（电力电子与电力传动专业论文）200公里级crh2型动车组制动控制系统的研究.pdf

a b s t r a c t t h ee m us t u d yc o n d u c t e de a r l ya b o a r d ，m a n yc o u n t r i e sh a v em a t u r ee m u t e c h n o l o g y ，p a r t i c u l a r l yj a p a n ，f r a n c ea n dg e r m a n y c h i n a sr a i l w a y si n c r e a s e da l a r g en u m b e ro fh i g h ，s p e e de m ud u r i n gt h es i x t hs p e e d t oc a r r y o u tt h es p e e d ， c h i n a t se x d e r t sl o c a l i z a t i o nc r h2h i 曲s p e e dt r a i n ，w h i c ht h em i n i s t r yo fr a i l w a y s i n t r o d u c et oja p a nb yk a w a s a k ih e a v yi n d u s t r i e s b r a k i n gi st h ep r o t e c t i o no f t h es a f eo p e r a t i o no ft h et r a i n ，b r a k i n gt e c h n o l o g yi s a ni m p o r t a n tp a r to ft r a i nt e c h n o l o g y b r a k em a n n e ro fe m u ，a c c o r d i n gt ot h em e t h o d o fb r a k i n gf o r c eg e n e r a t e dc a nb ed i v i d e di n t of r i c t i o nb r a k i n g ，d y n a m i cb r a k i n g a n d m a g n e t i cb r a k i n g a c c o r d i n gt ot h em a n i p u l a t i o n ，i tc a n b ed i v i d e di n t oa i r b r a k e ， a i r e l e c t r i c a lb ra _ k ea n de l e c t r i c a lp o w e r b r a k e c r h2e m uu s e dt y p eo fa i rb r a k ea n d r e g e n e r a t i v eb r a k i n gc o m b i n e db r a k i n gm o d e ，w i t hi t se x c e l l e n tb r a k i n gp e r f o r m a n c e t oe n s u r et h es a f eo p e r a t i o no ft h et r a i n c r h2t y p eb r a k i n gs y s t e mc o n s i s t so fe l e c t r i cb r a k i n gs y s t e m ，a i rb r a k es y s t e m ， a n t i s k i db r a k ed e v i c ea n dc o n t r o ls y s t e mc o m p o n e n t s ，w i t hb r a k e ，r a p i db r a k i n g ， e m e r g e n c yb r a k e ，a u x i l i a r yb r a k es y s t e ma n d r e s i s t a n c et os n o wb r a k e ，e t c e m u b r a k i n gc o n t r o l e db yt h eb c u ( b r a k e c o n t r o lu n i t ) b c um e t h o du s i n g m i c r o p r o c e s s i n gd i g i t a lc o m p u t i n g 。b c u c a l c u l a t et h er e g e n e r a t i v eb r a k i n gf o r c e a n dt h eb r a k i n gf o r c et ot h ea i rd i s t r i b u t i o n ，a c c o r d i n gt ot h el o a dc o m p a r t m e n tt ot h e s i g n a la n ds p e e do fi n f o r m a t i o nn e e d e df o rb r a k i n g t r a i nd e c e l e r a t i o nf o r c ec o m p o s e db yb r a k ef o r c ep r o v i d e db yo f t h e i ro w n p o w e r a n dt h er e s i s t a n c ec o m p o n e n to f i tw h e nt h et r a i nr u n s t r a i nb r a k i n gf o r c en ol a r g e r t h a na d h e s i o nb e t w e e nw h e e la n dr a i l ，o rw i l lt h ew h e e l l o c k i n g ”t op o s ea t h r e a tt o t h es a f e t yo fp a s s e n g e r s a d h e s i o no nt h et r a i n ，d e c e l e r a t i o nf o r c e s ，b r a k i n g t i m ea n d b r a k i n gd i s t a n c ei sc a l c u l a t e di nt h ep a p e r t h e nd e c e l e r a t i o na n d s p e e dc u r v e s ， e l e c t r i ca i rd i s t r i b u t i o nc u r v e sd u r i n gt h et r a i nb r a k i n gw e r eo b t a i n e d a n dw h e e l w e a r u n d e re m ub r a k i n gp e r f o r m a n c ew a sa l s oc a l c u l a t e d ，w h i c hv e r i f i e st h ec r h 2 e m u t y p eb r a k i n gs y s t e m c a nm e e tt h es e c u r i t yr e q u i r e m e n t s c r h2e m u t se l e c t r i ct y p eb r a k ei sr e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，a n dt h ec o n t r o lo f t r a c t i o nc o n v e r t e rf o rt h ep r o c e s si nt h er e g e n e r a t i v eb r a k i n g i se s s e n t i a l t r a c t i o n c o n v e r t e ri sc o m p o s e db yas i n g l e p h a s et h r e e - l e v e lp u l s er e c t i f i e r ，d ci n t e r m e d i a t e 1 i n ka n dt h et h r e e p h a s et h r e e 1 e v e li n v e r t e r d u r i n gt r a c t i o np r o c e s s ，1 5 0 0 va cc o m e f r o mt h et r a n s f o r m e rt h r o u g hap u l s er e c t i f i e rc h a n g e di n t o2 6 0 0 v 一3 0 0 0 vd c ，t h e n c o m e si n t oat h r e e ，l e v e li n v e r t e rw i t ha d j u s t a b l ev o l t a g ea n df r e q u e n c ya cf o rt r a c t i o n m o t o r r e g e n e r a t i v eb r a k i n gp r o c e s si st h ea n t i t r a c t i o np r o c e s s ，t h ek i n e t i ce n e r g y w a sc h a n g e di n t oe l e c t r i c i t yb a c kt oe l e c t r o n i cn e t w o r k t h ep r o c e s so fr e g e n e r a t i v e b r a k i n gp u l s er e c t i f i e ri ss i m u l a t e do nt h ep a p e r ，o b t a i n e dv o l t a g ew a v e f o r md u r i n g r e g e n e r a t i v eb r a k i n g i nw h i c ht h em e t h o do fs i n g l e p h a s et h r e e - l e v e lp w m r e c t i f i e ri s t h et r a n s i e n td i r e c tc u r r e n tc o n t r o l ，u s i n gs p w mm o d u l a t i o n ，t h r e e p h a s et h r e e - l e v e l i n v e r t e rc o n t r o lm e t h o di ft h ev e c t o rc o n t r o lu s i n gs v p w m m o d u l a t i o n k e yw o r d s ：a i rb r a k e s ，r e g e n e r a t i v eb r a k i n g ，b r a k i n gf o r c e ，e m u ，t h r e e - l e v e lr e c t i f i e r ， t h r e e 1 e v e li n v e r t e r ，s v p w mm o d u l a t i o n 西南交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可 以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： 日期： 亥舾 ：2 0 l o s 节 指导老师签名：墨而| 毒 日期：沙it ) 多、 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 1 、通过查阅资料，对c r h 2 型动车组的制动力、粘着力、制动距离进行计算， 得出了空气制动与再生制动的制动力分配曲线。 2 、对车轮磨损情况下动车组制动情况进行分析计算，得出了该情况下的制动 力分配曲线。 3 、对牵引交流器进行m a t l a b s i m u l i n k 仿真，得出再生制动过程中的交流器 前后电压波形。仿真采用了基于两电平统一电压调制的三电平s v p w m 调制方法。 本人郑重声明：所呈交的学位论文， 的成果。除文中已经注明引用的内容外， 是在导师指导下独立进行研究工作所得 本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均己在文中作 了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：袤僻：套 日期：驯o l 呷 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 2 0 0 7 年，c r h 2 型动车组正式投入运营，为我国的铁路提速做出了极大的贡献。 c r h 2 型动车组是由南车四方机车车辆股份有限公司生产的高速列车，其全称为 c h i n ar a i l w a yh i g h s p e e d2 ( 中国铁路高速动车组) 。 1 1 国外高速动车组简介 国外的对动车组的研究进行得比较早【1 7 2 93 0 1 ，许多国家都具有成熟的动车组技 术，而最具有代表性的是日本、法国和德国。 1 1 1日本高速动车组 世界第一条高速铁路是1 9 6 4 年1 0 月开通的日本东海道新干线，最高速度可达 2 10 k m h 。以后的四十多年里日本的高速列车技术也不段是发展，现在已经有了非 常成熟的高速列车设计制造体系。 日本新干线最早推出的高速列车是0 系电动车组，该系列车也是新干线通车以 来的主力车型。0 系动车组同以前的列车相比有如下特点：采用交直传动方式；车 头被设计成流线型以减小高速运行的阻力；车身采用密封结构，以避免列车运行 时空气压力对旅客产生不利的影响；编组共1 6 辆车，全为动车以满足列车运行的 动力要求；制动采用电阻制动和空气制动的联合制动。 以后日本又先后推出了10 0 系、2 0 0 系、3 0 0 系、4 0 0 系、5 0 0 系、7 0 0 系、e 1 系、e 2 系、e 3 系、e 4 系高速电动车组。 日本高速动车组均采用分散动力方式。如19 9 7 年1 2 月投入运行的东北新干线 e 4 系的列车，采用8 辆编组，4 m 4 t ，每2 节组成一个电气单元，并且可以两节 联挂运行最高运行速度为2 4 0 k m h 。列车采用v v v f 逆变控制方式，采用三相交 流电机，车体采用铝合金挤压型材料以实现轻量化。这些特点同我国的c r h 2 型 动车组都非常相信相似，不同的是e 4 系的为双层列车，而我国的c r h 2 型动车组 为单层列车。 1 1 2 法国高速动车组 法国自1 9 6 7 年就开始研究高速列车，1 9 7 3 年开始制造高速电动车组，1 9 8 1 年9 月法国第一列高速电动车组正式投入商业运营。 按照发展历程，法国高速动车组可分为四代【1 0 】：第一代为东南线高速动车组 t g v - p s e 型；第二代为大西洋线高速动车组t g v - a 型以及派生的路网高速动车组 t g v o r ，第三代为双层高速动车组t g v - 2 n 型，第四代为动力分散式高速动车组 a g v 型。 法国高速动车组同日本不同，除a g v 型列车之外其他均为动力集中型，即动 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 力在两端的车头，车身上无动力装置。从第二代动车组开始，法国就开始向其他 国家出口高速列车，法国是最早出口高速列车的国家。而第四代列车a g v 由于受 到欧洲标准1 7 t 轴重限制和日本新二线高速列车成功经验的影响，开始使用动力 分散式技术【2 32 6 1 。 近年来法国也在不断研制新一代的列车，2 0 0 7 年4 月，法国的新型试验高速 列车v 1 5 0 创下了5 7 4 8 k m h a 的最高运行纪录。使法国的高速列车技术更具有竞争 力。 1 1 3 德国高速动车组 德国于1 9 7 0 年便开始了高速动车组的前期研究工作，但是由于政策的失误， 直到1 9 8 5 年才试制成功了i c e v 弄高速电动车组，同年，试验速度达3 1 7 k m h 。 1 9 8 5 年该型列车又创造了4 0 6 9 k m h 的当时世界最高速度记录。在此基础上，德 国又于1 9 8 6 年开始研制i c e l 型动车组，并于1 9 9 0 年7 月试制完成，于1 9 9 1 年 6 月正式投入运营，时速达2 8 0 k m h 。1 9 9 6 年，第二代高速动车组i c e 2 型动车组 投入运营，其技术参数与i c e l 完全相同，但长度为i c e l 的一半。1 9 9 5 年德国开 始修建德国科隆一法兰克福高速铁路，线路要求最高运行速度达到3 0 0k m h ，该 线路最大坡度达到4 0 ，原有的i c e l ，i c e 2 型列车已经满足不了运行需要。为此， 德国铁路于1 9 9 4 年订购了i c e 3 型动力分散电动车组。并于1 9 9 7 年投入运行，其 中用于国际联运，并且适应欧洲4 种不同牵引供电系统的i c e 3 型动车组也称为 i c e m 型动车组。此外，为了适应多弯道既有线的需要，1 9 9 7 年德国铁路又订购 了具有摆式车体的i c e 列车，这种i c e 摆式电动车组又称为i c e t 或者i c t ，最高 运营速度为2 3 0 k m h 。1 9 9 9 年后德国为又开始研究新一代的高速动车组i c e 2 1 ， 该型动车组研制成功后将具有3 5 0 k m h 的最高运营速度，能够在欧洲各城市间运 营。 1 2 国内的高速动车组 1 9 9 5 年以前，我国的客运最高运行速度为1 0 5 k m h ，货运最高速度为7 5 k m h 。 随着我国经济水平的提高，人们对铁路运输的需求也在急剧增加，原先的速度已 经满足不了人们的需求。1 9 9 5 年以后我国经过了几次铁路大提速，使客运速度提 高到了1 4 0 1 6 0 k m h ，货运速度相应也提高到了8 0 9 0 k m h 。即使如此，我国的铁 路运输速度仍不能满足广大人民的需求。同时期国外高速铁路速度为2 0 0 3 0 0 k m h 为我国的2 倍。因此，我国的高速铁路的建设和发展已经势在必行。 2 0 0 7 年4 月1 8 日，我国铁路进行了第六次大提速，这次大提速涉及京哈、京 沪、京广、陇海、沪昆、胶济、广深、京九、兰新等18 条线路，在我国铁路发展 史上具有里程碑的意义。这次提速不但提高了铁路运输的质量和速度，使我国的 铁路既有线提速跻身于世界的前列。在这次提速中，我国首次推出了c r h 系列的 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 高速动车组c r h l 、c r h 2 和c r h 5 。这些动车组的运营速度达到2 5 0 k m h 。随 后，最高运营速度达3 0 0 k m h 的c r h 3 型动车组也投入了运营。这些动车组是我 国引进国外的先进技术，并消化吸收，由我国的机车制动企业生产制造的，对我 国的铁路行业的发展有极大的促进作用。相应的货运速度也提高到1 2 0 k m h 。 1 3c r h 2 型动车组简介 c r h 2 型电动车组是铁道部为了进行第六次提速向日本川崎重工引进的高速列 车后，由我国专家将之国产化的产物。它以日本新干线的e 2 10 0 0 系电动车组为 基础。 时速2 0 0 公里的动车组是铁道部为了提高我国铁路旅客运输的水平、速度、档 次而实施的重大举措，同时该举措也为进一步提升了我国铁路车辆制造业水平、 加快我国铁路制造业的发展提供了很大的动力。 动车组采用世界上先进的高速动车组技术【l2 1 ，在设计时又充分考虑到了我国 的实际情况。动车组有九项关键技术和十项配套技术f 9 】，九项关键技术分别是动车 组总成、车体、转向架、牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、主牵引控制系统、 列车网络控制系统和制动系统。十项配套技术分别是：风档、辅助供电系统、空 调系统、车钩、受电弓、集便装置、车门、车窗、座椅和内装。列车的编组采用4 辆动车和4 辆拖车共8 辆的固定编组形式，每辆车均有乘客座席，列车两端设有 司机室，可双向驾驶，正常运行时由前端司机操纵。即可以单列运行，也可以联 挂运行。 这里主要介绍下跟本论文相关的动车组的牵引传动系统和制动系统。 列车的2 、3 、6 、7 车为动车，其他车为拖车。列车有2 台受电弓，分别设于 4 号车和6 号车上正常运行时列车单弓受流，另一台受电弓处于折叠备用状态。受 电弓将2 5 k v 的交流电通过高压电缆传给牵引变压器。列车共有两台牵引变压器给 四台牵引变流器供电。牵引变压器为a t m 9 型单相无压密封壳式结构，用螺栓固 定的吊挂方式安装在车体之下。牵引变压器具有坚固的机械结构能够而机械振动 和冲击；具有体积小、质量轻铁耗小的优点。牵引变流器采用免维修半导体模块 结构，其构成在下文中有详细说明在此不做论述。牵引变流器通过整流逆变将 15 0 0 v 的交流电变换为电压和频率均可调的交流电供给牵引电机。牵引电机为 m t 2 0 5 型三相鼠笼异步电动机，每台牵引变流器带动4 台牵引电动机，即每个动 车设有4 台牵引电动机，全车共有1 6 台牵引电动机。电动机额定功率为3 0 0 k w ， 额定转速为4 1 4 0 r a d m i n 。电动机具有功率大、体积小、质量轻、结构简单构造牢 固的优点，具有良好的牵引特性。牵引传动简图如图1 1 所示。除了这些主要设 备外，动车组的牵引传动系统还有真空断路器、避雷器、高压电压互感器、高压 电缆、高压连接器等高压电器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 图1 1 动车组牵引传动简图 制动系统有空气制动系统和再生制动系统两种。其中再生制动系统即牵引传动 系统的另一个工作模式。空气制动系统由制动控制系统、基础制动系统及空气供 给系统三大部分组成。制动控制系统由司机室操纵，司机室发出电气指令经列车 的信息系统传送到每辆车的制动控制装置，由b c u ( 制动控制单元) 进行计算， 按速度进行减速度的控制，送出与速度相应的压力到制动盘上，进行制动。基础 制动装置主要是指列车的盘式制动装置等。空气供给系统由空气压缩机、空气干 燥装置、总风缸、制动风缸、控制风缸及贯穿全列车的总风管组成的。 1 4 论文研究的内容及意义 1 4 1 论文选题的意义 随着铁路运输速度的提高，列车制动所起到的作用越来越大，因为这跟旅客的 安全息息相关。如果列车只有很高的速度和载荷能力，却没有很好的制动能力的 话，那么便不能保障列车上人和物品的安全，而且还有极有可能发生生命事故， 因此列车的制动是技术列车技术的重要组成部分，没有很好的制动功能的列车不 能称为合格的列车。 c r h 2 型动车组采用空气制动和再生制动联合制动的方式。再生制动与摩擦制 动相比，不但能够减少制动装置的机械磨损，延长装置的寿命，还能将列车的动 能返还给电网，做到节能环保，是非常理想的制动方式。而动车组在制动过程中， 再生制动和空气制动的分配与制动的控制制动所必需的。因此本论文的研究有一 定的意义。 1 4 2 论文的主要工作 本文的绪论部分介绍了国内外动车组发展的概况并对c r h 2 型动车组的整体做 了一些介绍；第二章介绍了动车组制动的一些基本概念；第三章对c r h 2 型动车 组的制动控制部分作了介绍；第四章进行了动车组制动的计算，得出了动车组的 电空分配曲线，并对轮径磨损时动车组的制动情况做了计算分析；第五章通过 m a t l a b s i m u l i n k 仿真软件对再生制动状态下的牵引变流器做了仿真。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章动车组制动的理论 在进行制动的计算与仿真之前，首先要对制动有一个总体的认识【1 3 j5 1 ，本章 介绍了列车制动的一些基本的概念，并对c r h 2 型动车组的制动系统做了介绍。 2 1 制动力与制动距离 2 1 1 制动和制动力 人为地制止列车的运动，使其减速、阻止其运动、阻止其加速称为制动。安装 在列车上，能够实施制动和缓解制动的设备为制动装置。在制动过程中，由制动 装置产生的与列车运行方向相反的外力称为制动力。制动力为人为阻力。在列车 的制动过程中还有许多自然产生的阻力，虽然各种自然阻力也会起作用，但是起 主要作用的还是列车的制动力。 2 1 2 粘着力和粘着系数 列车在钢轨上正常运动时，轮轨之间是没有相对运动的。从物理学的角度分析， 轮轨之间存在静摩擦力，其最大静摩擦力与钢轨材料和列车的重量有关，而与运 动状态无关。 在实际中，由于各种原因【1 1 ，轮轨之间的最大切向作用力比最大静摩擦力要小 一些。这个最大切向作用力即为粘着力，其与车轮钢轨问垂直载荷的比值称为粘 着系数。当机车轮周上的切线力大于轮轨间的粘着力时车轮就会发生空转。在不 打滑的前提下的最大轮周牵引力称为粘着牵引力，其计算如下： c = 尸，( k n ) ( 2 - 1 ) 其中， f ，粘着牵引力 尸，一一粘着重力，即所有动轮对钢轨的垂向载荷之和，k n ； 黏着系数。 影响粘着系数的因素除了速度以外还有很多，比如：轮轨间的干湿情况、脏污 程度、是否有锈等等，而干湿情况又与天气、环境等因素相关，因此不可以用理 论进行计算，只能用试验公式来表达。而试验公式表示了在正常粘着条件下粘着 系数和机车运行速度的关系，列车牵引计算规程规定电力机车牵引粘着系数计 算【2 】如下： 1 ， “= 0 2 4 + 三兰一 ( 2 2 ) 1 0 0 + 8 v 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 其中， v 一一运行速度，k m h 。 2 1 3 制动距离 从列车司机进行制动的瞬间起( 将制动阀手柄移至制动位) ，到列车完全停止 所行的距离即为制动距离。制动距离为制动空走距离与制动有效距离之和。 制动空走距离计算如下： 瓯= 等( 2 - 3 ) 其中， s k 制动空走距离，m ； v o 制动前的速度，k m h ； t k 列车空走时间。 制动有效距离计算如下： = 熹 ( 2 - 4 ) 其中， s 广制动有效距离，m ； a 一一列车在制动过程中的平均减速度( m s 2 ) 。 因此制动过程中的平均减速度可以按以下式子计算： 口= 及丽v 0 2 疆 2 3 6 2 s ( 2 - 5 ) 我国铁路技术管理规程( 简称技规) 规定1 2 0 k m h 及以下速度的列车 紧急制动距离为8 0 0 m ，对于国产时速2 0 0 k m 的动车组，当制动初速度为1 6 0 k m h 时，规定紧急制动距离为1 4 0 0 m ，当制动初速度为2 0 0 k m h 时，紧急制动距离为 2 0 0 0 m 。 2 2 制动方式的分类 2 2 1 按产生制动力的方法来分 按产生制动力的方法，可以将制动分为摩擦制动、动力制动和电磁制动【。 2 2 1 1 摩擦制动 、 闸瓦制动和盘形制动都是由摩擦力产生制动力从而进行制动的。 1 闸瓦制动 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 闸瓦制动又称为踏面制动，是铁路历史上使用最广的一种制动方式，如图2 1 所示。它以压缩空气为动力，通过空气制动机将闸瓦压紧车轮踏面产生摩擦而形 成制动力。闸瓦是用铸铁或其他材料制成的瓦状制动动块。通过闸瓦与车轮踏面 的摩擦，将动能转化为热能消散到空气中，在轮轨间的摩擦力不大于粘着力的情 况下，制动力在数值上可以认为跟闸瓦摩擦力相等。即 口= ( k 饩) ( 2 - 6 ) 其中， b 闸瓦摩擦力，k n ； ! ( k 纯) 作用于一个轮对、一辆车或数辆车的闸瓦摩擦力的总和( k n ) 。 k n 图2 1 闸瓦制动 2 盘形制动 在车轴或者车轮辐板侧面安装制动盘，以压缩空气为动力，通过空气制动机 将制动夹片紧压制动盘的侧面，通过摩擦产生制动力，将列车的动力转化为热能 消散于大气中，如图2 2 所示。 图2 2 盘形制动装置 1 一制动缸：2 一拉杆：3 水平杠杆；4 一缓解弹簧；5 一制动闸片： 6 一制动盘；7 一中间拉杆；8 一水平杠杆拉杆；9 一转臂。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 与闸瓦制动相比，盘形制动有以下优点： 1 ) 可大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗； 2 ) 可按制动要求选择最佳的“摩擦副”。制动盘可以按照制动的要求选择合 适摩擦系数的材料，也可以设计成带散热筋的，它旋转时具有半通风的作 用，以改善散热性能。 3 ) 制动平稳，几乎没有噪声。 因为盘形制动与闸瓦制动相比更有优势，因而更适合于高速列车。盘形制动在 我国的快速客车中普遍采用。 2 2 1 2 动力制动 动力制动包括电阻制动、再生制动、液力制动，依靠机车动力机械来产生制 动力，其大小受机车动力功率的限制，在我国电力机车中普遍采用，在c r h 2 型 动车组中采用的是再生制动。 1 电阻制动 电阻制动在制动时将原来驱动轮对的自励牵引电动机变力他励发电机，由轮 对带动发电，并将电流通往制动电阻，并强迫通风，使热能消散于大气中 电阻制动虽然损失电能，但其制动系统独立性强，可以与接触网不发生联 系，易于调节、控制，是最为可靠的电制动方式，我国国产的电力机车如韶 山1 ，韶山3 ，韶山4 型等机车均采取这种电制动方式。 2 再生制动 再生制动将牵引电机的电动机工况转为发电机工况，将电能反馈给电网，从而 可以使电能再利用，与电阻制动相比再生制动更加节能，因此在动车组上大量应 用，我国的c r h 系列的客车均采用这种制动方式。 3 液力制动 液力制动在制动的过程中将动能转化为热能并由柴油机冷却装置消散到周围 的空气中去。液力制动能可靠地施加阻尼制动，但是其结构复杂，初始投资大， 因此在现在电力机车高速发展的情况下，已经被电制动代替。液力制动多用在内 燃机车上。 2 2 1 3 电磁制动 电磁制动包括磁轨制动和涡流制动。 1 磁轨制动 在转向架两个侧架下面的两个车轮之间各安装一个磁铁，制动时通过电磁铁的 吸附力和其上的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦来产生制动力，将动能转化为热能 消散于大气中。 磁轨制动分为电磁型磁轨制动和永磁性磁轨制动，其最大优点是产生的制 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 动力不受轮轨问的粘着条件限制，除了粘着力外还有磁铁的吸附力。电磁磁 轨制动装置主要由励磁电路、构架、制动梁、升降风缸、电磁铁等构成，制 动时需要提供大量的电能。永磁性磁轨制动既可实现非粘着制动，又无须为 维持制动力而提供任何能量，甚至可替代手制动机作为停车时的防溜制动装 置，故特别适用于安全要求较高的系统。 图2 3 磁轨制动装置 磁轨制动具有良好的制动能力，特别是永磁性磁轨制动，由于其具备良好 的环保节能效果，能提高轨道客运的安全系数，可以替代手制动机，有着很 好的前景。但是由于技术原因，现在应用还不够广。 2 涡流制动 当金属板在磁场中运动时会产生感应电压，进而产生涡流，涡流又会形成一个 与原先的磁场方向相反的磁场，两个磁场相互排斥，使运动中的金属板减速，同 时金属板会发热。这就是涡流制动的原理。因为涡流是金属在磁场中运动而产生 的，所以涡流制动不适用于停车制动。制动力也取决于列车的运行速度和磁场强 度有关。速度越快产生的制动力就越大，而在制动过程中调节电源供电就可以精 确地控制制动力的大小。 涡流制动具有无磨损、无噪声、节能、经济和耐用等优点，但是其对列车运行 的基础设施要求非常高。采用涡流制动的列车运行的线路，轨道结构有很好的抗 热性。涡流对列车的信号和列车控制系统有很大的干扰，这就有可能造成不可挽 回的损害，因此要使用涡流制动，不但要对列车运行的基础设施进行改进，还要 对列车控制系统进行改进。 涡流制动在德国商业运营中得到了成功的应用，到2 0 0 8 年德国涡流制动的运 营里程已经超过1 亿列车公里；法国2 0 0 7 年建成的东线高速铁路运营的法国新一 代高速动车组a g v 也采用涡流制动。 2 2 2 按制动力的操纵方式来分 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 按制动力的操纵方式，动车组的制动方式可以分为空气制动、电空制动和电 制动。 2 2 2 1 空气制动 空气制动分为直通式空气制动和自动空气制动，在机车上均由空气制动机来完 成，即为直通式空气制动机和自动空气制动机。 直通式空气制动机如图2 4 所示【3 1 ，空气压缩机( 风泵) 1 产生压缩空气并送 图2 - 4 直通式空气制动机 1 空气压缩机( 风泵) ；2 总风缸；3 总风缸管；4 制动阀；5 制动管；6 制动缸； 7 缓解弹簧；8 活塞杆；9 制动杠杆及其支点；l o 闸瓦及瓦托。 入总风缸2 储存，将制动控制阀4 置于制动的位置，则压缩空气被送入各车厢的 制动缸，由制动缸推动活塞带闸瓦或制动盘进行制动；同样将制动阀置于位置则 可以实现保压。需要缓解的时候，将制动控制阀置于缓解的位置，制动缸内的压 缩空气就从制动阀排气口排出，机车解除制动状态。 直通式空气制动机由制动管直接通向制动缸，制动管增压制动，减压缓解。其 优点是构造简单，且操纵方便。缺点是如果牵引的车辆过多，这种空气制动机制 动和缓解的时间就会比较长，前部缓解快，后部缓解慢，前后时间大；如果制动 软管被拉断了，则会完全丧失了制动能力，安全性不好。 自动式空气制动机【4 】如图2 5 ，与直通式空气制动机相比，在每辆车上多了个 三通阀。三通阀与列车制动管、副风缸和制动缸相通三通阀有三个基本档位分别 是：充气缓解位、制动位和保压位。每节车厢有一个独立的三通阀控制本车厢， 如果某节车厢的制动装置坏了，只要将该车的制动管上的截断塞门关闭，就不会 影响其他车。列车制动管排风制动，如果列车制动管破裂或者车厢链断了，则列 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 图2 5自动空气制动机 1 空气压缩机；2 总风缸；3 总风缸管；4 制动阀；5 制动管；6 制动缸； 7 三通阀或分配阀；8 副风缸；9 给气阀；1 0 三通阀活塞及活塞杆； 1 1 节制阀；1 2 滑阀；1 3 排气口；1 4 基础制动装置；1 5 闸瓦。 车制动管排风，全列车车厢三通阀都进行制动，使前后部车厢都停车制动，安全 性好。 l l j 雍气舅位 5 ，( b ) 饼动位 ( c ) 保压位 图2 - 6 三通阀的工作原理 ( 图中各件号名称见图2 - 5 ) 2 2 2 2 电空制动 电空制动即电控空气制动，是以低电压( 1l o v ) 控制接触器、继电器、电空 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 阀等开通或关闭某气路，以使用空气压力使全列车制动。电空制动控制的是电流， 制动的原动力是压缩空气，当制动机的电控失灵时，仍可以实行空气压强控制， 临时变成空气制动机。电空制动的本质仍是空气制动。 2 2 2 3 电制动 电制动操纵控制和原动力都用电的制动方式称为电制动。产生的电能如果返回 电网给其他设备使用的称为再生制动，产生的电能通过电阻发热逸散掉的称为电 阻制动或者能耗制动。电制动是各种型号的高速动车组的主要制动方式。 2 3c r h 2 型动车组的制动系统 2 3 1c r h 2 型动车组制动系统概述 c r h 2 型动车组采用8 辆编组【2 12 8 1 ，如图2 7 所示，4 辆动车( 即m 车) 4 辆 拖车( 即t 车) ，其中2 、3 、6 、7 号车为动车，其他车厢为拖车，受电弓设在4 、 6 号车上，动车组动行时采用单弓受流，另外一个受电弓处于折叠状态备用。两列 动车组可联挂运行，联挂时受电弓采取双弓受流。 图2 7c r f l 2 型动车组编组 c r h 2 型动车组制动系统【1 8 】主要由电制动系统、空气制动系统、防滑装置和制 动控制系统组成。 c r h 2 型动车组的4 辆动车和4 辆拖车上，动车的每根轴上有电制动和空气制 动装置，空气制动装置包括2 套轮盘式盘形制动装置；拖车的每根轴上只有空气 制动装置，包括2 套轮盘式制动装置和2 套轴盘式盘形制动装置。 c r i - 1 2 型动车组制动系统分为4 个控制单元，1 m 1 t 为一个单元，采用再生制 动和空气制动联合作用的复合制动模式。在单元内再生制动优先，空气制动实行 延迟控制，以减少机械制动零部件的磨损；当列车速度较高时实施电制动，当低 速区域电制动不足或故障时由空气制动来补充。制动方式的转换由微机系统控制 完成。 2 3 2c r h 2 型动车组的制动功能 c r h 2 型动车组制动系统具有常用制动、快速制动、紧急制动、辅助制动和耐 雪制动等功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 2 3 2 1 常用制动 在正常情况下给列车减速、停车制动时实行常用制动。 c r h 2 型动车组的常用制动为再生制动和空气制动的联合制动。m 车上设有再 生制动和空气制动，t 车上只有空气制动，制动级位设1 7 级，以1 m 1 t 为一个 单元对动车组进行再生制动力和空气制动力( 包括m 车和t 车) 的控制，拖车的 空气制动延迟投入。制动的时候优先使用再生制动，动车上的再生制动力多余的 部分将转移到拖车上去，当再生制动力不足以满足列车制动需求时加入空气制动 力以达到编组列车上所需要的总制动力。常用制动还具有空重车载荷调整功能， 按载荷来调整制动力，使动车组保证一定的减速度。 2 3 2 2 快速制动 快速制动的模式跟常制动相同，但是最大制动力为常用制动最大制动力的1 5 倍。在紧急情况下列车将使用快速制动以把列车的全部制动能力都用上来满足制 动需求。 2 3 2 3 紧急制动 紧急制动在紧急情况下产生作用，跟快速制动不同的是紧急制动只有空气制 动，无电制动。在列车总风压力下降到规定值以下、列车分离、检测到制动力不 足、操作紧急按钮或者手柄置于钥匙拔取位的时候可导致安全回路失电，从而启 动紧急制动。 紧急制动在不同的速度范围里制动的减速度也不同，在1 6 0 2 0 0 k m h 范围内减 速度较低，约为o 6 m s 2 , 在1 6 0 k m h 以下时减速度较大，约为o 7 7 8m s 2 围。紧急 制动不具有空重车载荷调整功能。 2 3 2 4 辅助制动 在制动装置发生异常或者制动指令线路断线及传输异常时可启用辅助制动，能 产生相当于3 级、5 级、7 级常用制动及快速制动的制动力。辅助制动的制动力与 列车的速度和载荷无关，每个级位只能发出预定的制动力。 2 3 2 5 耐雪制动 冰雪天气行车时，冰雪进入制动盘和闸片之间的空隙则会影响制动的正常进 行，因此应当使用耐雪制动。耐雪制动动作时，制动闸片被轻轻推出无间隙地接 触制动盘，使冰雪不能进入。 耐雪制动于行驶速度1 1 0 k m h 以下，在耐雪制动开关置于作用位并且操纵制动 手柄时动作。耐雪制动对应的制动缸压力设定值为( 6 0 2 0 ) k p a ，这是使制动缸产 生有效制动力的最小工作压力。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 2 6 停放制动 c r h ：型动车组无专门的停放制动装置。在坡道上停放时，是过在最上方的3 个 轮对下放置6 个铁鞋，来防止列车因重力或风力而滑动的。 2 4 本章小结 本章介绍了关于机车制动的一些概念和制动的分类，并对c r h 2 型动车组的制 动系统与制动功能做了介绍。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 第3 章c r h 2 型动车组的制动控制系统 3 1c r h 2 型动车组制动控制系统的组成及原理 c r h 2 型动车组的制动控制系统通过接收司机发出的制动指令或者其a t p ( 列 车自动防护系统) 来实现制动力的控制，其作用过程主要由b c u ( 制动控制单元) 通过微机处理器计算并传输的。制动控制系统由三个部分组成：制动信号发发生 装置、制动信号传输装置和制动控制装置。信号发生装置为司机控制的制动手柄 等控制器或者a t p 等控制单元。信号传输装置借助列车的信息控制系统来实现信 号的双向传输，即将指令传到各车厢和将各车的信息反馈给司机室。制动控制装 置的核心为b c u ( 制动控制单元) ，其通过微机进行运算处理并实现信息的传输， 对各车的制动进行实时控制。 图3 1 表示了一辆车从制动指令的产生到基础制动装置的组成框图。再生制 动与空气制动的混合制动优先利用动再生制动力，再生制动力不足时由空气制动 力来补充，其过程由微机控制。 司机制动控制器 i 牵引变流器： 一一_ 空气制动指令 转换装置 电气指令 车辆信息控制装置 一 一， 图4 7 坡道阻力示意图 根据物理学原理坡道阻力的计算式为： 彬= m g s h l o ( k n )( 4 - 8 ) 其中： 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 m 列车质量，t ； g 重力加速度，9 8 m s 2 ； 0 坡道与水平方向的夹角。 工程中常用t a n0 代替s i n0 ，即： 彬= m g t a n o ( k n )( 4 - 9 ) 而在牵引计算中习惯使用单位重量的列车作为受力计算的依据，用下式表示： 矽 彩二= 二二l x l 0 0 0 = 1 0