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中 南 大 学毕 业 设 计（论文）题目：转向架曲线通过的稳定性和液压制动及国内外发展姓名： 张 海 峰 专业： 铁道机车车辆 学号：10111540205037 设计（论文）指导教师：陈玉娇 发题日期：2012年6月10日 完成日期：2010年7月10日 摘要介绍了应用于铁道机车车辆上的液压制动机的原理、特点和关键技术,对国内外铁道机车车辆采用液压制动机的应用进行了分析,并阐述了液压制动机的发展趋势。关键词液压制动;铁道车辆;发展列车运行速度越高,对车辆设备小型化、轻量化及制动系统的性能及可靠性要求越高。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。为了适应高速机车车辆以及城市轨道交通车辆整体技术的发展,世界上许多国家都对液压制动方式进行了研究,成为铁路机车车辆制动技术发展的趋势之一。目前,随着计算机技术、机电和自动控制技术、现代制造技术及新材料、新工艺等一系列高新技术的蓬勃发展,液压技术有了很大的发展。密封材料性能的提高、液压件微型化以及高可靠性和适用性等,都给机车车辆制动系统采用液压技术创造了条件。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,电磁控制阀以及基础制动装置等部件组成。液压系统原理图一般如图1所示。由液压系统原理图可以看出,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)的工作原理与空气制动机基本相似,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。各部分工作原理如下。(1)电机、油泵及蓄能器电机、油泵将电能转变为液压能源,给整个制动系统提供制动能量。由于机车车辆的制动系统是间隙性工作的,因此采用了蓄能器装置,可有效减少电机功率,降低系统能耗。同时,为了确保制动系统的安全性,在系统中设置了两个蓄能器,使液压动力源具有双重系统。这两个蓄能器中的一个在常用制动时使用,另外一个在紧急制动时被使用。两个蓄能器可同时给紧急制动供油。即使在发生油泵停止工作等非正常状态下,蓄能器仍然具有供3次紧急制动所需能量的能力。电机和油泵在达到系统压力的下限值或者在发生制动作用时接通,在达到系统压力的上限值关闭。液压泵采用间歇运转可靠的活塞式油泵,为了减轻质量和防止漏油,一般采用无管的管座安装方式。(2)常用制动压力控制压力控制采用尘粒无法混入工作油的闭环方式,完成机车车辆常用制动压力的控制。一种方法使用可实现高速动作的平衡型提动阀(高速电磁阀)通过传感器反馈而进行以车轴为单位的数字压力控制。另外一种方法采用电液比例压力阀完成对制动缸压力的控制,其可实现制动缸压力无级控制,以方便与ATO等系统配合使用。由于液压油的可压缩性很小,压力控制响应迅速,因此采用液压控制方式具有消除滑行状态的压力控制功能。(3)紧急制动压力控制在制动控制器的电源断开或者控制油压不足时,紧急控制使蓄能器内的压力油流入基础制动装置内,对每个转向架进行紧急制动压力控制,使其产生紧急制动作用。另外,在制动不缓解和压力不足时,通过液压传感器的检测,可使其对整个机车车辆产生紧急制动作用。(4)油箱油液回到油箱,实现油液的回收。同时完成系统散热。基础制动装置包括夹钳和制动盘。由于采用了液压油缸,整个制动夹钳体积小,可以安装在安装空间极小的走行装置或转向架上。2国内外液压系统现状21液压制动的产生20世纪60年代,第1台液压制动机装置应用于有轨电车上2。它除了作为动力制动机的补充外,首先是完成列车的停车制动功能。20世纪80年代中期开发出了用于快速交通工具(people mover Fahrzeuge)的复合液压制动系统2。此外,利用当时开发出的制动液压无级调节装置满足了能精确调节制动力,以确保列车停车位置准确性的要求。从1990年前后开始,随着低地板有轨电车的迅速发展,促使转向架和走行装置对安装紧凑性要求进一步提高,这种发展对高压液压部件也产生影响。低地板技术推动了液压悬挂和水平调节系统的发展。利用这种系统可以简单的方法达到与采用空气弹簧的车辆同样的乘坐舒适性。液压系统通常既向制动机又向水平调节系统提供液压能源。目前,液压设备不仅用于有轨电车,也用于快速交通工具、单轨铁路车辆、地铁列车和城市快速铁路列车,在有轨电车线路和干线铁路上运行的首批双流制列车上也装备了这类系统。对于标准的铁路机车车辆,如果其走行装置或转向架的空间很狭小,则可安装液压制动装置,这些液压制动装置可以利用专门的液压缸驱动,而这些液压缸用于转换执行从常规空气制动控制系统接受到的“指令”。例如日本的新干线高速列车和西班牙的Talgo高速列车。目前在国内外应用的液压制动机主要有以下几种:(1)日本的高速动车组液压制动机;(2)德国的克诺尔液压制动机;(3)磁浮列车采用的液压制动机。22日本高速动车组采用的液压制动机日本高速动车组制动装置的发展经由了气液制动、液压制动阶段。(1)气液制动方式采用气液制动方式,需要使用增压缸将空气压力转换为一定倍率的较高的液压。增压缸的设置是因为受转向架安装空间的限制,为了得到必要的闸片压力,需要使用体积小的采用较高压力的液压制动缸。另外增压缸上还安装有防滑阀及为解决由于防滑阀连续动作而发生不能制动问题的给排截断阀。图2为气液制动原理示意图1。压缩空气由压缩机产生,经过由贯通全列车的总风管送到各车的总风缸,再经过两个单向阀分别送到控制风缸和制动风缸,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。制动风缸是制动专用的储存压缩空气的风缸,各车制动风缸中的压缩空气供给中继阀、紧急电磁阀和电空转换阀使用。电空转换阀将送来的压缩空气,调整到与制动指令相对应的空气压力,并作为指令压力送给中继阀。中继阀将电空转换阀的输出作为控制压力,输出与其相应的压缩空气送到增压缸。另外当车辆设备发生故障时,经过由紧急电磁阀的压缩空气作为指令压力被送到中继阀,此时中继阀与常用制动一样,将具有相应压力的压缩空气送到增压缸。(2)液压制动方式随着日本新干线高速动车组的发展,液压制动装置得到了广泛应用。液压制动装置最早是在20世纪60年代开发的,并安装在新干线上的951型动车组上进行了试验4。但是由于存在回油内部漏油,液压维护等问题而未被采用。因此,开发了新一代液压制动装置,在电液制动装置的控制阀上采用了开关阀,并简化了结构,应用了传感器反馈等方法,使装置的可靠性得到了大幅度提高。新开发的液压制动装置在试制的500系新干线(WIN350:西日本客运铁路公司制造) 2号车的前转向架上安装,并进行了性能确认试验,都取得了良好结果4。日本的TRY-Z型动车组也应用了液压制动系统6。该制动系统由液压控制单元,直通式预备制动控制单元和轨道制动液压单元三大部分组成,采用由一个共同的液压源向各单元中的蓄能器中储压的工作方式。另外在轮轴上有液压制动钳。液压制动控制单元是通过设在每根轴上的能控制制动缸压力的常用控制阀和紧急控制阀,经在高压优先原则下动作的梭阀控制制动钳动作的。无论是常用控制阀还是紧急控制阀,都能在制动指令下,根据滑行检测来调节制动缸压力。直通式预备制动控制单元是将在专用的蓄能器中所储的压力,通过位于液压制动控制单元之间的梭阀去控制制动钳动作的。23德国的克诺尔制动机德国的克诺尔制动机公司生产的液压系统已运用于欧洲轻轨车辆2。图3为用于低地板车辆制动机和水平调节系统联合控制的电动液压供给和控制单元,其安装在车体上。它将电机、油泵、蓄能器以及控制计算机(MBCU)集成在一起,与基础制动装置通过油管连接。液压浮动夹钳(图4)在液压制动缸的作用下夹紧轮盘或者轴盘,产生制动力。24磁浮列车液压制动机西南交通大学研制的青城山旅游磁浮列车,其制动系统也采用液压制动机。根据EMS磁浮列车的结构量减轻了约三分之二。由于省略了配管,以及设备的简化,使零件数量大幅度减少。据文献5介绍,液压制动所需装置比气液制动所需装置减小了很多,质量由原来的790 kg变为280 kg,只约为原来质量的35%。(7)维修方便。液压装置装在转向架上,在进行维修时易于拆卸,仅仅需要进行油泄漏检查和油路空气的排放。(8)液压源的蓄压特性好。比空气制动方式下的蓄压时间快,具有极为良好的蓄压特性。瑞士Bombar山er公司，研究了采用耦合轮对机车转向架的曲线通过和稳定性优化问题。众所周知，在传统的车辆设计中，曲线通过和稳定性是一对矛盾。研究人员曾采用多种方法试图同时提高这2种基本性能，该文针对机车轮对要传递牵引力的情形，开发了一种轮对交叉耦合机构，可以分离轮对导向和牵引力传递功能，并在瑞士联邦铁路公司460系列机车上成功应用，其车轮旋削周期较以前延长3倍一4倍。 美国运输技术中心(TTCl)HWu研究了货车转向架心盘摩擦对曲线通过和横向稳定性的影响，并对目前采用的心盘润滑材料进行了评价。主要结果如下：(1)在正常的车辆和轨道状态下，心盘润滑条件对轮轨横向力影响很小； (2)对于采用滚动接触旁承(RSB)的货车而言，心盘摩擦因数对车辆横向稳定性有重要影响，为了降低货车蛇行危险，心盘摩擦因数最小不能低于03； (3)常接触旁承(CCSB)可以有效地改善货车横向稳定性，于采用常接触旁承的货车来说，心盘摩擦对车辆失稳速度影响很小； (4)仿真结果显示，常接触旁承较滚动接触旁承平均提高蛇行失稳速度约16km凡；(5)聚酯作为心盘摩擦材料具有良好的应用前景。 此外，澳大利亚昆士兰中央大学的YHandoko等利用VAMPIRE软件首次研究了非对称制动力对货车曲线通过性能的影响。他们简单地采用正负摇头力铁道车辆 第42卷第1期2004年1月矩来模拟非对称制动力的作用。结果表明，货车通过曲线时若施加负的摇头力矩将增大冲角和轮轨横向力，不利于曲线通过。2车辆运动稳定性研究进展 车辆非线性运动稳定性属于理论性很强的研究领域，甚至涉及浑沌、分叉等深层次概念。近2年国际上对此专题的研究仍以理论研究为主，但出现了一些新观点，如曲线上的运动稳定性、轨道体系对车辆运动稳定性的影响等。 丹麦工业大学HTrue等在转向架非线性运动稳定性及分叉研究的基础上进一步分析了具有干摩擦悬挂阻尼货车轮对的动力学稳定性问题。 澳大利亚FXia和丹麦工业大学HTme研究了三大件式货车转向架的动力学问题，其主要特点是考虑了楔块二维干摩擦特性(以前均简化为一维问题)，计算出了三大件式货车转向架的线性和非线性临界速度分别为1026km凡和738km凡。计算结果说明三大件式货车转向架呈现浑沌运动。 澳大利亚YQSun等强调在货车蛇行运动稳定性计算中考虑轨道离散支承模型的重要性。结果表明，考虑粘弹性轨道模型计算得出的蛇行失稳临界速度要低于不考虑轨道模型(即“刚性”轨道)之值，一般低10以下。值得指出的是，这一工作早在2年前已由中国西南交通大学完成：，引。他们采用车辆轨道耦合动力学方法求解车辆临界速度，其结果是，采用中国的铁路参数，车辆临界速度差异在8以下(考虑实际轨道弹性结构时临界速度更低)，结果是类似的。该项研究结果对经典的车辆动力学计算方法(不考虑轨道结构弹性)中车辆临界速度的计算提出了质疑。因为经典方法会过高地估计车辆运行稳定性，因而是偏于危险的。 德国DLR的JArn01d等探讨了考虑车轮弹性对铁道车辆运行性能的影响，认为轮对结构弹性会导致较刚性轮对更大的横向振幅，因而也会影响到整车的运行性能。 波兰华沙技术大学Knoinski等认为，考虑铁道车辆在曲线轨道上的运动稳定性是必要的。而在此之前人们研究车辆运动稳定性问题一般是针对直线轨道上车辆自激振动横向稳定性，曲线轨道(半径及超高等)被认为是一种外界激扰源而抑制了自激振动，因此该文必将引起一定争论。 德国GSchupp从理论上讨论了机械系统数值分叉分析方法在铁道车辆运动稳定性中的应用可能性。32国外应用情况 纽约地铁l 080节新车厢，每年补充200节新车厢；美国、加拿大、南非等国重载货物列车数千辆；美英国道比AEA铁路技术公司JREvans等针对近年来英国铁路愈来愈严重的轮轨滚动接触疲劳(RCF)问题，从车辆动力学角度分析RCF产生的原因及防止途径。首先开展了准静态曲线通过仿真分析，给出了车辆悬挂设计、轮轨踏面、润滑及车速等因素对轮轨滚动接触疲劳的影响关系；其次，进行了动力学仿真分析，这更有助于确定引起RCF的接触条件，并可分析轨道几何不平顺对RCF的影响。 南非SPOORNET的RFrohling等从理论分析和运用经验方面介绍了大轴重(30t)条件下车轮踏面磨耗及滚动接触疲劳问题。该项研究主要是结合在瑞典运营的新型货车UNO所出现的车轮磨耗严重及踏面剥离损伤问题而开展的理论分析工作，最后提出了对车轮型面重新设计的方案。 此外，法国JBAyabse和HC1011et对半赫兹条件下轮轨接触斑的求解方法进行了研究。英国IPersson等采用遗传算法对铁路车轮型面进行了优化，并认为该方法可以用于钢轨断面优化及轮轨型面匹配研究。4 车辆系统动力学其他领域研究进展 在本届国际会议上尚有其他一些与车辆系统动力学相关的论文进行了宣读、交流，主要包括车辆悬挂(主动)、弓网动力学及车辆空气动力学等几个方面。相对而言，这些方面的论文数量较少，但也展示了铁路车辆系统动力学研究中的一些新问题。41 车辆悬挂 日本MAdac山为了同时提高车辆曲线通过性能和运动稳定性，在车辆二系悬挂中增加了辅助弹簧(横向弹簧)，采用VA朋PIRE软件进行了动态仿真，结果显示，该措施可以减小高速曲线通过时车体稳态横向加速度。 中国西南交通大学邬平波等采用柔性车体模型并 考虑半主动悬挂研究了客车的动力学响应。车体模型考虑了一阶垂弯、一阶横弯和一阶扭转模态，车辆其他部件仍视为刚体。计算比较了刚体和柔性车体模型下车体的垂向、横向平稳性指标，并利用滚动振动试验台进行了半主动悬挂试验。 日本Hnunashima等试图采用二系主动悬挂来改善A(T(自动轨道运输)车辆的乘坐舒适性。采用Ho控制理论实现横向力的主动控制，仿真结果显示A(订车辆乘坐舒适性可以得到明显提高。42 弓网动力学 瑞典PHarell等针对多受电弓受流情形，研究了接触网区段叠合(图8)对弓网动力学的影响，此项研究此前未见报道。接触网叠合区 意大利SBru山等讨论了受电弓接触网系统的中频、高频动态相互作用，主要分析了弓网接触力与离线之间的关系、吊杆对接触力的影响以及接触导线不规则磨耗的成因等问题。43 空气动力学 意大利FCheli等采用数值仿真和风洞试验的方法研究了给定风场下作用于铁道车辆车体上的空气动载荷及其相应的车辆响应。 日本铁道综合技术研究所MSuzuh等采用运行试验和数值分析方法研究了列车在隧道中运行时车辆振动与空气动作用力的相互作用，以及减轻空气动力所导致的附加振动的对策。5 车辆系统动力学研究展望 综上所述，近2年来国际上铁道车辆系统动力学研究进展显著，特别是在提高车辆曲线通过性能、提高车辆运行稳定性和解决车辆微道相互作用实际问题等方面研究十分活跃，研究出许多新方法和新技术。结合这些研究进展，笔者认为今后在以下方面将会引国际铁道车辆系统动力学研究新进展 翟婉明起普遍关注并得到进一步发展： (1)随着列车向快速化及高速化方向发展，综合解决车辆直线运动稳定性和曲线通过性能的方法、途径和技术措施将会继续成为广大铁路研究人员研究的热点之一。 (2)主动控制技术是改进铁路机车车辆运行品质的有效方法，在铁路发达国家已得到广泛应用。然而，随着铁路运输与航空、公路运输竞争的进一步激化，不断提高列车运营速度并同时提高乘坐舒适性已成为现代铁路追求的目标。而实现这一目标的手段在很大程度上