動車簡介及制動控制技術(shù)

1、動車簡介及動車制動控制技術(shù)當前，測控專業(yè)實驗設(shè)備老化和短缺的問題已經(jīng)非常突出，很多實驗的設(shè)置，尤其是一些重要的專業(yè)主修課程和專業(yè)特色課程的實驗，未能將基本理論和公式用形象的實驗來描述，既沒有滿足素質(zhì)教育的要求，也沒有體現(xiàn)研究型大學的教學特色，特別是無鐵路特色，直接原因是實驗設(shè)備的不足。另外，3+1專業(yè)已經(jīng)開始培養(yǎng)學生，鐵路機車車輛專業(yè)已經(jīng)招生，馬上面臨專業(yè)實驗，實驗建設(shè)已經(jīng)迫在眉睫。因此動車組網(wǎng)絡(luò)控制平臺的建設(shè)是非常必要的。動車組網(wǎng)絡(luò)控制平臺以CRH2型動車組為參考，構(gòu)建基于列車總線(WTB)和車輛總線的網(wǎng)絡(luò)平臺，能夠?qū)崿F(xiàn)時速200公里動車組的基本網(wǎng)絡(luò)控制功能，包括牽引控制、制動控制、車門控制

2、、駕駛臺控制等。如圖11所示。 圖1.1通過該實驗平臺可以實現(xiàn)基于總線的網(wǎng)絡(luò)控制實驗，也可以實現(xiàn)單獨的各子系統(tǒng)的功能實驗。能夠達到使學生了解動車組網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理，理解牽引控制、制動控制、車門控制以及駕駛臺控制等子系統(tǒng)的工作原理，掌握控制系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)，最終實現(xiàn)能夠應(yīng)用的目的。1.1國內(nèi)外動車組技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀.自從1825年世界上第一條鐵路建成并通車開始，鐵路逐漸成為了交通運輸中的重要運輸方式之一。快速、可靠、舒適、經(jīng)濟和環(huán)保是鐵路在與其他運輸方式的競爭中取勝的先決條件，許多國家都在通過新建或改建既有線發(fā)展高速鐵路。國際上一般認為，高速鐵路動車組是最高運行時速在200公里以上的鐵路運輸

3、系統(tǒng)。所謂動車組就是由若干動力車和拖車或全部由動力車長期固定連掛在一起組成的車組。高速動車組的牽引動力配置基本上有兩種型式，即集中配置型和分散配置型。傳統(tǒng)的機車牽引形式就是牽引動力集中配置，列車由一臺或幾臺機車集中于一端牽引。由于機車總功率受到限制，難以滿足進一步提高速度的要求。動車組編組中的車輛全部為動力車，或大部分為動力車，即牽引動力分散配置。由于動車組可以根據(jù)某條線路的客流量變化進行靈活編組，可以實現(xiàn)高密度小編組發(fā)車以及具有安全性能好、運量大、往返不需掉轉(zhuǎn)車頭、污染小、節(jié)能、自帶動力等優(yōu)點，受到國內(nèi)外市場的青睞，應(yīng)用也越來越廣泛，被稱為鐵路旅客運輸?shù)纳姟?.2國外動車組發(fā)展狀況世界高

4、速鐵路動車組技術(shù)最發(fā)達的國家有3個：德國、日本和法國。各國使用動車的比重以日本為最大，世界高速鐵路占87；荷蘭、英國次之，分別占83和61；法國、德國又次之，分別占22和12。德國鐵路自20世紀80年代起開始發(fā)展250kmh以上的高速客運列車。1985年，Siemens公司與Adtranz公司聯(lián)合開發(fā)的高速動車組ICEN開始投入運行，設(shè)計最高速度為350kmh，并在試運行階段創(chuàng)下了4069kmh的德國最高試驗速度記錄。日本高速列車全部采用電動車組的形式。從1964年10月1日起至今，日本的高速列車已走過了40年的發(fā)展歷史，從0系高速列車開始，相繼研制開發(fā)了loo系、100N系、200系、E1系

5、、400系、300系、500系、E2系和700系等高速列車。從法國第一條高速鐵路TGV東南線全線通車至今已有20多年了，這一期間，法國高速鐵路獲得了前所未有的飛躍發(fā)展，1999年已擁有高速鐵路新線1280km，2001年地中海高速線開通。法國高速鐵路新線里程已達1576km，高速列車TGV可以提供服務(wù)的路網(wǎng)范圍達5900千米。1.3我國動車組技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀我國鐵路第六次大提速上線運行的動車組名稱為“和諧號”，原名CRH系列。CRH是China Railway Highspeed(中國鐵路高速)的縮寫，目前有CRHlCRH5幾種型號，分別從日本、德國、法國等國引進先進技術(shù)，并消化吸收及國產(chǎn)化，成為

6、“具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)”的動車組產(chǎn)品系列。其中，CRHl、2、5均為200公里級別(營運速度200kmh，最高速度250kmh)。CRH3為300公里級別(營運速度330kmh，最高速度380kmh)。CRH2具有提升至300kmh級別的能力。本論文以CRH2型動車組為參考原型進行論述。CRH2型電動車組是鐵道部為鐵路進行第六次提速向日本川崎重工訂購的高速列車車款之一。它以日本新干線的E21000系電動車組為基礎(chǔ)，是繼臺灣高鐵的700T之后，第二款出口國外的新干線列車。供中國使用的CRH2雖使用與E21000相同的電動機，由于其編組方式是4M4T(4輛動車4輛拖車)，動力比日本6M2T(6輛動

7、車2輛拖車)編組的E2系小，因此在營運速度方面會比日本本土的E2系有所下調(diào)，運營時速為200kmh左右。CRH2型動車組為動力分散型，列車由8節(jié)車編組，其中有4個車帶動力。每節(jié)帶動力的車都有4個牽引電機，單機功率為300千瓦以上，整列車的牽引功率達到4800千瓦以上，動力配置均衡合理，完全滿足高速運行要求。2. 動車組制動技術(shù)制動裝置是保證列車安全運行所必需的裝置，因此高速動車組對制動技術(shù)提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。動車組的動能與速度的平方成正比，而在一定的制動距離條件下，列車的制動功率是速度的三次函數(shù)。因此，傳統(tǒng)的空氣制動能力遠遠不能滿足需要。動車組常采用再生制動與空氣制動的復合制動模式，制動控制系統(tǒng)

8、包括再生制動控制系統(tǒng)和空氣制動控制系統(tǒng)，此外還有電子防滑器及基礎(chǔ)制動裝置等。制動系統(tǒng)工作原理如圖12所示。圖1.2相對動力集中式列車相對動力集中式列車而言，動力分散列車的控制系統(tǒng)具有許多優(yōu)點。動力集中式列車動力制動往往集中在機車上，而拖車往往只采用摩擦制動；而動力分散列車的動力制動分散在列車的多輛(可能全部)車上，因而能更充分地利用再生制動、電阻制動等動力制動的制動能力，這就大大減少了摩擦制動摩擦副的磨損，提高了列車運行的經(jīng)濟性，同時大大減少了制動時的噪聲動車組制動系統(tǒng)需要具備的條件是：(1)盡可能縮短制動距離以保障列車安全；(2)保證高速制動時車輪不滑行；(3)司機操縱制動系統(tǒng)靈活可靠，能適

9、應(yīng)列車自動控制的要求。動車組運行速度高，給列車的制動能力、運行平穩(wěn)性等方面提出一系列挑戰(zhàn)。因此，高速動車組必須裝備高效率和高安全性的制動系統(tǒng)，為列車正常運行提供調(diào)速和停車制動的手段，并在意外故障或其它必要情況下具有盡可能短的制動距離。此外，高速運行的動車組對制動系統(tǒng)的可靠性和制動時的舒適度也提出了更高的要求。所以，動車組制動系統(tǒng)的性能和組成與普通旅客列車完全不同，它是一個能提供強大制動力并能更好利用粘著的復合制動系統(tǒng)，包含多個子系統(tǒng)，主要由電制動系統(tǒng)、空氣制動系統(tǒng)、防滑裝置、制動控制系統(tǒng)等組成，制動時采用電空制動聯(lián)合作用的方式，且以電制動為主。2.1動車組制動方式按用途分類動車組制動作用按用途

10、可分為如下四大類：(1)常用制動常用制動是正常條件下為調(diào)節(jié)、控制列車速度或進站停車施行的制動。其特點是作用比較緩和，且制動力可以調(diào)節(jié)，通常只用列車制動能力的20"-'80，多數(shù)情況下只用50左右。 (2)非常制動非常制動是緊急情況下為使列車盡快停住而施行的制動。其特點是把列車制動能力全部用上，且動作迅猛，制動力為最大常用制動力的14"-15倍。非常制動有時也稱快速制動。(3)緊急制動緊急制動也是在緊急情況下采取的制動方式，特點與非常制動類似。它與非常制動的區(qū)別在于：非常制動一般為電、空聯(lián)合制動，也可以是空氣制動；而緊急制動只有空氣制動作用。(4)輔助制動輔助制動又包

11、括備用制動、救援回送制動、停放制動和停車制動等。2.2動車組制動方式按動力形成方式分類從作用力的觀點來看，制動就是讓制動裝置產(chǎn)生與列車運行方向相反的外力，使列車產(chǎn)生較大的減速度，盡快減速或停車。根據(jù)制動力的形成方式，制動方式又可分為粘著制動和非粘著制動。車輪在鋼軌上滾動時，輪軌接觸處既非靜止，也非滑動，在鐵路術(shù)語中用“粘著"來說明這種狀態(tài)。粘著制動是指依靠粘著滾動的車輪與鋼軌粘著點之間的粘著力來實現(xiàn)列車制動的方式。粘著制動包括閘瓦制動、盤形制動、電阻制動、再生制動及電磁渦流轉(zhuǎn)子制動等。以閘瓦制動為例，車輪、閘瓦和鋼軌三者之間有三種可供分析的狀態(tài)：第一種是難以實現(xiàn)的理想的純滾動狀態(tài)；第

12、二種是應(yīng)極力避免的“滑行”狀態(tài)；第三種是實際運用中的“粘著”狀態(tài)。根據(jù)輪軌間的靜摩擦系數(shù)>粘著系數(shù)>動摩擦系數(shù)的關(guān)系，在上述三種情況中，可能實現(xiàn)的制動力的最大值以純滾動狀態(tài)時為最大，但實際上這是達不到的；“滑行”狀態(tài)最小，這不但會延長制動距離，而且會擦傷車輪：“粘著”狀態(tài)介于兩者之間，它隨氣候與速度等條件的不同可以有相當大的變化。 （1） 黏著系數(shù)及其影響因素如上所述，粘著制動是指依靠粘著滾動的車輪與鋼軌粘著點之間的粘著力來實現(xiàn)列車制動的方式。根據(jù)剛體平面運動學的分析，沿鋼軌自由滾動的車輪，具有不斷變化的瞬時轉(zhuǎn)動中心。車輪與鋼軌的各個接觸點在兩者接觸的瞬間是沒有相對運動的，輪軌間的

13、切向作用力就是物理學上說的靜摩擦力。其最大值是一個與運動狀態(tài)無關(guān)的常量，它等于輪軌間的法向作用力與靜摩擦系數(shù)的乘積。但這是一種難以實現(xiàn)的理想狀態(tài)。實際情況是，車輪與鋼軌在很高的壓力作用下都有少許變形，輪軌間并非點接觸，而是橢圓形面接觸。車輪在鋼軌上滾動的同時，必然伴隨著微量的輪軌間的縱向和橫向滑動。所以輪軌之間接觸面不是純粹的靜摩擦狀態(tài)。輪軌之間的最大切向力實際上比物理學上的靜摩擦力要小，并隨列車速度的升高而降低。因此，在鐵路牽引和制動理論中，把“靜中有微動"的狀態(tài)稱為“粘著狀態(tài)”。在分析輪軌問切向作用力的問題時，不用靜摩擦這個名詞，而以“粘著”一詞來代替它。相應(yīng)地，把粘著狀態(tài)下輪軌

14、間切向摩擦力的最大值稱為“粘著力"，把它與輪軌間垂直載荷之比稱為“粘著系數(shù)”。粘著系數(shù)的影響因素主要有兩個，一個是車輪和鋼軌的表面狀況，另一個是列車運行速度。表21所示軌面狀況對粘著系數(shù)的影響。輪軌間表面狀態(tài)包括：干濕情況、臟污程度、是否有銹、是否撒砂以及砂的數(shù)量和品質(zhì)等等。輪軌的濕度、臟污程度又與天氣、環(huán)境污染狀況和制動裝置的形式等因素有關(guān)。輪軌干燥而清潔時粘著系數(shù)較大，在輪軌剛剛潮濕、或有霜雪、油污時，粘著系數(shù)明顯減小。列車運行速度對粘著系數(shù)的影響主要是，隨著制動過程中列車速度的降低，沖擊振動以及伴隨而來的縱向和橫向的少量的滑動都逐漸減弱，因而粘著力和粘著系數(shù)也逐漸增大，其增大程度與列車動力性能、軌道的情況等有關(guān)。高速列車和普通列車均采用粘著制動方式，其最大制動力和