气压力 大于6 0 0 k p a 时，即可边打风边进行升弓、合闸操作。而后应尽快启动主压缩 机组工作，恢复由总风缸供风的正常运用工况。当总风缸内压缩空气压力大 于4 5 0 k p a 时，可停止辅助压缩杌组工作。辅助压缩机组控制开关设在电空制 动柜内。为防止辅助压缩机过量( 过压) 工作，其控制开关采用自复式转换 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 开关，且在转换开关下方由双针压力表6 显示辅助风缸内压缩空气压力。 辅助压缩机9 6 供风时的工作通路如下： 辅助压缩机9 6 生产的压缩空气，经单向阀1 0 7 后分为五路：一路进入辅助 风缸1 0 5 ：一路通过单向阀1 0 6 , 一路被膜板塞f 3 9 7 关断：一路经1 4 5 塞门、分 水滤气器2 0 7 后进入主断路器风缸：一路经调压阀5 2 减压至7 0 0 k p a 后经转换阀 1 5 9 ，再分别通过1 4 3 、1 4 4 塞门向i 、i i 端受电弓风缸供风。 辅助风缸1 0 5 的设置，一方面起稳定、储存压缩空气的作用，另一方面对 辅助压缩机产生的压缩空气进行冷却，析出水分。因此，每次使用辅助压缩 机后，应打开辅助风缸下方的排水塞门1 6 9 以排尽积水。 ( 4 ) 三种工况下各塞门开闭情况见表2 2 。 表2 2 三种工况下各塞门开闭情况 机车工况塞门所处状态 9 7 1 4 0 1 4 5 1 6 7 1 6 91 4 6 正常运行闭开定期或根据需 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 要开放以排尽水后 库停后升弓闭开 再关闭 库停闭开 9 7 塞门在库停前打开，在控制风缸充满9 0 0 k p a 风压后关闭i l l 。 2 1 3 辅助管路系统 辅助管路系统用以改善机车运行条件、确保机车运行安全。它主要由撒 砂器、喇叭、刮雨器、轮缘润滑装置及其连接管路组成。其组成及原理见图2 4 。各辅助装置均由总风缸直接供风，当某个装置发生故障或检修时，可将 其相应的截断塞门关闭以切断风源。 ( 1 ) 机车撒砂 为增加机车轮轨闻的粘着，改善机车牵引及制动性能，s s 8 型机车设置的 撒砂装置中，共有八个砂箱和八个撤砂器，每个砂箱容积为1 0 0 l 。砂箱上设 有砂箱盖，其密封性较好，能防潮防雪、雨的浸入。撤砂动作不仅能接受司 机控制；同时，还与机车制动机系统、空转( 滑行) 保护装置、断钩保护装 置配合，适时动作撤砂、提高机车的粘着力。设在司机台下的脚踏开关3 5 s a 、 3 6 s a 分别直接控制本端前进方向的4 个撒砂阀向轮轨问撒砂。 撒砂量可通过撒砂阀上的调节螺栓控制在0 7 1 5 l m i n 间。砂粒成分应 由至少9 0 的石英和不超过2 的粘土组成，其结构粒度应在0 ，5 2 8 r a m 间， 其中直径小于0 5 r a m 的比例不能超过5 ，但允许有1 0 的砂粒直径大于 2 8 r a m 。砂予在装车前必须保持于燥，以免其结块而影响使用效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 等量 * ，哇，；：一：；崔 五耐二。 。一i 警： ：i j 厂 。鬯篓掣7 7 _ ，专 1p 、：三。呼孓y 。j 7 8 f ：而r 一m _ _ j 二一二j j ，一 l ! i _ 三1 寸 事，一 图2 4 辅助管路系统组成 ( 2 ) 机车喇叭与雨刮器 在每个司机室顶部均设有3 个喇叭：一个为向前的高音喇叭，i 、i i 端代 号分别为2 7 、2 8 ；个为向前的低音喇叭，i 、i i 端代号分别为3 1 、3 2 ；另 一个为向后的高音喇叭，i 、i i 端代号分别为2 9 、3 0 。它们分别由正、副司 机台上的手动喇叭阀1 3 1 6 及司机台下的脚踏开关3 3 s a 、3 4 s a 控制。正司机 台手动喇叭控制阀1 3 、1 4 手柄向前推时，向前高喇叭2 7 、2 8 发出音响：向后 拉时，向后高音喇叭2 9 、3 0 发出音响。副司机台手动喇叭控制阀1 5 、1 6 手柄 向前推时，向前商音喇叭2 7 、2 8 发出音响：而向后拉时，向前低音喇叭3 1 、 3 2 发出音响。踩下脚踏开关3 3 s a 、3 4 s a 时，电磁阀1 7 y v 、1 8 w 受电，将总 风直接引入向前低音喇p j 、, 3 1 、3 2 ，而使之发出声响。 每个司机室均有两块前窗玻璃。每块前窗玻璃均装有一套刮雨装置。该 刮雨装置具有外形美观、噪声低、操作方便、等特点。 ( 3 ) 轮缘润滑装置 为了减少轮轨问的磨耗，s s 8 型机车安装有华宝型轮缘润滑装置。 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 2 1 4 制动机系统 s s 8 型机车制动机系统，以d k 一1 型机车电空制动机为基础，设有对旅客 列车施行电空制动功能、机车空电联合制动功能与机车速度分级控制系统和 速度监控装置配合实行速度分级控制及超速防护功能。同时也取消了原d k 一 1 型电空制动机中的“检查消除”按钮及“客货”转换阀，简化机车操纵。 对电空制动机管路进行集成化处理，制动机性能更可靠、维修更简便。对旅 客列车具有独立于列车管的供风功能，以满足车辆风动门装置及空气弹簧用 压缩空气的需要。下面侧重介绍几项功能。 ( 1 ) 机车空电联合制动功能及与速度分级控制系统、速度监控装置配合进 行超速防护功能。 当机车使用电空控制器施行常用制动时，如机车制动缸压力达到 1 5 0 k p a ( 风压继电器5 4 4 k p 的动作值) ，则机车电制动因5 4 4 k p 联锁动作而切 除，机车电制动不能投入；如机车电制动已先投入，则由4 6 7 q s 开关将电制动 控制电源引入，机车制动缸压力不能上升而自动保持为“0 ”。电磁阀2 5 4 y v 动作，将机车作用管压力排入大气，其目的是避免机车电制动力和空气制动 力同时作用于机车轮对，而发生制动力超过粘着力即“轮对抱死”现象。 使用司机控制器进行电制动调速时，在每次司机控制器手柄离开“o ” 位时，列车管会自动按常用制动减压速率减压5 0 k p a ，全列车均产生轻微控制 制动，降低列车纵向冲击。但此时若4 6 7 q s 开关在闭合位，则机车制动缸无空 气制动力，列车的空气制动力延时2 5 s 后自动缓解。次作用的实现是由4 6 5 q s 开关将电制动电源引入中间继电器4 5 2 k a ，然后通过其各联锁及各有关部件 的逻辑控制实现轻微制动，同时，由时间继电器4 5 4 k t 控制轻微制动的保持 时间( 此时间根据列车长度适当进行调节) ，达到预定时间后，4 5 4 k t 动作， 驱动4 5 3 k a 动作，然后通过其各联锁及各有关部件的逻辑控制，实现轻微制 动的自动缓解。 当与速度分级控制系统配合时，由速度分级控制系统根据线路信号发 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 出轻微、一级、二级常用制动或紧急制动信号给机车微机控制系统，经机车 微机控制系统处理后分别向机车空气制动系统发出以上的工作指令，由机车 空气制动系统分别进行各种制动。其中常用制动分为两级，均由机车微机控 制系统给出1 1 0 v 直流电源至中间继电器4 5 5 k a ，由4 5 5 k a 各触头控制空气制 动系统各逻辑控制部件进行常用制动。其中各级常用制动减压量的大小可通 过减压时间进行控制。当达到一级常用制动减压量后，由机车微机控制系统 发出傈压信号，机车空气制动系统处于保压状态。当需要追加二级常用制动 时，系统重复上述过程，直到达到二级常用制动减压量后保压。 当列车速度降到限速以下时，由机车速度分级控制系统根据线号信号向 机车微机控制系统发出“缓解”号，经微机控制系统处理后再向机车空气制 动系统发出缓解指令，列车缓解空气制动。 若在两级常用制动后，在限定区间内列车速度仍未能降低至限速以下， 则速度分级控制系统直接向空气制动系统发出“紧急制动”指令，列车产生 紧急制动。 当与速度监控装置配合时，其控制过程与上类同。所不同的是：速度 监控装置直接对机车空气制动系统发出常用制动、缓解或紧急制动指令面没 有其它中间环节。 在s s 8 型机车上，设置了与速度分级控制系统和速度监控装置相配合使用 的通用接口，采用上述任意一套系统均可达到超速防护的且的，保证行车的 安全。 ( 2 ) s s 8 型机车每个转向架上均装有两个蓄能制动器，以满足机车停车制 动的需要。 2 2 电力机车制动系统的常见故障 电空制动机故障诊断系统，必须解决两个关键问题： ( 1 ) 确定司机控制指令，判断电空制动控制器、空气制动阀转换开关位置、 空电联合制动装置指令以及机车自动制动装最指令： 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 ( 2 ) 判断空气管路中压力是否朝给定控制指令方向变化。 d k - 1 型制动机系统是一个比较复杂的系统，与一般机车在结构、性能及操作 等方面有着较大的不同，故障的性质和特征也不相同，造成的故障的原因较 为复杂，一般讲可分为控制电路故障、阀类部件故障以及管路连接故障。 控制电路故障d k - 1 型机车电空制动机操纵与转换控制系统是采用 电控方式，控制电路部分可能出现各种各样故障。例如：控制电路接线不良、 插座插头虚接、电子元器件的虚焊、二级管和压敏电阻的击穿都将造成控制 指令失效；而转换开关触点不良、继电器卡位、继电器触头接触不良、继电 器线圈短路，电空阀线圈断路以及控制导线短路、接地则会造成执行部件不 动作或动作错误。 阀类部件故障阀类部件的故障直接影响到气路的作用。此类故障一 般发生在阀类部件的内部滑体上。如：如果缺少油脂润滑，将造成分配阀的 滑润，节制阀也将出现卡滞而造成风路不能沟通；由于动作频繁和老化等原 因，弹簧件会失效从而影响阀类部件的正常动作，橡胶件会出现龟裂造成串 风和漏风，使阀类不能动作或性能下降；同样，阀类部件内的小孔堵塞会影 响阀类部件功能。 管路连接故障这类故障表现在管路堵塞或泄漏，如：具有排水、滤清作用的部 件因有污物或冬天积水结冰可能会出现堵塞，管道内部混合的机械杂质会在管道弯曲部 分以及管路接口处造成堵塞 1 2 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 第3 章列车纵向动力对制动系统的影响 机车和车辆所组成的机械系统是十分复杂的。列车在运行过程中，有多 个时变的力同时作用其上，而且有时各个作用力又彼此影响。由于线路条件 引起的坡道阻力、车辆制动力、各个车辆相对位移而产生的车钩力以及风阻 力、曲线阻力、机械阻力( 轴承、轮轨等摩擦) 等。这些力共同影响着列车运行 的平稳性、安全性。要对机车制动系统进行实时监测，就必须从引起故障的 原因入手，进而才能对其作出相应的故障诊断。本章着重介绍列车纵向动力 对制动系统所造成的影响，得出这些影响会对机车的制动系统造成故障这一 结论。 3 1 列车运行时受纵向力特点及分类 根据列车的运行工况所受作用力特点，将列车的运行状态分为两种一稳 态、非稳态( 瞬态) 运动。 稳态运动是指列车在常力或变化缓慢作用力作用下的等速或匀加速运 动。在稳态运动中，车钩力取决于列车的外力，如稳定的牵引力、制动力、 坡道阻力等。这种条件下车辆间相对位移量比较小，车钩力不具有冲击性质。 因此，车钩力的数值大小相对稳定，而且也较小，对列车的性能无较大影响。 非稳态运动包括列车启动、制动等工况、牵引力骤变过程以及调车时车 辆之间的冲击过程。这时车钩力中除了具有稳态运动时的作用力以外，车辆 之间的相互作用力对其影响较大。而且，车钩力与车辆之间相对位移、冲击 速度、车辆缓冲装置的性能有较大关系。在非稳态运动的条件下，车辆上的 纵向力具有波动性，其数值围绕着稳态时纵向作用力作上下波动。由于车辆 之间相对运动存在各种阻力，非稳态运动因阻力而衰减，最终成为稳态运动。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 3 2 车辆缓冲装置的作用和性能 车辆缓冲装置的主要组成是缓冲器。缓冲器的作用是用来缓和列车在运 行中，由于机车牵引力( 制动力) 的变化或在启动、调速及调车作业时车辆相互 碰撞而引起的纵向冲击及振动。缓冲器在纵向力的作用下具有一定的弹性变 形，同时变形过程中存在阻尼，阻尼有耗散车辆之间冲击和振动的功能。弹 性和阻尼的共同作用结果是缓和车辆的纵向冲击，从而减轻对车体结构和装 载货物的破坏作用，提高列车运行平稳性f l “。 3 2 1 缓冲器的挠力特性 目前，广泛使用的摩擦式缓冲器的结构较为简单，可用个弹簧和一个 摩擦组件来模拟l “j 。 其模型简图如图3 1 所示。 图3 - 1 摩擦式缓冲器模型简图 从模型简图不难看出，弹簧的作用是提供缓冲器形变复原力，而缓冲器 的能量吸收则全靠摩擦面之间的摩擦。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 l 刁工 ，睦 加戴曲帔印一 鼍陟 _ j ， 卸载嘶线 x 车钩间隙溉缓冲器行程 图3 - 2 摩擦缓冲器挠力曲线 研究表明，缓冲器的加载、卸载曲线是不同的，是不可逆的。由于摩擦 机理的复杂性，虽然弹簧复原的过程可能是线性的，但摩擦减振器的特性却 是很难描述的。所以弹簧实际的挠力特性不仅与缓冲器形变有关，还与车辆 相对运动方向有关。摩擦缓冲器挠力曲线如图3 2 所示。 从图3 2 中可以看出，缓冲器的挠力特性曲线是十分复杂的，缓冲器的卸 载过程取决于缓冲器开始复原时的形变量，即有无限多个可能的卸载特性曲 线。同时，加载曲线也由于不同的起始位置的不同而不同。从图中还可以看 出，加载、卸载的外侧轮廓曲线所包围的面积，就是在一个全压缩过程中缓 冲器所吸收的能量。要想在数学模型中反应这种特性是十分困难的，一般寻 求等效的方法来代替。 3 2 2 缓冲器的数学模型 实际运行中，列车能否平稳的运行，缓冲器是一个起决定因素