動(dòng)車(chē)簡(jiǎn)介及制動(dòng)控制技術(shù)

1、動(dòng)車(chē)簡(jiǎn)介及動(dòng)車(chē)制動(dòng)控制技術(shù)當(dāng)前，測(cè)控專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備老化和短缺的問(wèn)題已經(jīng)非常突出，很多實(shí)驗(yàn)的設(shè)置，尤其是一些重要的專(zhuān)業(yè)主修課程和專(zhuān)業(yè)特色課程的實(shí)驗(yàn)，未能將基本理論和公式用形象的實(shí)驗(yàn)來(lái)描述，既沒(méi)有滿足素質(zhì)教育的要求，也沒(méi)有體現(xiàn)研究型大學(xué)的教學(xué)特色，特別是無(wú)鐵路特色，直接原因是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的不足。另外，3+1專(zhuān)業(yè)已經(jīng)開(kāi)始培養(yǎng)學(xué)生，鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛專(zhuān)業(yè)已經(jīng)招生，馬上面臨專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)建設(shè)已經(jīng)迫在眉睫。因此動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)的建設(shè)是非常必要的。動(dòng)車(chē)組網(wǎng)絡(luò)控制平臺(tái)以CRH2型動(dòng)車(chē)組為參考，構(gòu)建基于列車(chē)總線(WTB)和車(chē)輛總線的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)速200公里動(dòng)車(chē)組的基本網(wǎng)絡(luò)控制功能，包括牽引控制、制動(dòng)控制、車(chē)門(mén)控制

2、、駕駛臺(tái)控制等。如圖11所示。 圖1.1通過(guò)該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)基于總線的網(wǎng)絡(luò)控制實(shí)驗(yàn)，也可以實(shí)現(xiàn)單獨(dú)的各子系統(tǒng)的功能實(shí)驗(yàn)。能夠達(dá)到使學(xué)生了解動(dòng)車(chē)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(dòng)控制、車(chē)門(mén)控制以及駕駛臺(tái)控制等子系統(tǒng)的工作原理，掌握控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)能夠應(yīng)用的目的。1.1國(guó)內(nèi)外動(dòng)車(chē)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(chē)開(kāi)始，鐵路逐漸成為了交通運(yùn)輸中的重要運(yùn)輸方式之一?？焖?、可靠、舒適、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保是鐵路在與其他運(yùn)輸方式的競(jìng)爭(zhēng)中取勝的先決條件，許多國(guó)家都在通過(guò)新建或改建既有線發(fā)展高速鐵路。國(guó)際上一般認(rèn)為，高速鐵路動(dòng)車(chē)組是最高運(yùn)行時(shí)速在200公里以上的鐵路運(yùn)輸

3、系統(tǒng)。所謂動(dòng)車(chē)組就是由若干動(dòng)力車(chē)和拖車(chē)或全部由動(dòng)力車(chē)長(zhǎng)期固定連掛在一起組成的車(chē)組。高速動(dòng)車(chē)組的牽引動(dòng)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(jī)車(chē)牽引形式就是牽引動(dòng)力集中配置，列車(chē)由一臺(tái)或幾臺(tái)機(jī)車(chē)集中于一端牽引。由于機(jī)車(chē)總功率受到限制，難以滿足進(jìn)一步提高速度的要求。動(dòng)車(chē)組編組中的車(chē)輛全部為動(dòng)力車(chē)，或大部分為動(dòng)力車(chē)，即牽引動(dòng)力分散配置。由于動(dòng)車(chē)組可以根據(jù)某條線路的客流量變化進(jìn)行靈活編組，可以實(shí)現(xiàn)高密度小編組發(fā)車(chē)以及具有安全性能好、運(yùn)量大、往返不需掉轉(zhuǎn)車(chē)頭、污染小、節(jié)能、自帶動(dòng)力等優(yōu)點(diǎn)，受到國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)的青睞，應(yīng)用也越來(lái)越廣泛，被稱(chēng)為鐵路旅客運(yùn)輸?shù)纳姟?.2國(guó)外動(dòng)車(chē)組發(fā)展?fàn)顩r世界高

4、速鐵路動(dòng)車(chē)組技術(shù)最發(fā)達(dá)的國(guó)家有3個(gè)：德國(guó)、日本和法國(guó)。各國(guó)使用動(dòng)車(chē)的比重以日本為最大，世界高速鐵路占87；荷蘭、英國(guó)次之，分別占83和61；法國(guó)、德國(guó)又次之，分別占22和12。德國(guó)鐵路自20世紀(jì)80年代起開(kāi)始發(fā)展250kmh以上的高速客運(yùn)列車(chē)。1985年，Siemens公司與Adtranz公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)的高速動(dòng)車(chē)組ICEN開(kāi)始投入運(yùn)行，設(shè)計(jì)最高速度為350kmh，并在試運(yùn)行階段創(chuàng)下了4069kmh的德國(guó)最高試驗(yàn)速度記錄。日本高速列車(chē)全部采用電動(dòng)車(chē)組的形式。從1964年10月1日起至今，日本的高速列車(chē)已走過(guò)了40年的發(fā)展歷史，從0系高速列車(chē)開(kāi)始，相繼研制開(kāi)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(chē)。從法國(guó)第一條高速鐵路TGV東南線全線通車(chē)至今已有20多年了，這一期間，法國(guó)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(kāi)通。法國(guó)高速鐵路新線里程已達(dá)1576km，高速列車(chē)TGV可以提供服務(wù)的路網(wǎng)范圍達(dá)5900千米。1.3我國(guó)動(dòng)車(chē)組技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)鐵路第六次大提速上線運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組名稱(chēng)為“和諧號(hào)”，原名CRH系列。CRH是China Railway Highspeed(中國(guó)鐵路高速)的縮寫(xiě)，目前有CRHlCRH5幾種型號(hào)，分別從日本、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，并消化吸收及國(guó)產(chǎn)化，成為

6、“具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)”的動(dòng)車(chē)組產(chǎn)品系列。其中，CRHl、2、5均為200公里級(jí)別(營(yíng)運(yùn)速度200kmh，最高速度250kmh)。CRH3為300公里級(jí)別(營(yíng)運(yùn)速度330kmh，最高速度380kmh)。CRH2具有提升至300kmh級(jí)別的能力。本論文以CRH2型動(dòng)車(chē)組為參考原型進(jìn)行論述。CRH2型電動(dòng)車(chē)組是鐵道部為鐵路進(jìn)行第六次提速向日本川崎重工訂購(gòu)的高速列車(chē)車(chē)款之一。它以日本新干線的E21000系電動(dòng)車(chē)組為基礎(chǔ)，是繼臺(tái)灣高鐵的700T之后，第二款出口國(guó)外的新干線列車(chē)。供中國(guó)使用的CRH2雖使用與E21000相同的電動(dòng)機(jī)，由于其編組方式是4M4T(4輛動(dòng)車(chē)4輛拖車(chē))，動(dòng)力比日本6M2T(6輛動(dòng)

7、車(chē)2輛拖車(chē))編組的E2系小，因此在營(yíng)運(yùn)速度方面會(huì)比日本本土的E2系有所下調(diào)，運(yùn)營(yíng)時(shí)速為200kmh左右。CRH2型動(dòng)車(chē)組為動(dòng)力分散型，列車(chē)由8節(jié)車(chē)編組，其中有4個(gè)車(chē)帶動(dòng)力。每節(jié)帶動(dòng)力的車(chē)都有4個(gè)牽引電機(jī)，單機(jī)功率為300千瓦以上，整列車(chē)的牽引功率達(dá)到4800千瓦以上，動(dòng)力配置均衡合理，完全滿足高速運(yùn)行要求。2. 動(dòng)車(chē)組制動(dòng)技術(shù)制動(dòng)裝置是保證列車(chē)安全運(yùn)行所必需的裝置，因此高速動(dòng)車(chē)組對(duì)制動(dòng)技術(shù)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。動(dòng)車(chē)組的動(dòng)能與速度的平方成正比，而在一定的制動(dòng)距離條件下，列車(chē)的制動(dòng)功率是速度的三次函數(shù)。因此，傳統(tǒng)的空氣制動(dòng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需要。動(dòng)車(chē)組常采用再生制動(dòng)與空氣制動(dòng)的復(fù)合制動(dòng)模式，制動(dòng)控制系統(tǒng)

8、包括再生制動(dòng)控制系統(tǒng)和空氣制動(dòng)控制系統(tǒng)，此外還有電子防滑器及基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等。制動(dòng)系統(tǒng)工作原理如圖12所示。圖1.2相對(duì)動(dòng)力集中式列車(chē)相對(duì)動(dòng)力集中式列車(chē)而言，動(dòng)力分散列車(chē)的控制系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)。動(dòng)力集中式列車(chē)動(dòng)力制動(dòng)往往集中在機(jī)車(chē)上，而拖車(chē)往往只采用摩擦制動(dòng)；而動(dòng)力分散列車(chē)的動(dòng)力制動(dòng)分散在列車(chē)的多輛(可能全部)車(chē)上，因而能更充分地利用再生制動(dòng)、電阻制動(dòng)等動(dòng)力制動(dòng)的制動(dòng)能力，這就大大減少了摩擦制動(dòng)摩擦副的磨損，提高了列車(chē)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，同時(shí)大大減少了制動(dòng)時(shí)的噪聲動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)需要具備的條件是：(1)盡可能縮短制動(dòng)距離以保障列車(chē)安全；(2)保證高速制動(dòng)時(shí)車(chē)輪不滑行；(3)司機(jī)操縱制動(dòng)系統(tǒng)靈活可靠，能適

9、應(yīng)列車(chē)自動(dòng)控制的要求。動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度高，給列車(chē)的制動(dòng)能力、運(yùn)行平穩(wěn)性等方面提出一系列挑戰(zhàn)。因此，高速動(dòng)車(chē)組必須裝備高效率和高安全性的制動(dòng)系統(tǒng)，為列車(chē)正常運(yùn)行提供調(diào)速和停車(chē)制動(dòng)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(dòng)距離。此外，高速運(yùn)行的動(dòng)車(chē)組對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和制動(dòng)時(shí)的舒適度也提出了更高的要求。所以，動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的性能和組成與普通旅客列車(chē)完全不同，它是一個(gè)能提供強(qiáng)大制動(dòng)力并能更好利用粘著的復(fù)合制動(dòng)系統(tǒng)，包含多個(gè)子系統(tǒng)，主要由電制動(dòng)系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、防滑裝置、制動(dòng)控制系統(tǒng)等組成，制動(dòng)時(shí)采用電空制動(dòng)聯(lián)合作用的方式，且以電制動(dòng)為主。2.1動(dòng)車(chē)組制動(dòng)方式按用途分類(lèi)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)作用按用途

10、可分為如下四大類(lèi)：(1)常用制動(dòng)常用制動(dòng)是正常條件下為調(diào)節(jié)、控制列車(chē)速度或進(jìn)站停車(chē)施行的制動(dòng)。其特點(diǎn)是作用比較緩和，且制動(dòng)力可以調(diào)節(jié)，通常只用列車(chē)制動(dòng)能力的20"-'80，多數(shù)情況下只用50左右。 (2)非常制動(dòng)非常制動(dòng)是緊急情況下為使列車(chē)盡快停住而施行的制動(dòng)。其特點(diǎn)是把列車(chē)制動(dòng)能力全部用上，且動(dòng)作迅猛，制動(dòng)力為最大常用制動(dòng)力的14"-15倍。非常制動(dòng)有時(shí)也稱(chēng)快速制動(dòng)。(3)緊急制動(dòng)緊急制動(dòng)也是在緊急情況下采取的制動(dòng)方式，特點(diǎn)與非常制動(dòng)類(lèi)似。它與非常制動(dòng)的區(qū)別在于：非常制動(dòng)一般為電、空聯(lián)合制動(dòng)，也可以是空氣制動(dòng)；而緊急制動(dòng)只有空氣制動(dòng)作用。(4)輔助制動(dòng)輔助制動(dòng)又包

11、括備用制動(dòng)、救援回送制動(dòng)、停放制動(dòng)和停車(chē)制動(dòng)等。2.2動(dòng)車(chē)組制動(dòng)方式按動(dòng)力形成方式分類(lèi)從作用力的觀點(diǎn)來(lái)看，制動(dòng)就是讓制動(dòng)裝置產(chǎn)生與列車(chē)運(yùn)行方向相反的外力，使列車(chē)產(chǎn)生較大的減速度，盡快減速或停車(chē)。根據(jù)制動(dòng)力的形成方式，制動(dòng)方式又可分為粘著制動(dòng)和非粘著制動(dòng)。車(chē)輪在鋼軌上滾動(dòng)時(shí)，輪軌接觸處既非靜止，也非滑動(dòng)，在鐵路術(shù)語(yǔ)中用“粘著"來(lái)說(shuō)明這種狀態(tài)。粘著制動(dòng)是指依靠粘著滾動(dòng)的車(chē)輪與鋼軌粘著點(diǎn)之間的粘著力來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)制動(dòng)的方式。粘著制動(dòng)包括閘瓦制動(dòng)、盤(pán)形制動(dòng)、電阻制動(dòng)、再生制動(dòng)及電磁渦流轉(zhuǎn)子制動(dòng)等。以閘瓦制動(dòng)為例，車(chē)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(shí)現(xiàn)的理想的純滾動(dòng)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(shí)際運(yùn)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(dòng)摩擦系數(shù)的關(guān)系，在上述三種情況中，可能實(shí)現(xiàn)的制動(dòng)力的最大值以純滾動(dòng)狀態(tài)時(shí)為最大，但實(shí)際上這是達(dá)不到的；“滑行”狀態(tài)最小，這不但會(huì)延長(zhǎng)制動(dòng)距離，而且會(huì)擦傷車(chē)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(dāng)大的變化。 （1） 黏著系數(shù)及其影響因素如上所述，粘著制動(dòng)是指依靠粘著滾動(dòng)的車(chē)輪與鋼軌粘著點(diǎn)之間的粘著力來(lái)實(shí)現(xiàn)列車(chē)制動(dòng)的方式。根據(jù)剛體平面運(yùn)動(dòng)學(xué)的分析，沿鋼軌自由滾動(dòng)的車(chē)輪，具有不斷變化的瞬時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)中心。車(chē)輪與鋼軌的各個(gè)接觸點(diǎn)在兩者接觸的瞬間是沒(méi)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，輪軌間的

13、切向作用力就是物理學(xué)上說(shuō)的靜摩擦力。其最大值是一個(gè)與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)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(shí)現(xiàn)的理想狀態(tài)。實(shí)際情況是，車(chē)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(diǎn)接觸，而是橢圓形面接觸。車(chē)輪在鋼軌上滾動(dòng)的同時(shí)，必然伴隨著微量的輪軌間的縱向和橫向滑動(dòng)。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(shí)際上比物理學(xué)上的靜摩擦力要小，并隨列車(chē)速度的升高而降低。因此，在鐵路牽引和制動(dòng)理論中，把“靜中有微動(dòng)"的狀態(tài)稱(chēng)為“粘著狀態(tài)”。在分析輪軌問(wèn)切向作用力的問(wèn)題時(shí)，不用靜摩擦這個(gè)名詞，而以“粘著”一詞來(lái)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(chēng)為“粘著力"，把它與輪軌間垂直載荷之比稱(chēng)為“粘著系數(shù)”。粘著系數(shù)的影響因素主要有兩個(gè)，一個(gè)是車(chē)輪和鋼軌的表面狀況，另一個(gè)是列車(chē)運(yùn)行速度。表21所示軌面狀況對(duì)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(dòng)裝置的形式等因素有關(guān)。輪軌干燥而清潔時(shí)粘著系數(shù)較大，在輪軌剛剛潮濕、或有霜雪、油污時(shí)，粘著系數(shù)明顯減小。列車(chē)運(yùn)行速度對(duì)粘著系數(shù)的影響主要是，隨著制動(dòng)過(guò)程中列車(chē)速度的降低，沖擊振動(dòng)以及伴隨而來(lái)的縱向和橫向的少量的滑動(dòng)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(chē)動(dòng)力性能、軌道的情況等有關(guān)。高速列車(chē)和普通列車(chē)均采用粘著制動(dòng)方式，其最大制動(dòng)力和