CRH和谐系列动车组制动系统分析.docx

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CRH和谐系列动车组制动系统分析

CRH和谐系列动车组制动系统分析

引言

我国铁路第六次大提速上线运行的动车组名称为“和谐号”，原名CRH系列。

CRH2型动车组为动力分散型，列车由8节车编组，其中有4个车带动力。

每节带动力的车都有4个牵引电机，单机功率为300千瓦以上，整列车的牵引功率达到4800千瓦以上，动力配置均衡合理，完全满足高速运行要求。

动车组制动技术：

制动装置是保证列车安全运行所必需的装置，因此高速动车组对制动技术提

出了严峻的挑战。

动车组的动能与速度的平方成正比，而在一定的制动距离条件

下，列车的制动功率是速度的三次函数。

因此，传统的空气制动能力远远不能满

足需要。

动车组常采用再生制动与空气制动的复合制动模式，制动控制系统包括

再生制动控制系统和空气制动控制系统，此外还有电子防滑器及基础制动装置等。

相对动力集中式列车而言，动力分散列车的控制系统具有许多优点。

动力集

中式列车动力制动往往集中在机车上，而拖车往往只采用摩擦制动；而动力分散

列车的动力制动分散在列车的多辆（可能全部）车上，因而能更充分地利用再生制

动、电阻制动等动力制动的制动能力，这就大大减少了摩擦制动摩擦副的磨损，

提高了列车运行的经济性，同时大大减少了制动时的噪声。

动车组制动系统需要具备的条件是：

（1）尽可能缩短制动距离以保障列车安全；

（2）保证高速制动时车轮不滑行；

（3）司机操纵制动系统灵活可靠，能适应列车自动控制的要求。

第一章动车组制动系统

1.1动车组制动系统的组成

动车组运行速度高，给列车的制动能力、运行平稳性等方面提出一系列挑战。

因此，高速动车组必须装备高效率和高安全性的制动系统，为列车正常运行提供

调速和停车制动的手段，并在意外故障或其它必要情况下具有尽可能短的制动距

离。

此外，高速运行的动车组对制动系统的可靠性和制动时的舒适度也提出了更

高的要求。

所以，动车组制动系统的性能和组成与普通旅客列车完全不同，它是一个能

提供强大制动力并能更好利用粘着的复合制动系统，包含多个子系统，主要由电

制动系统、空气制动系统、防滑装置、制动控制系统等组成，制动时采用电空制

动联合作用的方式，且以电制动为主。

1.2动车组制动系统的分类

制动方式有多种分类标准，下面主要介绍如下两种：

（一）按制动力的操纵控制方式，动车组所采用的制动方式可分为空气制动、电空制动和电制动三类。

（l）空气制动

空气制动又分为直通式空气制动和自动式空气制动两种。

直通式空气制动是较早出现的空气制动方式，由于它在列车发生分离事故时会彻底丧失制动能力且列车前后部制动和缓解发生的时间差大，会造成较强的纵向冲击，故列车的制动操纵后来就改用了自动式空气制动装置。

自动式空气制动机的特点与直通式恰好相反，当列车发生分离事故时，列车可自动产生制动作用;且制动和缓解一致性较好，大大缓解了纵向冲击。

在我国制造的时速200km/h的动车组中，只有CRH1和CRH5动车组将自动式空气制动作为备用的制动方式，所有车型正常情况下的空气制动都采用直通方式。

（2）电空制动

电空制动就是电控空气制动的简称，它是在空气制动的基础上于每辆车加装

电磁阀等电气控制部件而形成的。

特点是制动的操纵控制用电，制动作用的原动力还是压缩空气;当制动机的电控失灵时，仍可实行空气压强控制，临时变成空气制动机。

（3）电制动

操纵控制和原动力都用电的制动方式称为电磁制动，简称电制动，如电阻制动和再生制动。

因电制动能够提供强大的制动力和其它诸多优点，它已成为各种型号的高速动车组的主要制动方式。

（二）动车组制动作用按用途可分为如下四大类：

（l）常用制动

常用制动是正常条件下为调节、控制列车速度或进站停车施行的制动。

特点是作用比较缓和，且制动力可以调节，通常只用列车制动能力的20%~80%，多数情况下只用50%左右。

（2）非常制动

非常制动是紧急情况下为使列车尽快停住而施行的制动。

其特点是把列车制动能力全部用上，且动作迅猛，制动力为最大常用制动力的1.4~1.5倍。

非常制动有时也称快速制动。

（3）紧急制动

紧急制动也是在紧急情况下采取的制动方式，特点与非常制动类似。

它与非常制动的区别在于:

非常制动一般为电、空联合制动，也可以是空气制动;而紧急制动只有空气制动作用。

（4）辅助制动

辅助制动又包括备用制动、救援/回送制动、停放制动和停车制动等。

第二章动车制动系统工作原理

2.1电制动系统

动车组的制动能量和速度的平方成正比，只使用空气制动已不能满足其制动需要，因空气制动的制动能力受到以下因素的影响：

一是制动材料的摩擦性能对黏着利用的局限性，二是制动容量和机械制动部件磨耗寿命的限制。

所以，动车组采用电制动与空气制动联合作用的方式，且以电制动为主。

应用在国产200km/h动车组上的电制动有电阻制动和再生制动两种，它们都是让列车的动轮带动动力传动装置（牵引电动机），使其产生逆作用，将列车的动能转变为电能，再变成热能消耗掉或反馈回电网的制动方式。

电阻制动和再生制动习惯上也称为动力制动。

2.2空气制动系统

虽然电制动可以提供强大的制动力，但目前空气制动对于高速动车组来说仍然不可缺少。

这是因为:

直流电机的制动力随着列车速度的降低而减少，如不采取其他制动方式，列车就不可能完全停下来。

而交流电机虽然可通过改变转差来控制制动力的大小，理论上可使制动力不受列车速度的限制，但从高速到停止均能有效的、可靠的电制动装置尚处于研究阶段。

CRH2动车组的空气制动系统由压缩空气供给系统、空气制动控制部分和基础制动装置三大部分组成。

压缩空气供给系统用于产生并贮存各用气装置所需的压缩空气，该系统一般包括空气压缩机、干燥装置、风缸和安全阀等部分;空气制动控制部分是指根据制动电子控制装置的指令，产生空气原动力并对其进行操纵和控制的部分，包括各种阀、塞门和制动缸等部件;而基础制动装置分为传动部分和摩擦部分，包括制动盘和制动闸片等。

空气制动系统示意图如图所示

CRH2动车组中的空气制动系统是这样工作的：

压缩空气由电动空气压缩机产生，经由贯通全列车的总风管送到各车的总风缸，再经两个单向阀分别送到控制风缸和制动风缸。

各车制动风缸中的压缩空气供给中继阀、紧急电磁阀和电空转换阀使用。

电空转换阀将送来的压缩空气调整到与制动指令相对应的空气压力，并作为指令压力送给中继阀。

中继阀将电空转换阀的输出作为控制压力，输出与其相应的压缩空气送到增压缸（当车辆设备发生故障时，经由紧急电磁阀的压缩空气作为指令压力被送到中继阀，此时中继阀与常用制动一样，将具有相应压力的压缩空气送到增压缸）。

在对增压缸空气压力进行控制时，制动控制装置用根据制动指令、速度和载重计算出的制动力减去电制动的反馈量后，得到实际需要的空气制动力，并将此变换为电空转换阀的电流，由电空转换阀产生与电流成比例的空气压力（AC压力），将此压力作为中继阀的控制压力，通过中继阀产生增压缸空气压力（BC压力）。

紧急制动时，从紧急用压力调整阀输出的控制压力经紧急电磁阀通往中继阀，中继阀对电空转换阀和紧急用压力调整阀的空气压力进行比较，将二者中较大的作为输入，产生相应的增压缸空气压力输出。

中继阀输出的增压缸空气压力经制动软管，从车体送到转向架上增压缸的输入侧，在增压缸的输出侧产生比空气压力高且与空气压力成比例的液压送给制动夹钳装量，使其产生制动动作。

2.3防滑装置

对于粘着制动方式，在制动时不可避免的要面对车轮滑行的问题。

车轮滑行带来的危害，不只是增加制动距离，更严重的是对车轮踏面的破坏将可能导致行车事故。

而且随着列车速度的提高，轮轨间的粘着系数降低，车轮滑行的概率也大大增加，因此要保证列车高速运行安全，必须解决车轮滑行问题。

防滑装置的功能就是通过在各车轴或牵引电机中安装速度传感器，对速度进行检测，在滑行即将发生的短暂过渡阶段将其检测出，并及时动作，使作用在车轮上的制动力迅速降低至粘着力以下，以防止车轮滑行，恢复轮轨的粘着状态。

在粘着恢复以后，还要使制动力及时上升，并使其尽可能地大。

动车组上的防滑装置一般由速度传感器、滑行检测器及防滑电磁阀构成。

第三章动车组制动力的计算

3.1作用在动车组上的合力

在动车组运行中，作用在动车组上的总合力C是动车牵引力Fy（Fy=，牵引力使用系数）、列车总全阻力平和列车总制动力B的代数和。

即式3-1：

（KN）（3-1）

平均到列车每千牛重力上的合力，称为单位合力c，其单位是N/kN，表达

如3-2或3-3所示。

（3-2）

或（N/kN）（3-3）

式中P、G分别为动车组计算重量和牵引重量，fy、w、b分别为动车组

位牵引力、单位全阻力、单位制动力，单位均为N/kN。

三个力并非同时作用在列车上，单位合力的组成按动车组的工况有六种情况

（l）牵引运行

（N/kN）

式中:

—列车单位基本阻力，N/kN；

—制动地段的加算坡道千分数。

（2）隋力运行

（N/kN）

（3）动力制动

（N/kN）

式中:

—动力制动力使用系数，取0.9；

—列车单位动力制动力，N/kN。

（4）空气紧急制动

（N/kN）

（5）空气常用制动

（N/kN）

式中:

—常用制动系数，可根据减压量查表得。

（6）动力制动加空气常用制动

（N/kN）

3.2空气制动力的计算

动车组制动力是由制动装置产生的、与动车组运行方向相反、阻碍动车组运行的、司机可以根据需要调节的外力。

如前所述，制动力产生的方法有:

摩擦制动，动力制动以及电磁制动等。

对于动车组来说，空气制动主要通过摩擦制动来实现，即主要依靠盘形制动的闸片产生制动力，其计算值等于闸片与制动盘之间的摩擦力换算到车轮踏面上的值。

而一块闸瓦产生的制动力ΔB等于闸瓦压力K与摩擦系数的乘积，如式3-4所示。

（3-4）

其中，闸瓦压力K和高摩合成闸片摩擦系数热的计算公式分别如式3-5和式3-6所示。

（3-5）

式中：

π—圆周率，取3.1416；

—制动缸直径，mm；

—制动缸空气压力，kPa；

—基础制动装置计算传动效率；

—制动倍率；

—制动盘摩擦直径，mm；

—车轮径，mm。

（3-6）

式中：

K一块闸瓦的实算闸瓦压力，kN；

v—运行速度，km/h；

根据参考文献，为了简化列车制动力的计算，不管动车组中同一种摩擦材料

有多少种实算闸瓦压力值，都采取一个固定实算闸瓦压力的实算摩擦系数作为标准，这个摩擦系数称为换算摩擦系数。

但这带来了制动力计算结果的误差，因此通过适当修正闸瓦压力的办法来弥补，即计算相应的换算闸瓦压力，用它们的乘积来计算制动力。

高摩合成闸片换算摩擦系数、和换算闸瓦压力的计算公式分别如式3-7和3-8所示，部分高摩合成闸片换算摩擦系数由查表得知。

（3-7）

（3-8）

根据资料，对于运行速度在140～180km/h的电动车组来说，每辆车的换算闸片压力可以二次换算为220kN（列车主管压力为600kPa时）。

下面将利用己知公式进行CRH2动车组相应级别的空气制动力计算。

（l）紧急制动力

①动车组总制动力B

换算摩擦系数与全动车组总换算闸瓦压力的乘积就是动车组的总制动力，如

式3-9所示。

（3-9）

式中:

—第i块闸瓦产生的制动力；

—换算摩擦系数；

—全动车组总换算闸瓦压力，kN。

②动车组单位制动力b

动车组单位制动力b计算公式如式3-10所示:

（N/kN）（3-10）

式中：

—动车组换算制动率。

其物理意义是动车组总换算闸瓦压力与列车

重力的比值，即平均分配到每千牛动车组重力上的换算闸瓦压力千牛数，如式3-11所示。

（3-11）

根据资料，盘形制动旅客列车换算制动率（以高摩合成闸片为基型）的