高速動車組制動系統(tǒng)的發(fā)展

高速動車組制動系統(tǒng)的發(fā)展

1其他子系統(tǒng)或部件高速車輛動態(tài)系統(tǒng)主要由風(fēng)源系統(tǒng)、動態(tài)裝置和傳輸系統(tǒng)組成，動態(tài)裝置和制劑，如防滑裝置、轉(zhuǎn)向裝置、輔助裝置和沙量裝置。其中,動力制動作用由牽引系統(tǒng)來完成,所以動力制動裝置屬于牽引系統(tǒng)的一部分;有時風(fēng)源系統(tǒng)也單獨(dú)作為一個系統(tǒng)。1.1空氣壓縮機(jī)的應(yīng)用風(fēng)源系統(tǒng)通常由空氣壓縮機(jī)、空氣干燥器、電動機(jī)、壓力開關(guān)、溢流閥、過濾器等組成。其中,空氣壓縮機(jī)和空氣干燥器是主要部件。應(yīng)用在高速動車組上的空氣壓縮機(jī)主要包括活塞式壓縮機(jī)和螺桿壓縮機(jī)。螺桿壓縮機(jī)的性能優(yōu)于活塞式壓縮機(jī),是目前先進(jìn)動車組普遍采用的一種壓縮機(jī)?？諝飧稍锲魍ǔ２捎秒p塔干燥器。國外先進(jìn)動車組的風(fēng)源系統(tǒng)通常是把各部件組裝在一個構(gòu)架上,集成到一起,整體吊裝在底架上,對外只留出管路和電器接口。1.2制動指令傳輸方式制動指令包括常用制動指令、緊急制動指令、停放制動指令、ATC制動指令等。不同的制動指令由不同的裝置發(fā)出。動車組的停車或調(diào)速絕大多數(shù)是通過常用制動實(shí)現(xiàn)的,操縱常用制動的制動控制器是主要的制動指令發(fā)生裝置。歐洲早期的采用自動制動系統(tǒng)的高速動車組,如ICE1、ICE2、部分TGV等,其制動控制器類似我國提速機(jī)車電空制動機(jī),直接控制空氣信號的變化。隨著微機(jī)控制自動電空制動系統(tǒng)的出現(xiàn),制動控制器開始采用電信號控制,并且通常將制動控制器與牽引控制器合二為一,稱為司機(jī)控制器。采用微機(jī)控制直通電空制動系統(tǒng)的動車組,基本上都是通過司機(jī)控制器來控制牽引和制動的。我國采用微機(jī)控制直通電空制動系統(tǒng)的高速動車組中,在使用司機(jī)控制器發(fā)出制動和牽引指令的同時,有的還單獨(dú)再設(shè)一個制動控制器,只產(chǎn)生制動指令。另外,由于我國動車組還備用一套自動制動機(jī),所以又設(shè)了一個純空氣信號的備用制動控制器。不同的制動指令通過不同的傳輸方式傳到每輛車,其中,常用制動指令的傳輸方式最多。對于采用自動制動系統(tǒng)的動車組來說,常用制動指令是通過列車管壓力變化和電空指令線傳輸?shù)?采用直通式制動系統(tǒng)的動車組,常用制動指令有多種傳輸方式,有的采用模擬信號指令硬線傳輸方式,有的采用數(shù)字信號指令硬線傳輸方式,有的采用光纖傳輸,有的通過網(wǎng)絡(luò)線進(jìn)行傳輸。緊急制動指令和停放制動指令都是開關(guān)指令,通過硬線傳輸。ATC制動指令根據(jù)所確定的制動方式,可分別通過常用制動和緊急制動的指令傳輸系統(tǒng)進(jìn)行傳輸。1.3直通電空制動系統(tǒng)控制系統(tǒng)分析采用自動制動系統(tǒng)的動車組,其制動控制主要是通過分配閥來實(shí)現(xiàn)的;采用直通式制動系統(tǒng)的動車組,其制動控制是通過微機(jī)控制單元和氣動控制單元來實(shí)現(xiàn)的。采用微機(jī)控制直通電空制動系統(tǒng)是高速動車組制動技術(shù)的發(fā)展方向,因此,本文主要對直通電空制動系統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析。直通電空制動系統(tǒng)的控制系統(tǒng)主要由微機(jī)控制單元和氣動控制單元組成。微機(jī)控制單元負(fù)責(zé)接收制動指令,計算出所需制動力,然后根據(jù)載荷信號、速度信號等的變化對制動力進(jìn)行調(diào)整,同時根據(jù)動力制動力反饋信號控制空氣制動力。大部分微機(jī)控制單元還向動力制動裝置提供動力制動指令信號。在高速動車組中,微機(jī)控制單元在進(jìn)行制動控制的同時,還根據(jù)速度信號的變化進(jìn)行防滑控制。氣動控制單元將電信號轉(zhuǎn)化成空氣壓力信號,根據(jù)微機(jī)控制單元的指令信號變化,控制制動缸壓力的變化,二者之間形成閉環(huán)控制。目前,最新式的制動控制系統(tǒng)是將微機(jī)控制單元和氣動控制單元合二為一,形成一種機(jī)電一體化的控制部件。這種裝置的特點(diǎn)是體積小,安裝方便,功能強(qiáng),已首先在城軌車輛上推廣。1.4從單一到多元隨著動力制動特別是再生制動能力的增強(qiáng),高速動車組越來越多地依賴動力制動。在日本,已試驗(yàn)過使用動力制動將動車組減速至停車。目前,絕大多數(shù)動車組都是使用動力制動將動車組減速至10km/h~20km/h后再轉(zhuǎn)換成空氣制動。動力制動主要包括電阻制動、再生制動、液力制動和逆氣制動等。電阻制動廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車、電動車組和電傳動內(nèi)燃動車組或機(jī)車。制動時,電阻制動將原來驅(qū)動輪對的牽引電動機(jī)改變?yōu)榘l(fā)電機(jī),形成的電能通過電阻發(fā)熱而消散于大氣,從而產(chǎn)生制動作用。與電阻制動相似,再生制動也是將牽引電動機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)。不同的是,它將電能反饋回電網(wǎng),使本來由電能或位能變成的列車動能獲得再生,而不是變成熱能消散掉。顯然,再生制動比電阻制動在經(jīng)濟(jì)上合算,但是技術(shù)上比較復(fù)雜,而且只能用于由電網(wǎng)供電的電力機(jī)車和電動車組,反饋回電網(wǎng)的電能要馬上由正在牽引運(yùn)行的電動車組或電力機(jī)車接收和利用。液力制動是通過在液力傳動裝置內(nèi)安裝液力制動器(液力耦合器)來實(shí)現(xiàn)的,制動時向液力制動器內(nèi)充入液體,車輪帶動它旋轉(zhuǎn)時,液體和液體之間、液體與耦合器之間摩擦生熱,再經(jīng)由散熱器消散于大氣,從而產(chǎn)生制動作用。1.5要部件組成高速動車組采用微機(jī)控制防滑器,通常由三大主要部件組成:微機(jī)控制單元、速度傳感器和防滑排風(fēng)閥。在高速動車組上,通常把防滑控制和制動控制合二為一,采用一臺微機(jī)控制單元進(jìn)行控制。1.6轉(zhuǎn)向剎車裝置轉(zhuǎn)向架制動裝置主要由制動盤、閘片、單元制動器和制動夾鉗等組成。1.6.1新材料的應(yīng)用制動盤和閘片是一對摩擦副。按照安裝方式的不同,可分為軸裝式和輪裝式。無動力車軸采用軸裝盤;動力軸由于安裝空間的限制,有時會采用輪裝盤。按照材質(zhì)的不同,制動盤分為鑄鐵盤、鑄鋼盤、鍛鋼盤、鋁合金盤和C/C復(fù)合材料盤,閘片分為合成閘片、粉末冶金閘片和復(fù)合材料閘片。高速動車組制動盤研究的重點(diǎn)主要放在制動盤材料的選取上。目前,除了對傳統(tǒng)的摩擦制動材料——鑄鐵(鋼)盤和鍛鋼盤進(jìn)行材料改進(jìn)和優(yōu)化工作外,還開發(fā)出許多新材料,如顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)合材料和C/C復(fù)合材料。國內(nèi)普遍使用的是鑄鐵和鍛鋼制動盤。鋼鐵材料的制動盤在高速動車組上被廣泛采用。以SiC或Al2O3等陶瓷顆粒為增強(qiáng)體、鋁合金為基體的新型鋁合金制動盤,既具有陶瓷顆粒的高耐磨性、高硬度(強(qiáng)度)及低膨脹系數(shù)的特點(diǎn),又具有鋁合金的良好熱傳導(dǎo)性和低密度的特點(diǎn),因而被認(rèn)為是高速動車組制動盤鋼鐵材料的理想替代材料。多年來一直用作飛機(jī)制動盤的C/C復(fù)合材料具有較低的密度(僅為鑄鐵的1/5)、優(yōu)異的抗熱沖擊性和高溫強(qiáng)度、在高速下具有較佳的高溫摩阻性能等特點(diǎn),用于速度超過350km/h的動車組。C/C復(fù)合材料的高溫摩阻性能使其具有其他摩擦制動材料無以比擬的優(yōu)勢。自80年代以來,日本對C/C復(fù)合材料制動盤進(jìn)行了大量的試驗(yàn)室試驗(yàn),并在新干線上進(jìn)行了裝車運(yùn)行考驗(yàn);同期,法國在下一代TGV高速動車組上進(jìn)行了C/C復(fù)合材料制動盤的裝車試驗(yàn)。對于行駛速度為200km/h左右的高速動車組,鋼鐵材料的制動盤基本可以滿足列車的制動性能要求;對于行駛速度為250km/h~300km/h的高速動車組,采用鋁合金制動盤可以減輕列車自重,具有優(yōu)良的制動性能,但需要在降低成本、改善性能及結(jié)構(gòu)匹配等方面進(jìn)行系統(tǒng)研究;對于行駛速度超過350km/h的高速動車組,采用C/C復(fù)合材料制動盤可以得到良好的制動性能。1.6.2盤形制動裝置盤形制動裝置均采用單元制動器。單元制動器的種類較多,絕大多數(shù)具有閘片間隙自動調(diào)整作用,根據(jù)需要還可以加裝停放制動裝置或手制動裝置。目前,我國的盤形制動裝置用單元制動器已形成成熟產(chǎn)品,但帶停放制動裝置的盤形制動用單元制動器還沒有推廣運(yùn)用。日本新干線高速動車組采用了空氣油壓制動,即把壓縮空氣的壓力轉(zhuǎn)換成油壓,通過油壓缸和夾鉗對制動盤施加壓力,其特點(diǎn)是體積小,重量輕,升壓快,適合在轉(zhuǎn)向架安裝空間小的情況下使用。最近又開發(fā)出電動油壓制動,進(jìn)一步減小了升壓時間和制動裝置的體積及重量。1.7非粘連制動裝置輔助制動裝置主要是指磁軌制動裝置和渦流制動裝置。這2種制動裝置(旋轉(zhuǎn)渦流除外)產(chǎn)生的制動作用均屬于非粘著制動。磁軌制動裝置只用于緊急制動,渦流制動既可用于常用制動,也可用于緊急制動。1.7.1制動力的限制磁軌制動裝置是靠磨耗板與鋼軌之間產(chǎn)生的摩擦力進(jìn)行制動的,此力為不受輪軌間粘著力限制的制動力。制動力的大小與電磁鐵的安匝數(shù)以及鐵芯材料等電氣設(shè)計參數(shù)有關(guān),同時也和電磁鐵與鋼軌之間的氣隙大小有關(guān)。磨耗板材料(一般為鑄鋼,也有用各種鑄鐵)的磁通密度B有一定的飽和限值,所以磁鐵每單位面積的吸力要受磁通密度的限制。1.7.2現(xiàn)代現(xiàn)代動力學(xué)理論渦流制動裝置分為線性渦流制動裝置和旋轉(zhuǎn)渦流制動裝置。線性渦流制動的原理是把列車的動能變成熱能轉(zhuǎn)移入鋼軌,最終逸散于大氣。渦流制動電磁鐵的磁場方向是沿鋼軌的縱長方向,制動時電磁鐵落下至距軌面約7mm~10mm處,靠電磁鐵與鋼軌間的相對速度引起的電渦流作用形成制動力。此制動力并不經(jīng)輪軌粘著點(diǎn)作用于車輛,所以是非粘著制動。由于不必依靠摩擦來轉(zhuǎn)移能量,所以是非摩擦制動。制動力的大小與磁場運(yùn)動的速度、磁力線在氣隙之間的分布有關(guān)。簡單地說,如果電磁鐵的幾何參數(shù)已定,力的大小就決定于速度、氣隙以及激磁電流的大小,所以制動力的大小是可以控制的。線性渦流制動是非粘著制動和非摩擦制動,沒有材料磨損,常用制動也可以使用。此外還具有制動力穩(wěn)定、制動力大的特點(diǎn),但消耗電能大,發(fā)熱厲害,而且懸掛機(jī)構(gòu)比較復(fù)雜。線性渦流制動在德國ICE3和法國TGV—R等高速動車組上得到應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)渦流制動(渦流式圓盤制動)是在牽引電動機(jī)軸上裝金屬盤,制動時金屬盤在電磁鐵形成的磁場中旋轉(zhuǎn),盤的表面被感應(yīng)出渦流,產(chǎn)生電磁吸力,并發(fā)熱消散于大氣,從而產(chǎn)生制動作用。與盤形制動(摩擦式圓盤制動)相比,旋轉(zhuǎn)渦流制動(渦流式圓盤制動)的圓盤雖然沒有裝在輪對上,但同樣要通過輪軌粘著才能產(chǎn)生制動力,也要受粘著限制。而且,與線性渦流制動相似,旋轉(zhuǎn)渦流制動消耗的電能也太多。近幾年開始將永磁鐵用于旋轉(zhuǎn)渦流制動,制動時,永磁鐵作用于旋轉(zhuǎn)渦流制動的圓盤并使它產(chǎn)生渦流,在旋轉(zhuǎn)制動盤和定子間產(chǎn)生所需的制動力。這種制動方式將適于直接車軸安裝,但也可裝在電動機(jī)或轉(zhuǎn)動軸上。永磁制動為永磁開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域,也延伸了制動技術(shù)限界。旋轉(zhuǎn)渦流制動在日本新干線高速動車組上運(yùn)用較為普遍。1.8沙箱、電磁閥、噴射裝置國外高速動車組的動車普遍裝有撒沙裝置。撒沙裝置通常由沙箱、電磁閥、噴射裝置等組成。比較好的撒沙裝置中,沙箱帶有伴熱裝置,保持沙子處于松散狀態(tài),沙子噴射的流量可通過電磁閥進(jìn)行調(diào)整。2客車制動控制目前先進(jìn)的高速動車組制動系統(tǒng)中,無論是自動式還是直通式,都是通過微機(jī)進(jìn)行控制的。微機(jī)控制自動電空制動一般是通過微機(jī)對列車管的壓力進(jìn)行閉環(huán)控制,最終仍依靠列車管壓力的變化傳遞制動指令,依靠自動電空制動機(jī)進(jìn)行制動。在動車上采用動力制動和空氣制動的復(fù)合制動,分配閥根據(jù)列車管壓力的變化,產(chǎn)生制動缸預(yù)控制壓力。該壓力輸出到模擬電磁閥,與動力制動信號進(jìn)行比較,如果動力制動能夠滿足制動需求,則不輸出制動缸控制壓力信號;如果動力制動不能滿足制動需求,則由空氣制動進(jìn)行自動補(bǔ)償,輸出制動缸控制壓力到轉(zhuǎn)向架中繼閥,使制動缸產(chǎn)生制動力。在拖車上,分配閥產(chǎn)生的制動缸控制壓力直接到達(dá)轉(zhuǎn)向架中繼閥,使制動缸產(chǎn)生制動力。微機(jī)控制自動電空制動基本可以實(shí)現(xiàn)列車的同步制動和緩解,在動車上可以進(jìn)行復(fù)合制動控制,這在一定程度上實(shí)現(xiàn)了制動系統(tǒng)的故障診斷,具有防滑控制功能。但由于自動制動機(jī)自身的功能限制,絕達(dá)不到微機(jī)控制直通電空制動的實(shí)時、準(zhǔn)確和智能化控制,微機(jī)控制的許多優(yōu)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)起來都非常困難。歐洲的高速動車組(TGV、ICE、X2000等)廣泛采用符合UIC標(biāo)準(zhǔn)的自動電空制動系統(tǒng),動車組中除了1臺~2臺動車外,全部為拖車。制動時,主要依靠空氣制動實(shí)現(xiàn)停車。微機(jī)控制直通電空制動系統(tǒng)在整個動車組中都是通過電信號來傳遞制動指令的,可以充分發(fā)揮微機(jī)控制的優(yōu)點(diǎn),還可以根據(jù)編組情況,對列車制動進(jìn)行單元化控制,就是說把幾輛動車和拖車或整個車組看成一個整體,在列車單元內(nèi)統(tǒng)一分配每輛車的制動力,以充分發(fā)揮動力制動的能力。在歐洲的高速動車組中,有的動車4根軸不全是動力軸,每臺轉(zhuǎn)向架分別有1根動力軸和1根非動力軸,這樣在動車上要更好地控制制動力,就要設(shè)2套氣動控制單元BCU,為動力軸和非動力軸提供不同的空氣制動力。有時為了簡化系統(tǒng),也設(shè)1套BCU,這樣就大大降低了制動力的控制精度。有的動車組采用微機(jī)控制直通電空制動系統(tǒng)加備用自動空氣制動系統(tǒng)。正常運(yùn)用過程中,使用微機(jī)控制直通電空制動系統(tǒng),只有在微機(jī)控制直通電空制動系統(tǒng)出現(xiàn)重大故障或因其他原因而不能使用或者動車組與使用自動空氣制動機(jī)的機(jī)車車輛連掛時,才使用備用空氣制動系統(tǒng)。我國將要引進(jìn)的時速200km及以上速度的動車組將采用微機(jī)控制直通電空制動系統(tǒng)加備用自動空氣制動系統(tǒng)的控制模式。實(shí)際上,“先鋒”號和“中華之星”號高速動車組采用的也是類似控制模式。未來動車組制動系統(tǒng)的發(fā)展方向是微機(jī)控制直通電空制動系統(tǒng),制動控制模式應(yīng)按列車單元或整列車進(jìn)行控制。3制約功能3.1最適制動條件高速動車組主要采用動力制動和空氣制動的復(fù)合制動方式,有的還增加了渦流制動(常用制動和緊急制動均可用)和磁軌制動(緊急制動用)。常用制動時,優(yōu)先使用動力制動(以及渦流制動),動力制動力不能滿足制動需求時,空氣制動能自動補(bǔ)償,并首先由拖車或非動力軸的空氣制動補(bǔ)償,仍不足時,再由動車或動力軸的空氣制動補(bǔ)償。3.2空重車調(diào)整閥調(diào)整制動力常用制動時,制動系統(tǒng)應(yīng)能根據(jù)載荷變化自動調(diào)整制動力,載荷信號通過空氣彈簧的壓力信號變化來獲取。緊急制動時,由空重車調(diào)整閥調(diào)整制動力。有時認(rèn)為高速動車組載荷變化不大,也可能省略該項(xiàng)功能。3.3多步多步制動在采用微機(jī)控制直通電空制動系統(tǒng)的高速動車組和城軌車輛上,為減小制動時的沖動,都限制制動力的變化速率,稱之為沖動限制功能。比如把減速度變化率控制在0.75m/s3或1m/s3之內(nèi)。由于制動指令是電信號,制動指令的變化是瞬間就可以完成的,如果制動力也跟隨制動指令快速變化,就可能造成沖動。所以就要將制動力的變化速率限制在某一范圍內(nèi),以避免沖動。3.4成立創(chuàng)作了粘連后和受思想控制這是日本新干線高速動車組普遍采用的一種方式,它根據(jù)不同速度下的粘著要求來控制制動力,從理論上講可以達(dá)到既充分利用粘著又防止滑行的目的。3.5空氣制動關(guān)閉速率在動力制動力切除、空氣制動力施加的過程中,為保持總制動力和減速度與制動指令相吻合,減小沖動,就要求動力制動關(guān)閉時,空氣制動的上升速率應(yīng)與動力制動的關(guān)閉速率相一致。3.6壓力初升溫功能為了與動力制動協(xié)調(diào)配合,減小制動空走時間,高速動車組制動時常設(shè)有制動缸壓力初躍升功能,即只要一產(chǎn)生常用制動指令,制動缸都躍升并維持一個初始壓力,剛好克服制動缸的緩解彈簧力,這樣空氣制動與動力制動配合時,可以改善二者變化的一致性,同時減小了空氣制動力產(chǎn)生的延遲時間,縮短了空走時間。3.7制動轉(zhuǎn)緩解和緩解轉(zhuǎn)制動制動缸壓力是通過中繼閥控制的,由于中繼閥本身的特性,在制動轉(zhuǎn)緩解或緩解轉(zhuǎn)制動時,很容易造成同一制動指令下制動缸壓力不同,影響控制精度。因此,應(yīng)有相應(yīng)的修正措施,使得制動和緩解過程中,同一制動指令值形成的制動缸壓力相同。3.8小型故障的處理故障診斷與處理是高速動車組制動控制的一項(xiàng)重要功能,通常都實(shí)行故障分級,不同的故障級采取不同的處理措施。小型故障可按照預(yù)定的導(dǎo)向措施處理;中等故障可按照設(shè)定方式制動或切換到備用制動;重大故障時會失去部分制動力,出現(xiàn)故障時通常會降速運(yùn)行,同時把故障信號傳給司機(jī)室。如果是影響到整列車的制動故障,還可能采取緊急制動停車。4制動機(jī)構(gòu)的選擇高速動車組的制動方式通常包括常用制動、緊急制動、停放制動、保持制動等。常用制動采用復(fù)合制動,緊急制動為純空氣制動,停放制動通過彈簧力施加制動力。常用制動過程中能夠根據(jù)車輛載荷等的變化自動調(diào)整制動力;制動力可以連續(xù)調(diào)整,當(dāng)常用制動力最大時即為常用全制動;制動過程有防滑功能。常用制動的制動指令由司機(jī)控制器或制動控制器或ATC裝置發(fā)出,在人工操縱時,多將制動力分為7級,也可以根據(jù)要求,設(shè)成無級連續(xù)制動。緊急制動通常采用空氣制動,有時將司機(jī)控制器操縱的緊急制動也叫做快速制動。這種制動方式可以采用動力制動和空氣制動的復(fù)合制動。而緊急按鈕操縱的緊急制動有時也叫非常制動,這種制動是一種純空氣制動。停放制動采用將彈簧壓力通過閘片或閘瓦作用于制動盤或車輪踏面形成制動力的制動方式。停放制動()()僅用于靜止?fàn)顟B(tài),正常運(yùn)行過程中,停放制動不起作用。常用制動使列車減速至規(guī)定的