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1緒論 當前 測控專業(yè)實驗設備老化和短缺的問題已經非常突出 很多實驗的設 置 尤其是一些重要的專業(yè)主修課程和專業(yè)特色課程的實驗 如動車組傳動與控制 動 車組牽引與控制等 未能將基本理論和公式用形象的實驗來描述 既沒有滿足素 質教育的要求 也沒有體現(xiàn)研究型大學的教學特色 特別是無鐵路特色 直接原 因是實驗設備的不足 另外 3 1專業(yè)已經開始培養(yǎng)學生 鐵路機車車輛專業(yè)已經 招生 馬上面臨專業(yè)實驗 實驗建設已經迫在眉睫 因此動車組網絡控制平臺的 建設是非常必要的 動車組網絡控制平臺以CRH2型動車組為參考 構建基于列車總線 WTB 和 車輛總線 MVB 的網絡平臺 能夠實現(xiàn)時速200公里動車組的基本網絡控制功能 包括牽引控制 制動控制 車門控制 駕駛臺控制等 如圖 1 1 所示 圖卜 1 動車組網絡控制平臺總體結構圖 Fig 1 1 Structural Diagram ofEMU Network Control Platform 通過該實驗平臺可以實現(xiàn)基于總線的網絡控制實驗 也可以實現(xiàn)單獨的各子 系統(tǒng)的功能實驗 能夠達到使學生了解動車組網絡控制系統(tǒng)結構和工作原理 理 解牽引控制 制動控制 車門控制以及駕駛臺控制等子系統(tǒng)的工作原理 掌握控 制系統(tǒng)的設計技術 最終實現(xiàn)能夠應用的目的 本論文主要闡述動車組網絡控制平臺中制動實驗系統(tǒng)的組成和控制方法 1 動車組制動技術 制動裝置是保證列車安全運行所必需的裝置 因此高速動車組對制動技術提 出了嚴峻的挑戰(zhàn) 動車組的動能與速度的平方成正比 而在一定的制動距離條件 下 列車的制動功率是速度的三次函數(shù) 因此 傳統(tǒng)的空氣制動能力遠遠不能滿 足需要 動車組常采用再生制動與空氣制動的復合制動模式 制動控制系統(tǒng)包括 再生制動控制系統(tǒng)和空氣制動控制系統(tǒng) 此外還有電子防滑器及基礎制動裝置等 制動系統(tǒng)工作原理如圖 1 2 所示 相對動力集中式列車而言 動力分散列車的控制系統(tǒng)具有許多優(yōu)點 動力集 中式列車動力制動往往集中在機車上 而拖車往往只采用摩擦制動 而動力分散 列車的動力制動分散在列車的多輛 可能全部 車上 因而能更充分地利用再生制 動 電阻制動等動力制動的制動能力 這就大大減少了摩擦制動摩擦副的磨損 提高了列車運行的經濟性 同時大大減少了制動時的噪聲 29 動車組制動系統(tǒng)需要具備的條件是 1 盡可能縮短制動距離以保障列車安全 2 保證高速制動時車輪不滑行 3 司機操縱制動系統(tǒng)靈活可靠 能適應列車自動控制的要求 2 制動系統(tǒng)綜述 動車組運行速度高 給列車的制動能力 運行平穩(wěn)性等方面提出一系列挑戰(zhàn) 因此 高速動車組必須裝備高效率和高安全性的制動系統(tǒng) 為列車正常運行提供 調速和停車制動的手段 并在意外故障或其它必要情況下具有盡可能短的制動距 離 此外 高速運行的動車組對制動系統(tǒng)的可靠性和制動時的舒適度也提出了更 高的要求 所以 動車組制動系統(tǒng)的性能和組成與普通旅客列車完全不同 它是一個能 提供強大制動力并能更好利用粘著的復合制動系統(tǒng) 包含多個子系統(tǒng) 主要由電 制動系統(tǒng) 空氣制動系統(tǒng) 防滑裝置 制動控制系統(tǒng)等組成 制動時采用電空制 動聯(lián)合作用的方式 且以電制動為主 2 1 動車組制動方式的分類 2 1 1 按制動用途分類 動車組制動作用按用途可分為如下四大類 1 常用制動 常用制動是正常條件下為調節(jié) 控制列車速度或進站停車施行的制動 其特 點是作用比較緩和 且制動力可以調節(jié) 通常只用列車制動能力的20 80 多 數(shù)情況下只用50 左右 2 非常制動 非常制動是緊急情況下為使列車盡快停住而施行的制動 其特點是把列車制 動能力全部用上 且動作迅猛 制動力為最大常用制動力的1 4 1 5倍 非常制 動有時也稱快速制動 3 緊急制動 緊急制動也是在緊急情況下采取的制動方式 特點與非常制動類似 它與非 常制動的區(qū)別在于 非常制動一般為電 空聯(lián)合制動 也可以是空氣制動 而緊 急制動只有空氣制動作用 4 輔助制動 輔助制動又包括備用制動 救援 回送制動 停放制動和停車制動等 2 1 2 按能量轉移方式分類 從能量的觀點來看 制動的實質就是將列車動能轉變成別的能量或轉移走 根據(jù)列車動能消耗的方式不同 制動方式可分為摩擦制動和動力制動 摩擦制動是指通過機械摩擦來消耗列車動能的制動方式 其優(yōu)點是制動力與 列車速度無關 無論列車是在高速還是低速時都有制動能力 特別是在低速時能 對列車施行制動直至停車 可以說摩擦制動始終是列車最基本的制動方式 摩擦制動的缺點是 制動力有限 這是受熱能散發(fā)的限制而直接影響制動功 率增大的緣故 摩擦制動包括閘瓦制動 盤形制動和磁軌制動等 1 閘瓦制動 閘瓦制動也稱踏面制動 是自有鐵路以來使用最廣泛的一種制動方式 它用 鑄鐵或其他材料制成的瓦狀制動塊 閘瓦 緊壓滾動著的車輪踏面 通過閘瓦與車輪 踏面的機械摩擦將列車的動能轉變?yōu)闊崮芎纳⒂诖髿?并產生制動力 如圖2一l所 示 閘瓦作用于車輪的法向壓力 K 引起閘瓦作用于車輪 的切向滑動摩擦力K 仇 仇為閘瓦與車輪間的滑動摩 擦系數(shù)1 由于車輪緊壓在鋼軌上 故閘瓦摩擦力對輪心 的逆時針方向的力矩K 仇 R在輪軌接觸點又引起鋼軌 反作用于車輪的切向靜摩擦力B R為車輪滾動圓的半 徑 此力即由制動裝置引起的與列車運行方向相反的外 力一制動力 在輪軌間保持靜摩擦和忽略車輪回轉慣性 的條件下 制動力在數(shù)值上可以認為就等于閘瓦摩擦力 如式2 1所示 當制動力超過粘著力時 輪軌接觸點將發(fā)生相對滑動 制動力將變成滑動摩 擦力 由于滑動摩擦系數(shù)比粘著系數(shù)小得多 故制動力將突然迅速減小 在強大 的閘瓦摩擦力矩作用下 車輪轉速將顯著降低 直至停止轉動 但列車速度并未 同時顯著降低 已停止轉動的車輪在鋼軌上滑行 使車輪踏面發(fā)生局部擦傷 當 閘瓦壓力一定時 制動力的大小取決于閘瓦摩擦系數(shù) 閘瓦摩擦系數(shù)與閘瓦的材 質 列車運行速度 閘瓦壓強和制動初速有關 2 盤形制動 盤形制動 摩擦式圓盤制動 是在車軸或車輪輻板側面安裝制動盤 用制動夾鉗 使兩個閘片緊壓制動盤側面 通過摩擦產生制動力 將列車動能轉變成熱能 消 散于大氣 如圖 2 2 所示 與閘瓦制動相比 盤形制動有下列主要優(yōu) 點 大大減輕車輪踏面的熱負荷和機械 磨耗 可按制動要求選擇最佳 摩擦副 盤 形制動的制動盤可以設計成帶散熱筋的 它旋 轉時具有半強迫通風作用 以改善散熱性能 為采用摩擦性能較好的合成材料閘瓦提供了 有利條件 與閘瓦制動相比 它更適宜于高速 列車 制動平穩(wěn) 幾乎沒有噪聲 高速列車的空氣制動系統(tǒng)普遍采用盤形1 制動方式取代踏面制動 后者即使 被使用也4 緩解彈簧 僅僅是作為踏面清掃裝置的作用 眾所周知 杠桿拉桿 盤形制動具有較好的摩擦性能和更大的制動能力 后者不僅取決于盤形制動的制動 盤數(shù) 也取決于其散熱性能和耐磨性 這 些性能需要通過設計合理的制動盤結構形式和制動閘片材料才能取得 盤形制動 的制動力公式如式 2 2 式中 K 為閘片壓力 伊為閘片摩擦系數(shù) 為閘片作用半徑 R為車輪 滾 動圓 半徑 國內目前自行開發(fā)的制動盤主要是高強度和抗熱裂性能良好的 鍛鋼盤 對200km h以上高速車輛使用的閘片材料也正在研究開發(fā)之 中 盤形制動的不足之處是車輪踏面沒有閘瓦的摩刮 輪軌粘著將 惡化 因此還要考慮加裝踏面清掃器 或采用以盤形制動為主 盤形 加閘瓦的混合制動方式 否則即使安裝有防滑器 制動距離也比閘瓦 制動要長 3 磁軌制動 磁軌制動也稱摩擦式電磁軌道制動或磁軌摩擦制動 磁軌制動是在轉 向架的兩個側架下面 在同側的兩個車輪之問各安置一個制動用的電 磁鐵 制動時將它放下并利用電磁力緊壓鋼軌 通過電磁鐵上的磨耗 板與鋼軌之間的滑動摩擦產生制動力 并把列車動能轉變?yōu)闊崮?消 散于大氣 動力制動是指利用某種能量轉換裝置 將運行中列車的動 能轉換為其他形式的能量 并予以消耗的制動方式 動力制動的基本 原理是使牽引電機作為發(fā)電機工作而產生制動力 所產生的電能可以 在制動電阻上轉變?yōu)闊崮馨l(fā)散 電阻制動 或反饋至供電網 再生制動 在高速列車中的應用以后者為多 其特點是制動力與列車速度有很大 關系 列車速度越高 制動力越大 隨著列車速度的降低 制動力也 隨之下降 動力制動包括電阻制動 再生制動 電磁渦流軌道制動 以及電磁渦流轉子制動等 1 電阻制動 電阻制動廣泛用于電力機車 電動車組和電傳動內燃機車 它是在制動時將 原來驅動輪對的自勵牽引電動機改變?yōu)樗麆畎l(fā)電機 由輪對帶動發(fā)電 并將電流 通往專門設置的電阻器 采用強迫通風 使電阻器產生的熱量消散于大氣而產生 制動作用 2 再生制動 與電阻制動相似 再生制動也是將牽引發(fā)動機變?yōu)榘l(fā)電機 不同的是 它將 電能反饋回電網 使本來由電能變成的列車動能再生為電能 而不是變成熱能消 散掉 3 旋轉渦流制動 旋轉渦流制動是在牽引電動機軸上裝有金屬盤 制動時金屬盤在電磁鐵形成 的磁場中旋轉 盤的表面感應出渦流 產生電磁吸力 并消散于大氣 從而產生 制動作用 此種制動方式廣泛應用于日本新干線100系 300系和700系動車組的 拖車上 4 軌道渦流制動 軌道渦流制動又稱線性電磁渦流制動 它與上述磁軌制動很相似 也是把電 磁鐵懸掛在轉向架側架下面同側的兩個車輪之間 不同的是 軌道渦流制動的電 磁鐵在制動時只是放下到離軌面幾毫米處 而不與鋼軌接觸 它是利用電磁鐵和 鋼軌的相對運動使鋼軌感應出渦流 產生電磁吸力作為制動力 并把列車的動能 變?yōu)闊崮芟⒂诖髿?2 1 3 按制動力形成方式分類 從作用力的觀點來看 制動就是讓制動裝置產生與列車運行方向相反的外力 使列車產生較大的減速度 盡快減速或停車 根據(jù)制動力的形成方式 制動方式 又可分為粘著制動和非粘著制動 12 車輪在鋼軌上滾動時 輪軌接觸處既非靜止 也非滑動 在鐵路術語中用 粘 著 來說明這種狀態(tài) 粘著制動是指依靠粘著滾動的車輪與鋼軌粘著點之間的粘 著力來實現(xiàn)列車制動的方式 粘著制動包括閘瓦制動 盤形制動 電阻制動 再 生制動及電磁渦流轉子制動等 以閘瓦制動為例 車輪 閘瓦和鋼軌三者之間有 三種可供分析的狀態(tài) 第一種是難以實現(xiàn)的理想的純滾動狀態(tài) 第二種是應極力 避免的 滑行 狀態(tài) 第三種是實際運用中的 粘著 狀態(tài) 根據(jù)輪軌間的靜摩 擦系數(shù) 粘著系數(shù) 動摩擦系數(shù)的關系 在上述三種情況中 可能實現(xiàn)的制動力的 最大值以純滾動狀態(tài)時為最大 但實際上這是達不到的 滑行 狀態(tài)最小 這不 但會延長制動距離 而且會擦傷車輪 粘著 狀態(tài)介于兩者之間 它隨氣候與速 度等條件的不同可以有相當大的變化 1 粘著系數(shù)及其影響因素 如上所述 粘著制動是指依靠粘著滾動的車輪與鋼軌粘著點之間的粘著力來 實現(xiàn)列車制動的方式 根據(jù)剛體平面運動學的分析 沿鋼軌自由滾動的車輪 具 有不斷變化的瞬時轉動中心 車輪與鋼軌的各個接觸點在兩者接觸的瞬間是沒有 相對運動的 輪軌間的切向作用力就是物理學上說的靜摩擦力 其最大值是一個 與運動狀態(tài)無關的常量 它等于輪軌間的法向作用力 與靜摩擦系數(shù)的乘積 但 這是一種難以實現(xiàn)的理想狀態(tài) 實際情況是 車輪與鋼軌在很高的壓力作用下都有少許變形 輪軌間并非點接 觸 而是橢圓形面接觸 車輪在鋼軌上滾動的同時 必然伴隨著微量的輪軌間的縱 向和橫向滑動 所以輪軌之間接觸面不是純粹的靜摩擦狀態(tài) 輪軌之間的最大切向 力實際上比物理學上的靜摩擦力要小 并隨列車速度的升高而降低 因此 在鐵路 牽引和制動理論中 把 靜中有微動 的狀態(tài)稱為 粘著狀態(tài) 在分析輪軌問切向 作用力的問題時 不用靜摩擦這個名詞 而以 粘著 一詞來代替它 相應地 把 粘著狀態(tài)下輪軌間切向摩擦力的最大值稱為 粘著力 把它與輪軌間垂直載荷之比 稱為 粘著系數(shù) 粘著系數(shù)的影響因素主要有兩個 一個是車輪和鋼軌的表面狀況 另一個是列車運行速度 表 2 1 所示軌面狀況對粘著系數(shù)的影響 表 2 1 軌面狀況對粘著系數(shù)的影響 Table2 1 Efrect of Rail Surface Condition on Adhesion Coe cient 輪軌間表面狀態(tài)包括 干濕情況 臟污程度 是否有銹 是否撒砂以及砂的 數(shù)量和品質等等 輪軌的濕度 臟污程度又與天氣 環(huán)境污染狀況和制動裝置 的 形式等因素有關 輪軌干燥而清潔時粘著系數(shù)較大 在輪軌剛剛潮濕 或有霜 雪 油污時 粘著系數(shù)明顯減小 列車運行速度對粘著系數(shù)的影響主要是 隨著制 動 過程中列車速度的降低 沖擊振動以及伴隨而來的縱向和橫向的少量的滑動都 逐 漸減弱 因而粘著力和粘著系數(shù)也逐漸增大 其增大程度與列車動力性能 軌 道 的情況等有關 高速列車和普通列車均采用粘著制動方式 其最大制動力和制動距離都受到 輪軌制動粘著系數(shù)的限制 不同的是 普通列車在制動過程中遠未達到粘著限 制 對粘著系數(shù)的充分利用是高速列車的新問題 也是動車組制動模式曲線的依據(jù) 世界各國的制動利用粘著系數(shù)不盡相同 如圖 2 3 及表 2 2 所示 粘著制動通過輪軌間的粘著作用產生制動力 且制動力的最大值受粘著力 的 限制 一旦輪軌間的作用超過了輪軌粘著的限制 就會打滑 而非粘著制動方 式 則無需通過粘著產生制動力 其制動力的大小自然也就不受其限制 在各國高速動車組所采用的方 式當中 除磁軌制動和軌道渦流制動外 其它 方式一般來說都屬于粘著制動