高速动车组制动技术新进展.doc

毕业论文中文摘要高速动车组制动技术新进展摘要 众所周知，先进的制动技术是保证列车高速运行安全性、有效性和舒适性不可或缺的一部分，对于高速列车的制动来说，传统的摩擦制动方式已不能保证运行的安全，一些方式更加灵活、性能更加卓著的制动技术（如电磁制动、电阻制动等）已在现有动车组上使用。本文将对其加以宏观论述与回顾，并以此为基础总结诠释目前国内外动车组制动的新技术。这些技术中包括已有成熟技术（尚未大规模使用），也有处于试运行阶段仍需改进但前景诱人的前沿技术。希望通过宏观的解构、整合，对动车组制动技术现状的及其未开发展趋势作一次鸟瞰式介绍，同时进一步加深我在制动理论方面的认识。关键词 动车组制动现状 动车组制动新进展 宏观解构 目 录1 引言 32 动车组制动技术现状概述32.1 关于动车组制动 32.2 浅析国外几种高速列车制动 53 高速动车组制动新技术进展 53.1 磁轨制动53.2轨道涡流制动 63.3 飞轮储能制动73.4 空气翼板制动 83.5 液压制动9结论 11致谢 12参考文献131 引言 近年来，随着我国社会经济的快速发展，我国掀起了高铁建设的热潮，CRH各型动车组先后投入使用，在世界高铁史册留下辉煌的一页。制动这一列车安全运行必不可少的环节，历久弥新涌现了不少新技术、新手段。运用吸收这些新东西，有利于促进我国高速动车更快更好发展。本文正是基于这种认识而作的。文章概括回顾了国内外动车组制动技术的现状，并据此阐述了目前动车组制动的新技术进展，这些技术虽仍有瑕疵，但瑕不掩瑜它们终将在未来高速动车组制动方面大放异彩。2 动车组制动技术现状概述2.1关于动车组制动2.1.1 动车组制动基本认识 现代高速动车组采用动力分散模式，列车制动由电气制动和空气制动复合而成，包括制动控制系统和制动执行系统。控制系统由制动信号发生、传输装置和制动控制装置组成；执行系统即基础制动装置，常见的有闸瓦制动和盘形制动。由于运行速度高，黏着系数小，制动距离要求短，动车组均设有高性能电阻防滑器，进行防滑控制，充分利用黏着。 以CRH3为例，制动系统主要设备包括以下几部分：风源系统、制动控制单元备用制动系统、撒砂装置、空气防滑装置、空气悬挂装置、基础制动装置 ，如图21所示。图212.1.2电制动电气制动简称电制动，包括电阻制动和再生制动。电阻制动是制动时将牵引主电机作发电机,利用动能发电并将电能通过车辆的制动电阻转变为热能，从而获得制动力的方法。再生制动是将电能通过牵引系统的变流器逆向变换，制动时将牵引主电机转换成发电机工作。所谓“再生”本质是将牵引加速过程中从接触网获得的电能经转换和各种磨耗后反馈给电网，从而获得制动力的方法。电制动可单独使用或与空气制动一起使用，与空气制动一起使用时将优先使用电制动，以减轻空气盘形制动部件的磨耗。现行动车组电制动与空气制动分工一般为：动车驱动轴使用电制动，动车非动力轴和拖车使用电空制动，超出使用电制动力的速度范围，动车拖车均使用空气制动。 2.1.3直通式电空制动目前动车组制动控制是一种电气指令微机控制的直通式电空制动。电动车组各车辆上的制动装置由制动控制单元（简称BCU或者叫制动控制器）、EP阀、中继阀、空重调整阀、紧急制动电磁阀等组成。在200m/h动车组上，载荷调整器信号直接来自空气簧空气压力。空气弹簧压力通过传感器转化为与车重相应的电信号，BCU根据制动指令及车重信号计算出所需的制动力，并向电气制动控制装置发出制动信号。电气制动控制与计算结果相应的电信号送到EP阀。EP阀将此电信号转换成相应的空气压力信号送到中继阀，中继阀进行流量放大后使制制动缸获得相应的压力（图22）。拖车常用制动时，制动控制装置的动作过程与动车的基本相同。但因为没有电制动，所以不必进行电制动与空气制动的协调，所需制动力全部通过EP阀转化为相应的空气压力信号，然后由中继阀使制动缸产生相应的制动力。 图222.2 浅析国外几种高速列车制动 目前，国外动车组基本上有3种模式，即法国的TGV、德国的ICE、和日本的新干线，其制动方式参见下表。国别日本法国德国型号0系100300TGV-STGV-ATGV-NTCE-VICE编组16M12M4T10M6T2M8T2M8T2M10T2M3T2M14T速度(km/h)210230300270300350300280列车制动控制方式电磁直通空-液电气指令直通电-液电气指令微机控制电空自动空气电气指令微机控制电空电气指令微机控制电空电气指令微机控制电空电气指令微机控制电空备用制动直通电空直通电空直通电空空气制动空气制动空气制动空气制动空气制动动车制动闸瓦盘形电阻再生涡流拖车制动闸瓦盘形磁轨涡流3 高速动车组制动技术进展3.1 磁轨制动3.1.1 磁轨制动原理简述 磁轨制动：磁轨制动分为电磁型和永磁型，其最大的优点是产生的制动力不受轮轨间的黏着条件限制。电磁铁磁轨制动装置主要由励磁电路、构架、制动梁、升降凤缸、电磁铁等构成（图31）。 图31电磁型磁轨制动装置永磁型磁轨制动分旋转式和移动式。前者由两瓣硬磁材料和磁绝缘夹层制成，后者由一块硬磁和两面软磁层，上端绝缘层制成。在工作状态时，外圈磁轭在控制气缸的推动下转动，内外圈上相同位置的永磁体磁极相反。磁力线穿过极片在感应盘内通过，产生制动力。非工作状态时，外圈上相同位置的永磁体磁极相同，磁力线被屏蔽，不产生制动力。改变控制气缸的行程，内外圈上的永磁体的相对位置可以在一块磁铁宽的距离内任意改变，以实现分级制动。3.1.2 磁轨制动应用及特点 磁轨制动一般作为一种辅助制动方式用于黏着力不足的高速旅客列车紧急制动中，法国的TGV-2N、德国的ICE及瑞典的X2000等高速列车都装有磁轨制动装置。 目前，德国已经在进行磁轨制动用于常用制动的尝试，相信随着技术的进步，这将逐步变为现实。另外，和轨道涡流制动相比，磁轨制动的技术要求较低，在高速铁路技术不太成熟的情况下，磁轨制动是一种比较好的选择。 磁轨制动与轮轨间黏着系数无关，故受气候影响小。另外采用磁轨制动还可缩短制动距离。磁轨制动的不足之处是，制动力产生和消失都很突然，其制动和缓解的突然性决定了它更适宜作辅助性紧急制动装置；另一缺点是采用磁轨制动会使车辆自重增加1吨左右。3.2 轨道涡流制动3.2.1涡流制动工作原理轨道涡流制动技术有旋转（盘型）涡流制动和线性涡流制动。旋转涡流制动是在车轴上装金属盘，制动时金属盘在电磁铁形成的磁场中旋转，盘表面感应出涡流，产生电磁力并发热消散于大气中，从而产生制动力。与盘形制动相比，旋转涡流制动虽然无磨耗，但其制动力也要受粘着限制，且消耗电能太多。线性涡流制动与磁轨制动安装相似，但线性涡流制动的电磁铁在制动时只放下到离轨面很近（710mm）的距离处而不与钢轨接触。它是利用电磁铁和钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力，列车动能转换成钢轨内部的热能。与磁轨制动一样以钢轨为作用对象，制动电磁铁的N极、S极沿轨道方向交替排列。当电磁铁与轨道间隙为7mm、速度为250km/h时、28kw的励磁功率可产生7.2kn的制动力。涡流对电磁铁和钢轨间的气隙很敏感，气隙每变化1mm制动力变化10%。 32轨道涡流制动原理示意图3.2.2涡流制动应用的优势和不足线性涡流制动的优点是高速时有较高的制动力，制动力特性曲线较理想、无磨耗，容易控制并可连续调节。目前，德国ICE-3城间高速动车组采用了可独立工作的轨道涡流制动，可实现无级调节，大大减轻了制动装置的质量。日本100系、300系新干线拖车也采用了轨道涡流制动，电动车组采用复合制动方式，当再生制动不能满足制动力需求时，首先由拖车的涡流制动补充，其次用空气制动补充。当然涡流制动也有其缺点，即制动时产生的涡流使钢轨加热，并影响轨道稳定性；有相当高的电能消耗，它以制动力的平方而增加；涡流制动的电磁场干扰信号装置，制动时电磁力增加了轴重，低速时制动效果较差。3.3 飞轮储能制动3.3.1 飞轮储能的工作原理及组成飞轮储能系统是一种机电能量转换的储能装置，突破了化学电池的局限，用物理方法实现储能。通过电动/发电互逆式双向电机，电能与高速运转飞轮的机械动能之间的相互转换与储存，并通过调频、整流、恒压与不同类型的负载接口。典型的飞轮储能系统由飞轮本体、轴承、电动/发电机、电力转换器和真空室5个主要组件构成（见图3-3）。 33飞轮储能的基本结构飞轮本体是飞轮储能系统中的核心部件，作用是力求提高转子的极限角速度，减轻转子重量，最大限度地增加飞轮储能系统的储能量。轴承系统的性能直接影响飞轮储能系统的可靠性、效率和寿命。 飞轮储能系统的机械能与电能之间的转换是以电动/发电机及其控制为核心实现的，电动/发电机集成一个部件，在储能时，作为电动机运行，由外界电能驱动电动机，带动飞轮转子加速旋转至设定的某一转速；在释能时，电机又作为发电机运行，向外输出电能，此时飞轮转速不断下降。电力转换装置是为了提高飞轮储能系统的灵活性和可控性，并将输出电能变换(调频、整流或恒压等)为满足负荷供电要求的电能。真空室的主要作用是提供真空环境，降低电机运行时的风阻损耗3.3.2 飞轮储能制动的应用飞轮电池充电快，放电完全，非常适合应用于混合能量推动的车辆中。车辆在正常行使时和刹车制动时，给飞轮电池充电，飞轮电池则在加速或爬坡时，给车辆提供动力，保证车辆运行在一种平稳、最优的状态下的转速。德国西门子公司已研制出用于火车的（长1.5m，宽0.75m）飞轮电池，可提供3MW的功率，同时，可储存30%的刹车能。由于技术和材料价格的限制，飞轮电池的价格相对较高，其在动车组制动方面的应用较少，但作为一种新兴的储能方式，它非常符合未来储能技术的发展方向，随着人们的不断探索与尝试，飞轮储能制动一定会在未来动车组制动家族中占有重要一席。3.4 空气翼板制动 翼板制动属于空气阻力制动范畴，在列车各车车体上，布置一定数量的空气阻力板，以产生显著的、可人为控制的空气阻力，该阻力直接作用于车体与列车运动方向相反，可作为制动力。 34 翼板制动原理示意 翼板制动在中高速范围能够产生足够大的制动力，可以成为中高速范围的主要减速手段。使列车处于无摩擦、非黏着是的制动作用下减速。中速及以下范围仍采用常规制动方式。存在以下问题：1.处于高速扰流状态下的翼板会产生扰流、震动。2.因强大的作用力直接作用在列车车顶，而不得不加强车体，不利于轻量化设计。3.列车在中高速范围内的巨大能量无法回收，影响运营经济性。尽管如此，翼板制动的有效性依然吸引人们不断研究。目前这一技术已在国外处于试验运行阶段。3.5 液压制动采用液压制动机来代替传统的空气制动机,可以在确保具有与空气制动装置相同可靠性的条件下实现小型化、轻型化,同时由于液压系统具有快速响应的特点,可取消防滑器,并比空气制动系统具有更好的防滑性能。3.5.1液压制动的组成及基本原理液压制动系统一般是由油泵,蓄能器,电磁控制阀以及制动装置等组成。 整个液压制动系统按照功能来分,可以分为微机制动控制器(MBCU)、电液制动装置及基础制动装置。微机制动控制器(MBCU)以接收常用制动指令、紧急制动指令、电气制动反馈、ATC信号等输入,经过计算机处理,输出常用制动指令、紧急制动指令来控制相应电磁阀,完成制动力的控制。除此之外,它还要控制液压系统的驱动和控制,如油泵的起停控制,以及整个液压系统的状态检测等,如液压系统的各种传感器反馈信息。电液制动装置由电机、油泵、蓄能器、常用制动压力控制、紧急制动压力控制和油箱组成（图35）。 35 液压制动系统结构图3.5.2液压制动应用及优势 1响应速度快。 2压力系为双层结构可以确保其安全性。 3高速运行具有良好的控制性能。 4可以实现无极控制与动力制动之间具有良好的协调性。 目前应用的液压制动机主要有:日本的高速动车组液压制动机、德国的克诺尔液压制动机、磁浮列车采用的液压制动机。11结 论 综上所述，目前我国自主研制的高速动车组制动系统已在“和谐”号上使用, 但在技术上和高速铁路技术发达的国家还有很大的差距。同时,在制动技术方面已经突破了以往空气压力系统的模式，涌现出了电制动、磁轨制动、涡流制动、飞轮储能制动、空气翼板制动、液压制动等一系列新技术，但是随着我国铁路向高速化不断挺进，高速列车的制动问题将更为突出，对于高速列车的制动技术，必须彻底改变过去对于制动系统的陈旧观念和思考模式，根据国外经验以及我国发展高速列车的具体条件，从提高高速列车的安全性、可靠性和舒适性这3项基本要求出发，采用各种新技术并综合考虑机车车辆制动性能和运输、通信、线桥建筑等有关的系统工程问题，令我国动车组制动技术更上层楼。 致 谢三年前，这个校园是我的梦想。三年后，微笑回首来路，一幕幕，宛在昨天。 大学三年学习时光已经接近尾声，在此我想对我的母校，我的父母、亲人们，我的老师和同学们表达我由衷的谢意。 感谢我的家人对我大学三年学习的默默）给了我在大学三年深造的机会，让我能继续学习和提高；感谢母校的老师和同学们三年来的关心和鼓励。这次毕业论文写作我得到了很多老师和同学的帮助，其中我的论文指导老师宇善良老师对我的关心和支持尤为重要。每次遇到难题，我最先做的就是向xxx寻求帮助，而宇老师每次不管忙闲，总会抽空为我指点迷津，然后一起商量解决的办法。这几个月以来，宇老师不仅在学业上给我以精心指导，同时还在思想上给我以无微不至的关怀，在此谨向宇老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。 同时，本篇毕业论文的写作也得到了同学的热情帮助，再次感谢在整个毕业设计期间和我密切合作的