鐵道機(jī)車前景與展望

1、鐵道機(jī)車車輛液壓制動(dòng)機(jī)及其國(guó)內(nèi)外發(fā)展，列車運(yùn)行速度越高,對(duì)車輛設(shè)備小型化、輕量化及制動(dòng)系統(tǒng)的性能及可靠性要求越高。采用液壓制動(dòng)機(jī)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的空氣制動(dòng)機(jī),可以在確保具有與空氣制動(dòng)裝置相同可靠性的條件下實(shí)現(xiàn)小型化、輕型化,同時(shí)由于液壓系統(tǒng)具有快速響應(yīng)的特點(diǎn),可取消防滑器,并比空氣制動(dòng)系統(tǒng)具有更好的防滑性能。為了適應(yīng)高速機(jī)車車輛以及城市軌道交通車輛整體技術(shù)的發(fā)展,世界上許多國(guó)家都對(duì)液壓制動(dòng)方式進(jìn)行了研究,成為鐵路機(jī)車車輛制動(dòng)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)之一。 目前,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)電和自動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)代制造技術(shù)及新材料、新工藝等一系列高新技術(shù)的蓬勃發(fā)展,液壓技術(shù)有了很大的發(fā)展。密封材料性能的提高、液壓件微型化以

2、及高可靠性和適用性等,都給機(jī)車車輛制動(dòng)系統(tǒng)采用液壓技術(shù)創(chuàng)造了條件。1液壓制動(dòng)的組成及基本原理液壓制動(dòng)系統(tǒng)一般是由油泵,蓄能器,電磁控制閥以及基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等部件組成。可以看出,整個(gè)液壓制動(dòng)系統(tǒng)按照功能來(lái)分,可以分為微機(jī)制動(dòng)控制器(MBCU)、電液制動(dòng)裝置及基礎(chǔ)制動(dòng)裝置。微機(jī)制動(dòng)控制器(MBCU)的工作原理與空氣制動(dòng)機(jī)基本相似,以接收常用制動(dòng)指令、緊急制動(dòng)指令、電氣制動(dòng)反饋、ATC信號(hào)等輸入,經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)處理,輸出常用制動(dòng)指令、緊急制動(dòng)指令來(lái)控制相應(yīng)電磁閥,完成制動(dòng)力的控制。除此之外,它還要控制液壓系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和控制,如油泵的起?？刂?以及整個(gè)液壓系統(tǒng)的狀態(tài)檢測(cè)等,如液壓系統(tǒng)的各種傳感器反饋信息。 電

3、液制動(dòng)裝置由電機(jī)、油泵、蓄能器、常用制動(dòng)壓力控制、緊急制動(dòng)壓力控制和油箱組成。各部分工作原理如下。(1)電機(jī)、油泵及蓄能器 電機(jī)、油泵將電能轉(zhuǎn)變?yōu)橐簤耗茉?給整個(gè)制動(dòng)系統(tǒng)提供制動(dòng)能量。由于機(jī)車車輛的制動(dòng)系統(tǒng)是間隙性工作的,因此采用了蓄能器裝置,可有效減少電機(jī)功率,降低系統(tǒng)能耗。同時(shí),為了確保制動(dòng)系統(tǒng)的安全性,在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)蓄能器,使液壓動(dòng)力源具有雙重系統(tǒng)。這兩個(gè)蓄能器中的一個(gè)在常用制動(dòng)時(shí)使用,另外一個(gè)在緊急制動(dòng)時(shí)被使用。兩個(gè)蓄能器可同時(shí)給緊急制動(dòng)供油。即使在發(fā)生油泵停止工作等非正常狀態(tài)下,蓄能器仍然具有供3次緊急制所需能量的能力。電機(jī)和油泵在達(dá)到系統(tǒng)壓力的下限值或者在發(fā)生制動(dòng)作用時(shí)接通,在

4、達(dá)到系統(tǒng)壓力的上限值關(guān)閉。液壓泵采用間歇運(yùn)轉(zhuǎn)可靠的活塞式油泵,為了減輕質(zhì)量和防止漏油,一般采用無(wú)管的管座安裝方式。(2)常用制動(dòng)壓力控制 壓力控制采用塵粒無(wú)法混入工作油的閉環(huán)方式,完成機(jī)車車輛常用制動(dòng)壓力的控制。一種方法使用可實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)作的平衡型提動(dòng)閥(高速電磁閥)通過(guò)傳感器反饋而進(jìn)行以車軸為單位的數(shù)字壓力控制。另外一種方法采用電液比例壓力閥完成對(duì)制動(dòng)缸壓力的控制,其可實(shí)現(xiàn)制動(dòng)缸壓力無(wú)級(jí)控制,以方便與ATO等系統(tǒng)配合使用。由于液壓油的可壓縮性很小,壓力控制響應(yīng)迅速,因此采用液壓控制方式具有消除滑行狀態(tài)的壓力控制功能。(3)緊急制動(dòng)壓力控制 在制動(dòng)控制器的電源斷開(kāi)或者控制油壓不足時(shí),緊急控制使蓄

5、能器內(nèi)的壓力油流入基礎(chǔ)制動(dòng)裝置內(nèi),對(duì)每個(gè)轉(zhuǎn)向架進(jìn)行緊急制動(dòng)壓力控制,使其產(chǎn)生緊急制動(dòng)作用。另外,在制動(dòng)不緩解和壓力不足時(shí),通過(guò)液壓傳感器的檢測(cè),可使其對(duì)整個(gè)機(jī)車車輛產(chǎn)生緊急制動(dòng)作用。(4)油箱 油液回到油箱,實(shí)現(xiàn)油液的回收。同時(shí)完成系統(tǒng)散熱。基礎(chǔ)制動(dòng)裝置包括夾鉗和制動(dòng)盤。由于采用了液壓油缸,整個(gè)制動(dòng)夾鉗體積小,可以安裝在安裝空間極小的走行裝置或轉(zhuǎn)向架上。2國(guó)內(nèi)外液壓系統(tǒng)現(xiàn)狀2·1液壓制動(dòng)的產(chǎn)生 20世紀(jì)60年代,第1臺(tái)液壓制動(dòng)機(jī)裝置應(yīng)用于有軌電車上2。它除了作為動(dòng)力制動(dòng)機(jī)的補(bǔ)充外,首先是完成列車的停車制動(dòng)功能。20世紀(jì)80年代中期開(kāi)發(fā)出了用于快速交通工具(people mover F

6、ahrzeuge)的復(fù)合液壓制動(dòng)系統(tǒng)2。此外,利用當(dāng)時(shí)開(kāi)發(fā)出的制動(dòng)液壓無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)裝置滿足了能精確調(diào)節(jié)制動(dòng)力,以確保列車停車位置準(zhǔn)確性的要求。從1990年前后開(kāi)始,隨著低地板有軌電車的迅速發(fā)展,促使轉(zhuǎn)向架和走行裝置對(duì)安裝緊湊性要求進(jìn)一步提高,這種發(fā)展對(duì)高壓液壓部件也產(chǎn)生影響。低地板技術(shù)推動(dòng)了液壓懸掛和水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)的發(fā)展。利用這種系統(tǒng)可以簡(jiǎn)單的方法達(dá)到與采用空氣彈簧的車輛同樣的乘坐舒適性。液壓系統(tǒng)通常既向制動(dòng)機(jī)又向水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供液壓能源。目前,液壓設(shè)備不僅用于有軌電車,也用于快速交通工具、單軌鐵路車輛、地鐵列車和城市快速鐵路列車,在有軌電車線路和干線鐵路上運(yùn)行的首批雙流制列車上也裝備了這類系統(tǒng)。對(duì)

7、于標(biāo)準(zhǔn)的鐵路機(jī)車車輛,如果其走行裝置或轉(zhuǎn)向架的空間很狹小,則可安裝液壓制動(dòng)裝置,這些液壓制動(dòng)裝置可以利用專門的液壓缸驅(qū)動(dòng),而這些液壓缸用于轉(zhuǎn)換執(zhí)行從常規(guī)空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)接受到的“指令”。例如日本的新干線高速列車和西班牙的Talgo高速列車。目前在國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的液壓制動(dòng)機(jī)主要有以下幾種:(1)日本的高速動(dòng)車組液壓制動(dòng)機(jī);(2)德國(guó)的克諾爾液壓制動(dòng)機(jī);(3)磁浮列車采用的液壓制動(dòng)機(jī)。2·2日本高速動(dòng)車組采用的液壓制動(dòng)機(jī)日本高速動(dòng)車組制動(dòng)裝置的發(fā)展經(jīng)由了氣液制動(dòng)、液壓制動(dòng)階段。(1)氣液制動(dòng)方式采用氣液制動(dòng)方式,需要使用增壓缸將空氣壓力轉(zhuǎn)換為一定倍率的較高的液壓。增壓缸的設(shè)置是因?yàn)槭苻D(zhuǎn)向架安

8、裝空間的限制,為了得到必要的閘片壓力,需要使用體積小的采用較壓力的液壓制動(dòng)缸。另外增壓缸上還安裝有防滑閥及為解決由于防滑閥連續(xù)動(dòng)作而發(fā)生不能制動(dòng)問(wèn)題的給排截?cái)嚅y。圖2為氣液制動(dòng)原理示意圖1。壓縮空氣由壓縮機(jī)產(chǎn)生,經(jīng)過(guò)由貫通全列車的總風(fēng)管送到各車的總風(fēng)缸,再經(jīng)過(guò)兩個(gè)單向閥分別送到控制風(fēng)缸和制動(dòng)風(fēng)缸,控制風(fēng)缸是為空氣彈簧等制動(dòng)以外的系統(tǒng)供應(yīng)壓縮空氣的風(fēng)缸。制動(dòng)風(fēng)缸是制動(dòng)專用的儲(chǔ)存壓縮空氣的風(fēng)缸,各車制動(dòng)風(fēng)缸中的壓縮空氣供給中繼閥、緊急電磁閥和電空轉(zhuǎn)換閥使用。電空轉(zhuǎn)換閥將送來(lái)的壓縮空氣,調(diào)整到與制動(dòng)指令相對(duì)應(yīng)的空氣壓力,并作為指令壓力送給中繼閥。中繼閥將電空轉(zhuǎn)換閥的輸出作為控制壓力,輸出與其相應(yīng)的壓

9、縮空氣送到增壓缸。另外當(dāng)車輛設(shè)備發(fā)生故障時(shí),經(jīng)過(guò)由緊急電磁閥的壓縮空氣作為指令壓力被送到中繼閥,此時(shí)中繼閥與常用制動(dòng)一樣,將具有相應(yīng)壓力的壓縮空氣送到增壓缸。(2)液壓制動(dòng)方式 隨著日本新干線高速動(dòng)車組的發(fā)展,液壓制動(dòng)裝置得到了廣泛應(yīng)用。液壓制動(dòng)裝置最早是在20世紀(jì)60年代開(kāi)發(fā)的,并安裝在新干線上的951型動(dòng)車組上進(jìn)行了試驗(yàn)4。但是由于存在回油內(nèi)部漏油,液壓維護(hù)等問(wèn)題而未被采用。因此,開(kāi)發(fā)了新一代液壓制動(dòng)裝置,在電液制動(dòng)裝置的控制閥上采用了開(kāi)關(guān)閥,并簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu),應(yīng)用了傳感器反饋等方法,使裝置的可靠性得到了大幅度提高。新開(kāi)發(fā)的液壓制動(dòng)裝置在試制的500系新干線(WIN350:西日本客運(yùn)鐵路公司制

10、造) 2號(hào)車的前轉(zhuǎn)向架上安裝,并進(jìn)行了性能確認(rèn)試驗(yàn),都取得了良好結(jié)果4。日本的TRY-Z型動(dòng)車組也應(yīng)用了液壓制動(dòng)系統(tǒng)6。該制動(dòng)系統(tǒng)由液壓控制單元,直通式預(yù)備制動(dòng)控制單元和軌道制動(dòng)液壓?jiǎn)卧蟛糠纸M成,采用由一個(gè)共同的液壓源向各單元中的蓄能器中儲(chǔ)壓的工作方式。另外在輪軸上有液壓制動(dòng)鉗。液壓制動(dòng)控制單元是通過(guò)設(shè)在每根軸上的能控制制動(dòng)缸壓力的常用控制閥和緊急控制閥,經(jīng)在高壓優(yōu)先原則下動(dòng)作的梭閥控制制動(dòng)鉗動(dòng)作的。無(wú)論是常用控制閥還是緊急控制閥,都能在制動(dòng)指令下,根據(jù)滑行檢測(cè)來(lái)調(diào)節(jié)制動(dòng)缸壓力。直通式預(yù)備制動(dòng)控制單元是將在專用的蓄能器中所儲(chǔ)的壓力,通過(guò)位于液壓制動(dòng)控制單元之間的梭閥去控制制動(dòng)鉗動(dòng)作的。2&

11、#183;3德國(guó)的克諾爾制動(dòng)機(jī) 德國(guó)的克諾爾制動(dòng)機(jī)公司生產(chǎn)的液壓系統(tǒng)已運(yùn)用于歐洲輕軌車輛2。圖3為用于低地板車輛制動(dòng)機(jī)和水平調(diào)節(jié)系統(tǒng)聯(lián)合控制的電動(dòng)液壓供給和控制單元,其安裝在車體上。它將電機(jī)、油泵、蓄能器以及控制計(jì)算機(jī)(MBCU)集成在一起,與基礎(chǔ)制動(dòng)裝置通過(guò)油管連接。液壓浮動(dòng)夾鉗(圖4)在液壓制動(dòng)缸的作用下夾緊輪盤或者軸盤,產(chǎn)生制動(dòng)力。2·4磁浮列車液壓制動(dòng)機(jī) 西南交通大學(xué)研制的青城山旅游磁浮列車,其制動(dòng)系統(tǒng)也采用液壓制動(dòng)機(jī)。根據(jù)EMS磁浮列車的結(jié)構(gòu)量減輕了約三分之二。由于省略了配管,以及設(shè)備的簡(jiǎn)化,使零件數(shù)量大幅度減少。據(jù)文獻(xiàn)5介紹,液壓制動(dòng)所需裝置比氣液制動(dòng)所需裝置減小了很多,

12、質(zhì)量由原來(lái)的790 kg變?yōu)?80 kg,只約為原來(lái)質(zhì)量的35%。7)維修方便。液壓裝置裝在轉(zhuǎn)向架上,在進(jìn)行維修時(shí)易于拆卸,僅僅需要進(jìn)行油泄漏檢查和油路空氣的排放。(8)液壓源的蓄壓特性好。比空氣制動(dòng)方式下的蓄壓時(shí)間快,具有極為良好的蓄壓特性。結(jié)論當(dāng)前在鐵路機(jī)車車輛牽引傳動(dòng)和制動(dòng)系統(tǒng)中采用了機(jī)械、電氣、空氣和液壓等技術(shù)來(lái)傳遞各種作用力和能量。這些技術(shù)各有所長(zhǎng),尤其是在大功率執(zhí)行部件的安裝空間受很大限制的車輛上,液壓技術(shù)作為理想的選擇從而脫穎而出。鐵路車輛上不可或缺的制動(dòng)子系統(tǒng)采用液壓技術(shù)符合這種發(fā)展趨勢(shì)。隨著我國(guó)高速動(dòng)車組以及城市軌道交通的不斷發(fā)展,各種新型轉(zhuǎn)向架對(duì)輕量化、小型化的要求越來(lái)越高

13、,液壓制動(dòng)系統(tǒng)必將在此方向發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。參考文獻(xiàn)1內(nèi)田清五·日本新干線列車制動(dòng)系統(tǒng)M·陳賀,李毅,楊弘,譯·北京:中國(guó)鐵道出版社, 2004·2Jens galander, Reinhard loebner·鐵路機(jī)車車輛的液壓制動(dòng)機(jī)J·鐵路技術(shù)評(píng)論, 2005, 11 (1): 19-24·3李和平·磁浮車制動(dòng)系統(tǒng)的研究J·鐵道機(jī)車車輛,1995 (3): 49-52·4內(nèi)田清五等·機(jī)車車輛用液壓制動(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)J·國(guó)外內(nèi)燃機(jī)車, 1999 (4): 9-15·5鐵道車輛用液壓制動(dòng)器J·國(guó)外機(jī)車