（载运工具运用工程专业论文）200kmh列车电空制动系统技术研究.pdf

中文摘要 摘要：随着困民经济的发展，我图铁路事业也取得了飞速的发展，各种列车 速度不断提高，这些高速列车都对作为列车最重要装置之一的制动系统提邀了更 严格的要求，传统的空气制动已远远不能满足需要。高速列车，都是以动力制动 和空气联合制动为主的制动系统，并可配合磁轨制动、涡流制动等其他制动方式。 本文对基于2 0 0 k m h 旅客列车设计的电空制动系统进行了较为详细的介绍和分析。 文章介绍了目前国内外的一些电动车组以及豳前电空制动系统应用的情况 按照整个制动系统的结构分章节作了较为详细的叙述，对关键的制动设备例如气 动柜、制动系统以及制动控制系统进行了系统技术设计，并在设计的基础上应用 c a t i a 软件对主要部件如气动柜、干燥器、制动控制柜进行了三维建模，对制动控 制系统的信号传递方式进行了不同信号优缺点的综合比较与分析，并对最终的信 号选择提出建议。本文重点对采用荐生制动和空气联合制动的制动过程进行了制 动距离和制动减速度仿真计算，通过分析仿真计算结果对设计之初的参数提出改 进意见。 本文为时速2 0 0 公里旅客列车铡动系统的研制提供了菲常重要的理论数据， 提出了有价值的建议，为后续研究者提供了很好的三维模型，奠定了坚实的科学 基础。 关键词：电空制动；制动系统；制动距离；减速度。 分类号：u 2 6 0 3 5 9 。 a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dg r o w t ho fn a t i o n a l e c o n o m y , o u rt o u r i s t s 怒i l w a y i n d u s t r yh a sm a d er a p i dd e v e l o p m e n t k i n d so fh i g h e rv e h i c l es p e e dp u tf o r w a r dm o r e a n dm o r es t r i c tr e q u i r e m e n tt ob r a k i n gs y s t e m ，w h i c hi so n eo ft h em o s tc r i t i c a ld e v i c e o fv e h i c l e s s ot h et r a d i t i o n a la i rb r a k i n gs y s t e mc a n tm e e tn e e da n ym o r e a l lo f h i g h s p e e dv e h i c l e s h a v ea s s o c i a t e d b r a k i n gs y s t e m ，m a i n l ya p p l i e s a i r b r a k e ， c o o p e r a t e dw i t hp o w e rb r a k e , e d d yc u r r e n tb r a k e ，e l e c t r i cm a g n e tw h e e lb r a k e ，e t c t h i s p a p e rg i v e sd e t a i l e de x p a t i a t i o na n da n a l y s i so fe l e c t r i c - p n e u m a t i cb r a k i n gs y s t e m b a s e do n2 0 0 k m hp a s s e n g e rt r a i n t h i sp a p e ri n t r o d u c e ss o m eo ft h ee m uv e h i c l e si nc h i n aa n da b r o a d ，a n d i n t r o d u c e st h es i t u a t i o no fe l e c t r i c - p n e u m a t i cb r a k i n gs y s t e m i ta m p l yd e s c r i b e st h e s t r u c t u r eo fb r a k i n gs y s t e mi ns e v e r a lc h a p t e r s ，i ta l s og i v e sp a r t i c u l a rd e s i g no ft h e c r i t i c a lc o n t r o l c o m p o n e n t s ，o nt h eb a s i so ft h ed e s i g nm a k e st h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l i n gf o rc r i t i c a lp a r t s ，s u c ha sp n e u m a t i cc o u n t e r s ，a i rd r y e ra n db r a k ec o n t r o l c o u n t e r sw i t hc a t i as o f t w a r e t h ep a p e ra l s oa n a l y s e sa n dc o m p a r e st h ea d v a n t a g e s a n dd i s a d v a n t a g e sf o rt h ea p p r o a c ho fd i f f e r e n tt r a n s f e rs i g n a l sf o rt h eb r a k ec o n t r o l s y s t e m ，a n dt a b l e sap r o p o s a lf o rt h ef i n a lc h o i c e t h i sp a p e ra l s om a k e ss i m u l a t i o na n d r e s e a r c hf o rp r o c e s s i o no fd y n a m i ca n dp u r ep n e u m a t i cu n i t e db r a k ea c t u a l ，c a l c u l a t e d e c e l e r a t i o na n db r a k ed i s t a n c e b ya n a l y z i n gt h er e s u l t so ft h es i m u l a t i o n , s u g g e s t i m p r o v e m e n t sf o r t h eb e g i n n i n go ft h ed e s i g np a r a m e t e r s t h i sp a p e rp r o v i d e sav e r yi m p o r t a n tt h e o r e t i c a ld a t aa n dv a l u a b l es u g g e s t i o n sf o r t h er e s e a r c ho f2 0 0 k m hp a s s e n g e rt r a i nb r a k i n gs y s t e m ，p r o v i d e st h eg o o dm o d e l sf o r t h ef o l l o w - u pr e s e a r c ha n dm a k e sas o l i db a s ef o rf u n c t i o no ft h i sw h o l eb r a k es y s t e m k e y w o r d s ：e l e c t r i c - p n e u m a t i cb r a k i n g ；b r a k es y s t e m ；b r a k ed i s t a n c e ；d e c e l e r a t i o n 。 c l a s s n o ： ij 2 6 0 35 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阗和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：李鹰清 导师签名： 折押罕 签字日期：捌年箩月办爱 签字目糍：哆箩年多胃，p 霉 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取褥的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：李海涛 签字日期：劢参g 年劳加嚣 致谢 本论文的工作是在我的导师柳拥军副教授和大同机车厂高级工程师周浩的悉 心指导下完成的，柳拥军和周浩教授严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极 大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来柳拥军和周浩老师对我的关心和指导。 柳拥军和周治教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上 都给予了我很大的关心和帮助，在此向柳拥军和周浩老师表示衷心的谢意。 感谢学院为我提供了这么好的和大同机车厂联合培养的机会，选择了非常有 研究价值的论文课题，得到了很好的锻炼。另外徐宇工、何庆复、刘志明、任尊 松、宋永增、吴作伟等多位教授对本课题的选题和设计方案都给予了有价值的意 见和建议，在此表示感谢l 在实验室工作及撰写论文期间，刘晓方、何可等同学对我论文中的仿真计算 等研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 重1 研究背景 1 绪论 随着世界经济的不断发展，人民的生活节奏越来越加快，世界各国人民要求 出行过程中在途中所花的时间越来越少，安全越来越高；丽对于货物的运输也同 样如此，经销商要求货物运输量越来越大，效率越来越高。近些年，高速铁路的 飞跃发展正不断的满足着世赛旅客及货物运输的需要，铁路运营速度越来越快。 正是速度的越来越快，对铁路运输的安全性要求也更高了。高速不但要求有强有 力的牵弓| 力，还要求有强有力的制动力，从而满足尽量短的制动距离以及尽量减 少制动过程中对车列产生的纵向冲击。我国高速铁路事业的发展可以说近几年才 渐渐的初具模型，通过引进国外高速列车，实行引进一消化一吸收一再创新的过 程从两实现我国高速铁路的跳跃式发腮。丙在消化吸收露创新的过程中对国外高 速列车制动机的国产化是所有部件中较为重要的一个。本文所研究内容为2 0 0 k m h 客车电空制动部分，希望通过本文的研究论述为2 0 0 k m h 机车铡动机的研发提供 参考与帮助。 l 。2 动车组制动系统的特点 制动是发展动车组新必需解决的关键技术之一，动车组的制动系统必须具有 如下四个方面的特点： ( 一) 制动能力强、响应速度快 动车组的制动作用包括调速制动和停车制动，其制动能力首先表现为停车制 动作用时对制动距离的控制。根据列车制动系统的结构特点和司机操纵作用( 自 动或人工控制) ，箨车制动有不同的方式，在同样的制动装置、操纵方式和线路条 件下，其制动距离基本上与列车制动初速度的平方成正比。所以，随着列车速度 的提高，必须相应改进其制动装置和制动控制方式，使其制动麓力强，反应速度 快，才能满足缩短制动距离的要求，具体表现在以下两个方面： 1 、采用电、空联合制动模式，电制动优先，而且普遍装有防滑器。电制动与 空气制动结合可保证列车从低速到高速在整个速度范围内都有充足的制动力，而 防滑器的安装可使轮轨间的粘着力得到充分运用，进而有效地缩短制动距离。电 制动蠢予操纵控制方便，且可_ 以大大减少空气削动系统零部件的磨耗，因藤得以 优先使用。 2 、操纵控制采用电控、直通或微机控制电气指令式等灵敏而迅速的系统。这 些装置使制动系统的反应更为迅速，进一步缩短了制动距离。 ( 二) 制动力分配的准确性和一致性高 动车组的制动作用采用微型计算机控制，可为确保列车正点运行精确提供所 需的制动力。动车组制动系统对制动力的计算精确，电制动和空气制动的分配合 理，使不同的制动方式达到最佳的组合效果；同时，制动指令传递的同步性高， 各车制动的一致性好。 ( 三) 故障导向安全 制动系统作用的可靠性是列车行车安全的基本保证，特别是高速运行时，制 动系统失灵的后果不堪设想。为此，动车组制动系统的可靠性主要涉及下列两个 方面： l 、多缀制动控制方式 动车组一般设有空气制动、微型计算机控制的电空制动和计算机网络三种制 动控制方式( 如c r h l 和c r h 5 动车组) 。在j 下常运行状态下，由计算机网络控制 并传递全列车各车辆的制动信息：当该控制系统发生故障时，能自动转为电空制 动作用；在电气故障或电空制动故障时，能依靠空气制动的制动管减压实现系统 的纯空气制动作用，保证在不良状态下的制动距离。 此外，在动车组微机控制的制动控制过程中需要有大量的信息输入、数字运 算和输出指令，为防止故障，在该指令系统的设计中也需考虑相应的可靠性措施。 2 、制动能力的冗余 在正常条件下复合制动系统的各种制动方式应合理分担制动能量，一旦其中 的某种制动方式发生故障时，其他制动方式疵能提供补充；丽且，对于空气制动， 应充分考虑失电情况下空走时间延长和盘形制动摩擦系数下偏差对制动距离延长 的影响。 ( 四) 制动冲动小 从列车动力学的观点出发，旅客的乘坐舒适性包括横向、垂向和纵向三方面 的指标，动车组制动作用的时间和减速度远大于普通的旅客列车。因此，动车组 的制动系统采用微型计算机控制，实现制动过程的优化，在提高平均减速度的同 时，限制制动减速度的变化率，减少动车组的纵向冲动，提高乘坐舒适性【h 。 1 3 国内外电空制动机发展现状 1 3 1国内电空制动系统现状 2 随着我国铁路旅客列车的提速，对提速后的列车制动机要求更高了。提速旅 客列车电空制动机是1 9 8 5 年国家“七五”科技攻关项目。1 9 8 5 年9 月铁道部在铁 道科学研究院召开了旅客列车电空制动机方案讨论会，与会者有铁道部科技局、机 务局、车辆局主管领导，邀请有关6 个铁路局、豳方车辆研究所、天津机车车辆 厂、眉山车辆厂、西南交通大学、北方交通大学( 现北京交通大学) 和铁道科学 研究院的制动专家、教授进行了讨论，并拟定了方案、原则及技术条馋。在当时的 历史条件下，主要考虑乘车难而将车辆扩编作为重点，因此决定使用1 0 4 型分配阀 加电空制动，电空阀采用列车管减压方式，可与未装电空阀的车辆混编闭。 进入2 l 世纪，铁道部组织备机车车辆厂和科研单位研制和开发2 0 0 k m h 以上 的动车组，其中“中华之星 、“先锋号 和“长白山号具有一定的代表性，2 0 0 3 年4 月起由沈阳铁路局迸一步在线路上作运用考核【3 】。速度2 0 0 k m h 的列车对制动 系统提出了新的要求，最主要的要求如下： ( 1 ) 要求有快速的制动作用，例如2 0 0 k m h 列车的空走速度为5 5 5 m s ，2 5 0 l ( i n h 时为6 9 。4 m s ，所以制动系统的快速反应显得更加重要。 ( 2 ) 高速列车必须有动力制动和空气制动协调工作，两者要求互补，即动力制 动作用在高速阶段和停车之前的低速范围，动力制动不足部分由空气制动自动进 行补充，使制动力保持恒定。 ( 3 ) 世界各国高速列车基础制动装置均采用盘形制动，特别是制动盘和阉片， 一方面要具有良好的摩擦性能，另一方面必须承受列车动能的热消散，因而对其材 质和结构要求非常菏刻吲。 为此，我国科研工作者结合国外的先进经验创造性地开展工作，最终解决了 上述3 个难题，开创了我图高速列车制动系统开发的新局面。高速列车的基础制动 装置，有铡动盘、阑片、单元制动缸、制动夹钳、踏面清扫器和蓄能制动等部件。 高速列车基础制动装置是影响列车制动的关键，不断改进和完善制动系统，特别是 制动盘的结构和材质是今后的长甥研究课题。已经试验的“中华之星、“先锋号挣 和“长白山号均进行了大量的研究工作和试验，均取得了可喜的成绩。 ( 4 ) 高速列车无论是否为动力集中方式，电空制动机均为微机控制的直通式电 空制动机，这样可实现快速的制动要求，并且能与动力制动协调配合工作。当直通 式电空制动机失效时，能囱动转换成空气制动指令，确保制动系统的安全可靠【5 】。 我国旅客列车透过长达5 0 余年的发展，从不麓制造制动枫到具有自主知识产 权的制动系统各项技术和产品，为我国铁路机车车辆技术装备的发展走出了自己 的道路，为列车速度的不断提高提供了可靠傈证。旅客列车速度从2 0 世纪5 0 年代 的5 0 - - 6 0 k m h ，逐步达到l1 0 k i n h ；从新型双层客车研制开始，又将速度提高到 1 2 0 k m h ；接着准高速列车的开发和试验又将速度提高到1 6 0 k m h ；国外动车组技 术的孳| 进迸一步提高了我国旅客列车的运营速度，让中豳也有了自己高速列车。 然而，毕竟我国铁路事业起步晚，技术还明显落艨于国外，所以进一步研制如性 能更好的电空制动机为我国铁路事业的发展奠定基础是非常必要的【3 】。 然而由予我围困内高速铁路发展毕竟起步较晚，丽且最初的铁路不论是客车 还是货车都采用纯空气制动系统，所以电空制动系统最早在国内是通过引进国外 产品的方式应用在城市轨道交逶上。薯艺京地铁是我国最早修建地铁的城市。早麓 北京地铁车辆制动系统采用的是同期大铁路旅客列车制动机，即在l 型空气制动 机的基础上增加空重车调整装簧。但由于该制动机原是为干线车辆设计，且限于 当时的技术水平，通用性较差。不久，北京地铁车辆即开始采用s d 型制动系统。 该系统技术来自日本，基本能满足当时水平的地铁车辆对制动系统的要求。运用 中的一个主要问题是国产化后对系统中的关键部件之一控导阀始终存在技术上 的问题。九十年代初，北京地铁引进w e s t i n g h o u s e 的模拟式制动系统技术，在新 造车和老车厂修时均安装该制动系统，目前为北京地铁的主型铡动系统之一。该 制动系统为电子控制的直通电空制动系统，较好地解决了动力制动与空气制动的 匹配、空重车调整等问题。其存在的闯题是系统的适应性较差，电空转换技术落 后。从复八线开始，北京地铁车辆整体采用引进技术，制动系统大都采用r 本n a b c o 公司的数字式微机制动控制系统。该系统在日本国内运用时，还附有备用制动控 制系统。但零| 入北京时壹于价格原箧和霉内对铡动故障弓| 起救援的重视程度较弱， 所以取消了备用制动控制系统。目前该制动控制系统已成为北京、天津等北方广 大地区b 型车的主型制动系统。上海地铁一、二号线是直接从图外引进的，采用 的是k n o r r 公司的微机控制模拟式直通电空制动系统。一号线和二号线制动系统 的差别在于系统的集成度有所差别。三号线和五号线采用的是w e s t i n g h o u s e 的微 机控制模拟式直遴电空制动系统( 由于w e s t i n g h o u s e 公镯被k n o r r 公司收赠，所 以目前该制动系统也归入k n o r r 公司的产品圈录) 。该系统在原理上与一、二号线 的制动系统相同，但由予由不阏的公司设计和生产，其零部件的原理有一定的区 别。三号线与五号线制动系统在基础制动上差别较大。三号线采用踏面制动，五 号线采用盘型制动【6 】。 总之，制动系统不论是应用在城市轨道交通中还是应用在高速铁路上都是关 键技术之一，制动系统的好坏直接影响着列车运行的安全和质量，随着科技进步， 制动系统经历了纯空气制动、空气制动为主电制动为辅、电制动为主空气制动为 辅三个发展历程，制动控制技术也经历了气动控制、电气控制，直到今天的计算 机网络控制。网络控制的电空制动系统具有如下有点： 制动、缓解灵敏度高，稳定性好，可实现多级控制；空走时间短，冲击小， 制动距离短；制动缸增压、减压速度快，滞后时间短；电制动与空气制动转换平 4 稳，转换过程中制动力大小不变；能根据冲击限制和车辆载荷变化自动调整制动 力；具有防滑控制功能；具有自检和故障显示功能；具有智能化故障处理和故障 对策提示功能，保证列车运行安全；能对制动力和停车位置精确控制，适用于列 车自动驾驶；以再生制动为主，节约熊源，有剩环保。 1 3 2 国外高速列车电空制动系统 国外铁路发展以日本、德囡、法国等国家的高速铁路为典型，尤其是在高速 铁路的发展上远远领先予其他囡家。虽然在高速铁路发展形式上有一定的差别， 但在高速列车的制动系统上都无一例外的采用电空制动，只是在电空制动的具体 制动方式上有一定的不圈，尤其是在控制系统上。下面分别选取冒本翻德国两种 高速列车电空制动控制系统进行简单的介绍。 豳外高速列车制动控制系统一般分为如下几种形式：列车制动控制分列车管 压力控制和电空制动控制，而电空制动控制包括电磁直通式和电气指令式两种方 式，电气指令式又分数字式，数字模拟式，模拟式三种【】丌。图卜l 是曰本3 0 0 系列 车制动系统原理图。其中制动输出控制装置即微机控制单元，它通过列车指令线 接收司机制动控制器的常用制动和紧急制动指令，同时输入列车速度，空重车信 号并按所设定的减速度进行速度粘着的模式运算，遵照优先使用电制动力的原 则进行制动力控制。电制动力不足时以空气制动力作为补偿，应补充的空气制动 力以相应的电流信号送给e p 阀转化成空气舔力信号，通过中继阀使制动缸充气制 动。 德国i c e 高速列车制动控制系统代表性的是k n o r r 公司生产的微处理机控制 的模拟式电气指令自动电空制动系统。其中各车辆微处理机控制单元接收司机制 动控制器发出的制动指令，同时输入空重车信号，按优先使用电制动的原则，在 进行各种制动方式的剖动力沈铡信号混合运算后，将所需要的空气制动力的电信 号指令送至e p 电空控制单元，控制列车管充气或减压，从而控制分配阀动作，达 到制动与缓解的作用。对于动车，只臻在电制动发生故障或制动力衰减达不到列 车所需的减速度和相应于载重要求的制动力时，才施加空气制动力，其控制空气 制动力的部分见图1 - 2 所示。 5 网王_ 1 霹本3 0 0 系列车制动系统原理酣1 0 1 f i g 1 1j a p a n s3 0 0s e r i e st r a i nb r a k i n gs y s t e ms c h e m a t i c s 6 动乍 拖车 图l 一2 德国i c e 离速列车铡动控制系统溅理图【1 1 】 f i g 1 2g e r m a ni c eh i g h - s p e e dt r a i nb r a k i n gc o n t r o ls y s t e ms c h e m a t i c s 1 4 本论文主要工作 针对本论文的设计特点与实际研发工作的需要需完成的主要工作如下： 一、 气动柜技术设计及c a t i a 下的三维建横； 二、 制动系统技术设计及、制动柜的三维建模； 三、 制动信号发生与传输部分方案设计选择。 四、列车用风量计算、单机车的紧急制动距离计算； 五、 列车制动距离与制动减速度仿真计算； 7 2 气动柜技术设计及建模 2 0 0 k m h 客运电力橇车气动柜是在借鉴h x d 2 大功率交流传动电力机车气动柜 的基础上进行设计，基本原则是根据2 0 0 k m h 客运电力机车管路系统的要求进行 一些改进。 2 0 0 k m h 客运电力机车气动柜主要功能是制动系统一些辅助功能及为主压缩 机、总风缸的安装提供平台，如：机车升弓系统、轮缘润滑设备、撒砂、火警检 测及些用于控制机车的压力传感器及压力开关等【n 。以下就针对气动框功能描 述、设备布置等进行详细说明。 2 1功能描述 2 。1 1 控制系统管路组成 控制系统管路是由辅助空气压缩机、辅助干燥器、辅助飙缸、单向阀等及萁 连接管路组成。控制系统管路原理如图2 - 1 所示。 图2 - 1 气动柜控制系统管路组成 f i g 2 1p n e u m a t i cc o u n t e r sc o n t r o ls y s t e mp i p e l i n e 控制系统管路主要功能如下： ( 1 ) 升弓控制系统管路说明： a 、利用风源系统，经c l a ( r t ) a l l 一c p - , r b ( i s ) a l l c p r b ( s e ) a l l f i s r ( a u x ) 为受电弓和主断路器所需的压缩空气； b 、通过观察单针压力表m a n r e s - p t ，判断舞弓风缸空气压力是否达到赣弓要 求，若达到则按如下气路：r b - r e s p t c l a 2 ( r t ) r e s p t f i s r ( a u x ) 为受电弓和 主断路器所需的压缩空气； c 、启动辅助压缩机，c p r ( a u x ) 一c l ( r t ) c p r ( a u x ) 一s r ( a u x ) 一c l a ( r t a u x ) 一f i s r ( a u x ) 为受电弓和主断路器提供所需的压缩空气。 ( 2 ) 其它控制管路说明； a 、由限流孔d i a ( r g n ) s r ( a u x ) 、塞门r b ( i s ) v n ( p u ) s r ( a u x ) 及电磁阀 v e ( p 毽) s r ( a u x ) 构成辅助干燥器再生圈路。 b 、由塞门r b ( i s ) d e 2 - d j ( m ) 、调压阀d e 2 一d j ( m ) 及电磁阀v e 2 - d j ( m ) 构成主断 吹扫用飙。 c 、由塞门r b ( i s ) v r n - t o i t 及电磁阀v e - c l a ( r t ) 构成机械间通用柜天窗自动 通风回路【i 2 】。 2 1 2 辅助系统管路 机车辅助系统管路是为改善机车运行条件和确保列车运行安全设置的。它由 撒砂管路、轮轨润滑装置管路、踏面清扫等组成，辅助管路系统原理图见图2 2 。 图2 - 2 辅助管路系统组成 f i g 2 - 2s u p p o r t i n gp i p e l i n es y s t e m ( 1 ) 撒砂系统管路结构 机车撒砂系统管路由塞门飓( i s ) 泓、电磁阀v e - s a l 、v e - s a 2 构成机车撒砂管 路，而电磁阀1 和2 分别为机车前后两方向撒砂。撒砂通过限制打滑和空转来临 9 时改善轮轨接触。 ( 2 ) 轮轨润滑装置 轮轨润滑装置的管路由塞门r b ( i s ) g r b 及电磁阀v e - g r b 组成。轮缘润滑是用 于减少车轮磨损的，尤其在过慧线时，根据轨道参数来喷洒一定量的润滑油。 ( 3 ) 踏面清扫单元 踏面清扫单元由塞门路一t m q s 、过滤器f 王 凇s 、调匾阖d e t m q s 、电磁阖 v e t m q s 等组成【1 2 】。 2 1 3 参与机车控制用传感器及压力开关等 气动柜装有7 个压力传感器，其中一个为l k j 2 0 0 0 列车管魇力传感器，供监 控装置使用；两个为总风压力传感器，控制压缩机的启停；四个为列车管压力传 感器，测量列车管的减压量进而将信号送给t c u 转换电制。6 个压力开关：其中两 个为辅助压缩机用压力开关，控制辅助压缩机的启停；两个为火灾检测，用来检 测机械间有无火灾；另外两个为紧急压力开关，用于机车紧急作用时起紧急f 2 2 1 。 2 2系统建模、布置与安装 气动柜设备安装参照h x d 2 机车气动柜设备安装，并应用c a t i a 软件进行三维 建模，具体三维模型如图2 - 3 所示。 1 0 图2 - 3 气动柜设备安装三维模型 f i g 2 - 3p n e u m a t i cc o u n t e r si n s t a l l a t i o no f t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l 将管路系统部件集中配置，简化管路，便于调试、方便检修。气动柜下部布 置总风缸，占据气动柜底部。升弓风缸安装于上部左侧，正上方预留主压缩机安 装位置，将制动系统部件集中布置，有利于管路连接及维护。右边安装辅助压缩 机及相关设备安全阀、单向阀、压力测试点、电磁阀等辅助压缩机回路设备。左 侧管路安装屏结构紧凑，布置了气动柜所有的控制及辅助管路。 气动柜共计安装设备如下：压力开关6 个，压力传感器7 个，电磁阀6 个， 压力测试点5 个，塞门1 0 个，止回阀5 个，过滤器3 个，调压阀2 个，压力表1 个等功能性设备；还有阀座、接头、软管、缩堵、钢管等设备用于气动柜管路连 接；还有电气插头、插针、接线端子、编制网管、导线、热缩管等用于气动柜电 路连接。 气动柜设备布置应不仅考虑功能要求，还要周密考虑管路连接方便性、维护 的实用性。如辅助压缩机安装于右侧，增加管路长度是由于辅助压缩机出口空气 温度教高，冷却所要求。而大部分设备安装于左侧管路屏是出于管路连接及维护 等方面的要求。 3 1功畿描述 3 制动系统技术设计及建模 2 0 0 k m h 客运电力机车制动系统是在h x d 2 型电力机车技术基础上，采用国际 先进的制动机，具有微机控制制动力大小，具有自检、故障检测和存储功能，具 有网络通讯功能。根据2 0 0 k m h 客运电力机车应用要求，采用防滑控制、车列电 空制动、踏面清扫、双管供风功能，基础制动采用轮盘制动。 3 2制动模式 3 2 1常用制动 常用制动是正常情况下为调节、控制列车速度或进站停车所施行的制动。其 特点是作用比较缓和，且制动力可以调节，通常只用列车制动能力的2 0 - - - 8 0 ， 多数情况下只用5 0 左右。该制动模式用来控制车辆制动并安全、快速、有效地停 车。优先采用动力制动，空气制动进行替代。司机制动阀控制空气制动，列车管 减压、再充气、快速缓解、过充及随后的消除。考虑到实际情况本制动系统采用7 级常用制动。 3 2 2 紧急制动 该制动模式在异常条件下起作用，确保无论载重的大小都艉获彳导该系统所能 提供的最大减速度。紧急制动的特征是列车管快速排空，可由自动制动控制器( 直 接推到底) 、紧急按钮或其它例如信号系统的紧急装置所触发。翻动制动控制器和 紧急按钮都是直接( 机械地) 在列车管上打开一个快速排气口。作为附加措施， 通过微动开关告知b c u ( 制动控制单元) 使用上述装置施加了紧惫制动。因此通 过触发紧急制动使列车管减压达到o 的目标值而强制进行制动。必须强调的基本 原则是紧急制动必须能够确保其最大停车距离满足要求。 3 2 3 空电联合制动功能 1 2 具有空电联合制动功能，当列车施行制动时，机车优先使用电制动，即再生 制动，以最大程度利用露生制动，再生制动不足部分由空气制动补足。当再生制 动失效或机车速度低于i s k m h 时，空气制动自动替代再生制动。当机车实施非常 制动时，切除再生制动，转为使用纯空气制动。 3 2 4 停放制动 停放制动是为使车辆能够存放在一定坡度的坡道上不溜车而施行的制动作 用。停放制动利用专门的弹簧停放装置使机械制动装置动作，也可将铁靴放入车 轮踏面下面阻止列车运动。停放制动有时也称驻车制动。该制动模式确保车辆即 使在超载与最大坡度的情况下能够停放，操纵台有专f j 的停放按钮进行操作。 3 2 5 备用制动 当运营中的车辆制动控制装置或常用制动电路发生故障，无法实施正常的制 动控制时，可启用备用制动设备进行制动。备用制动设备有两种控制方式；一种 是利用备用制动指令线传递备用制动控制装雹发出的电气制动指令，直接控制各 车的电空转换阀产生制动作用；另一种则是启用车内备用的自动空气制动设备进 行制动，即通过制动管的增减压来控制全列车的制动和缓解。本设计当机车制动 控制单元b c u 、e u r o t r o l 故障时，可转换到另一套电磁阀控制的备用制动，保证 整个列车的正常运行。 3 。2 。6 机车阶段缓解与一次缓解选择功麓 根据需要，遗过翎动柜上转换开关控制实现机车制动机的阶段缓解与一次缓 解功能。 3 2 7列车过充 过充即均德风懿以超“过 列车管定送的压力向列车管“充捧风，使列车管 压力高于列车管定压3 0 - 4 0 k p a ，缩短列车制动后的缓解时间。 3 2 8断钩保护 1 3 当车辆分离时，机车制动系统能够快速检测，并实施紧急制动，保证列车快 速有效的停车。 3 。2 9 与监控装置配合 根据接收到的监控装置信号，制动机可实现常用及紧急制动。 3 3控制原理 自动制动控制器的电气部件发出信号给b c u ，通过b c u ( 制动控制单元) 来控 制e u r o t r o l 。b c u 接收到来自制动控制器接触器的控制信号，根据楣关时闻改变 先导室的压力。通过b c u 驱动e u r o t r o l 的电磁阀来控制先导室。先导室压力按照 闭环控制，如图3 - 1 所示。 3 。4结构组成 图3 - 1 制动控制原理 f i g 3 1b r a k ec o n t r o lp r i n c i p l e _ 专p 哪撇 2 0 0 k m h 客运电力机车制动系统借鉴国外先进经验进行设计，管路的连接考虑 了管路的安全性、车体密封的要求。设计中充分考虑管路集成与部件集中安装的 技术实施，在保证系统可靠性的前提下，进一步落实模块化、系列化设计的技术 思路。 整车可以分为风源系统、控制管路系统、辅助管路系统及制动机系统几个部 分。下面就各部分进行说骧。 1 4 3 4 1风源系统 风源系统是全车空气管路系统的基础，它负责生产并提供机车、车辆的气动 器械用风，以及机车、列车制动机所需的高质量的洁净、干燥和稳定的压缩空气。 提供的空气质量标准为：i s o8 5 7 3 1 ，等级2 - 2 2 。风源系统一般可分为压缩空气 的生产、压缩空气的压力控制、压缩空气的净化处理、压缩空气的储存以及总风 重联五个环节。 3 4 2 空气压缩机组选择及建模 空气压缩机组是风源系统中必不可少的部件。在电力机车上如何选用空气压 缩机组以及随之而来的一些具体参数的选择，均与电力机车的不同适用范围以及 实用工况相关，不可贸然的套用或者简单的承袭，这不仅直接与机车的运行安全 相关，而且也必须考虑经济技术效益。 空气压缩机按其压缩方法可分为往复式和旋转式两种疆盈。 往复式空气压缩机由电动机通过联结器直接驱动，电动机轴直接带动曲轴使 活塞动作，反复交替地进行吸气行程和压缩行程。在吸气行程时吸气阀打开吸入 空气，在压缩行程时压缩空气克服排气阀弹簧的反力后排崽。一般经2 级压缩即 可得到所需压强的压缩空气。 旋转式空气压缩视采用电动帆与惩缩机直联的方式，旋转式空气压缩机又分 为涡旋式和螺杆式两种。涡旋式空气压缩机由固定涡旋盘和运动涡旋盘组成，当 运动涡旋盘转动时，固定涡旋盘和运动涡旋盘之间被分成月牙形的空间，因为越 向中心空间越小，所以从外部吸入的空气随着转动被压缩，然后克服安装在中心 的排气阀弹簧的反力排出。因旋转式压缩机能连续排出压缩空气，所以空压机的 振动、噪声和输出压缩空气的脉动都较小。此外，由于固定涡旋盘和运动涡旋盘 是非接触的，维修量也较少。 圜产时速2 0 0 k m 的动车中设有多个空气压缩机，由嗣步指令线来控制各压缩 机的同步工作，以使负荷平均化。 经过课题组研发人员的选取决定采用一台t s a - 2 8 hi 型螺杆压缩机作为系统 的风源。电机工作电源由辅助变流器提供( 三相a c 3 8 0 v ) 。最大排气压力隽1 0 0 0 k p a ， 排气量为2 8m 3 m i n ( 5 0 h z 时) ，电机功率为2 5 k w 。其冷却用风采用侧墙进风、车 顶排风满足祝车独立透风的要求。安装于气动柜的上方，有效利用空闻。本文将 在后面章节中对整车用风量进行计算以验证所选空压机能否满足使用要求。如不 能满足使用要求将建议更换其他型号压缩机。 1 5 应用c a t i a 软件对空气压缩机组进行三维实体建模，如图3 2 所示。 图3 - 2 空气压缩机组三维模型 f i g 3 2t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lo f a i rc o m p r e s s o r s 3 4 3空气干燥器选取及三维建模 压缩空气作为机车制动机以及机车气动器械的工作介质，其质量的好坏直接 关系到机车或者列车的安全运行。干燥装置是为了防止管路、风缸及气动部件等 的腐蚀以及因冬季排水阀冻结而发生的设备故障，设置在空气压缩机输出管路上 的装置。 本系统空气干燥器采用一台t a d 一4 8 - h 型双塔干燥器。其工作压力1 0 0 0 k p a ， 空气处理量4 8 m 3 m i n 。再生方式为无热、常压。干燥器设置在压缩机排风口与总 风缸之间。安装于气动柜与牵引风机之间。 应用c a t i a 软件对空气干燥器进行三维实体建模，如图3 - 3 所示。 1 6 3 4 4 总风缸 图3 - 3 空气干燥器模型 f i g 3 - 3a i rd r y e rm o d e l 为贮存压缩空气，在列车上设置了不同用途的风缸。由空气压缩机输出的压 缩空气储存在该车的总风缸中，然后经总风管送到本车的制动风缸、控制风缸， 以及全列其它各车的总风缸。制动风缸是制动专用的存储压缩空气的风缸，控制 风缸是为空气弹簧等制动以外的系统供应压缩空气的风缸。 在列车中，往往将一个圆柱形风缸分割若干个室，如总风缸和制动风缸等， 以减轻质量。 本系统总风缸总容积为1 2 0 0 l ，采用两个容积为5 0 0 l 的总风缸及一个2 0 0 l 的 风缸并联作为压缩空气的储存容器，两个5 0 0 l 的总风缸仍安装于气动柜中，2 0 0 l 风缸单独安装于气动柜与牵引风机之间1 1 2 】。 3 4 5 总风压力传感器 总风压力通过两个压力传感器将总风压力信号送给机车控制单元m p u ，m p u 对 压缩机自动控制，以保证总风压力维持在7 5 0 k p a 一9 0 0 k p a 之间。 3 4 6 双管供风 1 7 机车采用双管制供飙，除采用传统的列车管向后部车辆传递制动和缓解信号， 保证车辆制动用风要求外，还增设向后部车辆供风的供风管，以满足车辆空气弹 簧、塞拉门等用风设备要求。供风管的压力设置为6 0 0 k p a 1 2 1 。 3 5 控制管路系统 机车控制系统管路由辅助厩缩机、辅助干燥器、止回阀及其连接管路组成， 用以提供升压用的压缩空气及安全保护措施，是保证机车j 下常运行不可缺少的环 节。 3 5 1 辅助压缩机组 采用1 3 2 2 3 7 3 型辅助压缩机组，与受电弓飙缸和火灾检测管路相连。王作电 压：d c l i o v ，功率为0 5 2 8 k w ，润滑方式：无油润滑，在5 0 0 k p a 排气量为：3 0 l m i n 。 3 5 。2 辅助压力开关 辅助压力开关设定值为6 2 0 k p a - - 6 8 5 k p a ，将信号送入视车控制系统，用以实 现辅助压缩机压力的自动启停控制。 3 6 辅助管路系统 机车辅助系统管路可改善机车运行条件，确保行车安全。主要由擞砂器、风 笛、刮雨器、轮喷装置、火灾检测、踏面清扫及其连接管路组成，是确保机车安 全运行及改善性能的必备装置。各辅助装置均直接使用总风缸压缩空气，各辅助 装置前均设有塞门。在辅助系统管路正常运用中各塞门均置于开通位，只有在某 个辅助装置发生故障或者检修时，才可将相应塞门关闭切断风源。下面对主要管 路及作用徽简要说明u 羽。 3 6 1 风笛管路 为了在运行中取得联络或者警告行人，机车两端均设置高音喇叭两个、低音 喇叭一个，设有电磁阀，由司机室操纵台面板上的喇叭按钮及操纵台下的喇黟脚 踏开关分别控制。 3 6 。2 撒砂管路 用撒砂来防止机车空转或滑行是普遍采用的方法。但是，是否在任何条件下 采用撒砂都能有效的用来防止空转或滑行呢? 研究的结果表明，轨面被油污染后 撒砂，可以提高粘着系数，而撤砂后被油污染的轨面粘着系数会降低，在干净轨 面上少量撤砂糙着系数提高，丽中量以上撒砂则粘着系数反而降低，在空转即将 开始之前撒砂对防空转有效，而在空转已经发生后撒砂则没有效果。可见，如何 适时、适量的进行机车撤砂是非常重要的。 在牵弓l 工况时，当牵引力大于粘着力时，轮对就发生空转。空转的危害是： 一、机车牵引力下降； 二、高速空转使轮对踏面擦伤，甚至轮毂因过热而松弛； 三、牵引电动机电枢绕组也可能在高速空转下因离心力过大而发生飞速“扫 膛，辱 起重大事故。 在机车制动时，当制动力过大以至破坏了粘着，使轮对“抱死”，造成滑行， 也会擦伤轮对的踏面。 可见保持轮对之间良好的粘着是机车发挥牵引力或者制动力的首要条件。撒 砂是豳前常用的保持轮轨粘着条件、防止车轮空轮或滑行的既经济而又有效的措 施。因此，许多图家在研究各种防空转、防滑行手段和装置的同时，都对机车撤 砂予以高度重视。其中对撒砂器、砂子的质量及撒砂量的控制等都是很重要的问 题。 撒砂装置主要接受司机脚踏控制，也能与制动机、防空滑行及断钩保护配合 作用。撤砂器有脚踏撒砂阀或电空阀或两者组合控制的三种控制方式。早起机车 一般只采用脚踏撒砂阀控制撒砂器的擞砂作用；随着电空制动机的使用，为满足 制动机的撒砂要求，采用脚踏撤砂阀和撒砂电空阀共同控制撒砂器的撤砂作用。 2 0 世纪9 0 年代以来，为满足撤砂的重联要求以及保证撒砂方向与机车运行方向的 一致，并能灵活方便的与其他系统配合，新型机车上开始采用撒砂电空阀控制撒 砂器的撒砂作用。 撒砂器以喷射方式分类一般有三种：压缩空气加压撒砂；带两个进风口的撒 砂器，一个使砂翻