高速動車組制動技術新進展

1、畢業(yè)論文中文摘要高速動車組制動技術新進展摘要 眾所周知，先進的制動技術是保證列車高速運行安全性、有效性和舒適性不可或缺的一部分，對于高速列車的制動來說，傳統的摩擦制動方式已不能保證運行的安全，一些方式更加靈活、性能更加卓著的制動技術（如電磁制動、電阻制動等）已在現有動車組上使用。本文將對其加以宏觀論述與回顧，并以此為基礎總結詮釋目前國內外動車組制動的新技術。這些技術中包括已有成熟技術（尚未大規(guī)模使用），也有處于試運行階段仍需改進但前景誘人的前沿技術。希望通過宏觀的解構、整合，對動車組制動技術現狀的及其未開發(fā)展趨勢作一次鳥瞰式介紹，同時進一步加深我在制動理論方面的認識。關鍵詞 動車組制動現狀 動

2、車組制動新進展 宏觀解構 目 錄1 引言 32 動車組制動技術現狀概述32.1 關于動車組制動 32.2 淺析國外幾種高速列車制動 53 高速動車組制動新技術進展 53.1 磁軌制動53.2軌道渦流制動 63.3 飛輪儲能制動73.4 空氣翼板制動 83.5 液壓制動9結論 11致謝 12參考文獻131 引言 近年來，隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，我國掀起了高鐵建設的熱潮，CRH各型動車組先后投入使用，在世界高鐵史冊留下輝煌的一頁。制動這一列車安全運行必不可少的環(huán)節(jié)，歷久彌新涌現了不少新技術、新手段。運用吸收這些新東西，有利于促進我國高速動車更快更好發(fā)展。本文正是基于這種認識而作的。文章概括回顧

3、了國內外動車組制動技術的現狀，并據此闡述了目前動車組制動的新技術進展，這些技術雖仍有瑕疵，但瑕不掩瑜它們終將在未來高速動車組制動方面大放異彩。2 動車組制動技術現狀概述2.1關于動車組制動2.1.1 動車組制動基本認識 現代高速動車組采用動力分散模式，列車制動由電氣制動和空氣制動復合而成，包括制動控制系統和制動執(zhí)行系統?？刂葡到y由制動信號發(fā)生、傳輸裝置和制動控制裝置組成；執(zhí)行系統即基礎制動裝置，常見的有閘瓦制動和盤形制動。由于運行速度高，黏著系數小，制動距離要求短，動車組均設有高性能電阻防滑器，進行防滑控制，充分利用黏著。 以CRH3為例，制動系統主要設備包括以下幾部分：風源系統、制動控制單元

4、備用制動系統、撒砂裝置、空氣防滑裝置、空氣懸掛裝置、基礎制動裝置 ，如圖21所示。圖212.1.2電制動電氣制動簡稱電制動，包括電阻制動和再生制動。電阻制動是制動時將牽引主電機作發(fā)電機,利用動能發(fā)電并將電能通過車輛的制動電阻轉變?yōu)闊崮?，從而獲得制動力的方法。再生制動是將電能通過牽引系統的變流器逆向變換，制動時將牽引主電機轉換成發(fā)電機工作。所謂“再生”本質是將牽引加速過程中從接觸網獲得的電能經轉換和各種磨耗后反饋給電網，從而獲得制動力的方法。電制動可單獨使用或與空氣制動一起使用，與空氣制動一起使用時將優(yōu)先使用電制動，以減輕空氣盤形制動部件的磨耗?，F行動車組電制動與空氣制動分工一般為：動車驅動軸使

5、用電制動，動車非動力軸和拖車使用電空制動，超出使用電制動力的速度范圍，動車拖車均使用空氣制動。 2.1.3直通式電空制動目前動車組制動控制是一種電氣指令微機控制的直通式電空制動。電動車組各車輛上的制動裝置由制動控制單元（簡稱BCU或者叫制動控制器）、EP閥、中繼閥、空重調整閥、緊急制動電磁閥等組成。在200m/h動車組上，載荷調整器信號直接來自空氣簧空氣壓力?？諝鈴椈蓧毫νㄟ^傳感器轉化為與車重相應的電信號，BCU根據制動指令及車重信號計算出所需的制動力，并向電氣制動控制裝置發(fā)出制動信號。電氣制動控制與計算結果相應的電信號送到EP閥。EP閥將此電信號轉換成相應的空氣壓力信號送到中繼閥，中繼閥進行

6、流量放大后使制制動缸獲得相應的壓力（圖22）。拖車常用制動時，制動控制裝置的動作過程與動車的基本相同。但因為沒有電制動，所以不必進行電制動與空氣制動的協調，所需制動力全部通過EP閥轉化為相應的空氣壓力信號，然后由中繼閥使制動缸產生相應的制動力。 圖222.2 淺析國外幾種高速列車制動 目前，國外動車組基本上有3種模式，即法國的TGV、德國的ICE、和日本的新干線，其制動方式參見下表。國別日本法國德國型號0系100300TGV-STGV-ATGV-NTCE-VICE編組16M12M4T10M6T2M8T2M8T2M10T2M3T2M14T速度(km/h)210230300270300350300

7、280列車制動控制方式電磁直通空-液電氣指令直通電-液電氣指令微機控制電空自動空氣電氣指令微機控制電空電氣指令微機控制電空電氣指令微機控制電空電氣指令微機控制電空備用制動直通電空直通電空直通電空空氣制動空氣制動空氣制動空氣制動空氣制動動車制動閘瓦盤形電阻再生渦流拖車制動閘瓦盤形磁軌渦流3 高速動車組制動技術進展3.1 磁軌制動3.1.1 磁軌制動原理簡述 磁軌制動：磁軌制動分為電磁型和永磁型，其最大的優(yōu)點是產生的制動力不受輪軌間的黏著條件限制。電磁鐵磁軌制動裝置主要由勵磁電路、構架、制動梁、升降鳳缸、電磁鐵等構成（圖31）。 圖31電磁型磁軌制動裝置永磁型磁軌制動分旋轉式和移動式。前者由兩瓣硬

8、磁材料和磁絕緣夾層制成，后者由一塊硬磁和兩面軟磁層，上端絕緣層制成。在工作狀態(tài)時，外圈磁軛在控制氣缸的推動下轉動，內外圈上相同位置的永磁體磁極相反。磁力線穿過極片在感應盤內通過，產生制動力。非工作狀態(tài)時，外圈上相同位置的永磁體磁極相同，磁力線被屏蔽，不產生制動力。改變控制氣缸的行程，內外圈上的永磁體的相對位置可以在一塊磁鐵寬的距離內任意改變，以實現分級制動。3.1.2 磁軌制動應用及特點 磁軌制動一般作為一種輔助制動方式用于黏著力不足的高速旅客列車緊急制動中，法國的TGV-2N、德國的ICE及瑞典的X2000等高速列車都裝有磁軌制動裝置。 目前，德國已經在進行磁軌制動用于常用制動的嘗試，相信隨

9、著技術的進步，這將逐步變?yōu)楝F實。另外，和軌道渦流制動相比，磁軌制動的技術要求較低，在高速鐵路技術不太成熟的情況下，磁軌制動是一種比較好的選擇。 磁軌制動與輪軌間黏著系數無關，故受氣候影響小。另外采用磁軌制動還可縮短制動距離。磁軌制動的不足之處是，制動力產生和消失都很突然，其制動和緩解的突然性決定了它更適宜作輔助性緊急制動裝置；另一缺點是采用磁軌制動會使車輛自重增加1噸左右。3.2 軌道渦流制動3.2.1渦流制動工作原理軌道渦流制動技術有旋轉（盤型）渦流制動和線性渦流制動。旋轉渦流制動是在車軸上裝金屬盤，制動時金屬盤在電磁鐵形成的磁場中旋轉，盤表面感應出渦流，產生電磁力并發(fā)熱消散于大氣中，從而產

10、生制動力。與盤形制動相比，旋轉渦流制動雖然無磨耗，但其制動力也要受粘著限制，且消耗電能太多。線性渦流制動與磁軌制動安裝相似，但線性渦流制動的電磁鐵在制動時只放下到離軌面很近（710mm）的距離處而不與鋼軌接觸。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，列車動能轉換成鋼軌內部的熱能。與磁軌制動一樣以鋼軌為作用對象，制動電磁鐵的N極、S極沿軌道方向交替排列。當電磁鐵與軌道間隙為7mm、速度為250km/h時、28kw的勵磁功率可產生7.2kn的制動力。渦流對電磁鐵和鋼軌間的氣隙很敏感，氣隙每變化1mm制動力變化10%。 32軌道渦流制動原理示意圖3.2.2渦流制動應用

11、的優(yōu)勢和不足線性渦流制動的優(yōu)點是高速時有較高的制動力，制動力特性曲線較理想、無磨耗，容易控制并可連續(xù)調節(jié)。目前，德國ICE-3城間高速動車組采用了可獨立工作的軌道渦流制動，可實現無級調節(jié)，大大減輕了制動裝置的質量。日本100系、300系新干線拖車也采用了軌道渦流制動，電動車組采用復合制動方式，當再生制動不能滿足制動力需求時，首先由拖車的渦流制動補充，其次用空氣制動補充。當然渦流制動也有其缺點，即制動時產生的渦流使鋼軌加熱，并影響軌道穩(wěn)定性；有相當高的電能消耗，它以制動力的平方而增加；渦流制動的電磁場干擾信號裝置，制動時電磁力增加了軸重，低速時制動效果較差。3.3 飛輪儲能制動3.3.1 飛輪儲

12、能的工作原理及組成飛輪儲能系統是一種機電能量轉換的儲能裝置，突破了化學電池的局限，用物理方法實現儲能。通過電動/發(fā)電互逆式雙向電機，電能與高速運轉飛輪的機械動能之間的相互轉換與儲存，并通過調頻、整流、恒壓與不同類型的負載接口。典型的飛輪儲能系統由飛輪本體、軸承、電動/發(fā)電機、電力轉換器和真空室5個主要組件構成（見圖3-3）。 33飛輪儲能的基本結構飛輪本體是飛輪儲能系統中的核心部件，作用是力求提高轉子的極限角速度，減輕轉子重量，最大限度地增加飛輪儲能系統的儲能量。軸承系統的性能直接影響飛輪儲能系統的可靠性、效率和壽命。 飛輪儲能系統的機械能與電能之間的轉換是以電動/發(fā)電機及其控制為核心實現的，

13、電動/發(fā)電機集成一個部件，在儲能時，作為電動機運行，由外界電能驅動電動機，帶動飛輪轉子加速旋轉至設定的某一轉速；在釋能時，電機又作為發(fā)電機運行，向外輸出電能，此時飛輪轉速不斷下降。電力轉換裝置是為了提高飛輪儲能系統的靈活性和可控性，并將輸出電能變換(調頻、整流或恒壓等)為滿足負荷供電要求的電能。真空室的主要作用是提供真空環(huán)境，降低電機運行時的風阻損耗3.3.2 飛輪儲能制動的應用飛輪電池充電快，放電完全，非常適合應用于混合能量推動的車輛中。車輛在正常行使時和剎車制動時，給飛輪電池充電，飛輪電池則在加速或爬坡時，給車輛提供動力，保證車輛運行在一種平穩(wěn)、最優(yōu)的狀態(tài)下的轉速。德國西門子公司已研制出用

14、于火車的（長1.5m，寬0.75m）飛輪電池，可提供3MW的功率，同時，可儲存30%的剎車能。由于技術和材料價格的限制，飛輪電池的價格相對較高，其在動車組制動方面的應用較少，但作為一種新興的儲能方式，它非常符合未來儲能技術的發(fā)展方向，隨著人們的不斷探索與嘗試，飛輪儲能制動一定會在未來動車組制動家族中占有重要一席。3.4 空氣翼板制動 翼板制動屬于空氣阻力制動范疇，在列車各車車體上，布置一定數量的空氣阻力板，以產生顯著的、可人為控制的空氣阻力，該阻力直接作用于車體與列車運動方向相反，可作為制動力。 34 翼板制動原理示意 翼板制動在中高速范圍能夠產生足夠大的制動力，可以成為中高速范圍的主要減速手

15、段。使列車處于無摩擦、非黏著是的制動作用下減速。中速及以下范圍仍采用常規(guī)制動方式。存在以下問題：1.處于高速擾流狀態(tài)下的翼板會產生擾流、震動。2.因強大的作用力直接作用在列車車頂，而不得不加強車體，不利于輕量化設計。3.列車在中高速范圍內的巨大能量無法回收，影響運營經濟性。盡管如此，翼板制動的有效性依然吸引人們不斷研究。目前這一技術已在國外處于試驗運行階段。3.5 液壓制動采用液壓制動機來代替?zhèn)鹘y的空氣制動機,可以在確保具有與空氣制動裝置相同可靠性的條件下實現小型化、輕型化,同時由于液壓系統具有快速響應的特點,可取消防滑器,并比空氣制動系統具有更好的防滑性能。3.5.1液壓制動的組成及基本原理

16、液壓制動系統一般是由油泵,蓄能器,電磁控制閥以及制動裝置等組成。 整個液壓制動系統按照功能來分,可以分為微機制動控制器(MBCU)、電液制動裝置及基礎制動裝置。微機制動控制器(MBCU)以接收常用制動指令、緊急制動指令、電氣制動反饋、ATC信號等輸入,經過計算機處理,輸出常用制動指令、緊急制動指令來控制相應電磁閥,完成制動力的控制。除此之外,它還要控制液壓系統的驅動和控制,如油泵的起?？刂?以及整個液壓系統的狀態(tài)檢測等,如液壓系統的各種傳感器反饋信息。電液制動裝置由電機、油泵、蓄能器、常用制動壓力控制、緊急制動壓力控制和油箱組成（圖35）。 35 液壓制動系統結構圖3.5.2液壓制動應用及優(yōu)勢

17、 1響應速度快。 2壓力系為雙層結構可以確保其安全性。 3高速運行具有良好的控制性能。 4可以實現無極控制與動力制動之間具有良好的協調性。 目前應用的液壓制動機主要有:日本的高速動車組液壓制動機、德國的克諾爾液壓制動機、磁浮列車采用的液壓制動機。11結 論 綜上所述，目前我國自主研制的高速動車組制動系統已在“和諧”號上使用, 但在技術上和高速鐵路技術發(fā)達的國家還有很大的差距。同時,在制動技術方面已經突破了以往空氣壓力系統的模式，涌現出了電制動、磁軌制動、渦流制動、飛輪儲能制動、空氣翼板制動、液壓制動等一系列新技術，但是隨著我國鐵路向高速化不斷挺進，高速列車的制動問題將更為突出，對于高速列車的制

18、動技術，必須徹底改變過去對于制動系統的陳舊觀念和思考模式，根據國外經驗以及我國發(fā)展高速列車的具體條件，從提高高速列車的安全性、可靠性和舒適性這3項基本要求出發(fā)，采用各種新技術并綜合考慮機車車輛制動性能和運輸、通信、線橋建筑等有關的系統工程問題，令我國動車組制動技術更上層樓。 致 謝三年前，這個校園是我的夢想。三年后，微笑回首來路，一幕幕，宛在昨天。 大學三年學習時光已經接近尾聲，在此我想對我的母校，我的父母、親人們，我的老師和同學們表達我由衷的謝意。 感謝我的家人對我大學三年學習的默默）給了我在大學三年深造的機會，讓我能繼續(xù)學習和提高；感謝母校的老師和同學們三年來的關心和鼓勵。這次畢業(yè)論文寫作我得到了很多老師和同學的幫助，其中我的論文指導老師宇善良老師對我的關心和支持尤為重要。每次遇到難題，我最先做的就是向xxx尋求幫助，而宇老師每次不管忙閑，總會抽空為我指點迷津，然后一起商量解決的辦法。這幾個月以來，宇老師不僅在學業(yè)上給我以精心指導，同時還在思想上給我以無微不至的關懷，在此謹向宇老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 同時，本篇畢業(yè)論文的寫作也得到了同學的熱情幫助，再次感謝在整個畢業(yè)設計期間和我密切合作的