1、动动 车车 组组 制制 动动 系系 统统胡准庆胡准庆第一章第一章 动车组制动系统概述动车组制动系统概述n制动的基本概念制动的基本概念n评价制动性能的指标评价制动性能的指标n制动对动车组的意义制动对动车组的意义n制动方式分类制动方式分类n制动机的类型制动机的类型n制动控制系统制动控制系统n制动机的类型制动机的类型n动车组制动系统的特点动车组制动系统的特点制动的基本概念制动的基本概念n制动制动n缓解缓解 制动装置制动装置n制动机制动机n基础制动装置基础制动装置制动过程必须具备两个基本条件：制动过程必须具备两个基本条件：（1）实现能量转换；）实现能量转换；（2）控制能量转换。）控制能量转换。评价制动
2、性能的指标评价制动性能的指标 制动距离制动距离从列车施行制动作用开始，到其完全停住所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车制动装置性能和实际制动效果的主要技术指标。指标。制动减速度制动减速度制动对动车组的意义制动对动车组的意义甲站甲站乙站乙站0起动起动制动制动运行运行速度速度距离距离AAAB制动方式分类制动方式分类n盘形制动盘形制动n盘形制动有轴盘式和轮盘式之分。盘形制动有轴盘式和轮盘式之分。n当制动盘固定在车轴上时，称为轴盘式盘形当制动盘固定在车轴上时，称为轴盘式盘形制动，一般
3、拖车大多采用这种结构；如果制动制动，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。盘连接在车轮上，称为轮盘式盘形制动。n在动车在动车(动轴动轴)上，由于两轮之问需要安装牵上，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。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n盘形制动方式避免了车轮踏面参与制动，可双向选择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摩擦副的材料甚至形状(使其有利于散热使其有利于散热)，因此可实现，因此可实现较大的制动功率，适
4、用于高速列车。较大的制动功率，适用于高速列车。n中低速列车盘形制动摩擦副的材料，以合成闸片配铸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。铁制动盘为首选。n 对于高速列车，可通过两种措施提高轴制动功率。一对于高速列车，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。与经济性。n电阻制动电阻制动n再生制动再生制动
5、n磁轨制动磁轨制动1243 1 2 3 4 5 n轨道涡流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，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。最终消散于大气。n旋转涡流制动旋转涡流制动安装在制动盘两侧的不是安装在制动盘两侧的不是闸片闸片，而是，而是电磁铁电磁铁。在制动时，让电磁铁导通励磁，安装在轮轴上在制动时，让电磁铁导通励磁
6、，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，最流，使涡流盘发热，列车动能转化为热能，最终消散于大气终消散于大气。n翼板制动翼板制动200km/h200km/h的速度下，列车减速度能提高的速度下，列车减速度能提高0.17m/s0.17m/s2 2；250km/h250km/h的速度下，减速度能提高的速度下，减速度能提高0.28m/s0.28m/s2 2。粘着系数粘着系数粘着系数粘着系数制动作用的种类制动作用的种类常用制动常用制动l按速度粘着特性曲线控制（设有空重车调整功按速度粘着特性曲线控制（设有空重车调整功
7、能）能）l电制动优先电制动优先l包括空气制动系统和电制动系统包括空气制动系统和电制动系统紧急制动紧急制动n列车分离列车分离n总风欠压总风欠压n燃轴燃轴n严重火警严重火警 非常制动非常制动n采用与常用制动类似的电空复合制动模式采用与常用制动类似的电空复合制动模式n具备最大常用制动（具备最大常用制动（B7级）级）1.5倍的制动力倍的制动力n一般在乘客所能承受的范围内不再考虑其舒适性。一般在乘客所能承受的范围内不再考虑其舒适性。备用制动备用制动v制动控制装置异常制动控制装置异常v制动指令线路断线制动指令线路断线v救援救援v每个级位的制动力为定值，与速度和载重无关每个级位的制动力为定值，与速度和载重无
8、关停放制动停放制动v防止列车在长时间停放时发生溜逸事故而设置。防止列车在长时间停放时发生溜逸事故而设置。v高速列车大多采用弹簧蓄能制动装置来实施。高速列车大多采用弹簧蓄能制动装置来实施。v停放制动作用是替代传统的手制动作用，通过摩擦制动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。方式实现。v使具有最大载荷的列车停在坡度为使具有最大载荷的列车停在坡度为3030的坡道上不溜车。的坡道上不溜车。停放制动停放制动停车制动缸停车制动缸摩擦制动缸摩擦制动缸救援救援/回送制动回送制动v它通过列车的常用制动装置或备用制动装置来实现。它通过列车的常用制动装置或备用制动装置来实现。v在设计时，需考虑
9、救援列车和被救援列车制动指令的接在设计时，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。车车端设置相应的制动指令转换器。v通过空电转换装置使动车组将来自普通机车的列车管压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；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 v保持（停车）制动作用是常用制动的一种自动控制模式。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。制动系统采用微机控制制动系
10、统时才能实现。v用来防止列车在即将停车的过程中，因摩擦制动摩擦系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。数的变化而导致旅客舒适性的恶化。v在这一控制模式中还考虑了列车停车后防止溜坡所需实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。合模式。v保持（停车）制动作用特别适合用于运行线路固定、需保持（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。要经常停站的列车。耐雪制动耐雪制动 v耐雪制动是为了防止摩擦副之间进入冰雪导致制动作用耐雪制动是为
11、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。难以迅速产生而采取的一种制动作用。v它的作用形式是在列车牵引或惰行过程中，司机通过耐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。合。制动控制系统原理：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。从调整、制动模式控制
12、、监控信息处理和显示等功能。从而可适应于而可适应于ATP、ATC列车自动控制甚至最新的列车控列车自动控制甚至最新的列车控制信息管理制信息管理(TI S)装置的运用要求。装置的运用要求。制动控制系统制动控制系统1.制动控制系统的组成制动控制系统的组成 电气部分电气部分 气路阀类部分气路阀类部分 制动控制器制动控制器 微机控制系统微机控制系统 安全联锁装置安全联锁装置 制动电磁阀和缓解阀制动电磁阀和缓解阀 紧急制动电磁阀紧急制动电磁阀 强迫缓解电磁阀和切换阀强迫缓解电磁阀和切换阀 荷重传感器和荷重传感器和EP传感器传感器紧急限压阀紧急限压阀 制动缸压力中继阀制动缸压力中继阀 总风缸及电空制动压力开
13、关总风缸及电空制动压力开关 空电转换电磁阀等空电转换电磁阀等2.控制系统操纵的两种制动装置控制系统操纵的两种制动装置n 一是正常情况下使用的采用微机控制的直通式电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。动和空气制动的复合制动方式。n 二是在电空制动失效的情况下使用的处于热备用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整个制动系统分成三级控制n 网络控制：以网络来传输控制指令、实现网络控制：以网络来传输控
14、制指令、实现ATP列车列车控制（安全级别低，指挥级别最高）控制（安全级别低，指挥级别最高）n 电空制动控制：以贯穿全列车的电空制动电缆为介电空制动控制：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）中，指挥级别中）n 空气制动控制：以贯穿全列车的列车管压力为介质空气制动控制：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）来传输控制指令（安全级别最高，指挥级别最低）4.防滑器控制防滑器控制n防滑装置的作用首先是对宏观打滑的检测，即通过对防滑装置的作用首先是对宏观打滑的检测，即通
15、过对轮对滚动线速度的连续监测，以速度差、减速度及其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。力的方法来恢复粘着。n由于高速列车强大的复合制动力矩在高速时更容易超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。过粘着力矩而可能造成车轴的抱死和车轮擦伤。制动机的类型制动机的类型n电空自动制动机电空自动制动机 n电空直通式制动机电空直通式制动机 制动机的发展简史制动机的发展简史n1825年年9月月27日，英国日，英国 斯多克顿至达林顿斯多克顿至达
16、林顿之间建成了世界上第一条铁路，第一列由蒸汽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。若干名制动员机是人力制动机，即手制动机。若干名制动员操纵。操纵。n缺点：劳动强度增大缺点：劳动强度增大、降低列车中各车辆制、降低列车中各车辆制动的同时性动的同时性、制动冲击严重，影响列车制动、制动冲击严重，影响列车制动效果。效果。n1869年，美国工程师乔治年，美国工程师乔治韦斯汀豪斯发明韦斯汀豪斯发明了世界上第一台空气制动机了世界上第一台空气制动机直通式空气制动机。直通式空气制动机。n优点：优点：大大提
17、高了列车制动的同时性，减小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。了制动冲击，改善了列车的制动效果。n缺点：缺点：当列车分离时，列车将失去制动作用。当列车分离时，列车将失去制动作用。n 1872年，乔治年，乔治韦斯汀豪斯在直通式空气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的基础上，研制出了一种新型的空气制动机制动机自动空气制动机自动空气制动机。n克服了直通式空气制动机的致命弱点。克服了直通式空气制动机的致命弱点。直通式空气制动直通式空气制动工作原理工作原理n结论：结论：n直通式空气制动机的特点是制动管充风，直通式空气制动机的特点是制动管充风，
18、产生制动作用；制动管排风，实现缓解作产生制动作用；制动管排风，实现缓解作用。用。n致命弱点：列车分离不起制动作用。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式空气制动自动式空气制动缓解制动保压结论：结论：1、自动空气制动机是在直通式空气制动机的基础、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上增设一个副风缸和一个三通阀(或分配阀或分配阀)而构成而构成的。的。2、自动空气制动机具有自动空气制动机具有“制动管充风制动管充风缓解，缓解，制动管排风制动管排风制动制动”的工作机理。的工作机理。电空直通式空气制动系统电空直通式空气制动系统n自动制动机制动缓解
19、后，存在最大制动能力降低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。能力低于标定能力。n直通电控式制动机的制动总风缸不存在缓解充风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 两种制动机的特点两种制动机的特点 高速列车高速列车(16辆编组辆编组)空走时间值空走时间值项项 目目 电电 空空 制制 动动 空气制动空气制动 电气指令式电气指令式 自动
20、制动式自动制动式 空走时间空走时间s 0.1 1.0 制动缸压力上升时间制动缸压力上升时间s 1.2 5.0高速列车制动系统对制动能力的要求高速列车制动系统对制动能力的要求n制动能力表现为停车制动时对制动距离的控制；制动能力表现为停车制动时对制动距离的控制；n在同样的制动装置、操纵方式和线路条件下，其在同样的制动装置、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制动距离基本上与列车制动初速度的平方成正比关系；系；n随着列车速度的提高，必须相应地改进其制动装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。置和制动控制方式才能满足缩短制
21、动距离的要求。由上表得知：国外由上表得知：国外300km/h高速列车的紧急制动距离均在高速列车的紧急制动距离均在30004000m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速300km/h条件下的复合紧急制动距离可保证在条件下的复合紧急制动距离可保证在3700m以内。以内。项目项目日本日本法国法国德国德国西班牙西班牙意大利意大利瑞典瑞典500系系 700系系TGV-2NICE2 ICE3 ICE350EAVE ETR500X2000紧急制动距紧急制动距离离/m4000 3870 35002900 3500
22、3900360040001190紧急制动平紧急制动平均减速度均减速度/m/s20.87 0.731.01.1 1.2 1.00.950.871.40初速初速/km/h 300 270 300280 330 320300300200紧急制动距离紧急制动距离 动车组制动系统的特点动车组制动系统的特点n安全性高安全性高n控制准确控制准确n舒适度高舒适度高n可靠性高可靠性高n维修方便维修方便n系统轻量化系统轻量化安全性高安全性高n采用电、空联合制动模式，电制动优先，采用电、空联合制动模式，电制动优先，且普遍装有防滑器且普遍装有防滑器n操纵控制采用电控、直通或微机控制电气操纵控制采用电控、直通或微机控制
23、电气指令式等灵敏而迅速的系统指令式等灵敏而迅速的系统控制准确控制准确n制动作用采用微机控制，可为保证列车正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点运行精确提供所需制动力n对复合制动的模式进行合理设计，使不同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型式的制动力达到最佳的组合效果舒适度高舒适度高n舒适性的要求：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，主要是制向运动的特点除起动加
24、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，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。的要求，均应高于普通旅客列车。p采用微机控制，实现制动过程的优化控制，在提采用微机控制，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高平均减速度的同时尽量减少减速度的变化率p减少列车中不同车辆制动力的差别，以缓和车辆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
25、冲击力之间的纵向冲击力p防滑装置可避免因轮轨间粘着力不足而产生的车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高乘坐舒适性，避免对车轴等部件产生附加应力n采用的关键技术采用的关键技术n当减速度的变化率不超过当减速度的变化率不超过0.6 m/s2时，乘客不会产时，乘客不会产生明显的不适感；生明显的不适感；n当减速度的变化率大于当减速度的变化率大于0.6 m/s2，但不超过，但不超过0.75 m/s2时，基本还是可接受的；时，基本还是可接受的；n当减速度的变化率超过当减速度的
26、变化率超过1.0 m/s2时，对没有准备且时，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。处于无倚靠站立的乘客来说，存在着摔倒的危险。n减速度的要求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：高速列车制动时减速度变化率最大值发生在：n制动初期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n不同制动方式切换过程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控制水平n列车停车瞬间列车停车瞬间控制列车停车瞬间减速度变化率较好的
27、方法是采用保持（停车）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。制动作用。可靠性高可靠性高(1)制动控制方式设计制动控制方式设计n高速列车一般设有空气制动、微机控制的电空制动和计算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。机网络三种制动控制方式。n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。制动作用。n在电气故障或电空制动故障时，能依靠空气制动的列车管在电气故障或电空制动故障
28、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。制动距离。n此外，在高速列车微机控制的制动控制过程中需要有大量此外，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。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下坡道停车的可靠性设计n高速列车必须随时保证有必要的停车制动能力，为此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
29、能力。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制动能力的冗余量设计n在正常条件下复合制动系统的各种制动方式应合理分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。担制动能量。n一旦其中的某种制动方式发生故障时，其他制动方式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。应能提供补充。n例如空气制动和动力制动的互为补充。当制动能力不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，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。系数偏差对制动距离延长的影响。(4)粘着制动的保安作用粘着制动的保安作用n例如磁轨制动装置在紧急制动时的可靠性，通常该制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动能量设计为全部制动能量的10%左右。左右。维修方便维修方便n开发了在故障时能够进行自检的自诊断开发了在故障时能够进行自检的自诊断功能功能n减少了磨耗件，大大减少了维修工作量减少了磨耗件，大大减少了维修工作量制动装置轻量化制动装置轻量化n采用模块化设计采用模块化设计n将空气制动的电将空气制动的电-空气空气-液压方式变换为液压方式变换为电电-液压直接变换方式液压直接变换方式
