（车辆工程专业论文）新型直通式电空制动机及其关键技术研究.pdf

匹南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 随着我国铁路运输的发展，铁路客运列车也由原来的纯空气制动机发展 到电空制动机。而且，随着高速铁路的发展，在国内，又出现各式各样的电 空制动机。 本文首先分析了国内外的电空制动极的特点，详细介绍了国内目前使用 最广的自动空气电空制动机的特点，并对其存在的优缺点进行了分析。提出 了现有自动空气电空制动机不能满足列车对冲动限制的要求。并对国内乡 的 壹通式电空制动机做了对比分析，提出了适用于我国1 6 0 k m h 干线客车和动 车组的新型电空制动机应具有的功能和要求。 其次分析了我国现有铁路线路的概况和特点，提出了一种符合中国现有 线路和运营特点的新型直通电空制动机。 以此直通式电空制动机为基本模型，设计了一种新型的动车组控制模 型，并完成了电气控制线路图。对其功能、结构和特点进行了分析和讨论。 并与现有使用的动车组制动控制系统进行了对比、分析，并对其关键技术电 空转换阀进行了分析讨论。 然后介绍了电空转换阀核心技术比例电磁铁的原理、作用方式、特点等。 对定推力的比例电磁铁进行了计算。荐对比例电磁铁的电流、力和位移三 者之间关系和特点进行了试验研究，同时对其控制器电子比例控制器进行了 改进。 最后结合我国现有的技术特点和工艺、生产能力，完成了比例电空阀的 设计。 关键词：制动；电空转换阀；比例电磁铁；试验 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t h ep u r ea i rb r a k ei s g r a d u a l l yd e v e l o p e di n t oe l e c t r 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 e a tt h es a l n e t i m e ，v a r i o u se l e c t r o - p n e u m a t i cb r a k i n gs y s t e m sh a s c o m eu pa l o n gw i t ht h e d e v e l o p m e n to f h i 曲一s p e e dr a i l w a yt r a n s p o r t a t i o n t h ep a p e rh e r e w i t h a n a l y z e s c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r o - p n e u m a t i cb r a k e s y s t e mb o t h a th o m ea n da b r o a d t h e na u t o m a t i ca i re l e c t r o - p n e u m a t i cb r a k et h a t i s w i d e l yu s e da c r o s s t h ec o u n t r yi si n t r o d u c e di nd e t a i l t h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g e a r e a n a l y z e d i t i s p r o p o s e d t h a tt h e e x i s t i n g a u t o m a t i ca i r e l e c t r o p n e u m a t i cb r a k e c a n n o tm e e tt h er e q u i r e m e n ti nt e r m so f i m p u l s i o n l i m i t c o m p a r i n ga n a l y s i si sm a d et ot h eg o - t h r o u g he l e c t r o - p n e u m a t i cb r a k eb o t ha t h o m ea n da b r o a d t h ef u n c t i o na n dr e q u i r e m e n tn e c e s s a r yt o t h e n e w - t y p e e l e c t r o - p n e u m a t i cb r a k ei sb r o u g h tf o r w a r dt ot h em o s t l yp a s s e n g e rc a r sa n d e m uw i t hs p e e d i n ga t1 6 0 k m h s e c o n d l y ，t h et e x ta n a l y z e ss i t u a t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c so fo i l i d o m e s t i c t r a c kc o n d i t i o n s an e wt y p eo fd i r e c ti ne l e c t r o - p n e u m a t i c ss y s t e mi sb r o u g h t f o r w a r dt os u i tt oo u rt r a c kc o n d i t i o n sa n d r u n n i n gc o n d i t i o n s b a s e do nt h em o d e lo fg o - t h r o u g he l e c t r o p n e u m a t i cb r a k e ，an e wt y p eo f e m uc o n t r o lm o d e li s e s t a b l i s h e d ，a l o n g 、 ，i 也e l e c t r i cd i a g r a m t h ef u n c t i o n ， s 仃1 l c t i l r ea n dc h a r a c t e r i s t i ca r ea n a l y z e da n dd i s c u s s e d a i s o ，t h es y s t e mi s c o m p a r e dw i t h t h ee x i s t i n ge m ub r a k ec o n t r o ls y s t e m t h ek e yp a r to ft h i s s y s t e m ，t h ee l e c t r o - p n e u m a t i c sc h a n g e o v e rv a l v e ，h a db e e na n a l y z e da n d d i s c u s s e d t h i r d l y ，t h ep r o p o r t i o n a le l e c t r o m a g n e t i s m o ft h ec h a n g eo v e rv a l v ei s i n t r o d u c e di nt e r i n so fp r i n c i p l e t y p eo fa c t i o na n dc h a r a c t e r i s t i c s t h e e l e c t r o m a g n e t i s mo fc e r t a i n f o r c eh a db e e nc a l c u l a t e d t h ec o n n e c t i o n sa n d c h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i cc u r r e n t , f o r c ea n d d i s p l a c e m e n t o ft h e p r o p o r t i o n e l e c t r o m a g n e t i s mh a db e e ns t u d i e da n dt e s t e d i nt h em e a n t i m e ，t h ep r o p o r t i o n c o n t r o l l e ro f t h ee l e c t r o m a g n e t i s mh a db e e n i m p r o v e d f i n a l l y ，t h ep r o p o r t i o n a le l e c t r o p n e u m a t i cc h a n g e o v e rv a l v ei sd e s i g n e d ， k e e p i n g i nv i e wt h ed o m e s t i ct e c h n o l o g ya n d p r o d u c t i o nc a p a b i l i t y 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l i 页 k e yw o r d s ：b r a k et h e e l e c u o - p n e u m a f i cc h a n g e o v e rv a l v e ；t h ep r o p o r t i o n e l e c t r o m a g n e t i s m ；t e s t 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 随着中国铁路的几次提速，对机、客、货制动机提出了更高的要求，在 各科研院校和各铁路工厂的努力下，研制出了各式各样的新型制动机，来满 足铁路运输的需要。本文将针对国内客车和动车组制动机的有关问题做一些 初步的探讨和研究。 1 1 问题的提出 国内1 6 0 k m h 的准高速电空制动机仍然是自动制动机，在电操纵为主的 同时仍保持原空气制动机的全部作用，在电路发生故障时，空气制动应当仍 然有效，并能在列车尾部加挂非电空制动的车辆。 1 1 1 1 0 4 d 电空制动机 其主要形式有1 0 4 加电控和f 8 加电控两种。1 0 4 加电控也称为1 0 4 d 电 空制动机也是一种电空为主、气控为辅的客车电空制动机。它是在原有的1 0 4 型空气制动机的基础上加装一个电磁阀安装座、三个电磁阀、一个缓解风缸 及相应的管路、导线、插头等组成，见图卜l 和图l 一2 。 r 一列车营 支管弋_r 制动缸管 厂j i， j i + 工作风缸。 i 厂一一 副风缸 i i ； 一 r 1 慷急阀! 中间体 主阍- i 1 ， 一 ， r ! _ n 一加缓风缸 屯碓阀安装座l j 、 图i 一11 0 4 d 电空制动机 1 0 4 加电控制动机为五线制。它在每个车辆的端部左右各装一个五芯电 缆插座，其中一根2 5 r a m 。的电缆为4 号，用于检查，另4 根4f i l m 2 的电缆 为：1 号用于制动，2 号用于缓解，3 号用于保压，5 号用于回线。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 电磁阀安装座1 0 4 阀主阀与中间体之间，原中间体与主阀的气路依旧相 通，只是安装座上另设置一个止回阀，为副风缸向加速缓解风缸充气而用。 安装座上自左向右依次装有保压、制动、缓解3 个电磁阀。另外，电磁阀座 上有一根外接管路，接加速缓解风缸，还有一根外接管路接主阀的排气孔( 即 容积室的排气孔) 。 l l t j k 菊嗫l f 电磁闷安装座i k jl j 保压制动 缓解 图1 21 0 4 d 电空制动机控制线路 1 制动 2 缓解 3 保压 4 检查 5 零线 加速缓解风缸的压力空气由副风缸通过充气止回阀供给，充至接近副风 缸内的空气压力。在制动时，当副风缸的空气压力降低时，加速缓解风缸内 的空气压力保持不变。 制动电磁阀的常闭气路遮断着列车管到大气的通路，当它得电时，使列 车管的压力空气排至大气。 缓解电磁阀是控制加速风缸与列车管的通路。它得电时，使加速缓解风 缸与列车管相通，失电时遮断。 保压电磁阀则控制容积室向大气排气的通路，失电时，容积室通大气， 得电时切断此通路。 1 1 2f 8 电空制动机 f 8 制动机是国内客车使用的另一种主型制动机，该制动机为二三压力混 合制动机，在三压力作用方式时，具有阶段缓解的功能。为使其能适应准高 速的要求，该制动机也改造成了一种自动电空制动机。 f 8 加电控是在原有的f 8 型空气制动机的基础上加装一个电空箱而形成 的，电空箱是单独设置和安装的，它与原f 8 阀之间用管路连接，参见图1 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 图1 - 3f 8 电空制动机 电磁阀和阀体都安装在电空箱内。电空制动也采用五线制，f 8 加电控实 际上只用四线：制动、缓解、紧急和零线，但是为了保证与1 0 4 加电控混编。 制动保压线仍保持贯通。 常用制动时，常用电磁阀励磁，列车管压力空气除经机车大闸排气外， 同时还经每个车辆的常用电磁阀排入大气，使全列车的分配阀同时发生常用 制动作用。 当列车管减压到预定值时，常用电磁阀复位，列车管停止减压，各个分 配阀进入保压状态。 常用制动后施行缓解时，缓解电磁阀励磁，工作风缸压力空气经缩堵和 缓解电磁阀流向列车管，不用另# t - n 装“加速缓解风缸”就起到了使全列车 各个车辆和机车同步实现加速缓解的目的。 紧急制动时紧急电磁阀励磁，副风缸压力空气经紧急电磁阀口进入放大 阀活塞上方，活塞下移顶开放大阀口，使副风缸的压力空气经过较大的通路 截面进入制动缸。 1 1 3 电空制动机特点 1 0 4 加电控或f 8 加电控的电空制动方式，该方式的特点是： 1 电空制动装置为单管系统自动制动作用方式的电空制动机，是在原有 的1 0 4 或f 8 型分配阀“”上附加电磁阀和控制线路组成。 电空制动的作用方式为自动式即仍然采用空气制动的作用原理，列车 管减压，车辆制动，列车管充气，车辆缓解，控制方式为得电制动，得电缓 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 解，正常运行情况下失电。制动缸的充排气作用仍旧受到分配阀的控制。 2 当电空制动发生故障时，空气制动仍然有效，并能与非电空制动的车 辆混编。 3 用“单管”( 贯通全列车的制动风管只有一根，即列车管) ，并满足 制动机性能要求。 4 控制线路采用五线制，并具有故障显示功能。 5 电操纵电源电压为直流1 i o v 。 6 能在空气分配阀上附加空重车装置。 该方式的缺点是： 1 采用空气制动的作用原理即是列车管先减压，后分配阀动作。紧急制 动时，制动距离和纵向冲动的改善不够明显。 在1 9 9 4 年3 列准高速列车制动性能试验比较中，电空制动比空气制动 的紧惫帝0 动时间有所缩短，但制动距离和纵向冲动的改善不够明显。 试验显示，在1 3 辆编组，各试验条件相当理想的情况下( 防滑器不动 作，盘形制动摩擦副性能稳定) ，f 8 加电空紧急制动距离由1 3 8 8 m 提高到 1 2 9 8 m ，缩短了6 5 ”1 。1 0 4 加电空制动距离缩短不明显。 在现开行的1 6 0 k m h 动车组也是采用的上述制动方式，由于动车组编组 一般只有6 节，电空制动的优势更为不明显。 同时，由于上述原因及一些应用和检修方面存在的问题，国内在2 0 0 1 年9 月前，1 6 0 k m h 动车组和准高速旅客列车电空制动方式基本没有采用， 还是应用的纯空气制动的方式。 2 由于1 0 4 加电控的第3 个电磁阀要用于缓解保压，不能用于电空紧急， 所以，实现紧急制动时不可能大大缩短制动缸空走时间。且f 8 加电控和1 0 4 加电控混编时易产生易外紧急制动，所以暂时还不能混编。 3 列车运行时，调速时易产生纵向冲动。由于采用空气作用原理，在 1 4 辆编组中，常用制动f 8 电空制动时，首尾车的制动缸的最大压差为6 5 k p a ， 1 0 4 电空制动首尾车的制动缸的最大压差为1 0 0 k p a 。1 。所以，产生纵向冲动 不可避免。 4 实现制动缸压力的精确控制和列车减速控制较困难。 5 无法利用动力制动。 1 1 4 国内其它电空制动机 上海铁道大学与国内车辆生产厂家在9 7 年开始研制2 0 0 k m h 动车组制 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 动系统，目前已进入试验阶段。 该系统采用微机控制的直通式电空制动机，备用制动采用自动式空气自 动机，基础制动采用盘形制动加踏面清扫器，动力制动采用再生制动。该系 统主要由制动信号发生与传输部分、微机制动控制单元、气制动控制单元、 备用制动控制系统等部分“1 组成。 该系统采用双管供风式，制动信号为脉宽信号。再生制动运算利用微机 进行运算，e p 阀采用数字式o i l 、o f f 形式，空重车信号为电信号，防滑采用 现有防滑器4 1 等特点。直通制动、备用制动、非常制动之间的转换靠继电器 切换。 该系统具有反应快、制动力控制准确等优点，较好的满足了2 0 0 k r r g h 动 车组的需要。 铁科院也开发了类似的动车组制动系统，主要用于内燃摆式动车组，采 用数字七级编码指令，增加电阻制动手柄，电阻制动采用p w m 指令传递， 采用o n 、o f f 形式e p 阀等特点。铁科院正在研制的“中华之星”动车组制动 系统，也采用了再生制动的动力制动模式，其余情况不了解。 1 。2 国外电空制动机 国外的电空制动机基本也分为自动式电空制动和直通式电空制动。 自动式电空制动与我国的基本接近，这里就不再叙述。 直通式制动系统的结构形式很多，大致可分为电压开关指令、数字编码 指令“、“p ”线模拟指令和“p w m ”脉宽调制指令。 电压开关指令是最简单的电空制动，采用了制动和缓解电磁阀，制动电 磁阀得电时，直通管向中继阀充气，最终获得制动缸压力。缓解电磁阀得电 时，制动缸排气。这种形式控制精度差。 数字编码指令采用三根线七种组合型式“”，每根线为得电失电两种状 态。中继阀一般采用七级膜板中继阀获得七级制动力，此种方式制动缸压力 准确，如果考虑动力制动。一般都需加装微处理器“。 “p ”线模拟指令是一种电流型指令，一个电流值代表一个固定值。它 配合模拟电空阀构成模拟式制动系统。由于采用模拟指令，很容易实现多种 信号的模拟运算，可实现电空制动的各种优良性能，结构简单。但是对于长 编组的列车，由于电路损耗，导致制动特性稳定性差“”。 “p w m ”脉宽调制指令就是上海铁道大学采用的方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 1 3 各种制动机的比较 各种制动机的比较见表1 - 1 表1 - 1 制动机比较表 型制动执行空重车 动力制与普通备用制 制动冲备 动实现车辆混动是否 式指令机构形式动限制 注 形式编需要 自动 式电 空气 空制 两位开 电磁阀不能能否无 动系 关指令运算 统 两位开 电磁阀 空气 关指令运算 不能不能需要无 直通 数字编 中继阀空气或电气和 码指令 加电空电气调空气运不能需要有 , r - k 阀制算 电空“p ”线中继阀空气或电气和 制动模拟指加模拟电气调空气运 能需要有 系统令电空阀制算 “p w m ”中继闽空气或电气和 脉宽调加电空电气调空气运不能需要有 制指令阀制算 制动冲动限制是指将动车施行制动后开始减速的减速度限制在一定的 范围内。主要是指空气制动与动力制动的配合0 1 。 表1 - 1 为制动机的一般情况，对于特殊情况没有考虑。如自动空气电空 制动机增加动力制动的检测导线，也可通过空气运算获得动力制动。 由以上分析可以看出，直通电空制动主要在利用动力制动和控制制动缸 压力的精确度方面有着比自动式电空制动有着明显的优势。所以发展直通式 电空制动机是我们的首选。 1 4 我国电空制动机建议 通过上述分析，可以看出直通式电空制动的形式多种多样，我国的直通 式电空制动机究竟应该采取怎样的方式昵? 1 4 1 我国线路特点 我国山区占很大比重，铁路曲线所占比例较大，约占线路总长的l 3 ， 而其中半径为3 0 0 4 0 0 米的曲线又占相当比重( 2 0 0 k m h 客运专线最小曲线 半径为2 2 0 0 m ) 。其中还有一部分单线线路，列车运行速度受到很大制约。 现有线路的轨间距也达不到高速行车的标准，再加上我们的线路通常为客货 话南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 混运线路，客运列车的运行速度受到限制。 因改造既有线路需花费大量资金( 3 0 0 k m h 高速线路每公里造价约为九 千万元“”) ，所以发展普通动力车组是我国现有线路的首选。根据我国的实 际情况，我国现有线路除极少数专用线外，大部分线路的运行速度在1 6 0k m h 以下，所以应发展一种以1 6 0k m h 为主的直通式电空制动系统。 1 4 2 我国电空制动机建议 2 0 0k m h 直通式电空制动系统因控制线路复杂，涉及的微电子电路和控 制电路太多，应用和维护比较复杂。国产自动式电空制动机从研制成功到现 在已今十多年了，至今仍未得到很好的推广应用。原因是多方面的，但应用、 检修和维护难度的增加是各路局不愿使用的原因之一。所以说，1 6 0k m h 干 线客车和动车组的直通式电空制动机应尽可能简单、实用，应考虑能与现有 5 线制自动式电空制动机尽量兼容，但又要具备直通式电空制动机的优点。 它应遵守以下原则： 1 直通式电空制动机可采用5 线制，适用于我国国情并便于现有客车和 动车组的改造。 2 直通式电空制动机即可用于动力分散式动车组也可用于动力集中式动 车组。 3 直通式电空制动机应有效利用动力制动，并能限制制动冲动。当再生 制动力大于动车制动力时，再生制动力可分配到邻近的拖车单元。 4 直通式电空制动机中电空制动机能作为电空阀单独使用，拆下此电空 阀，原系统能直接变为自动空气式制动系统。 5 直通式电空制动机应具有紧急制动和常用制动功能，常用制动级别在 七级以上，制动控制信号可利用现有的1 i o v 电压，长编组时可采用其它制 动指令信号形式。 6 直通式电空制动机采用空气运算式的空重车无级调整，即用现有的自 动式电空制动系统的无级空重阀方式。 7 直通式电空制动机与备用制动信号之间靠空气切换阀自动切换，在电 操纵的同时空气制动同时发生作用，便于与非电空车辆混编，且电空制动系 统失效后，自动转换为自动空气制动系统，同时空重车功能和防滑控制功能 不受影响。 8 直通式电空制动机防滑功能采用外挂式，即现自动式电空制动系统的 方式。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 9 直通式电空制动机应具有阶段缓解和阶段制动的功能。 具备以上功能的直通式电空制动机，具有了直通式电空制动机的主要优 点，也符合我国国情，对现有客车和动车组的改造也能付出极小的代价，因 此适合我们的研究方向 1 5 本论文的主要工作 长期以来，客车和动车组制动机就以多样化和满足不同需要而开发出了 多样化的产品，用户根据需要对列车加装不同的制动产品。本文的目的就是 为中国目前的客车和动车组制动机提供一种新的思路和方法。本文做了以下 几方面的工作： 1 本文在分析了国内外的电空制动机的特点，并对其存在的优缺点进行 了分析的基础上，提出了新型电空制动机应具有的功能和要求。提出了一种 符合中国现有线路和运营特点的新型直通电空机，并对其功能和原理进行了 详细的分析和讨论。 2 以此直通式电空制动机为基本模型，以动车组为例，设计了一种以电 流为制动指令的新型的动车组控制模型，并完成了电气控制线路图。对其功 能、结构和特点进行了分析和讨论。并与现有使用的动车组制动控制系统进 行了对比、分析。 3 详细介绍了国内外制动机用电空转换阀的应用情况，对直通式电空制 动机其关键技术电空转换阀进行了分析讨论。 4 介绍了本文所选电空转换阀核心技术比例电磁铁的原理、作用方式、 特点等。对一定推力的比例电磁铁进行了计算。再对比例电磁铁的电流、力 和位移三者之间关系和特点进行了试验研究，同时结合应用对其电子比例控 制器进行了改进和探讨。 5 最后结合我国现有的技术特点和工艺、生产能力，并以试验为基础完 成了比例电空阀的设计。结合本文论述，提出了我国1 6 0 k m h 为主的干线客 车和动车组直通式电空制动机应具有的基本功能和原则。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第2 章新型直通式电空制动机 通过第l 章的论述，为满足适合于1 6 0 k m h 客车和动车组的运行要求， 又要符合中国现有国情，着手进行新型电空制动机的方案设计。 2 1 电空制动机 根据第1 章的分析，综合考虑各方面的因素，设计出了新型直通式电空 制动系统。它的主要部分电空阀结构原理如图2 1 所示。 图2 - l 电空制动机原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 2 1 1 电空制动机组成 电空阀部分主要有t e 例电空阀l 、比例电空阀2 、切断阀、紧急电磁阀、 缓解电磁阀、非常电磁阀、单向阀、容积风缸、限压阀、s z - i 型自动随重调 整阀组成。 各车的控制线路有5 根，分别是常用制动、紧急制动、缓解、非常制动 和零线。 电空阀内部的连接见图2 一l ，各部分的作用如下t 比例电空阀1 ：用来接收常用制动信号，输入信号为电信号，输出信号 是与电流大小成正比的空气压力，得到常用制动时所需的不同的空气压力信 号。这是将电信号转换为空气信号的装置，一般称作电空转换阀，即“e p ” 阀，这是整个电空阀的关键。在比例电空阀1 中，电磁铁的力为推力。 比例电空阀2 ：此电空阀是通过再生制动控制器( 将再生制动力信号转换 为成比例的电流信号，一般采用防滑器的速度信号作为再生制动力信号) ，得 到与动力制动大小成比例的电流信号，动力制动随速度增加而逐步增加，再 生制动控制器的输出电流也逐步增加，电流作用在电磁铁上产生与动力制动 信号大小成比例的电磁吸力。 比例电空阀2 中输入的压力是各种制动信号压力，输出压力为弹簧力与 电磁吸力的差值。当无动力制动时，输出的最大压力即为弹簧力( 此时列车 首尾制动力一致，不会有差值) ，最小压力即为前端的信号压力，这即为拖 车的制动信号压力。 根据前苏联的经验“1 ，弹簧力的设置比最大电磁吸力大( 一般为l o o k p a 活塞面积) 。保证在全制动或紧急制动时，动车在最大利用动力制动的同时， 空气制动压力不小于l o o k p a 。在一般级别的制动中，如前端信号力小于弹簧 力与电磁吸力的差值，则直接输出前端信号力。如小于l o o k p a 的信号力通过 电空阀2 时压力信号不变。 如图2 2 所示，动车压力为阴影部分面积，拖车压力为整个方框面积。 当拖车制动压力在阴影外时，动车压力正好在边界上。当拖车制动压力在阴 影内时，动车压力与拖车压力一致。 可以看出，列车在制动过程中，动车动力制动力逐渐减少，空气制动力 逐渐增加“，而总的制动力基本保持不变。而且保证了在一定的速度下，动 车的空气制动力在一定的界限范围内。 西南交通大学硕士研究生学位论文第l l 页 拖车 7 、动车 ? ? 。 ?、j 夕? oj ? ? 。? 0 4 j j 图2 - 2 动车、拖车压力分布 v 当动车的再生制动力大于其本身的需要时，拖车上也装比例电空阀2 ， 再生制动控制器按一定的比例给予比例电空阀2 多余的动车制动力信号，使 拖车承受了一部分再生制动力。 比例电空阀2 还对动力制动力具有监测作用，通过再生制动控制器，实 时的对动力制动力进行监测，并反馈出反映动力制动力大小的电流信号，使 空气制动力随动力制动的大小情况不断的进行增减。 切断阀：切断阀是控制进入比例电空阀2 的信号来源的两位三通开关阀。 当无常用制动作用时，切断阀膜板无压力空气，紧急或备用制动信号通 过切断阀上作用口进入切断阀，压下膜板，使活塞和活塞外腔通路打开，使 上腔的制动信号力进入下腔，并通过气路1 1 进入比例电空阀2 。常用制动时， 比例电空阀来的信号压力通过气路9 进入切断阀，切断阀的膜板下活塞设计 大于其上活塞。再加上电制动信号比空气制动快，所以推动膜板上行，打开 了气路i o 与1l 之间的通路，常用制动信号进入比例电空阀2 。 容积风缸：容积风缸作为制动信号的缓冲风缸，避免制动信号发生大的 波动。 s z - 1 型自动随重调整阀：在原u 5 a 的基础上改进而来。它具有对两转 向架上的空气弹簧压力进行检测并平均的功能。根据空气弹簧压力的不同 控制滚轮杠杆支点的位置，使制动信号压力与制动缸压力得到不同的比值， 并具有中继放大作用。 紧急电磁阀：当紧急制动时，使总风压力直接进入切断阀，使容积风缸 压力迅速增加。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 非常电磁阀：当列车发生非常情况时，使总风压力直接进入容积风缸， 输出最大压力。 缓解电磁阀：按下此电磁阀，使容积风缸空气和切断阀上腔空气直接排 入大气，各种工况下都能发生缓解。 单向阀：控制紧急和备用空气制动信号直接进入容积室，与非常制动的 功能分开。 限压阀：控制非常制动容积风缸的最大压力，避免制动信号压力过大。 2 1 2 电空制动机作用原理 新型电空阀具有常用制动、紧急制动、非常制动、备用制动功能，在实 现上述功能的同时，有效利用动力制动，并实现空重车的无级调整。 2 1 2 1 常用制动 比例电空阀从司机控制器得到制动信号，按制动信号的不同，比例电空 阀1 中的比例电磁铁输出不同的推力。总风通过气路3 进入比例电空阀，经 阀口流入膜板室，当比例电磁铁的推力与膜板上方压力一致时，阀口关闭， 比例电空阀输出一定压力的空气信号，一路经气路9 进入切断阀膜板室，一 路经气路1 0 进入切断阀活塞杆。进入膜板室的压力空气推动膜板向上，打开 了气路1 0 与1 1 之间的通路。压力空气进入比例电空阀2 的上腔及膜板室， 比例电空阀2 从再生制动控制器得到电流信号，当比例电空阀2 的输出压力 与弹簧与比例电磁铁的力的差值相等时，阀口关闭。一定的压力空气经气路 1 2 进入容积风缸，再进入s z 1 型自动随重调整阀的信号室，经过s z 1 的放 大作用，总风从气路1 4 经s z 一1 放大后经气路1 3 直接进入制动缸。当比例电 空阀1 的吸力与空气压力平衡时，阀口关闭，总风压力被隔断，电空阀处于 制动保压位。再加大电流信号，平衡被打破，制动缸再按上述气路迸风，实 现了阶段制动的功能。 2 1 2 2 紧急制动 当紧急电磁阀得电时，总风经紧急电磁阀、气路5 、7 进入切断阀上腔。 此时，切断阀膜板下方无压力空气，膜板在总风压力的作用下压下膜板，打 开气路7 和1 1 之间的通路，再经比例电空阀2 进入容积风缸最后到s z 1 。 紧急制动升压时间可比常用制动快些。 2 1 2 3 非常制动 当非常电磁阀得电时，总风经非常电磁阀、限压阀、气路1 5 进入容积 风缸，无论动车还是拖车都将获得最大的空气制动压力。另一路经气路7 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 切断闽进入比例电空阀2 ，比例电空阀2 在容积风缸返回气路1 2 的作用下处 于关闭状态。 2 1 2 4 备用空气制动 当常用制动在发生作用时，备用空气制动同时也在发生作用，当常用制 动发生故障时，备用制动信号通过切断阀上腔、气路1 l 进入比例电空阀2 ， 最后进入容积风缸和s z l 。 2 1 ，2 5 缓解 当制动后，如果缓解电磁阀得电，容积风缸压力经气路1 5 、单向阀、缓 解电磁阀排入大气。切断阀上腔压力空气也经缓解电磁阀排入大气，气路1 2 的压力空气经容积风缸排出。气路9 、1 0 、1 1 的压力空气经切断溷上腔、缓 解电磁阀排出。 缓解时，比例电空阀1 应失电，气路9 、1 0 、1 1 的压力空气也可经比例 电空阀l 的排气口排出( 设切断阀下活塞远大于上活塞) ，即实现了阶段缓 解功能。如缓解电磁阀排气，即实现了强迫缓解。 2 1 2 6 关于备用空气制动与常用制动混合作用的考虑 可以从以上的分析可以看出，紧急制动时，单向阀左边的压力永远大于 右边的压力，单向阀始终处于关闭状态，容积风缸压力空气不会倒流。但在 常用制动时，容积风缸压力可能出现倒流，特别是在制动初期( 因电信号远 快于空气信号) ，所以容积风缸的容积应加上一部分管路容积。但容积风缸 的压力一定小于气路9 、1 0 的压力，不会阻碍切断阀的运动。 同时，为了保证切断阀作用的可靠性，尽量使备用制动的制动级别与常 用制动的制动级别接近，使常用制动和备用制动在相同的制动级别下，常用 制动的压力稍高于备用制动。如果不行，可设计切断阀的膜板下活塞远大于 上活塞，确保运动可靠。 2 1 2 7 调整方案 为解决常用制动时容积风缸倒流的问题，在此方案中，去掉单向阀，接 单向阀的部分断开，其余气路不变。容积风缸的缓解只能通过气路1 2 、比例 电空阀2 、气路1 i 、切断阀上腔、气路7 、缓解电磁阀排入大气。显然，此 种方案，缓解时间要比前一方案慢。 在方案设计时，充分考虑了电空制动机部件模块化和功能多样化的要 求，使单向阀的气路和安装位置保留，如采用调整方案，在单向阀处安装盖 板截断气路即可。 西南交通大学硕士研究生学位论文。第1 4 页 酆 抖 赢 图2 - 3 单管制动系统 2 1 3 车辆制动系统 此电空阀在单管制动系统中的管路如图2 3 。( 细节如缓解显示器、车 长阀等从约) 从图中可以看出，列车管的压力空气进入备用制动系统的副风 缸，作为电空阀的总风。1 0 4 或f 8 的制动缸管作为电空阀的备用制动信号。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 列车管的另一路进入弹簧风缸对空气弹簧供风。s z 1 型自动随重阀对两转向 架的空气弹簧压力进行检测，最终实现空重车无级调整。在制动缸的通路上 安装防滑器，进行防滑控制。整个系统去掉电空阀( 但保留其中的s z 1 ) 后 跟现有提速客车空气制动系统一样。仍然具有防滑和空重车调整功能。在双 管制动系统的管路图如2 - 4 所示。 从图中可以看出，管路增加了总风管，列车管只向备用制动系统供风。 总风管和列车管之间增加无火回送阀门，保证与非电空制动车辆混编。在采 用双管系统时，每个转向架可采用一个停放制动缸。在总风压力小于4 2 0 k p a 时，自动实施停放制动“”。 图2 4 双管制动系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 这里需要特别提出的是备用空气制动机的选择问题。1 0 4 为两压力机构 制动机，在紧急制动时，紧急制动压力与副风缸大小有关。所以如果备用系 统要使用1 0 4 的紧急制动功能，要选择合理的副风缸容积。就是说，如果备 用空气制动机要求压力达到4 5 0 k p a 以上，就要考虑1 0 4 与切断阀的匹配问题。 在1 0 4 的一般使用中，都将1 0 4 的增压部分功能进行了抑制。1 ，1 0 4 最高输 出压力为4 3 0 k p a ，而且减压量与输出压力成压力比例关系，而不是容积比例 关系。 为避免上述情况发生，因此此方案优先选用三压力机构制动机，如f 8 “”、 j z 一6 。如要采用1 0 4 ，可以通过抑制其紧急制动增压功能“”来匹配电空制动 机。 2 1 4 司机控制器的设想 司机控制器是制动信号的发生器。现有2 0 0 k m h 动车组的司机控制器是 在j z - 7 制动机上加装电位器，根据手柄的位置不同，输出0 - 1 5 v 的电压，经 过调制器，将该信号转换为频率为4 0 0 h z 、幅值为6 0 v 的p w m 信号“”，经 过导线传递给各车。在这里我们可直接将电位器换为1 1 0 v ，去掉调制部分， 直接变为制动电压信号。其余部分不改变，直接引用现有的动车组的司机控 制器。现在正开发的新型电力司机控制器也可利用将p w m 信号直接简化成 电压信号的办法，既简单又实用。 2 1 5 现有机车改造的初步设想 另外，对于现有机车，现方案的三个电磁阀在机车室的开关正好可利用 现有j z 一7 加电控的设计方法。紧急和缓解电磁阀和现有自动空气电空制动机 紧急和缓解电磁阀位置一样。非常制动电磁阀只能在司机室增加非常制动按 钮( 代替制动电磁阀按钮) 。这三个电磁阀的安装位置也同现有1 6 0 k m h 动 车组的司机控制器一致。如果考虑现有机车为双端操作。便于用于牵引普通 车辆，则原j z - 7 的制动信号作为电空阀的备用制动系统，j z 7 制动系统全部 保留。如为单端操作，则j z 7 只保留中继阀和均衡风缸。“。动车备用制动系 统也采用f 8 。此时还应增加头车和尾车区别信号线，增加电源控制开关，用 来将11 0 v 直流电源接通，用于头车和尾车的互相联锁控制。 2 1 6 制动指令信号的选取 对于动车组( 一般为6 辆编组) ，机车采用电压信号是合适的，国外有 类似的经验。“，对于编组数量超过l o 辆的普通客车，能否采用电压信号， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 应由实验来确定，如果全制动时，首车和尾车的制动缸的压力差小于3 5 k p a ， 即可采用电压信号制动的方式。因为在现有f 8 自动式空气电空制动中，紧 急制动首尾车压力相差3 5 k p a ，常用全制动压力相差6 5 k p a ( 1 0 4 相差更多) 。 现有电空方案紧急制动压力由紧急电磁阀和比例电空阀2 决定，与首车的电 压信号无关。紧急制动时应不受信号传输的影响，常用或紧急制动时，只要 能达到自动式空气电空制动机常用或紧急制动的水平，即是很大的提高。 如果达不到上述要求，在长编组中应采用p w m 信号或其它信号。如改 为p w m 信号，在比例电空阀1 前端加装调制解调单元，将6 0 v p w m 信号解 调为o - 2 4 v 电压指令，通过电子比例控制器转换为电流指令。比例电空阀控 制电源由本车电源提供，类似于防滑排风阀电源。此时机车电空制动机可不 做改变。 2 1 7 其它 通过以上分析，我们可以看出，此方案不仅具有电指令信号、有效利用 动力制动、紧急制动、非常制动、阶段缓解、阶段制动、无级空重车调整、 防滑控制、常用制动与备用制动自动切换等功能，还能在列车尾部加挂非电 空制动的车辆。 要完成上述工作，难点和首要任务即是比例电空阀1 、2 的设计。其实 比例电空阀l 、2 的基本原理、结构都接近，可以相互借鉴的地方很多。其余 还需要研究的就只有切断阀，其它的都已研究成功或能在市场上直接购买。 再者，应根据动车的实际情况，设计一个再生制动控制器，这需要根据车辆 的实际情况而定，这对于电气设计不是难事。 2 2 动车组制动系统电气原理设计 2 2 1 动车组制动系统电气原理 为了充分体现本系统在制动指令为电流指令时的独特之处，本章将以动 车组为例，对动车组制动系统的整个电气原理进行设计、分析。整个电气原 理方案如图2 - 5 所示。 表2 一l 原理图明细表 序代号名称主要作用备注 号 13 0 1 常用制动控制线常用制动信号传输 23 0 2 缓解控制线缓解信号传输 33 0 3 紧急制动控制线紧急信号传输 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 43 0 4 非常控制线非常信号传输 53 0 5 意外状态显示线意外情况显示 63 0 6 动力线提供1 1 0 v 电压 73 0 7 重联显示线重联显示 3 0 8 地线电源地线 1 o 司机控制器组成 91 1 自动制动阀制动信号发生 1 01 2 均衡风缸排风电磁阀均衡风缸排风 1 11 3 中继阀总风管电磁阀总风截断或开通 1 21 4 中继阀遮断管电磁阀控制总风和列车管通 路 1 31 5 电空紧急排风阀列车管紧急排风 1 41 6 中继阊 控制列车管压力变化 1 51 7 均衡风缸控制列车管压力 3 6 l 2 o 紧急排风阀组成列车管紧急排风 1 62 1 紧急排风阀手控列车管排风 1 72 2 紧急排风电磁阀列车管紧急排风 1 82 3 压力开关紧急排风信号开关 1 93 再生制动及防滑控制再生制动及防滑控制 器 2 04 缓解显示器缓解显示 2 l1 0 l k a 钥匙控制继电器控制电源通路 2 21 0 2 k a 重联控制继电器重联控制延时l o 秒 2 31 0 3 k a 非常制动继电器非常制动控制 2 41 0 4 k a 缓解继电器缓解控制 2 5l o s k a 意外制动继电器意外制动控制 2 6s j 非常制动时间继电器非常制动延时延时9 0 秒 2 71 0 0 k a 钥匙开关触点司机控制器电源开关 2 82 0 0 k a 动力开关触点动力电源开关 2 92 0 1 s b 非常制动开关非常制动开按钮 3 02 0 3 s b 强迫缓解开关强迫缓解按钮 3 1l 0 电源开关指示灯电源指示得电亮 3 2l 1 重联指示灯重联显示重联亮 3 3l 2 非常制动指示灯非常制动显示 非常制动亮 3 4l 3 意外制动指示灯意外制动显示意外制动亮 3 5l 4 缓解指示灯缓懈显示制动亮 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 图2 5 动车组制动系统原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 2 2 2 动车组制动系统作用原理 在此模型中，比例电空阀输入控制信号为o - 1 1 0 v ，直接从常用制动控制 线得到信号。 2 2 21 常用制动 打开钥匙开关1 0 0 k a ，1 0 1 k a 继电器得电，l o 指示灯亮，闭合了1 0 1 k a l 、 1 0 1 k a 2 触点，司机控制器里的自动制动阀就得电。常用制动控制线得电， 当自动制动阀手柄在常用制动区运动时，手柄下方相对应的电位器就在o 11 0 v 之间变化，控制常用制动控制线电压在o 1 - 1 0 v 之间变化，产生无级 的常用制动电指令，同时自动制动阀也产生无级的空气制动指令。 2 2 2 2 缓解 当自动制动阀手柄处于缓解位时，常用制动控制线电压为零；或按下缓 解按钮，缓解控制线得电。使车辆的电空单元缓解，同时空气制动也缓解。 2 2 2 3 紧急制动 当自动制动阀手柄处于紧急制动位时，手柄下方相对应的触点开