1、【项目描述】制动装置是轨道交通车辆中非常重要且必不可缺的组成部分。本项目简要介绍轨道交通车辆制动的基本概念及其在轨道交通运输业中的重要意义。本项目重点内容是介绍城市轨道交通车辆制动机的形式、分类、基本组成及城轨车辆制动装置应具备的条件。1【学习目标】通过本项目的学习要求掌握以下基本知识与基本理论:1.掌握与城轨制动技术相关的重要的基本概念。2.熟悉城市轨道交通车辆制动系统的基本功能和组成。3.了解目前主流的城轨车辆制动机制造商生产的不同制动系统的基本特点与主要区别。【能力目标】1.能叙述制动、缓解、制动装置等重要的基本概念。2.能分析城市轨道交通车辆制动系统的组成。2任务1城轨制动技术的基本认
2、知【活动场景】在城市轨道交通车辆检修基地或在城轨制动模型室或有多媒体能展示城轨车辆制动作用的教室或现场进行教学。【任务要求】1.了解城市轨道交通车辆制动的基本知识。2.能知道城轨车辆制动装置的基本作用、基本结构与基本特点等。3【知识准备】城市轨道交通车辆的启动和以一定速度运行,都需要对其施加牵引力来完成;同样,为了使运行的城市轨道交通车辆能够迅速地减速、停车或保持一定的速度匀速运行,也必须对其施加制动力的作用。牵引和制动是车辆运行的一对矛盾的两个方面,缺一不可。仅有牵引而没有制动的车辆是不完善的,甚至是危险的。试想一下,如果一列车突然失去制动,乘客的生命和财产将受到严重威胁,这是何等的危险。因
3、此,从某种意义上来说,制动是一个比牵引更为重要的问题。城市轨道交通车辆的制动装置是城市轨道交通车辆重要的组成部分,决定着城市轨道交通车辆重要的性能。41.基本概念(1)制动人为地施加外力,使城市轨道交通车辆、铁路机车车辆等运动的交通工具减速或阻止其加速,保持状态不变的作用,称为制动。制动效能的大小和制动施加的时机由人为掌控,对于城市轨道交通车辆来说,为了使运行中的城轨列车能迅速地减速或停车,必须对它施行制动;为了防止列车在下坡道时由于重力作用导致列车速度增加,也需要对它施行制动;即使列车已经停车,为避免停放的列车因重力作用或风力吹动而溜车,也需要对它施行制动(停放制动)。(2)缓解与制动作用相
4、反,解除或减弱城市轨道交通车辆、铁道机车车辆等制动作用的过程称为缓解。对已经施行了制动作用的列车,为了使列车重新启动或再次加速,必须解除或减弱其制动作用。5从城轨列车的司机施行制动开始,到列车停车为止,列车所走过的距离称为制动距离。制动距离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;对制动效能的衡量,有一些国家不用制动距离而用(平均)减速度作为技术指标来进行衡量,两者的实质是一样的,只是制动距离较为具体,而减速度较为抽象而已。为确保城市轨道交通车辆的绝对安全,世界各国对城轨列车的制动距离都有非常严格的规定,要求列车在紧急情况下的制动距离不能超过某一规定的值,比如上海城轨列车规定:列
5、车在满载乘客的条件下,在任何初速度下,其紧急制动的距离不得超过180m。(3)制动距离6车辆的编组形式不同,与动车组列车十分相似,采用动力分散的形式,可分为“动车制动装置”和“拖车制动装置”。在城市轨道交通车辆中一般都设置操纵全列车制动的设备,一般均安装在列车两端带司机室的头车上,而头车既可以是动车也可以是拖车,因此城轨列车的制动装置可理解为装于列车上能够实现列车制动和缓解作用的装置。城轨列车的制动装置分为动车制动装置和拖车制动装置两种类型,各型车一般都有基础制动的装置,但动车和拖车制动控制单元有一定的区别。(4)制动装置与制动系统制动装置。能施行制动或缓解制动作用而安装在轨道交通车辆上的,由
6、一整套零部件组成的完整的、主要由机械装置组成的装备,总称为“制动装置”。在传统的铁路上,它分为“机车制动装置”和“车辆(客车、货车)制动装置”。由于城市轨道交通车辆与传统铁路机车7制动系统。城市轨道交通车辆制动装置至少包括两个部分,制动控制部分和制动执行部分。制动控制部分由制动信号发生与输出装置以及制动控制装置组成;制动执行部分通常称为基础制动装置,包括闸瓦制动和盘式制动等不同方式。在传统意义上,列车上安装的制动装置比较简单、直观,采用压缩空气传递信号,因此我们称其为列车制动装置。但是随着轨道交通技术的发展,制动装置中越来越多地采用了电气信号和电气驱动设备,微机和电子设备的出现使制动装置变得无
7、触点化和集成化,并且使制动控制功能融入了其他电路而不能独立划分。因此,我们只能按现代化方法将具有制动功能的电子线路、电气线路和气动控制部分归结为一个系统,统称为轨道交通车辆制动系统。由此可见,对城市轨道交通车辆来讲称之为制动系统比制动装置要更准确些。8(5)制动力使运动的城轨列车、铁路机车车辆等减速或阻止其加速的力,称为制动力,产生制动力的一套装置称为制动机。因此,也可以这样说由制动装置产生的,与列车运行方向相反的外力,称为“制动力”。这是人为的阻力,它比列车在运行中由于各种自然原因产生的阻力要大得多。因此,尽管在列车制动减速的过程中,列车运行阻力(自然阻力)也在起作用,但起主要作用的还是列车
8、制动力(人为阻力)。92.制动能力城市轨道交通车辆在设计和制造过程中,列车的最高运行速度和牵引功率需要得到充分考虑和计算,而制动能力更是需要认真计算和校核的技术参数之一。列车的最大速度与牵引功率有关,但它更应该受到制动能力的限制。列车的制动能力是指该列车的制动系统能使其在规定的安全范围内或规定的安全制动距离内可靠地把车停下来的能力。一般来说,城市轨道交通系统都有明确的车辆运行规程,特别对列车制动能力有严格的要求和规定。例如,要求列车在紧急情况下的制动距离(紧急制动距离)不得超过某一规定值。我国的上海地铁规定:列车在满载乘客的条件下,在任何运行速度下,其紧急制动距离不得超过180m。这个距离要比
9、启动加速度短得多。因此,从安全的目的出发,一般列车的制动功率要比驱动功率大510倍。103.制动方式制动方式指的是制动时城轨列车动能的转移方式或制动力的获取方式。从能量的角度来看,制动的实质就是将列车上的动能转移出去。制动系统转移动能的能力就是制动功率。在一定的制动距离的条件下,列车的制动功率是其速度的三次函数。从能量的角度理解,制动过程就是一个能量的转移过程,是将城轨列车运行所具有的动能人为地转换为其他形式能量的过程,因此城轨列车的制动过程必须具备以下两个基本条件:实现能量的转换;控制能量的转换。列车动能的转换方式主要有以下两类:11液体或液体与固体之间的摩擦制动,属于液力制动。动力制动。列
10、车制动时通过电机、电器变为热能,最终逸散于大气。主要有:电阻制动、旋转涡流制动和轨道涡流制动。(1)热逸散摩擦制动。制动时将动能转换为热能,然后消散于大气,可分为固体摩擦制动和液体摩擦制动。比如闸瓦制动、盘形制动和轨道电磁制动等属于固体摩擦制动,而一些液力传动的机车则可利用液体与12(2)可用能再生制动。使列车的动能转换为电能,反馈到接触网回收重新利用,目前新型的城轨车辆和电力机车已实现这种制动方式。飞轮储能制动方式。制动时将列车的动能储存在列车的一个特殊储能设备飞轮中,列车启动加速时将该能量放出既可以节约能源又环保;但这只是一种设想,目前还没有正式投入使用,还在试验阶段。13城市轨道交通车辆
11、制动产生的方法及基本要求。制动、缓解、制动距离,制动力的理解与应用。制动装置与制动系统区别与联系。常用制动和紧急制动的区别与联系。制动能力。摩擦制动、动力制动、再生制动。【任务实施】本次任务的实施以城市轨道交通车辆的制动技术的基本概念的掌握和理解为目的,可组织学生对相关的基本概念进行分析与讲述,组织学生展开对城轨列车制动技术的讨论,并可组织学员到城市轨道交通车辆的检修与运行现场对制动装置进行观察,进一步理解制动的相关概念。建议讨论的概念和问题如下:14【知识拓展】地铁作为城市轨道交通的一种重要交通形式,现在已被越来越多的城市市民所接受;出行乘坐地铁已成为广大市民外出的首选。地铁列车在地下或高架
12、桥上运行过程时,因站间距比较短,一般1km左右,需要频繁地启动和制动。对广大乘客而言,在乘坐地铁时只会感觉到地铁列车运行是否平稳,是否能够准确地停靠车站,经常为其能停在屏蔽门的位置而感到惊奇,其实他们不知道,地铁列车能准确停在屏蔽门的位置都是列车精确的制动起着作用。15以西安地铁2号线为例(2011年9月16日开通运营),地铁车辆的制动系统主要包括常用制动和紧急制动,在正常运行情况下,车辆主要采用常用制动,而紧急制动主要在紧急情况下采用,且以“故障安全”为原则进行制动系统的设计,因此紧急回路采用得电缓解,失电制动的形式。而根据制动实施时的动力源来讲,其制动系统应称为电制动和空气制动两种形式,且
13、电制动与空气制动实时协调配合,当电制动投入时,空气制动可与之随时配合进行混合制动。紧急制动仅采用空气制动。通过此种方式既实现了制动的目的,使车辆准确停在合适的位置,供乘客上下车,同时也实现了减少污染(主要是使用电和空气作为动力源),环保出行的目的。1617任务2城轨制动系统功能及组成分析【活动场景】在城市轨道交通车辆制动系统检修基地或在城轨制动模型室或有多媒体能展示城轨车辆制动作用的教室、现场进行。【任务要求】1.掌握城市轨道交通车辆制动系统的基本特点、基本要求。2.掌握城市轨道交通车辆制动系统的组成。181.城市轨道交通车辆制动系统的特点与要求城市轨道交通越来越为广大市民所接受,现已成为广大
14、都市居民出行的首选方式。城市轨道交通系统的一般特点是安全、快捷、准时、方便。(1)城市轨道交通系统的运营特点1)城市轨道交通有较大的运输能力城市轨道交通由于高密度运转,列车行车时间间隔短,行车速度高,列车编组辆数多,而具有较大的运输能力,单向高峰每小时的运输能力市郊铁道最大可达到6万8万人次、地铁达到4万6万人次,轻轨1万4万人次,有轨电车能达到1万人次,城市轨道交通的运输能力远远超过公共汽车。据文献统计,地下铁道每公里线路客运强度可达100万人次以上,最高达到1200万人次,如莫斯科地铁、东京地铁、北京地铁等。城市轨道交通能在短时间内输送较大的客流,据统计,地铁在高峰时1h能通过全日客流的1
15、7%20%,3h能通过全日客流的31%。【知识准备】192)城市轨道交通具有较高的准时性城市轨道交通由于在专用行车道上运行,不受其他交通工具干扰,不产生线路堵塞现象,并且不受气候影响,是全天候的交通工具,列车能按运行图运行,具有可信赖的准时性。3)城市轨道交通具有较高的速达性与常规公共交通相比,城市轨道交通由于运行在专用行车道上、不受其他交通工具干扰,车辆具有较高的运行速度,有较高的启、制动加速度,多数采用高站台,列车停站时间短,上下车迅速方便,而且换乘方便,从而使乘客较快地到达目的地,缩短了出行时间。4)城市轨道交通具有较高的舒适性与常规公共交通相比,城市轨道交通由于运行在不受其他交通工具干
16、扰的线路,城市轨道车辆具有较好的运行特性,车辆、车站等装有空调、引导装置、自动售票等直接为乘客服务的设备,城市轨道交通车辆具有较好的乘车条件,其舒适性优于公共电、汽车。20城市轨道交通由于运行在专用行车道上,没有平交道口,不受其他交通工具干扰,并且有先进的通讯信号设备,极少发生交通事故。6)城市轨道交通能充分利用地下和地上空间大城市地面拥挤、土地费用昂贵。城市轨道交通由于充分利用了地下和地上空间的开发,不占用地面街道,能有效缓解由于汽车大量发展而造成道路拥挤、堵塞,有利于城市空间合理利用,特别有利于缓解大城市中心区过于拥挤的状态,提高了土地利用价值,并能改善城市景观。5)城市轨道交通具有较高的
17、安全性217)城市轨道交通的系统运营费用较低城市轨道交通由于主要采用电气牵引,而且轮轨摩擦阻力较小,与公共电、汽车相比节省能源,运营费用较低。8)城市轨道交通对环境低污染城市轨道交通由于采用电气牵引,与公共电车、汽车相比,不产生排气污染,由于城市轨道交通的发展,还能减少公共汽车的数量,进一步减少了汽车的排气污染。由于在线路和车辆上采用了各种降噪措22施,一般不会对城市环境产生严重的噪声污染。通过对城轨运营特点的分析,不难总结出城轨车辆制动的基本特点,首先,为确保安全,每辆城市轨道交通车辆上都必须安装制动装置;其次,由于城市轨道交通车辆是运行在城市中服务于城市公共交通的重要组成部分,因此具有站距
18、短,调速、停车频繁,乘客上、下频繁等公共交通工具的特点;再次,由于城轨运营的站距相对于城市之间上百公里运营的一般旅客列车来说就显得较短,只有12km,同时列车行车速度快、乘客上下数量波动大、发车频率高,因此,对车辆启动、加速和制动都有很高的要求。特别是对制动,出于安全的考虑,必须做到万无一失。(2)城轨列车制动的基本要求通过以上特点的分析,不难发现城轨车辆由于其服务于城市公共交通系统,因此城市轨道交通车辆的制动系统应具有以下基本要求:操纵灵活,制动减速度大,作用灵敏可靠,车组前后车辆制动、缓解作用一致。23具有足够的制动能力,保证车组在规定的制动距离内停车。对新型的城市轨道交通车辆,一般要求具
19、有电(动力)制动功能,并且在正常制动过程中,应尽量充分发挥电制动能力,以减少对城市环境的污染和降低运行成本。同时还应具有电制动与摩擦制动协调配合的制动功能。制动系统应保证列车在长大下坡道上制动时,其制动力不会衰减。电动车组各车辆的制动能力应尽可能一致,制动系统应根据乘客量的变化,具有空重车调整能力,以减少制动时的纵向冲动。具有紧急制动能力。遇有紧急情况时,能使城轨列车在规定距离内安全停车。紧急制动作用除可由司机操纵外,必要时还可以由行车人员利用紧急按钮进行操纵。24车辆应具有载荷校正能力,能根据乘客载荷的变化自动调节制动力,使车辆制动力保持恒定,限制冲动力,保证乘客乘坐的舒适性。 制动系统必须
20、具有紧急制动功能。紧急制动装置除由司机操种制动方式,并且在正常制动过程中,尽量首先使用动力制动,以减少空气制动对城市环境污染并降低车辆维修成本。制动系统应具有可靠的安全保障系数,即使个别车辆发生故障或在较长距离和较大坡度上运行,也应具有足够的制动力保证列车可靠制动和停车。作外,还可以由其他行车人员操作。制动系统应该具有足够的制动能力,能保证车辆在规定的制动距离内停车。制动系统应操作灵活、反应迅速、停车平稳。制动系统应包括动力制动(电气制动)和空气制动(机械制动)两252.城市轨道交通车辆的制动系统的组成城轨车辆为了能施行制动或缓解制动,需要在列车上安装一整套完整可操纵并能进行控制和执行的系统,
21、总称为列车制动系统。通过前面任务的完成,我们已经知道在普通铁路机车车辆上,它通常分成机车制动系统和车辆制动系统。由于城市轨道交通车辆与铁路车辆的编组形式不同,一般情况下由动车和拖车组成,因此也可按其编组形式的不同分为动车制动装置和拖车制动装置。无论机车、客车、货车,还是动车、拖车,各种车辆都有它自己的一套完整的制动装置,在列车运行过程中起着制动和缓解的作用。操纵全列车制动功能的设备一般安装在机车或列车两端带司机室的头车上。由制动装置产生的与列车运行方向相反的外力称为制动力,这是人为的阻力,它比列车在运行中由于各种自然原因产生的阻力要大得多,因此,尽管列车在制动减速的过程中会产生列车运行的自然阻
22、力,但起主要制动作用的还是列车制动力。26执行部分。制动控制部分主要包括制动信号的发生与传输装置;制动执行部分,也称为基础制动装置,主要包括闸瓦制动和盘式制动等不同的制动装置。传统的列车由于安装的制动装置比较简单、直观,而且是用压缩空气传递制动信号的,因此称为空气制动装置,但是随着轨道交通技术的发展,制动装置越来越多地采用了电气信号控制和电气驱动控制设备,特别是微型计算机和电气设备的出现使制动装置变成无触点化和集成化,并且使制动控制功能融入了其他系统控制而不能独立划分,因此将具有制动功能的电气线路和空气制动控制部分总称为列车制动系统。任何一套列车制动装置至少包括两个部分:制动控制部分和制动27
23、列车频繁启动和制动,致使20%多的电能消耗在制动电阻上,而且制动效果差、对环境和列车电器设备影响大,因此处于逐步淘汰阶段。目前地铁列车都采用先进的三相异步电机交流变频传动方案,使用逆变器将直流电换成为交流电,通过控制输入电机的电压和频率来控制交流电机的转速,在交流传动系统常见的逆变器电机控制方案有两种:第一种是车控方式,即1台逆变器控制一节车上的4台电机;第二种是架控方式,即1台逆变器控制一个转向架上的两台电机。比如:目前我国的西安地铁2号线地铁列车逆变器电机控制采用车控方式,而广州地铁三、四号线地铁列车逆变器电机控制则采用架控方式。两种控制方式各有自己的优缺点,具体如下:现代城市轨道交通车辆
24、的制动系统一般包括动力制动系统、空气制动系统和制动指令和通信网络3个部分组成。(1)动力制动系统早期的城市轨道交通车辆的牵引传动系统普遍采用直流旋转电机,并且由变阻控制发展到斩波调压控制,目前变阻控制只是在一些老式城市轨道车辆上少量使用,这种制动技术虽然结构简单,但由于28两种控制方式各有自己的优缺点,具体如下:采用架控方式比车控方式更能充分利用轮轨之间的黏着系数,更有利于列车牵引力/制动力的发挥。采用架控方式可以使逆变器的容量、体积减小,需要从散热器上移走的热量减少,这使得散热的处理更加容易。对于西安地铁二号线三动三拖六辆编组的列车来说,如果列车上1台逆变器发生故障,被切除运行,如果采用车控
25、方式,列车的牵引动力将损失1/3,而如果采用架控方式,列车的牵引动力只损失1/6。由此可见,采用架控方式列车故障时的运行能力优于车控方式。采用架控方式将增加列车成本。它一般与牵引系统连在一起形成主电路,包括再生制动电路和制动电阻器,将动力制动产生的电能反馈给供电接触网或消耗在制动电阻器上。29(2)空气制动系统空气制动系统由供气部分、控制部分和执行部分(基础制动装置)等组成。供气部分有空气压缩机组、空气干燥机和风缸等;控制部分有电控(EP)转换阀、紧急阀、称重阀和中继阀等;执行部分就是闸瓦制动装置或盘式制动装置等。(3)指令和通信网络系统它既是传送司机指令的通道,同时也是制动系统内部数据交换及
26、制动系统与列车控制系统进行数据通信的总线。303.城轨制动的过程概述通过前面学习任务的学习与完成,我们知道城轨车辆制动的方式一般有再生制动、电阻制动和空气摩擦制动3种,分别为城轨车辆施行制动时第一、第二和第三优先级制动,并且还采取了程序制动的措施。其含义是:充分利用电制动、尽量减少空气制动,即在制动力未达到其指令75%时,同时在黏着力允许的条件下用足电制动,也就说电制动不仅供动车制动使用而且还要承担拖住拖车的任务。当两节动车的电制动力能满足一组车的制动要求时,则这一组车就不再使用空气制动,反之,则要使用空气制动以补足。随着列车速度的降低,其电制动力也将不断地减弱。当列车速度降低至一定的速度时,
27、电制动力已不能再满足制动所需要的要求,这时电制动将逐步被切除,所有制动力由空气制动承担,在这同时城市列车还将进入一个停站制动的程序。所谓停站制动程序,是当列车减速进入车站时,在接近停止前略将汽缸内的压力空气放去一些,然后再充空气将列车刹停。这样可以减少列车的冲动,提高列车停站过程的舒适度。31【任务实施】以城轨列车制动系统的功能实现进行倒推,分析城轨车辆制动系统的组成。分析轨道交通车辆运行的基本特点,根据运营特点分析其对制动的要求,讲解其应有的需求。由需求讲解其应有的组成:动力制动系统、空气制动系统、指令和通信网络系统。以西安地铁2号线为例,地铁车辆制动系统的组成主要包括:制动控制器(可与牵引
28、控制器共用)、电空制动装置、制动微机控制单元、风源系统、基础制动装置(含停放制动及其手动缓解装置)、滑行检测及控制装置、监控终端装置、空气簧供风装置、受电弓供风和升弓控制装置、车辆回送装置。从组成可以看出制动系统的组成包括动力制动系统、空气制动系统和指令和通信网络系统三大系统,可实现制动系统的功能,保证城市轨道交通实现安全、快捷、准时。3233任务3轨道交通车辆制动机的分类【活动场景】在城市轨道交通车辆制动系统检修基地或在城轨制动模型室或具有多媒体技术能展示城轨车辆制动作用的教室、现场进行。【任务要求】1.掌握城轨车辆制动机的分类及特点。2.了解轨道交通车辆制动机的类型及主要特点。341.按制
29、动方式分类在前面的任务中我们已经学习制动方式的概念,制动方式指的是制动力获取方式和制动时列车动能的转移方式。因此我们可以按照动能转移方式、制动力获取方式或按制动源动力的不同对城市轨道交通车辆的制动系统进行分类。(1)按城轨列车动能转移方式分类列车动能的转移方式可以分为两类:一是摩擦制动方式,即动能通过摩擦副的摩擦转变为热能,然后消散于大气;二是电(动力)制动方式,即把动能通过发电机转化为电能,然后将电能从车上转移出去。【知识准备】35城市轨道交通车辆制动系统中还经常采用轨道电磁制动方式等其他2动3闸一些非黏着制动方式。1)摩擦制动列车动能通过摩擦转变为热能。城市轨道交通车辆常用的摩擦制动方式有
30、图闸瓦制动和盘形制动;编组较长,速度较高的高速铁路和36:1.1闸瓦制意图示动瓦4车轮;5钢轨37闸瓦制动:又称为踏面制动。如图1.1所示是闸瓦制动示意图,它是目前速度较低的轨道交通车辆常用的一种制动方式。制动时闸瓦压紧车轮,轮、瓦间发生摩擦,电动车组的动能大部分通过轮、瓦间的摩擦变成热能,经车轮与闸瓦最终逸散出去。在闸瓦与车轮这一对摩擦副中,车轮由于主要承担着车辆走行功能,因此其材料是不能随意改变的。要改善闸瓦的制动性能,只能通过改变闸瓦材料的方式。早期的闸瓦材料主要是铸铁,为了改善摩擦性能和增加耐磨性,目前城轨交通车辆中大多采用合成闸瓦;但合成闸瓦的导热性较差的缺点,因此目前城轨车辆也有采
31、用导热性能较好,且具有较好的摩擦性能和耐磨性的半金属闸瓦或粉末冶金闸瓦。38在闸瓦制动方式中的停车制动时,列车的动能在很短时间内均转化为热能,但其散热能力相对较小,当要求的制动功率较大时,有可能造成热能来不及散于大气,而在闸瓦与车轮踏面积聚,使其温度升高,严重时甚至会导致闸瓦熔化(铸铁闸瓦)或车轮踏面产生裂纹。因此,在采用闸瓦制动时,制动功率不易过大。39盘形制动:盘形制动装置如图1.2所示,有轴盘式和轮盘式之分。在城市轨道交通车辆中,一般拖车采用轴盘式盘形制动装置;对于动车由于轮对中间设有牵引电机等设备使安装制动设备较困难,一般采用轮盘式盘形制动装置。制动时,制动缸通过制动夹钳使闸片夹紧制动
32、盘,在闸片与制动盘间产生摩擦,把电动车组的动能转变为热能,热能通过制动盘和闸片散于大气。因盘形制动能双向选择摩擦副,所以可以得到比闸瓦制动大得多的制动功率。40盘形制动装置的结构由单元制动缸、夹钳装置、闸片和制动盘组成,如图1.3所示。其中,单元制动缸中包含闸调器,夹钳装置由吊杆、闸瓦托、杠杆和支点拉板组成。夹钳的悬挂方式为制动缸浮动二点悬挂,即两闸瓦托的吊杆为两悬挂点,另一悬挂点是支点拉板。图1.3盘形制动的结构1轮对;2单元制动缸;3吊杆;4制动夹钳;5闸瓦托;6,7杠杆;8支点拉板41板,制动时将电磁铁放下,使磨耗板与钢轨吸合,电动车组的动能通过磨耗板与钢轨的摩擦转化为热能,然后经钢轨和
33、磨耗板最终散于大气。轨道电磁制动能得到较大的制动力,因此常作为城轨车辆紧急制动的一种补充。轨道电磁制动:轨道电磁制动也叫磁轨制动,如图1.4所示,在转向架侧梁4下通过升降风缸2安装有电磁铁1,电磁铁下设有磨耗42图1.4轨道电磁制动1电磁铁;2升缸风缸;3钢轨;4转向架结构侧梁;5磨耗板432)电力(动力)制动电力(动力)制动是在制动时,将牵引电机变为发电机,使列车动能转化为电能。根据电能的不同处理方式形成了不同方式的电制动,城市轨道交通车辆上采用的电制动形式主要有电阻制动和再生制动。电阻制动:将发电机发出的电能送到电阻器中,使电阻器发热,即将电能转变为热能。电阻器上的热能靠风扇强迫通风或走行
34、风而散于大气中。电阻制动一般能提供较稳定的制动力,但车辆底架下需要安装体积较大的电阻箱。44再生制动:把列车的动能通过电机转化为电能后,再使电能反馈回电网供给其他列车使用。这种方式既能节约能源,又减少制动时对环境的污染,并且基本上无磨耗,是一种较为理想的制动方式。(2)按制动力获取方式分类按列车制动力的获取方式分类,可分为黏着制动与非黏着制动。1)黏着制动制动时,车轮与钢轨之间有三种可能的状态。纯滚动状态:车轮与钢轨的接触点无相对滑动,车轮在钢轨上作纯滚动。这时车轮与钢轨之间为静摩擦,车轮与钢轨之间可能实现的最大制动是轮轨之间的最大静摩擦力,这是一种难以实现的理想状态。45滑行状态:车轮在钢轨
35、上滑行,这时车轮与钢轨之间的制动力为两者的动摩擦力,这是一种必须避免的状态,由于动摩擦系数远小于静摩擦系数,因此一旦发生这种工况,制动力将大大减小,制动距离延长;同时车轮在钢轨上长距离滑行,将导致车轮踏面的擦伤,危及行车安全。黏着状态:由于车辆重力的作用,车辆与钢轨的接触处为一椭圆形的接触面。制动时车轮在钢轨上处于连滚带滑(基本上是滚动)的状态,这种状态称为黏着状态。黏着状态下,车轮与钢轨间的最大水平作用力称为黏着力。黏着力与轮轨间垂直载荷的比值,称为黏着系数。依靠黏着滚动的车轮与钢轨黏着点之间的黏着力来实现车辆的制动称为黏着制动。黏着制动时,为了能得到较大的制动力,需要具有较高的黏着系数。然
36、而黏着系数受电动车组运行速度、气候条件、轮轨表面状态以及是否采取增黏措施等诸多因素的影响,是一个离散性很大的参数。462)非黏着制动制动时,制动力大小不受黏着力限制的制动方式称为非黏着制动,由于非黏着制动的制动力不从轮轨间获取是属于轮轨关系外的一种制动力,因而它可以得到较大的制动力。显然,在上面介绍的几种制动方式中,闸瓦制动、踏面制动、电阻制动和再生制动均属于黏着制动,而磁轨制动则属于非黏着制动。(3)按制动源动力分类在目前城轨电动车组所采用的制动方式中,制动源动力主要有压缩空气和电。以压缩空气为源动力的制动方式称为空气制动方式,如闸瓦制动、盘形制动等大都为空气制动方式;以电为源动力的制动方式
37、称为电气制动方式,电制动机轨道电磁制动等均为电气制动方式。472.按制动机的型式分类城轨车辆制动机是制动系统的控制核心,它可以在司机或其他控制装置(如ATP、ATC等)的控制下,产生各种制动作用。城轨车辆用的制动机,一般均选用电空制动机,如我国自行研制的DK型电空制动机、SD数字式电空制动机及目前在国内外大量使用的数字模拟式和模拟式电空制动机等。483.按制动力和控制方式分类按制动原动力和控制方式的不同,轨道交通车辆制动机可分为手制动机、空气制动机、电空制动机、电磁制动机和真空制动机。(1)手制动机手制动机是以人力为制动原动力,以手轮的转动方向和手力大小来控制。这种制动机构造简单,费用低廉,是
38、使用最为久远、生命力最为顽强的制动机。铁路发展初期,机车车辆上只有这种制动机,每车或几个车配备一名制动员,按司机笛声号令协同操纵。由于制动力弱,动作缓慢,不便于司机直接操纵,所以它很快就被非人力制动机取而代之,成为辅助的备用制动机,一般仅在停放制动或在调车作业中使用。(2)空气制动机空气制动机是以压力空气作为制动机的原动力,以改变压力空气的压强来操纵控制。空气制动机又分为直通式和自动式两大类。491)直通式空气制动机如图1.5所示,空气压缩机1将压缩空气储入总风缸2内,经总风缸管3至制动阀4。制动阀有3个不同位置:缓解位、保压位和制动位。当制动阀在缓解位时,制动管5内的压缩空气经制动阀的排气口
39、排向大气;当制动阀在保压位时,制动阀保持总风缸管、制动管和排气口各不相通;当制动阀在制动位时,总风缸管压缩空气经制动阀流向制动管。直通式空气制动机的特点:制动管增压制动、减压缓解,列车分离时不能自动停车。能实现阶段缓解和阶段制动。制动力大小靠司机操纵手柄在制动位置时间的长短决定,因此控制不太精确。前后车辆的制动一致性差。50图1.5直通式空气制动机缓解位;保压位;制动位;1空气压缩机;2总风缸;3总风缸管;4制动阀;5制动管;6制动缸;7基础制动装置;8缓解弹簧;9制动缸活塞;10闸瓦;11EX;12车轮2)自动式空气制动机51与直通式相比,自动式空气制动机在每辆车上多一个三通阀(或分配阀),
40、一个副风缸,如图1.6所示。所谓“三通”,即一通列车管,二通副风缸,三通制动缸。当制动阀手柄置于制动位时,列车管经制动阀通大气(排风减压),副风缸的风压将三通阀(主)活塞推向左极端(制动位),从而打开了三通阀上通往制动缸的孔路,使副风缸压力空气进入制动缸,产生制动作用。当制动阀手柄置于保压位时,列车管既不通总风缸也不通大气,列车管空气压强保持不变。此时,副风缸仍继续向制动缸供风,副风缸空气压强仍在下降。当副风缸的空气压强降至列车管空气压强略低时,列车管风压会将三通阀(主)活塞向右反推至中间位置(中立位或保压位),刚好使三通阀通制动缸的孔被关闭(遮断),副风缸停止向制动缸供风,副风缸空气压强不再
41、下降,处于保压状态;制动缸空气压强不再上升,也处于保压状态。如在制动缸升压过程中将手柄反复52置于制动位和保压位,则制动缸空气压强变化可分阶段上升,即实现阶段制动。当制动阀手柄置于缓解位时,总风缸的压力空气经制动阀进到列车管(充风增压),并进入三通阀,将其中的(主)活塞推至右极端(缓解位)并经三通阀活塞套上部的“充气沟”进入副风缸。此时,制动缸内压力空气经三通阀(缓解槽和排气孔)通大气,制动缓解。自动式空气制动的特点:制动管减压制动、增压缓解,列车分离时能自动制动停车。制动与缓解的一致性较直通式制动机好,列车纵向冲动较小,适合于较长编组的列车。有阶段制动及一次缓解性能。53图1.6自动式空气制
42、动机工作原理缓解位;保压位;制动位;1空气压缩机;2总风缸;3总风缸管;4制动阀;5制动管;6制动缸;7基础制动装置;8制动缸缓解弹簧;9制动缸活塞;10闸瓦;11EX排气口;12车轮;13三通阀;14副风缸;15调压阀;16排气口(3)电空制动机54电空制动机是电控空气制动的简称,它是在空气制动机的基础上加装电磁阀等电气控制部件而形成的。它的特点是制动作用的控制用“电控”,但制动作用的原动力还是压力空气。而且,在制动机的电控系统因故失灵时,它仍可实行“气控”(压力空气控制),临时变成空气制动机。列车施行电空制动时,贯通列车的制动导线使各车的制动电磁阀的排气口同时打开,将列车管的压力空气排往大
43、气,产生制动作用;列车施行缓解时,贯通列车的缓解导线使各车的缓解电磁阀的通路同时打开,各车的加速缓解风缸同时向列车管充风。【小贴士】加速缓解风缸的风是在初充气或上次缓解时,列车管经过三通阀向副风缸充气的同时,经过止回阀充至定压的。由于止回阀的作用,制动时,加速缓解风缸的风没有使用。列车施行阶段缓解时,缓解电磁阀的通路被关闭,列车管压力保持不变,保压电磁阀切断三通阀排气通路,所以三通阀主活塞虽然55仍停留在充气缓解位,制动缸经三通阀与排气口相通。但此时不通大气,制动缸压力保持不变,即可以实现阶段缓解。在列车速度很高或编组很长,空气制动机难以满足要求时,采用电空制动机可以大大改善列车前后部制动和缓
44、解作用的一致性,显著减轻列车纵向冲击,并缩短制动距离。世界上许多高速列车(200km/h以上)都采用了电空制动机。(4)电磁制动机电磁制动机的操纵控制和原动力都用电,例如轨道涡流制动和旋转涡流制动这两种制动方式,其制动机就是属于电磁制动机的范畴。轨道涡流制动(又称为线性涡流制动或涡流式轨道磁制动):轨道涡流制动也是把电磁铁悬挂在转向架构架下面两侧的两个车轮之间,不同的是,制动时电磁铁与钢轨不接触,利用电磁铁与钢轨相对运动使钢轨感应出涡流,产生电磁吸力作为制动力,从而把列车动能转化为热能,消散于大气,实现列车制动。轨道涡流制动既不受黏着限制,56也没有磨耗问题,但消耗电能太多,约为励磁制动的10
45、倍,制动时电磁铁产生热量较大。所以,它也只能作为高速列车紧急制动时的一种辅助制动方式。旋转涡流制动(又称涡流式圆盘制动):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,盘的表面被感应出涡流,产生电磁吸力并发热消散于大气,从而起到制动作用,它需要通过轮轨黏着才能产生制动力,要受黏着限制,而且消耗的电能也很多。(5)真空制动机真空制动机的特点是以大气与真空的压强差为原动力,以改变“真空度”来操纵控制,当制动阀手柄置于制动位时,列车管与大气相通,大气进入列车管和制动缸内下方。大气不能进入活塞上方,制动活塞上方的压差推动活塞上移,活塞杆缩向缸内而发生制动作用。当制动阀手柄置于缓
46、解位时,真空泵与列车管连通,列车管和制动缸内57的空气都被抽走,列车管和制动缸内上下两方都保持高度真空(约68kPa),相当于绝对压强33kPa,活塞下移,活塞杆向下伸出而处于缓解状态。真空制动机构造较简单,价格较便宜,维修方便,既能实现阶段制动,也能实现阶段缓解,但由于大气压强本身有限,“绝对真空”难以达到,需要直径较大的制动缸和较粗的列车管,随着牵引重量和运行速度的提高,真空制动机逐步在淘汰,目前一些使用真空制动机的车辆已经逐渐向空气制动过渡。【任务实施】制动方式可按制动是动能转移方式、制动力获取方式或按制动源动力的不同进行分类。进行讲解时按照3种方式进行讲解,同时结合具体方式中的具体事例
47、进行分析。【知识拓展】城市轨道交通车辆制动系统模块化设计的新思路58城市轨道交通车辆,特别是地铁车辆,将车内空间留给乘客之后,牵引、辅助、制动系统的主要部件均布置在车下。在有限的车下空间合理布置设备,并将整车重心保持在允许的范围之内,要求系统的集成度高、空间利用紧凑,这给车辆的设计制造提出了更高的要求。如果布置不合理,不但施工不方便,而且会造成车下管线出现抗磨现象,可接近性差,也给运用周期中的维修保养带来困难,增加了(全车、维修、使用的)寿命周期费用。为了改进制造环节并减少在运用周期中的检修工作,开展模块化设计工作就显得尤为重要。1.城轨列车车下制动设备模块化设计的意义由于每个城市对城市轨道交
48、通车辆的要求不同,因此每个地铁项目的设备有不同的配置,因此很难实现车下制动设备及管路的整体模块化设计。但对于城轨车辆的制动系统中的主要设备部件,可以进行局部的模块化设计,将系统中的各类阀件集成,以提高设计的通用性。通过模块化设计,可改善施工人员的工作条件,使安装工作由先前的59车下仰视作业改为在类似于翻转工作台等工装上作业,提高了制造的精确性,减少了装配人员的工作强度,降低了生产成本,同时对管路零件可进行更清晰的加工、研配、组装的工序划分,便于生产组织与质量控制。2.制动设备模块化设计的总体思路北京地铁4号线列车是对车下制动设备按照功能进行局部模块化设计的成功范例之一,其基本思想是将副风缸、空
49、气弹簧风缸及相应控制阀、停放控制阀等功能元件集成为风缸模块,将总风缸及总风回路上的各类阀集成为一个总风模块。制动模块为各车通用的模块,总风模块仅在Tc车安装。这样车下制动系统除去这几大模块及部分制动设备之外,剩余皆为直观的直通互联管路。3.制动设备模块化设计的方法以北京地铁4号线车辆为例,将制动设备按具体功能设计为3个模块:风源模块、总风模块和风缸模块,风源模块和总风模块只设置在60Tc车,风缸模块在每个车都设置。(1)风源模块的设计将城轨车辆风源模块中的空气压缩机、干燥器、安全阀、软管等部件安装在一个支架上集成后,然后再通过4个安装座固定到车体上,使空间布置更为紧凑且安装方便。(2)风缸模块
50、的设计在北京地铁4号线制动系统中,停放控制单元及空气弹簧控制管路中的各个阀都是管道装配,无法做成气路板安装的形式。故该模块需要将副风缸和空气弹簧风缸及其管路中连接的截断塞门、过滤器、单向阀、双向阀、溢流阀、测试点等元件集成在一起。该方案可以更加方便安装检修,该模块的设计要点如下:风缸采用吊带安装的方式。为了方便维护、检修,所有的阀件安装在车底外侧。脉冲阀的安装应考虑防石击,在阀体的两侧安装防护板。61(3)总风模块的设计总风缸只设置在Tc车上,故将空气压缩机与至总风缸间管路中的安全阀、继电器、过滤器、测试点连同总风缸设计成一个模块。4.制动模块化设计的优点通过模块化设计,将日常检修操作的阀类安
