动车组制动系统

北京交通大学

胡准庆

动车组制动系统1、动车组制动系统概述

2、动车组制动系统工作原理

3、国产动车组制动系统目录第一部分动车组制动系统概述制动的基本概念评价制动性能的指标制动对动车组的意义制动方式分类制动机的类型制动控制系统制动机的类型动车组制动系统的特点1、制动的定义：

人为地施加于运动物体，使其减速(含防止其加速)或停止运动或施加于静止物体，保持其静止状态。

制动过程必须具备两个基本条件：（1）实现能量转换；（2）控制能量转换。（一）制动的基本概念制动系统包括：机车制动系统车辆制动系统动车组制动系统制动力

是指制动过程中所形成的可以人为控制的列车减速力。而制动系统是指能够产生可控制的列车减速力，以实现和控制能量转换的装置或系统。制动系统由制动机、手制动机和基础制动装置三大部分组成。缓解 对已经施行制动的列车，解除或减弱其制动作用制动装置 为使列车能施行制动和缓解而安装在列车上的一整套设备2、几个专业术语制动机 产生制动原动力并进行操纵和控制的部分如：盘形制动装置中的制动缸、空气分配阀。基础制动装置

传送制动原动力并产生制动力的部分。如：盘形制动装置中的制动夹钳。制动距离 从列车施行制动作用开始，到其完全停住所驶过的距离称为制动距离。它是综合反映列车制动装置性能和实际制动效果的主要技术指标。手制动机指装在车辆制动装置上以人力作为产生制动力原动力的部分。它是用人力转动手轮或手把，以代替压缩空气作用于制动缸活塞的推力带动基础制动装置动作，使闸瓦压紧车轮，产生制动作用的一种装置。适用场合： （1）调车作业； （2）防止停放在有坡度线路上的列车或车辆溜走；（3）防止在车站和专用线上车辆意外移动。3、制动装置的重要作用

一方面使列车在任何情况下减速、停车、区间限速或下坡道防止加速，确保行车安全；

另一方面是提高列车的运行速度，提高牵引重量，即提高铁路运输能力的重要前提条件。

4.制动系统对铁路运输的重要意义

衡量制动系统性能的优劣，主要是衡量制动机性能的好坏，性能良好的制动机对铁路运输有以下几方面的促进作用：

（1）保证行车安全；

（2）充分发挥牵引力，增大列车牵引重量，提高列车运行速度；

（3）提高列车的区间通过能力。（二）制动的方式

制动过程中所需要的作用动力和控制信号的不同是区别不同制动机的重要标志。例如：1、空气制动机的作用动力和控制信号均为压缩空气（又称压力空气）；2、电空制动机的作用动力也是压力空气，但其控制信号则为电信号。因此了解制动机的作用动力和控制信号是分析和掌握该制动机工作过程的基本前提。

所谓制动方式是指制动过程中列车动能的转移方式或制动力的形成方式。按照列车动能转移方式的不同，制动方式可分为热逸散和将动能转换成有用能两种基本方式。分类如下：闸瓦制动固体摩擦制动盘形制动轨道电磁制动摩擦制动液体摩擦制动热逸散

电阻制动动力制动旋转涡流制动轨道涡流制动再生制动动能转换成有用能飞轮储能制动

按照制动力形成方式的不同，制动方式又可分为粘着制动和非粘着制动。见下表：

粘着通过轮轨粘着来产生制动力并受粘着的限制

非粘着

磁轨制动、轨道涡流制动和翼板制动

制动类型分类备注粘着制动1．摩擦制动踏面制动广泛应用盘形制动2．动力制动电阻制动在电力机车上普遍采用再生制动在电力机车上采用加馈电阻制动在电力机车上普遍采用3．惯性制动飞轮蓄能制动非粘着制动4．磁轨摩擦制动在高速机车、动车组上采用5．磁轨涡流制动6．风阻制动评价制动性能的指标制动距离

从列车施行制动作用开始，到其完全停住所驶过的距离称为制动距离。它是综合反映列车制动装置性能和实际制动效果的主要技术指标。

制动减速度

制动对动车组的意义

衡量制动系统性能的优劣，主要是衡量制动机性能的好坏，性能良好的制动机对铁路运输有以下几方面的促进作用：

（1）保证行车安全；

（2）充分发挥牵引力，增大列车牵引重量，提高列车运行速度；

（3）提高列车的区间通过能力。甲站乙站0起动制动运行速度距离A’AA’’B制动方式分类盘形制动盘形制动有轴盘式和轮盘式之分。当制动盘固定在车轴上时，称为轴盘式盘形制动，一般拖车大多采用这种结构；如果制动盘连接在车轮上，称为轮盘式盘形制动。在动车(动轴)上，由于两轮之问需要安装牵引电机等其他设备，若不能安装轴盘式盘形制动装置，可考虑采用轮盘式盘形制动装置。盘形制动盘形制动方式避免了车轮踏面参与制动，可双向选择摩擦副的材料甚至形状(使其有利于散热)，因此可实现较大的制动功率，适用于高速列车。中低速列车盘形制动摩擦副的材料，以合成闸片配铸铁制动盘为首选。对于高速列车，可通过两种措施提高轴制动功率。一是选择性能更好的摩擦副材料，目前普遍采用粉末冶金闸片配锻钢制动盘。最新的研究是在探索碳纤维材料、陶瓷材料和铝合金材料运用于盘形制动的可能性与经济性。电阻制动再生制动磁轨制动轨道涡流制动在制动时，将安装在转向架构架侧梁下的电磁铁放到离轨道表面上方几毫米的位置，并通电励磁，利用它和轨道的相对运动在钢轨内部感应出涡流，使钢轨发热，列车动能转化为热能，最终消散于大气。

旋转涡流制动安装在制动盘两侧的不是闸片，而是电磁铁。在制动时，让电磁铁导通励磁，安装在轮轴上的金属涡流盘在磁场中旋转，盘的内感应出涡流，使涡流盘发热，列车动能转化为热能，最终消散于大气。

翼板制动200km/h的速度下，列车减速度能提高0.17m/s2；250km/h的速度下，减速度能提高0.28m/s2。

粘着系数粘着系数制动作用的种类常用制动

按速度－粘着特性曲线控制（设有空重车调整功能）电制动优先包括空气制动系统和电制动系统紧急制动列车分离总风欠压燃轴严重火警

非常制动采用与常用制动类似的电空复合制动模式具备最大常用制动（B7级）1.5倍的制动力一般在乘客所能承受的范围内不再考虑其舒适性。备用制动制动控制装置异常制动指令线路断线救援每个级位的制动力为定值，与速度和载重无关停放制动防止列车在长时间停放时发生溜逸事故而设置。高速列车大多采用弹簧蓄能制动装置来实施。停放制动作用是替代传统的手制动作用，通过摩擦制动方式实现。使具有最大载荷的列车停在坡度为30‰的坡道上不溜车。停放制动停车制动缸摩擦制动缸救援/回送制动它通过列车的常用制动装置或备用制动装置来实现。在设计时，需考虑救援列车和被救援列车制动指令的接口问题。尤其是当两列车的制动系统不同时，必须在列车车端设置相应的制动指令转换器。通过空电转换装置使动车组将来自普通机车的列车管压力变化信息转换为相应的电信号；保持（停车）制动

保持（停车）制动作用是常用制动的一种自动控制模式。制动系统采用微机控制制动系统时才能实现。用来防止列车在即将停车的过程中，因摩擦制动摩擦系数的变化而导致旅客舒适性的恶化。在这一控制模式中还考虑了列车停车后防止溜坡所需实施的制动，以及列车在再次启动过程中与牵引控制的配合模式。保持（停车）制动作用特别适合用于运行线路固定、需要经常停站的列车。耐雪制动

耐雪制动是为了防止摩擦副之间进入冰雪导致制动作用难以迅速产生而采取的一种制动作用。它的作用形式是在列车牵引或惰行过程中，司机通过耐雪制动指令线让各车摩擦制动的摩擦副以较小的压力贴合。制动控制系统原理：由列车管减压方式变为电气指令式的控制装置，不仅缩短列车制动空走时间，还包括有复合制动控制、空重车调整、制动模式控制、监控信息处理和显示等功能。从而可适应于ATP、ATC列车自动控制甚至最新的列车控制信息管理(TIS)装置的运用要求。制动控制系统制动控制系统的组成•

电气部分•

气路阀类部分

制动控制器微机控制系统安全联锁装置

制动电磁阀和缓解阀紧急制动电磁阀强迫缓解电磁阀和切换阀荷重传感器和EP传感器紧急限压阀制动缸压力中继阀总风缸及电空制动压力开关空电转换电磁阀等2.控制系统操纵的两种制动装置一是正常情况下使用的采用微机控制的直通式电空制动装置。这是一种以动力制动为优先的动力制动和空气制动的复合制动方式。二是在电空制动失效的情况下使用的处于热备用状态下的自动空气制动装置3.整个制动系统分成三级控制网络控制：以网络来传输控制指令、实现ATP列车控制（安全级别低，指挥级别最高）电空制动控制：以贯穿全列车的电空制动电缆为介质来传输控制指令及电制动力的模拟指令（安全级别中，指挥级别中）空气制动控制：以贯穿全列车的列车管压力为介质来传输控制指令（安全级别最高，指挥级别最低）4.防滑器控制防滑装置的作用首先是对宏观打滑的检测，即通过对轮对滚动线速度的连续监测，以速度差、减速度及其变化率为评价指标，在发现打滑后利用降低制动缸压力的方法来恢复粘着。由于高速列车强大的复合制动力矩在高速时更容易超过粘着力矩而可能造成车轴的抱死和车轮擦伤。制动机的类型电空自动制动机

电空直通式制动机

制动机的发展简史1825年9月27日，英国斯多克顿至达林顿之间建成了世界上第一条铁路，第一列由蒸汽机车牵引的列车开始运营。当时所使用的制动机是人力制动机，即手制动机。若干名制动员操纵。缺点：劳动强度增大、降低列车中各车辆制动的同时性、制动冲击严重，影响列车制动效果。1869年，美国工程师乔治·韦斯汀豪斯发明了世界上第一台空气制动机

——直通式空气制动机。优点：大大提高了列车制动的同时性，减小了制动冲击，改善了列车的制动效果。缺点：当列车分离时，列车将失去制动作用。1872年，乔治·韦斯汀豪斯在直通式空气制动机的基础上，研制出了一种新型的空气制动机

——自动空气制动机。克服了直通式空气制动机的致命弱点。直通式空气制动工作原理

三种工作状态缓解制动保压结论：直通式空气制动机的特点是制动管充风，产生制动作用；制动管排风，实现缓解作用。致命弱点：列车分离不起制动作用。自动式空气制动自动式空气制动自动空气制动机三种工作状态缓解制动保压结论：

1、自动空气制动机是在直通式空气制动机的基础上增设一个副风缸和一个三通阀(或分配阀)而构成的。

2、自动空气制动机具有“制动管充风——缓解，制动管排风——制动”的工作机理。电空直通式空气制动系统自动制动机制动缓解后，存在最大制动能力降低的过程，即缓解后，一定时间内系统的最大制动能力低于标定能力。直通电控式制动机的制动总风缸不存在缓解充风问题，正是这项性能决定了在行车密度大的线路上，高速动车必然采用直通电控式制动机

两种制动机的特点

高速列车(16辆编组)空走时间值

项

目电

空

制

动空气制动

电气指令式自动制动式

空走时间s0.11.0制动缸压力上升时间s1.25.0高速列车制动系统对制动能力的要求制动能力表现为停车制动时对制动距离的控制；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关系；随着列车速度的提高，必须相应地改进其制动装置和制动控制方式才能满足缩短制动距离的要求。由上表得知：国外300km/h高速列车的紧急制动距离均在3000～4000m之间。根据制动粘着利用和热负荷等理论计算的结果，我国高速列车在初速300km/h条件下的复合紧急制动距离可保证在3700m以内。项目日本法国德国西班牙意大利瑞典500系700系TGV-2NICE2ICE3ICE350EAVEETR500X2000紧急制动距离/m400038703500290035003900360040001190紧急制动平均减速度/m/s20.870.731.01.11.21.00.950.871.40初速/km/h

300270300280330320300300200紧急制动距离动车组制动系统的特点安全性高采用电、空联合制动模式，电制动优先，且普遍装有防滑器操纵控制采用电控、直通或微机控制电气指令式等灵敏而迅速的系统控制准确制动作用采用微机控制，可为保证列车正点运行精确提供所需制动力对复合制动的模式进行合理设计，使不同型式的制动力达到最佳的组合效果舒适度高舒适性的要求： 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，高速列车纵向运动的特点除起动加速度较快以外，主要是制动作用的时间和减速度远大于普通旅客列车，因此必需有相应措施来控制旅客纵向舒适性的指标，包括对制动平均减速度、最大减速度和纵向冲动的要求，均应高于普通旅客列车。采用微机控制，实现制动过程的优化控制，在提高平均减速度的同时尽量减少减速度的变化率减少列车中不同车辆制动力的差别，以缓和车辆之间的纵向冲击力防滑装置可避免因轮轨间粘着力不足而产生的车轮踏面擦伤，继而防止列车运行平稳性恶化，提高乘坐舒适性，避免对车轴等部件产生附加应力采用的关键技术当减速度的变化率不超过0.6m/s2时，乘客不会产生明显的不适感；当减速度的变化率大于0.6m/s2，但不超过0.75m/s2时，基本还是可接受的；当减速度的变化率超过1.0m/s2时，对没有准备且处于无倚靠站立的乘客来说，存在着摔倒的危险。

减速度的要求高速列车制动时减速度变化率最大值发生在：制动初期

制动初期减速度变化率的最大值在制动系统设计中可以确定不同制动方式切换过程

制动方式切换过程中减速度变化率体现了制动系统的电空配合控制水平列车停车瞬间

控制列车停车瞬间减速度变化率较好的方法是采用保持（停车）制动作用。

可靠性高(1)制动控制方式设计高速列车一般设有空气制动、微机控制的电空制动和计算机网络三种制动控制方式。在正常运行状况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换为电空制动作用。在电气故障或电空制动故障时，能依靠空气制动的列车管减压实现系统的纯空气制动作用，并保证在不良状态下的制动距离。此外，在高速列车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要考虑相应的可靠性措施。(2)下坡道停车的可靠性设计高速列车必须随时保证有必要的停车制动能力，为此应具有足够的弹簧制动装置能力。(3)制动能力的冗余量设计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，其他制动方式应能提供补充。例如空气制动和动力制动的互为补充。当制动能力不足时，应限速运行。此外，在空气制动能力设计时，应充分考虑失电情况下空走时间延长和盘型制动摩擦系数偏差对制动距离延长的影响。(4)粘着制动的保安作用例如磁轨制动装置在紧急制动时的可靠性，通常该制动能量设计为全部制动能量的10%左右。维修方便开发了在故障时能够进行自检的自诊断功能减少了磨耗件，大大减少了维修工作量制动装置轻量化采用模块化设计将空气制动的电-空气-液压方式变换为电-液压直接变换方式复合制动技术高速列车制动系统必须具备的条件高速列车的制动系统，在技术上完全突破了传统的列车制动模式。高速列车制动系统必须具备的条件是：(1)尽可能缩短制动距离以保障行车安全高速列车必须尽可能缩短制动距离，因为自动闭塞的信号区间长度完全由列车允许的制动距离来决定。高速列车缩短制动距离的办法有：①减少列车空走时间；②采用大功率盘形制动机，并作为高速制动系统的主体；国际铁路联盟规定：在动力制动失效情况下，机械摩擦制动必须保证高速列车能在规定的制动距离内停车，以确保行车系统的安全。因此，摩擦制动为高速列车最终实现停车必不可少的基本制动方式。③采用复合制动方式；高速列车制动能量巨大，若完全由盘形制动和闸瓦制动来承担，则制动盘及闸片(闸瓦)寿命将大大缩短。必须研究其他制动方式如动力制动、非粘着制动等来分担繁重的制动任务。只有在其他制动方式发生故障的特殊情况下，盘形制动才承担全部制动负荷，达到经济合理的匹配。(2)保证高速制动时车轮不滑行①按速度控制制动力的大小以充分利用粘着；②采用高性能的防滑装置；③采用非粘着制动方式；(3)司机操纵制动系统灵活可靠，能适应列车自动控制的要求在高速下司机无法观察地面信号，必须采用列车自动控制系统，使列车制动力增减自如，制动平滑。(4)尽量降低制动系统的簧下重量制动盘的重量一般占全部簧下重量的10%，是十分可观的。减轻制动盘重量的措施有：动轴的制动盘安装在轮对空心轴上，使之变为簧间质量；开发大功率、轻重量的新型制动盘，如碳素纤维复合材料制动盘、铝合金基复合材质制动盘等。列车制动控制系统60～70年代，各国的高速列车均采用自动式或电磁直通式电空制动。八十年代以来，电子技术及微处理机技术发展迅猛，各国高速列车相继开发了电气指令式电空制动装置，以适应高速的需要，法国、日本，德国均以微处理机控制的电气指令电空制动装置作为高速列车制动控制系统。其共有的特点是：◆采用微机控制系统，制动力可高准确度调节；◆优先使用电力制动，并达到电力制动与空气制动协调配合；◆可由司机手动或根据列车运行自动控制系统的要求实行制动或缓解；◆各种方式的制动力组合或转换衔接平稳、无冲动，达到要求的舒适度。日本新干线运用的300系、500系，700系等高速列车制动系统基本是数字式电气指令直通电空制动系统。在电力制动和空气制动协调控制时，日本动车组采用下列两种的方式。①电空切换式这种方式是单独使用电力制动或空气制动，其相互切换是以两者制动力相等为原则。②电空运算式采用制动指令值等于空气制动力加上再生制动力的电空运算控制方式。再生制动力不足部分由空气制动来补充。德国ICE高速列车所采用制动控制系统是微处理机控制的模拟式电气指令自动电空制动系统。各车辆微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，按优先使用电力制动的原则，在进行各种制动方式的制动力比例信号混合运算后，将所需要的空气制动力的电信号指令送至EP电空转换控制单元，控制列车管充气或减压，从而控制空气分配阀动作，达到制动与缓解的作用。法国TGV高速列车制动控制系统是采用微处理机控制的模拟式电气指令直通电控制动系统。由于拖车上仅有空气制动，司机的制动指令直接传送到拖车的电空转换阀(此时拖车上安装的UIC标准空气分配阀仅作备用)，并通过中继阀执行制动及缓解功能。拖车的速度控制器实现215