1、1绪论当前，测控专业实验设备老化和短缺的问题已经非常突出，很多实验的设置，尤其是一些重要的专业主修课程和专业特色课程的实验(如动车组传动与控制、动车组牵引与控制等)，未能将基本理论和公式用形象的实验来描述，既没有满足素质教育的要求，也没有体现研究型大学的教学特色，特别是无铁路特色，直接原因是实验设备的不足。另外，3+1专业已经开始培养学生，铁路机车车辆专业已经招生，马上面临专业实验，实验建设已经迫在眉睫。因此动车组网络控制平台的建设是非常必要的。动车组网络控制平台以CRH2型动车组为参考，构建基于列车总线(WTB)和车辆总线(MVB)的网络平台，能够实现时速200公里动车组的基本网络控制功能，
2、包括牵引控制、制动控制、车门控制、驾驶台控制等。如图 11 所示。图卜 1 动车组网络控制平台总体结构图Fig1-1 Structural Diagram ofEMU Network Control Platform通过该实验平台可以实现基于总线的网络控制实验，也可以实现单独的各子系统的功能实验。能够达到使学生了解动车组网络控制系统结构和工作原理，理解牵引控制、制动控制、车门控制以及驾驶台控制等子系统的工作原理，掌握控制系统的设计技术，最终实现能够应用的目的。本论文主要阐述动车组网络控制平台中制动实验系统的组成和控制方法。1 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
3、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。制动系统工作原理如图 12 所示。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
4、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【29】。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 制动系统综述动车组运行速度高，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
5、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。21 动车组制动方式的分类211 按制动用途分类动车组制动作用按用途可分为如下四大类：(1)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。其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14“-15倍。非常制动有时也称
6、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。212 按能量转移方式分类从能量的观点来看，制动的实质就是将列车动能转变成别的能量或转移走，根据列车动能消耗的方式不同，制动方式可分为摩擦制动和动力制动。摩擦制动是指通过机械摩擦来消耗列车动能的制动方式。其优点是制动力与列车速度无关。无论列车是在高速还是低速时都有制动能力，特别是在低速时能对列车施行制动直至停车。可以说摩擦制动始终是列车最基
7、本的制动方式。摩擦制动的缺点是：制动力有限，这是受热能散发的限制而直接影响制动功率增大的缘故。摩擦制动包括闸瓦制动、盘形制动和磁轨制动等。1)闸瓦制动闸瓦制动也称踏面制动，是自有铁路以来使用最广泛的一种制动方式。它用铸铁或其他材料制成的瓦状制动块(闸瓦)紧压滚动着的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将列车的动能转变为热能耗散于大气，并产生制动力，如图2一l所示：闸瓦作用于车轮的法向压力 K 引起闸瓦作用于车轮的切向滑动摩擦力K仇(仇为闸瓦与车轮间的滑动摩擦系数1。由于车轮紧压在钢轨上，故闸瓦摩擦力对轮心的逆时针方向的力矩K仇R在轮轨接触点又引起钢轨反作用于车轮的切向静摩擦力B(R为车轮滚动
8、圆的半径)。此力即由制动装置引起的与列车运行方向相反的外力一制动力。在轮轨间保持静摩擦和忽略车轮回转惯性的条件下，制动力在数值上可以认为就等于闸瓦摩擦力，如式21所示：当制动力超过粘着力时，轮轨接触点将发生相对滑动，制动力将变成滑动摩擦力。由于滑动摩擦系数比粘着系数小得多，故制动力将突然迅速减小。在强大的闸瓦摩擦力矩作用下，车轮转速将显著降低，直至停止转动。但列车速度并未同时显著降低，已停止转动的车轮在钢轨上滑行，使车轮踏面发生局部擦伤。当闸瓦压力一定时，制动力的大小取决于闸瓦摩擦系数。闸瓦摩擦系数与闸瓦的材质、列车运行速度、闸瓦压强和制动初速有关。(2)盘形制动盘形制动(摩擦式圆盘制动)是在
9、车轴或车轮辐板侧面安装制动盘，用制动夹钳使两个闸片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，将列车动能转变成热能，消散于大气，如图 2-2 所示。与闸瓦制动相比，盘形制动有下列主要优点： 大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗；可按制动要求选择最佳“摩擦副“。盘形制动的制动盘可以设计成带散热筋的，它旋转时具有半强迫通风作用，以改善散热性能，为采用摩擦性能较好的合成材料闸瓦提供了有利条件，与闸瓦制动相比，它更适宜于高速列车。制动平稳，几乎没有噪声。高速列车的空气制动系统普遍采用盘形1制动方式取代踏面制动，后者即使被使用也4缓解弹簧；仅仅是作为踏面清扫装置的作用。众所周知，杠杆拉杆；盘形制动具有较好的摩擦性
10、能和更大的制动能力，后者不仅取决于盘形制动的制动盘数，也取决于其散热性能和耐磨性。这些性能需要通过设计合理的制动盘结构形式和制动闸片材料才能取得。盘形制动的制动力公式如式 22。式中，K，为闸片压力；伊为闸片摩擦系数；，为闸片作用半径；R为车轮(滚动圆)半径。国内目前自行开发的制动盘主要是高强度和抗热裂性能良好的锻钢盘，对200kmh以上高速车辆使用的闸片材料也正在研究开发之中。盘形制动的不足之处是车轮踏面没有闸瓦的摩刮，轮轨粘着将恶化，因此还要考虑加装踏面清扫器，或采用以盘形制动为主，盘形加闸瓦的混合制动方式。否则即使安装有防滑器，制动距离也比闸瓦制动要长。(3)磁轨制动磁轨制动也称摩擦式电
11、磁轨道制动或磁轨摩擦制动。磁轨制动是在转向架的两个侧架下面，在同侧的两个车轮之问各安置一个制动用的电磁铁，制动时将它放下并利用电磁力紧压钢轨，通过电磁铁上的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动力，并把列车动能转变为热能，消散于大气。动力制动是指利用某种能量转换装置，将运行中列车的动能转换为其他形式的能量，并予以消耗的制动方式。动力制动的基本原理是使牵引电机作为发电机工作而产生制动力，所产生的电能可以在制动电阻上转变为热能发散(电阻制动)或反馈至供电网(再生制动)，在高速列车中的应用以后者为多。其特点是制动力与列车速度有很大关系，列车速度越高，制动力越大，随着列车速度的降低，制动力也随之下降。动力
12、制动包括电阻制动、再生制动、电磁涡流轨道制动、以及电磁涡流转子制动等。(1)电阻制动电阻制动广泛用于电力机车、电动车组和电传动内燃机车。它是在制动时将原来驱动轮对的自励牵引电动机改变为他励发电机，由轮对带动发电，并将电流通往专门设置的电阻器。采用强迫通风，使电阻器产生的热量消散于大气而产生制动作用。(2)再生制动与电阻制动相似，再生制动也是将牵引发动机变为发电机；不同的是，它将电能反馈回电网，使本来由电能变成的列车动能再生为电能，而不是变成热能消散掉。(3)旋转涡流制动旋转涡流制动是在牵引电动机轴上装有金属盘，制动时金属盘在电磁铁形成的磁场中旋转，盘的表面感应出涡流，产生电磁吸力，并消散于大气
13、，从而产生制动作用。此种制动方式广泛应用于日本新干线100系、300系和700系动车组的拖车上。(4)轨道涡流制动轨道涡流制动又称线性电磁涡流制动。它与上述磁轨制动很相似，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。不同的是，轨道涡流制动的电磁铁在制动时只是放下到离轨面几毫米处，而不与钢轨接触。它是利用电磁铁和钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力，并把列车的动能变为热能消散于大气。213 按制动力形成方式分类从作用力的观点来看，制动就是让制动装置产生与列车运行方向相反的外力，使列车产生较大的减速度，尽快减速或停车。根据制动力的形成方式，制动方式又可分为粘着制动和非粘着
14、制动【12】 。车轮在钢轨上滚动时，轮轨接触处既非静止，也非滑动，在铁路术语中用“粘着“来说明这种状态。粘着制动是指依靠粘着滚动的车轮与钢轨粘着点之间的粘着力来实现列车制动的方式。粘着制动包括闸瓦制动、盘形制动、电阻制动、再生制动及电磁涡流转子制动等。以闸瓦制动为例，车轮、闸瓦和钢轨三者之间有三种可供分析的状态：第一种是难以实现的理想的纯滚动状态；第二种是应极力避免的“滑行”状态；第三种是实际运用中的“粘着”状态。根据轮轨间的静摩擦系数粘着系数动摩擦系数的关系，在上述三种情况中，可能实现的制动力的最大值以纯滚动状态时为最大，但实际上这是达不到的；“滑行”状态最小，这不但会延长制动距离，而且会擦
15、伤车轮：“粘着”状态介于两者之间，它随气候与速度等条件的不同可以有相当大的变化。(1)粘着系数及其影响因素如上所述，粘着制动是指依靠粘着滚动的车轮与钢轨粘着点之间的粘着力来实现列车制动的方式。根据刚体平面运动学的分析，沿钢轨自由滚动的车轮，具有不断变化的瞬时转动中心。车轮与钢轨的各个接触点在两者接触的瞬间是没有相对运动的，轮轨间的切向作用力就是物理学上说的静摩擦力。其最大值是一个与运动状态无关的常量，它等于轮轨间的法向作用力与静摩擦系数的乘积。但这是一种难以实现的理想状态。实际情况是，车轮与钢轨在很高的压力作用下都有少许变形，轮轨间并非点接触，而是椭圆形面接触。车轮在钢轨上滚动的同时，必然伴随
16、着微量的轮轨间的纵向和横向滑动。所以轮轨之间接触面不是纯粹的静摩擦状态。轮轨之间的最大切向力实际上比物理学上的静摩擦力要小，并随列车速度的升高而降低。因此，在铁路牵引和制动理论中，把“静中有微动“的状态称为“粘着状态” 。在分析轮轨问切向作用力的问题时，不用静摩擦这个名词，而以“粘着”一词来代替它。相应地，把粘着状态下轮轨间切向摩擦力的最大值称为“粘着力“，把它与轮轨间垂直载荷之比称为“粘着系数” 。粘着系数的影响因素主要有两个，一个是车轮和钢轨的表面状况，另一个是列车运行速度。表 21 所示轨面状况对粘着系数的影响。表 21 轨面状况对粘着系数的影响Table21 Efrect of Rai
17、l Surface Condition on Adhesion Coe cient轮轨间表面状态包括：干湿情况、脏污程度、是否有锈、是否撒砂以及砂的数量和品质等等。轮轨的湿度、脏污程度又与天气、环境污染状况和制动装置的形式等因素有关。轮轨干燥而清洁时粘着系数较大，在轮轨刚刚潮湿、或有霜雪、油污时，粘着系数明显减小。列车运行速度对粘着系数的影响主要是，随着制动过程中列车速度的降低，冲击振动以及伴随而来的纵向和横向的少量的滑动都逐渐减弱，因而粘着力和粘着系数也逐渐增大，其增大程度与列车动力性能、轨道的情况等有关。高速列车和普通列车均采用粘着制动方式，其最大制动力和制动距离都受到轮轨制动粘着系数的限制。不同的是，普通列车在制动过程中远未达到粘着限制，对粘着系数的充分利用是高速列车的新问题，也是动车组制动模式曲线的依据。世界各国的制动利用粘着系数不尽相同，如图 23 及表 22 所示。
