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《动车组制动控制系统分析毕业设计论文》

动车组制动控制系统分析

摘要：

我国客运专线的运营,电力动车组的投入使用,标志着我国已进入高速铁路的时代。

随着高速动车组的引进,一些新设备、新技术、新知识也随之而来。

为了保证高速运行的安全可靠性、有效性和舒适性,制动技术则是其中极为重要的一部分。

对于高速列车的制动来说,传统的摩擦制动方式已不能保证运行的安全,那么采用何种方式的制动方式才能达到确保安全的目的呢?

本文将对高速动车组制动系统做一描述。

关键词：

动车组；制动；滑行；防滑系统；黏着控制

Abstract:

theoperationofthepassengerdedicatedlineinChina,theinvestmentintheelectricpowercargroup,isasymbolofthetimesofChina'senteringthehigh-speedrailway.Withtheintroductionofhigh-speedEMU,somenewequipment,newtechnology,newknowledgeisalsofollowed.Inordertoensurethesafetyandreliability,validityandcomfortofthehighspeedoperation,brakingtechnologyisaveryimportantpartofit.Forhigh-speedtrainbraking,thetraditionalfrictionbrakingmethodhasbeenunabletoensurethesafetyoftheoperation,thenthewayofhowtoachievethebrakingmodetoachievethepurposeofthesecurity,thepaperwillmakeadescriptionofthehighspeedEMUbrakingsystem.

Keywords:

EMU;brake;slide;antiskidsystems;adhesioncontrol

1.各系列动车组技术现状

1.1TGV系列电动车组制动技术现状：

动车采用电阻制动+轮盘式盘形空气制动装置+微机控制防滑器；拖车采用轴盘式盘形空气制动装置+微机控制防滑器+弹簧停放制动器+踏面制动。

另外，车上还装有弹簧停放制动器。

当制动缸压力缓慢降到小于或等于300kPa时，弹簧停放制动器自动产生制动作用。

1.2ICE系列电动车组制动技术现状：

德国ICE1、ICE2动车组采用动力集中牵引微机控制自动式电空制动技术，动力制动采用再生制动／电阻制动。

ICE一3动车组采用动力分散牵引微机控制自动式电空制动技术，线性涡流制动，动力制动采用再生制动。

动车采用再生制动+轮盘式盘形空气制动装置+微机控制防滑器；拖车采用轴盘式盘形空气制动装置+磁轨制动机+微机控制防滑器+弹簧停车制动器。

每辆动车均装有l套再生制动装置+轮盘式盘形空气制动装置。

再生制动机制动时，动车上产生的三相交流电通过一套装置将电能反馈给电网。

当再生制动系统发生故障时，接触导线电压下降，则

所有的再生制动装置将不发挥作用。

另外，ICE拖车上还装有一套遥控制动机控制装置，位于车辆l位端。

拖车还装有手制动装置，紧急制动阀装在动车司机室内。

客室内若发生紧急情况，旅客可拉动紧急制动手把，实施紧急制动。

在运行速度250km／h时，常用制动距离为4820m，紧急制动距离为2300m。

1.3新干线系列电动车组制动技术现状：

13本新干线0系、100系～700系、E1系一E4系（双层动车组）采用动力分散牵引微机控制直通式电空制动技术，旋转涡流制动（ECB），动力制动采用再生制动／电阻制动。

动车采用再生制动／电阻制动+轮盘式盘形空气制动装置+微饥控制防滑器+空重车调整装置；拖车采用旋转涡流制动装置（ECB）+微机控制防滑器+踏面清扫器+空重车调整装置。

2我国动车组制动系统原理

2.1动车组制动系统特点

动车组运行速度高，会给列车的制动能力、运行平稳性等方面提出一系列问题。

（由于列车制动能量和速度的平方成正比，时速200km以上的动车组的制动能量是普通列车的4倍以上。

）因此，动车组制动系统的性能和组成，与我国目前的旅客列车完全不同。

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。

一般说来，动车组的制动系统应具有如下特点：

一、安全性高

高速动车组制动系统的制动能力强，反应速度快，具有相当高的安全性；在结构上具体表现在以下两个方面：

（一）采用电、空联合制动模式，电制动优先，而且普遍装有防滑器。

电制动与空气制动结合可保证列车在较大的速度范围内都有充足的制动力，而防滑器的安装可使轮轨间的粘着力得到充分运用，进而有效地缩短制动距离。

电制动由于操纵控制方便，并且可以大大减少空气制动系统零部件的磨耗，因而得以优先使用。

（二）操纵控制采用电控、直通或微机控制电气指令式等灵敏而迅速的系统。

这些装置使制动系统的反应更为迅速，进一步缩短了制动距离。

二、控制准确

制动作用采用微机控制，可为确保列车正点运行精确地提供所需制动力；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作用。

三、舒适度高

高速动车组制动作用的时间和减速度远大于普通的旅客列车，因此采取了相应措施来提高旅客乘坐的纵向舒适度；其制动平均减速度、最大减速度和纵向冲动的指标均高于普通的旅客列车。

所采取的措施主要有：

（一）采用微机控制的电气指令制动系统可实现制动过程的优化控制，并在提高平均减速度的同时尽量减少减速度的变化率；

（二）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冲击力。

（三）防滑装置还可避免因轮轨间粘着力不足而产生车轮踏面擦伤，继而防止列车运行平稳性恶化，提高乘坐舒适性，以及避免对车轴等部件产生附加应力的问题。

四、可靠性高

（一）采用“故障导向安全”机构（fail-safe），以便在制动系统发生故障时，能向安全方向动作。

如高速动车组一般设有空气制动、微机控制的电空制动和计算机网络三种制动控制方式。

在正常运行情况下，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，能自动转为电空制动作用。

在电气故障或电空制动故障时，能依靠纯空气制动来保证不良状态下的制动距离。

此外，在高速动车组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，在该指令系统的设计中也考虑了相应的可靠性措施。

（二）进行“防止误操作”设计（fool-proof），使得非熟练操作者也能可靠地实施制动系统的功能。

2.2动车组制动技术装置

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。

图1.制动系统工作原理图

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。

2.3微机控制直通电空制动系统

2.3.1微机控制制动系统

空气制动机按其作用原理不同可分为直通式空气制动机和自动控制制动机。

直通式空气制动机是通过制动阀把总风缸的压缩空气直接变成经列车管进入制动缸的其压强大小直接反映制动力大小的压缩空气，直接在制动缸得到所需制动力；自动式空气制动机是通过制动阀改变制动管的空气压力，以此压力变化为控制信号，控制车辆制动机的三通阀（或分配阀），其两种制动机原理见图。

图2直通式和自动式空气制动机原理简图

我国动车组制动模式有2种，即微机控制自动式电空制动系统与微机控制直通式电空制动系统。

微机控制自动式电空制动系统主要由制动控制器、车辆计算机、列车管压力控制装置、分配阀、防滑装置、基础制动装置、风源系统、动力制动装置、辅助制动装置等组成，如图2所示。

自动式是在自动空气制动机的基础上增加了电气指令控制系统对列车管压力的控制，通过同时对各车辆的列车管的减压增加，使各车辆的三通阀同时作用，加快列车整体的制动及缓解速度，提高了自动空气制动机的性能。

法国TGV和德国ICE高速动车组采用的就是类似上述方案的微机控制自动式电空制动系统。

微机控制直通式电空制动系统主要由制动控制器、微机控制单元、制动控制单元、基础制动装置、防滑装置、动力制动装置、风源系统、辅助制动装置等组成，如图3所示。

直通式是采用电信号来传递制动和缓解指令的直通空气制动系统。

动车组的制动指令是由司机制动控制器发出的，经列车信息监控系统传至每辆车的制动控制装置，由制动控制装置的制动控制单元运算，对各车辆的制动信号管的压力空气进行控制，用该制动管的压力使各中继阀工作，打开中继阀中制动储风缸与制动缸的通路，最后使制动缸获得符合制动力要求的空气压力，由基础制动装置完成制动作用。

直通式具有响应快、一致性好、控制方便等优点，但也存在着一旦列车分离，列车就失去制动能力。

因此一般都与自动制动机和作为紧急制动控制用的长带电往返电路并用。

现在的电动车组制动控制系统大多采用直通式的电气指令式制动控制系统，日本新干线高速动车组、欧洲部分电动车组、我国自行研制的“先锋号”和“中华之星”高速动车组均采用微机控制直通电空制动系统。

我国引进的时速200km的川崎动车组的制动系统也采用电气指令式微机控制直通式电空制动，这符合高速制动系统的发展方向。

2.3.2制动信号发生与传输部分

该部分主要用来产生制动信号．并将信号传递到各车辆的MBCU或PBCU。

主要由制动控制器、调制及逻辑控制器、制动指令线等组成。

（1）制动控制器

受司机控制产生常用或紧急制动指令。

在司机室还设有非常制动按纽开关、停放制动和强迫缓解等开关，用以产生相应的指令信号。

（2）调制及逻辑控制器

调制及逻辑控制器同时接收ATP发出的指令，逻辑控制器还接收车长阀等发出的指令。

调制器将制动控制器或ATP的常用或紧急制动指令转换成相应的脉宽调制（PWM）信号。

逻辑控制器通过逻辑电路，使指令线在各工况下发出相应的指令信号。

（3）制动指令线

用于传递制动指令。

2.1.2微机制动控制单位（MBCU）

MBCU是微机控制直通电空制动系统的关键部件，它是一台进行制动和防滑控制的微机，为该系统的关键部件。

其主要功能如下：

（1）接受和检测制动指令、空重车信号和速度信号。

（2）根据列车运行速度、车重和制动指令计算所需的常用制动力。

（3）按充分发挥动力制动能力的原则，进行动力制动与空气制动的配合控制。

使空气制动力等于所需的制动力减去动力制动力。

（4）为提高列车的舒适度，进行常用制动防冲动控制。

（5）通过动车MBCU与拖车MBCU之间的通讯联系．实现拖车利用动车动力制动能力的滞后充气控制。

（6）检测轮对速度，进行防滑控制。

（7）检测制动系统状态．将有关信号向列车计算机网络报告．自动记录并显示故障信息、对特殊的故障做出应急处理。

2.3.3气制动控制单元（PBCU）

PBCU将制动指令由电信号转变为相应的空气压力信号，由EP阀、非常制动单元、停放制动阀、中继阀及压力传感器等组成。

它与MBCU一起构成微机控制直通电空制动系统的制动缸压力控制。

2.3.4转向架制动系统

该系统由基础制动装置、防滑电磁阀和速度传感器组成基础制动装置是空气制动的执行元件。

速度传感器用于检测轮对转速．以便MBCU进行防滑控制。

当MBCU检测到某轴发生滑行时．控制该轴的防滑电磁阀降低该轴的制动缸压力。

2.4动车组制动系统

2.4.1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。

2.4.2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。

3动车组制动系统分类

3.1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。

3.2空气制动系统

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

图2.空气制动系统示意图

CRH2动车组中的空气制动系统工作过程：

1、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。

2、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）。

3、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。

3.3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。

4动车组制动力的计算

4.1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（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）（3-4）

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）（3-5）

（3）动力制动

（N/kN）（3-6）

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）（3-7）

（5）空气常用制动

（N/kN）（3-3）

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）（3-8）

4.2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3-9所示。

（3-9）

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3-10和式3-6所示。

（3-10）

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—11）

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

、值如表3-1

所示。

（3-12）

（3-13）

制动力产生过程如下所示：

图4、制动力产生过程

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。

（3-14）

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）（3-15）

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。

（3-16）

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）的通用值

取为0.32。

（2）常用制动时列车单位制动力

当动车组施行常用制动时，动车组单位制动力

小于（最大等于）紧急制动时动

车组单位制动力b。

二者的比值称为常用制动系数

，即如式3-12所示:

（3-17）

由此可得式3-13：

（N/kN）（3-18）

4.3再生制动力的计算

根据200km/h电动车组总体设计，每辆动车具有如图3-1所示的动力制动能力．当列车速度低于15km/h时，动力制动力为零；速度在l5～25km/h时，动力制动力逐渐上升；速度在25-100km/h之间，可提供的最大动力制动力为恒力；速度大于100km/h时，动力制动力大小受到恒功率线限制。

图5.动车动力制动力比较

4.4空气制动力与再生制动力的分配

根据文献，可