城际动车制动系统方案设计.docx
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城际动车制动系统方案设计
西南交通大学
本科毕业设计
城际动车制动系统方案设计
THEDESIGNSOLUTIONOFBRAKESYSTEM
FORINTERCITYEMU
年级:
2010级
学号:
姓名:
专业:
车辆工程
指导老师:
2014年6月
院系机械工程学院专业车辆工程
年级2010级姓名
题目
指导教师
评语
指导教师(签章)
评阅人
评语
评阅人(签章)
成绩
答辩委员会主任(签章)
年月
毕业设计任务书
发题日期:
2014年2月24日完成日期:
2014年6月10日
题目城际动车制动系统方案设计
1、本论文的目的、意义
学生通过城际动车制动系统方案设计。
毕业设计题目,可以加深对我国高铁客运专线CRH1、CRH2、CRH5型200~250km/hEMU制动系统的全面了解,系统掌握微机控制直通制动控制工作原理、系统结构、制动性能、供风系统、基础制动、网络控制。
熟悉司机室设备、数字指令信号发生/传输、电子制动控制单元、气动控制单元、基础制动、复合制动、防滑控制、载荷控制、辅助供风等作用原理和技术性能参数。
2、学生应完成的任务
学生应会运用气动控制、计算机与自动控制、电子电气、测试、传感器等知识,IEC国际电工委员会标准和EN欧准标准进行。
城际动车制动系统方案设计。
根据200~250km/h高速动车制动系统作用原理,设计出250km/h城际动车制动系统制动指令网络控制图,常用复合制动曲线图、紧急复合制动曲线图、安全制动曲线图、管路布置图、电气原理图,且满足运用环境-40℃~+50℃的环境要求,尤其是在橡胶件、弹簧的材质选取,传感器选型、电磁阀可靠性方面应注意。
在毕业设计论文的组织结构中,应对高速动车组制动系统的理论知识进行必要的文字描述和分析,并提出自己的观点和看法,从而达到提高毕业设计论文质量的目的。
3、论文各部分内容及时间分配(共12周)
第一部分:
绪论1周
第二部分:
城际动车制动系统作用原理2周
第三部分:
城际动车气动控制系统方案设计2周
第四部分:
城际动车电气控制系统方案设计2周
第五部分:
城际动车基础制动方案设计2周
第六部分:
撰写论文及修订、打印论文2周
评阅及答辩:
1周
备注
指导教师:
年月日
审批人:
年月日
摘要
随着我国国民经济的快速发展,城市规模迅速扩大,大城市城区及卫星城之间的联系日益密切。
城际动车组是高速铁路和城市轨道交通的纽带,具有运能大、安全舒适、快捷便利和节能环保等特点,在促进区域发展、解决城际旅客运输方面发挥越来越大的作用。
随着人们对乘坐舒适性要求的不断提高和制动技术的发展,制动系统的功能已不仅仅是保证列车的安全运行,如今制动技术的研究重点已逐渐转变到满足列车高效性、舒适性要求上。
本文以城际动车制动系统为研究对象。
在了解国内外高速电动车组制动系统发展的前提下,本文深入研究了我国“和谐号”动车组的制动系统,分析动车制动系统的组成和作用原理。
并结合城际动车自身的特点,确定其要实现的制动功能。
最后,以气动控制系统及基础制动系统为重点,按照“故障到向安全”的基本设计原则,设计出一套适用于时速250km城际动车的制动系统。
本文设计的城际动车制动系统为电气指令微机控制的直通电空制动系统,采用空气制动和再生制动复合制动的方式。
该系统主要由制动控制系统、指令发生及传输装置、基础制动系统、风源系统、防滑装置、撒砂装置等组成。
能够实现常用制动、紧急制动、备用制动、停放制动及防滑控制等制动功能。
通过制动控制系统计算出列车所需要的制动力,并按照节能原则的控制策略对再生制动力和空气制动力进行合理分配。
制动系统作为动车组九大关键技术之一,制动性能的好坏将直接影响列车的行车安全及运行品质。
本文通过对列车制动力、列车制动率和紧急制动距离的计算,得到初速度为250km/h的紧急制动距离为2229.5m,满足我国铁路技术规定,从而在一定程度上验证了本文所设计的城际动车制动系统方案满足安全性要求。
关键词:
城际动车制动系统空气制动再生制动紧急制动距离
Abstract
Withtherapiddevelopmentofournationaleconomyandtherapidexpansionofcitysize,thetiesbetweenbigcitiesandsatellitecitiesarebecomingincreasinglyclose.IntercityEMUasabondbetweenhigh-speedrailwayandurbanrailtransportation,playamoreandmoreimportantroleinsolvingtraffic congestionbetweencities,whichhasalotofadvantagessuchaslargetransportcapacity,highspeed,comfortableride,safety,energyconservationandenvironmentalprotection.
Withthedevelopmentofbraketechnology,people'srequirementsforridecomfortcontinuouslyimprove.Thefunctionofbrakingsystemisnotonlytoensurethesafeoperationofthetrain,nowthebraking technology’sresearchpoint has graduallytransformed to meetthe efficiencyand comfortrequirements.ThisarticletakesthebrakesystemofintercityEMUsastheresearchsubject.Afterlearningthedevelopmentsituationofbrakingsystemdomestic and foreign,thisarticlehaveadeepresearchonthebrakingsystemofCRHEMUsandanalyzeitssystemcompositionandfunctionprinciple.CombinedwiththecharacteristicsofintercityEMUitself,thisarticledetermineswhatbrakingfunctionitneeds.Finally,takingpneumaticcontrolsystemandfoundationbrakesystemasthekeypoint,accordingtofault-safetyprinciple,thispaperdesignsabrakesystemforthe250kilometersintercityEMU.
ThebrakesystemofintercityEMUadoptsdirectelectro-pneumaticbrakewiththeelectricalinstructioncomputer,whichusestypeofairbrakeandregenerativebrakingcompositebrakingmode.Thesystemconsistsofairsupplysystem,brakecontrolsystem,foundationbrakesystem,instructiontransmissiondeviceandanti-skiddevice,whichcanrealizethebrakefunctionlikecommonbrakefunction,emergencybraking,alternatebrakeandantiskidfunction.Thebrakecontrolsystemcalculatestherequiredbrakingforceanddistributesregenerativebrakingforceandairbrakeforcereasonablyinaccordancewiththe energysavingprinciple.
Brake systemisoneofthe ninekeytechnologiesof EMU, braking performancewilldirectly influencethe drivingsafety and runningqualityoftrain.Inthisarticle,throughthecalculationoftrainbrakingforce,brakingratioandemergencybrakingdistance,wegetthattheemergencybrakingdistanceof250km/his2229.5m,meetingtherequirementsofrailwaytechnologyinChina.ThatverifiesthebrakesystemdesignedforintercityEMUinthispapermeetsthesafetyrequirementsinacertainextent.
KeyWords:
intercityEMU;brakesystem;airbrakes;regenerativebraking;emergencybrakingdistance
第1章绪论
1.1城际动车概述
随着我国国民经济的快速发展,城市规模迅速扩大,大城市城区及卫星城之间的联系日益密切,城际列车发挥着不可替代的作用。
相较于其他列车,电动车组具有节能环保、快捷舒适、安全可靠、运用灵活等明显优势。
一些发达国家普遍将电动车组运用在城际铁路上,其已逐渐成为铁路旅客运输的主力军。
城际电动车组以公交化的运营模式,主要用于中短途城市之间的通勤和商旅。
它是为促进我国区域经济快速发展和满足城市之间的频繁往来对城轨交通的需求而研制的一种新型交通工具。
城际动车作为高速铁路和城市轨道交通的纽带,具有载客能力强、起停速度快、快捷舒适、安全可靠和节能环保等特点。
城际动车在我国的广泛使用丰富完善了我国的轨道交通层次架构,改变了人们的出行方式。
图1-1CRH6A动车组
目前,我国针对区域城郊城际线路专门设计制造及应用的城际动车主要是CRH6型电动车组。
该车型由南车四方股份研发设计,并于2012年在青岛下线。
根据站点乘客群、和运输距离的不同,CRH6型动车组又可分为200km/h的CRH6A型动车组和160km/h的CRH6F型动车组两大类型。
其中,CRH6A以“大站停”的模式运营,CRH6F以“站站停”的模式运营。
CRH6A型动车组见图1-1。
1.2论文选题意义和主要研究内容
1.2.1论文选题的意义
随着我国经济的迅速发展,人们的生活日新月异,城市规模也不断扩大,城市群迅速崛起,传统公共交通方式已无法解决大城市之间日益突出的交通问题,严重制约了我国区域经济的发展。
因此,具有载客能力大、安全环保、快速舒适等优点的城际动车作为解决城市交通问题的有效措施。
列车的制动性能密切关系到旅客的生命安全,随着列车速度的不断提高以及对品质生活的追求,人们对列车制动各方面的要求也越来越高。
当前,时速350公里的京沪高铁已经建成并通车,其他地区的城际高铁也在相继建设中,与之对应的制动系统的发展问题也变得越来越紧迫。
一方面高速列车制动初速度不断提高,另一方面旅客对列车乘坐舒适性和安全性要求也不断提高。
这就对制动系统提出了更进一步的要求,使其不仅要满足制动时的安全性、稳定性、准确性,制动过程中还要保证旅客们舒适的乘车体验。
目前,通过“引进—消化—吸收—再创新”并具有自主知识产权的CRH系列动车组在我国已经有了广泛的运用。
为满足城市群崛起对轨道交通的迫切需求,进一步促进我国区域经济的快速发展,我国在原有高速电动车组的基础上,针对城际旅客运输的特点而设计制造的一种新型运输工具——城际动车组,其具有广阔的发展前景,并且随着列车运行速度的增加,对制动系统的要求会越来越高。
因此,对城际动车制动系统进行分析研究可以为日后的制动系统设计提供一种参考方案,具有非常重要的现实意义。
1.2.2本文主要研究内容
本文在充分了解国内外动车组制动系统发展的基础上,重点研究分析了我国CRH型高速电动车组的制动系统。
通过对制动系统的组成和工作原理进行全面深入的了解,系统掌握微机控制直通电空制动控制工作原理和结构组成。
然后,根据城际动车组自身的特点以及其对制动系统性能的要求,确定其要实现的制动功能以及功能实现的方式和作用原理。
在现有动车组制动系统的基础上,对其进行优化改进,从气动控制系统、电气控制系统及基础制动装置等方面着手,设计出一套适用于250km/h城际动车的制动系统。
并通过制动力、列车制动率及紧急制动距离的计算来检验本文设计的制动系统的制动性能是否满足设计要求。
1.3国内外电动车组制动技术
1.3.1国外动车组制动技术
国外动车组主要有德国的ICE、法国的TGV和日本的新干线3种模式,经过近几十年的发展,如今它们的高铁技术已经相当成熟,并且朝着更高的目标不断发展。
20世纪下半叶,随着电子技术的快速发展和微机控制技术的广泛应用,许多发达国家从新技术、新材料、新工艺、新结构及安全监控等方面入手,对机车牵引动力进行了一系列创新和改革,并且取得重大突破。
同时对制动系统也进行一系列的优化和改进,为了使之更加适应于高速列车的发展,满足制动性能的要求,制动系统广泛采用微机控制的动力制动形式。
1)日本动车制动技术的发展
上世纪六十年代,日本东海道新干线正式投入运营,拉开了高铁发展的序幕,引起世界各国的关注。
日本新干线0系、100系~700系、E1系~E4系均为动力分散式电动车组,其制动系统均采用电气指令微机控制的直通式电空制动系统。
动力制动采用再生制动或电阻制动,空气制动为盘形制动。
每辆车上的制动控制单元各自进行独立的制动力计算,并进行电制动力和空气制动力的合理分配。
300系列电动车组在拖车上安装有微机控制防滑器、载荷调整装置和踏面清扫器,并且采用旋转涡流制动装置;动车上安装电子防滑器和载荷调整装置,动力制动采用再生制动/电阻制动,空气制动为轮盘式盘形制动装置。
其整体上采用分散式制动系统,使列车在高速运行的环境下仍然能平稳准确的制动,保证了列车的行车安全和旅客的乘坐舒适性。
新干线300系列动车组见图1-2。
在之后研制的400系列、500系列以及开发阶段的700系列中,不仅列车的运行速度提高,而且列车的运行安全进一步改善,车内环境和乘坐舒适性都得到显著改善。
制动系统的功能已不仅仅是保证列车的安全运行,如今制动技术的研究重点已逐渐转变为如何满足列车的高效性、舒适性要求。
图1-2日本新干线300系列动车组
2)德国动车制动技术的发展
相对于欧洲其他国家,德国更早地意识到高铁建设的重要性和积极意义。
但在发展初期,就其所需采用的技术方面(采用轮轨技术还是磁悬浮技术),德国内部产生了严重的分歧,因而严重影响了其高铁的发展进程。
直到上世纪八十年代,这一学术争论才宣告结束。
由于德国具有坚实的工业基础和较好的理论基础,在接下来的高铁发展过程中,其发展迅猛并一跃成为世界上高铁技术最先进和使用最成熟的国家之一。
德国的ICE系列高速动车组主要有ICE1、ICE2、ICE3、和ICE-T等车型,其系列一直是世界高速动车组的典范。
ICE系列高速动车组。
早期ICE1和ICE2系列均为动力集中式,相较于它们,ICE3最大的特点是采用动力分散式,大大提高了列车牵引力和制动力。
ICE3动车组制动时动车采用再生制动和空气制动的复合制动,拖车采用轨道涡流制动和空气制动。
ICE3高速动车如图1-3所示。
图1-3德国ICE3型高速动车组
3)法国动车制动技术的发展
法国是世界铁路运输最发达的国家之一,其研制的TGV系列高速动车组是法国高铁先进技术最好的佐证。
1976年,法国开始研制交—直传动的电动车组TGV-PSE,该动车组采用电气指令控制的空电复合制动方式。
之后,法国在原来交—直传动动车组的基础上又研制了交—直—交传动的动车组,像TGV-A、TGV-2N系列等。
1990年5月,TGV-A在大西洋线创造了世界轮轨系统最高运行纪录515.3km/h。
TGV-A动车组采用微机控制模拟式电空制动系统,安装电子防滑器,基础制动装置采用为锻钢制动盘。
法国之前研制的动车组像TGV-PSE、TGV-A及TGV-2N均为动力集中式动车组,不过近十几年来,法国开始研制动力分散式高速动车组AGV。
法国研制高速动车组的脚步不曾停留,创造了一个又一个记录。
在2007年4月3日,试验高速动车组TGV-V150创下了世界铁路试验速度最高运行纪录574.8km/h。
图1-4法国TGV-A型高速动车组
1.3.2国内动车组制动技术发展现状
我国铁路技术的发展起步较晚,与德国、法国、日本等发达国家存在很大的差距。
改革开放以来,我国经济不断发展,人们生活日新月异,城市化进程不断加快,城市交通日益拥挤,我国逐渐开始认识到动车组所具有的安全可靠、快捷舒适及节能环保等优势。
1989年,株所和长客合作设计制一列KDZ1型动车组。
该车采用电阻制动和空气制动的复合制动。
制动时,通过置于车顶的制动电阻将产生的热量消散到风中。
之后,我国实施铁路提速战略,各地机车厂及科研单位也开始热情高涨地对动车组进行研制。
1998年,“庐山”号双层内燃动车组在南昌局投入运营。
随后,多家企业先后研制出了“晋龙”号、“神州”号、“新曙光”号等内燃动车组和“蓝箭”号、“中华之星”等动力集中式电动车组以及“长白山”、“中原之星”和“先锋”号动力分散式电动车组。
2002年11月,“中华之星”号电动车组在沈秦客运专线的最高试验速度为321.5km/h,创下了当时国内铁路列车最高速。
“中华之星”动车组制动系统采用微机控制直通电空制动系统。
列车安装载荷调整调整,制动力可以随载重自动调整。
制动系统为空电复合制动,优先采用再生制动,不足部分由空气制动补充。
每辆车上的BCU根据制动指令、空气弹簧的载重信号以及列车运行速度信号,计算出该车需要的制动力,并通过E-P阀的闭环控制自动调整制动缸压力,从而产生与列车载重相适应的制动力,使列车减速度保持在一定范围之内,不至于过大或过小。
制动指令及相关信息通过列车网络传输。
同时,为了保证在故障情况下列车也能够安全停车,制动系统还采用备用空气制动。
图1-5CIT500更高速度实验列车
为提高我国高速动车设计水平和制造能力,并满足全国铁路第六次提速战略,2004年我国开始向国外引进先进的动车组技术,制造了CRH1、CRH2、CRH3和CRH5动车组,并广泛投入使用。
南车四方股份在CRH2型动车组的基础上先后自主研发了CRH380A和CRH380AL型高速动车组,并于2010年9月28日,CRH380A在沪杭客运专线上刷新了当时世界上正常营运编组列车最高试验速度创下了416.6km/h的记录。
此外,唐客、长客、四方庞巴迪等车辆厂也在研制CRH380B、CRH380BL、CRH380C.CRH380CL、CRH380D和CRH380DL等多种型号的高速动车组,并且现在大部分车型已经投入运营。
目前,我国的高速动车组技术已逐渐成熟,逐渐跻身世界领先地位。
在2011年1月,CRH380BL高速动车组创下了487.3km/h的最高试验速度。
具有更高速度实验列车CIT500也于2011年12月在青岛下线,该车设计时速500公里,在实验室滚动台上曾跑出605km/h的速度记录。
CIT500如图1-5所示。
在制动方面我国CRH型动车组均采用微机控制直通电空制动系统,采用空电复合制动方式,并优先使用再生制动,空气制动作为补充。
第2章列车制动概述
2.1制动方式的分类
2.1.1按制动力形成方式划分
按电动车组制动力的获取方式,可分为黏着制动和非黏着制动,这是按照制动力的形成是否依赖于轮轨之间的黏着关系而划分的。
闸瓦制动、盘形制动、电阻制动和再生制动因为其制动力的产生离不开轮轨间的黏着关系,因此均属于黏着制动。
而轨道电磁制动(磁轨制动、轨道线性涡流制动)、翼板制动其制动力的产生与轮轨间的粘着作用没有直接关系,属于非黏着制动。
1、黏着制动
1)闸瓦制动
闸瓦制动又称踏面制动,是铁路历史最悠久的制动方式,目前在货车及低速旅客列车和地铁上仍然发挥着不可或缺的作用。
杠杆机构把制动缸推力放大,通过用铸铁等材料做成的闸瓦紧压车轮踏面,产生摩擦,从而形成制动力,使列车减速或停车。
闸瓦制动示意图见图2-1。
图2-1闸瓦制动示意图
2)盘形制动
盘形制动根据制动盘安装位置的不同可以分为轴盘式和轮盘式盘形制动,它像闸瓦制动一样,也属于空气制动的一种。
轴盘式盘形制动示意图见图2-2。
经杠杆机构将制动缸推力进行放大,通过制动闸片紧压制动盘的侧面,产生摩擦,从而产生制动作用。
图2-2轴盘式盘形制动示意图
3)电阻制动
电阻制动在制动时将牵引电动机转变为发电机,高速旋转的轮对带动其发电,并将产生的电流通往制动电阻,使其以热能的形式消散于大气中,从而产生制动作用。
4)再生制动
再生制动在制动时也是将牵引电动机转变为发电机,高速旋转的轮对带动其发电,并将产生的电能反馈给电网,可以使电能循环利用。
相对而言再生制动更加节约能源,但反馈回电网的电能要马上被其它用电设备消耗掉接,以避免电网电压过高发生事故。
我国的CRH系列的高速动车组电制动均采用再生制动。
图2-3旋转涡流原理图
5)旋转涡流制动
在牵引电动机轴上装金属盘,制动时,高速旋转的金属盘的表面在电磁铁形成的磁场中被感应出涡流,产生电磁吸力,将列车动能转化为热能消散于大气,从而使列车减速或停止。
旋转涡流原理图见图2-3。
2、非黏着制动
1)磁轨制动
磁轨制动将制动磁铁安装在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间,制动时将其放下,利用电磁铁和钢轨之间强烈的吸引力紧压钢轨,利用磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动力。
磁轨制动装置见图2-4。
图2-4磁轨制动装置
2)线性涡流制动
和磁轨制动相似,线性涡流制动也是把电磁铁悬挂在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间,制动
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