有轨电车制动系统方案设计.doc

有轨电车制动系统方案设计西 南 交 通 大 学 本科毕业设计(论文) 有轨电车制动系统方案设计 年 级: 学 号: 姓 名: 专 业: 指导老师: 2009年 6 月 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第 I 页 院 系 机械工程学院 专 业 年 级 姓 名 题 目 有轨电车制动系统方案设计 指导教师 评 语 指导教师 (签章) 阅 人 评 评 语 评 阅 人 (签章) 成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日西南交通大学本科毕业设计(论文) 第II页 毕业设计(论文)任务书 班 级 学生姓名 学 号 发题日期: 年 月 日 完成日期: 月 日 题 目 有轨电车制动系统方案设计 1、本论文的目的、意义 学生通过有轨电车制动系统方案设计，可以加深对城市轨道车辆制动系统的全面了解，系统掌握微机控制直通电空制动系统工作原理动力制动和空气制动的复合制动方式、结构性能。熟悉司机室设备、指令发生/传输、电子制动控制EBCU、气动控制BCU、常用制动、快速制动、紧急制动、停放制动、防滑控制、载荷控制、辅助供风等作用原理和技术性能。 2、学生应完成的任务 学生应会应用启动控制、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进行有轨电车制动系统方案设计。根据已学习过的城市轨道交通车辆制动系统基本作用原理，设计出逻辑框图、画出作用原理图。 (a)采用微机控制直通电空制动系统;(b)采用动力制动和空气制动的复合制动方式，优先采用动力制动，动力制动不能满足制动需求时，空气制动能够自动补偿;(c)主要制动方式包括常用制动、快速制动、紧急制动、停放制动等，紧急制动为纯空气制动;(d)能够根据车辆载荷变化自动调整制动力;(e)具有冲动限制功能;(f)具有防滑控制功能:(g)具有故障诊断和故障信息储存、显示、通讯功能;(h)适应自动驾驶(ATO)控制。 在毕业论文的设计中，给出清晰的论点分析，提出自己的合理的设计理念，并对有轨电车制动系统的理论知识进行必要的文字描述和分析，并提出自己的观点看法，从而达到提高毕业设计论文的质量的目的。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第III页 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 有轨电车制动系统理论知识分析和描述，提出观点 ( 2周) 第三部分 构思设计原理方案，提出论点并进行分析 ( 3周) 第四部分 原理图设计，撰写论文 ( 3周) 第五部分 撰写论文及修订，打印论文 ( 2周) 评阅及答辩 (1周) 备 注 上海、广州、北京地铁车辆制动系统介绍2001-2008铁道车辆， EN 50155:2001-0铁路应用-铁路机车车辆用的电子设备、IEC 61 373:1999-01铁路应用-铁路机车车辆设备-冲击和振动试验 指导教师: 年 月 日 审 批 人: 年 月 日 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第IV页 摘 要 当今社会，城市人口不断增长，城市规模越来越大，城市公共交通系统也在迅速发展，有轨电车系统作为城市轨道交通小运量系统的典型代表，在人们的日常生活出行中起着非常重要的作用。有轨电车适用于规模相对较小的城市，具有运力大、运行和建设成本低、对环境无污染、快捷、舒适的特点。 制动系统作为有轨电车最为关键的设备之一，必须具有安全、快速、精确等特点。制动系统性能的好坏，关系到车辆综合技术水平和运行品质能否提高，更为重要的是它涉及到有轨电车的行车安全。 本文介绍了有轨电车制动系统的组成、原理以及控制。主要包括制动基本概念，有轨电车制动系统的特点，空气制动、电气制动、复合制动、备用制动、制动指令传输等制动系统各组成部分的工作原理及控制方法，并参考“大连人”号有轨电车制动系统，将各部分组合在一起设计出有轨电车的制动系统。该系统采用微机控制直通式电空制动，主要由空气制动和动力制动两种制动装置组成，具有常用制动、紧急制动、停放制动等制动功能。常用制动时采用动力制动和空气制动的复合制动，优先采用动力制动，动力制动不足时将空气制动作为补充，紧急制动时采用纯空气制动。 通过本设计，能够得出以下结论:新型有轨电车采用文中所设计的制动系统，能够满足运行当中的各种制动要求。 关键词:有轨电车 制动系统 复合制动 设计 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第V页 Abstract In todays society, the urban population increases unceasingly, the cities become bigger and bigger, urban public transport system are also developed rapidly. As the typical representative of the small-capacity urban rail transport system, the tramcar plays a very important role in peoples daily life. The tramcar is suitable for the scale of relatively small cities, with the characteristics of large capacity, low cost of operation and construction, non-polluting to the environment, quickly and comfortable. As one of the most important equipment of the tramcar, braking system must have the characteristics such as safety, fast and accurate. Performance quality of braking system, whether relates the tramcar synthesis technical level and the movement quality of enhancing, more importantly, it relates to traffic safety of the tramcar. In this paper, it introduced the tramcar braking system's composition, the principle and how to control it. It mainly includes the basic concepts of brake, characteristics of tramcar braking system, the working principle and control method of all parts of the braking system, like air braking, electric braking, complex braking, spare braking, braking command transmission and so on. Consulted the braking system of tramcar named “Dalianren”, I designed this tramcar braking system. The system uses microcomputer control electro-pneumatic brake, its mainly constructed by air braking and dynamic braking, with the functions of normal braking, emergency braking and park braking. Use complex braking which compound of air braking and dynamic braking while nomal braking, use dynamic braking first, and use air braking as supplementary when dynamic braking cant meet the requirements. Use pure air braking while emergency braking. Through this design, we can get some results: the braking system of this paper can meet the requirements of all braking situation of new kind tramcar. key words: tramcar braking system complex braking design 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第VI页 目录 第1章 绪论 . 1 1.1选题背景: . 1 1.2国内外发展现状 . 2 第2章 有轨电车制动概述 . 4 2.1制动基本概念 . 4 2.1.1制动的基本概念 . 4 2.1.2制动方式. 4 2.2有轨电车制动系统特点 . 5 2.2.1有轨电车基本特点. 5 2.2.2有轨电车制动系统的特点 . 5 2.2.3对有轨电车制动的总体要求. 5 第3章 有轨电车制动系统的组成、原理及控制 . 7 3.1空气制动 . 7 3.1.1空气制动原理. 7 3.1.2空气制动控制原理. 9 3.1.3模拟型EP阀及其控制 . 13 3.1.4中继阀原理 . 173.1.5空气制动基础制动装置. 20 3.2电气制动 . 20 3.2.1电气制动原理. 20 3.2.2电气制动特性. 21 3.2.3电气制动的控制 . 22 3.3制动指令及其传输 . 22 3.3.2电气指令模式及传输 . 23 3.3.3指令方式与制动控制模式 . 24 3.4复合制动 . 25 3.4.1复合制动设计原则. 25 3.4.2复合制动力的控制. 26 3.4.3复合制动的粘着控制 . 27 3.4.4防滑控制. 28 3.5备用制动 . 29 3.5.1备用制动方式. 30 3.5.2备用制动装置. 31 第4章 方案设计 . 33 4.1制动系统组成 . 33 4.1.1制动指令发生及传输系统 . 34 4.1.2制动控制系统. 35 4.1.3基础制动装置. 36 4.1.4风缸. 37 4.1.5风源系统. 37 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第VII页 4.2 制动模式 . 37 4.2.1常用制动. 37 4.2.2紧急制动. 38 4.3 功能设计 . 38 4.3.1根据载荷变化调整制动力 . 38 4.3.2冲动限制功能. 39 4.3.3复合制动控制. 394.3.4制动缸压力初跃升. 40 4.3.5制动缸压力滞后修正 . 40 4.3.6 通讯功能 . 40 4.3.7 监控和故障评估 . 42 4.4 作用原理 . 43 结 论 . 44 致 谢 . 45 参考文献 . 46 附 录 . 48 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第1页 第1章 绪论 1.1选题背景: 自从世界上第一个地铁系统于1863年在英国伦敦建成运行以来，尽管经历了各种曲折的发展过程，但世界各主要大城市无不以轨道交通系统作为城市骨干公共交通系统。现在的城市轨道交通系统可分为大运量系统、中运量系统、小运量系统，各自包括城市快速铁路、地下铁道;轻轨铁路、独轨系统、线性电机小截面地铁、自动导向系统;有轨电车系统。不同运量的城市轨道交通系统适用于不同规模的城市，地铁系统适用于大规模城市，在我国例如北京、上海、广州、深圳、天津、南京、杭州等大城市都已形成了一定规模的地铁系统，同时成都、沈阳、西安、宁波、重庆等城市的地铁系统正在修建过程中，对于规模相对较小的城市，有轨电车则具有很强的竞争力，有轨电车作为现代化城市轨道交通的一部分，具有运力大、运行和建设成本低、对环境无污染、快捷、舒适的特点，其中低地板有轨电车还具有乘客上下方便，甚至可以照顾到老人和残疾人的特点。所以也有很多城市在修建有轨电车系统，例如大连、长春的有轨电车一直在运行，也有部分大中城市在规划或者已经开始修建有轨电车系统。 制动系统是城市轨道交通运输车辆最为关键的设备之一，制动系统性能的好坏，关系到车辆综合技术水平和运行品质能否提高，更为重要的是它涉及到城市轨道车辆的行车安全，所以制动系统是城市轨道车辆所有设备中综合技术难度最高的，因此，各国在发展城市轨道交通运输的过程中，都把提高制动技术作为一个重要项目进行研究。而作为有轨电车，对制动系统的要求更高，这是因为不同于一般的城市轨道交通系统，有轨电车不是在封闭线路上运行的，而是在路面上与汽车混跑，所以有轨电车是制动、缓解操纵最为频繁的，往往每隔几秒钟的时间就要连续进行制动和缓解操纵，而且为了能够随时停车，对制动距离要求得非常短，这就要求制动系统具有非常高的灵敏度和非常短的空走时间。作为有轨电车关键技术的制动系统，其技术水平在不断提高，国外先进的有轨电车制动系统主要采用微机控制直通电空制动或油压制动系统，采用再生制动和空气(或油压)制动的复合制动方式。近几年，国内研制的新型西南交通大学本科毕业设计(论文) 第2页 有轨电车，采用了大量新技术，但由于国内还没有一种能适用于现代有轨电车的先进、成熟的国产制动系统，到目前为止，制动系统是城市轨道车辆上唯一没有实现国产化运用的产品。所以研制具有自主知识产权的、达到国际先进水平的制动系统，将使我们摆脱对进口产品的依赖，不仅为国家节约大量的外汇，还会带动相关产业的发展，促进民族工业的发展。 同时，国产城市有轨电车制动系统的研制成功和推广应用，还会提高我国城轨交通制动技术的水平，使制动技术上一个新的台阶，促进技术进步。所以研制具有自主知识产权的、达到国际先进水平的制动系统，将使我们摆脱对进口产品的依赖，不仅为国家节约大量的外汇，还会带动相关产业的发展，进而促进民族工业的发展。同时，国产城市轨道交通制动系统的研制成功和推广应用，还会提高我国轨道交通制动水平的技术，促进技术进步。目前国内很多车辆厂、研究所以及部分高校都在致力于先进轨道交通制动技术的研究，相信不久的将来我国的城市轨道交通车辆就会使用技术先进并且完全国产化得制动系统。 1.2国内外发展现状 制动系统是城轨车辆的关键部件之一，制动系统性能的好坏，关系到车辆综合技术水平和运行品质是否可靠，因此，各国在发展城轨交通运输的过程中，都把提高制动技术作为一个重要项目进行研究。 城市轨道交通车辆制动技术水平是随着城市轨道交通的发展而不断提高的，制动系统的发展经历了纯空气制动、空气制动为主电空制动为辅，直到今天的以电制动为主、空气制动为辅的过程，制动控制技术也由空气控制、电气控制发展到计算机控制。 世界上第一个地铁系统于1863年在英国伦敦建成，经过一百多年的发展，各种城市轨道交通系统遍布全球，由于种种原因，欧洲发达国家及日本的城市轨道交通运输非常发达，城市轨道交通车辆种类较多，主要有地铁车辆、跨坐式(单轨)车辆、悬挂式车辆、有轨电车，其中地铁车辆是最重要的城市轨道交通车辆，其制动技术水平非常高。欧洲、日本的大部分城市轨道交通车辆制动系统采用的是德国KNORR-BREMSE公司、法国FAIVELEY TRANSPORT公司，日本NABTESCO等公司的产品，这些公司的制动系统具有行业领先的技术水平，性能先进、可靠性高，以再生制动、电阻制动组合方式的电制动是主要的制动方式，在额定满载载荷情况下，电制动的制动力可以满足车辆减速至5-10km/h之前的制动力要求。目前从技术上讲，电制动甚西南交通大学本科毕业设计(论文) 第3页 至可以达到使列车停车的能力。 从上世纪20年代起，中国的许多大城市都建设了有轨电车系统，新中国成立以后，有轨电车系统被慢慢拆除，到今天只剩下大连和长春两座城市还在运行有轨电车。我国的城市轨道交通系统建设于1965年始于首都北京，经过40多年的发展，目前已有北京、上海、天津、广州、南京、深圳建成里程不等的地铁系统，重庆、武汉也已经开行了轻轨系统，还有成都、西安、沈阳、杭州等城市的地铁系统正在建设当中。包括地铁、轻轨以及有轨电车在内，我国已经基本实现了城市轨道交通车辆的国产化，但作为关键技术的制动系统还依赖进口，成为唯一没有实现国产化的部分，我国的地铁车辆主要采用德国KNORR(克诺尔)公司，日本NABTESCO(纳博泰斯克)公司的制动系统， 最新研发的大连有轨电车“大连人”号采用日本NABTESCO(纳博泰斯克)公司的产品。为了在制动系统实现国产化，很多科研机构以及高校都在做这方面的研究，技术比较领先的有中国北车集团四方车辆研究所，该机构承担了国家发展和改革委员会下达的城市轨道交通车辆制动系统国产化项目，进行城市轨道交通车辆制动系统研制。西南交通大学、同济大学等高校也在做该方面的研究，并已经有了一定成果。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第4页 第2章 有轨电车制动概述 2.1制动基本概念 2.1.1制动的基本概念 列车制动是人为地利用制动力使列车减速、停车、阻止其运动或加速的统称。对于列车，人为地使其减速或阻止其加速的外力是由列车制动装置产生的，它与列车运动的方向相反，由轨道作于车轮，叫制动力。通常制动装置是指能产生制动作用的整套机构，包括制动机、基础制动装置、手制动(停放制动)装置。制动装置是通过司机操纵制动控制器发出的制动指令，指挥制动控制部分向基础制动的制动缸送风，是制动缸获得必须得空气压力，经基础制动装置的放大变换，最终形成列车制动力。制动作用的解除叫做缓解，包括分布操纵的部分解除和一次操纵的彻底解除。 2.1.2制动方式 制动方式可以按制动时列车动能转移方式、制动力获取方式和制动源动力的不同进行分类。 (1)按制动时列车动能的转移方式不同，列车的制动可以分为摩擦制动和动力制动。摩擦制动通过摩擦把动能转化为热能，然后消散于大气;动力制动把动能通过发电机转化为电能，然后将电能从列车上转移出去。 常用的摩擦制动方式主要有闸瓦制动和盘形制动，在高速动车组和有轨电车制动系统中会用到磁轨制动也属于摩擦制动。 常用的动力制动方式主要有电阻制动和再生制动。电阻制动是把由列车动能转化出来的电能直接消耗在随车安装的制动电阻上转化为热能，通过通风设备把热量散掉;再生制动是把电能通过牵引传动的变流器逆向变换，再把电能返回电网。 2.按制动时列车制动力的获取方式不同，列车的制动可以分为粘着制动与非粘着制动，这是按照制动力产生是否依赖于轮轨之间的粘着关系而划分的。 闸瓦制动、盘形制动、电阻制动和再生制动均属于粘着制动，并且制动力的大小也受粘着限制;磁轨制动则属于非粘着制动，其制动力的产生只取决于制动体和钢轨西南交通大学本科毕业设计(论文) 第5页 之间的摩擦或电涡流作用。 3.按制动时列车制动源动力的不同，列车制动可以分为空气制动方式和电气制动方式。 以压缩空气为源动力的制动方式称为空气制动方式，包括闸瓦制动、盘形制动等;以电位源动力的制动方式称为电气制动方式，包括动力制动、磁轨制动等。 2.2有轨电车制动系统特点 2.2.1有轨电车基本特点 有轨电车是牵引动力和运输载体一体化的城市旅客运载工具，具有以下特点: , 成组使用、编组固定，编组较短;可单列运行，也可两列连挂运行; 1. 编组各车之间采用密接式车钩，整体运用维修，大修前不解体; 2. 两端均可操纵，不需转向; 3. 通过网络或电缆实现同步牵引、调速、制动等重联功能。 2.2.2有轨电车制动系统的特点 (1)由于有轨电车是动力分散，列车制动装置是指动车制动装置和拖车制动装置的组合，它们共同形成的完整的制动系统，强调系统的概念; 2.在制动控制上，采用电气制动和空气制动的复合制动，各自制动力的调整需要一个制动系统来完成;空气制动部分采用电空制动机; 3.为提高乘坐舒适性，各车减速度作用一致; 4.为提高经济性，应充分发挥再生制动的效果; 5.进行防滑控制，充分利用粘着。 2.2.3对有轨电车制动的总体要求 制动是有轨电车运行的主要也是最重要工况之一，制动系统的有效性和好坏直接影响列车安全第一系列重要环节，因此制动系统必须满足响应方面得基本要求。 (1)安全性要求，具有足够的制动能力，满足制动距离的要求，保证有轨电车西南交通大学本科毕业设计(论文) 第6页 在规定的制动距离内停车，同时要考虑因粘着不足情况下因防滑控制引起的制动距离延长; 2.操纵灵活，制动减速快，制动作用灵敏可靠，有轨电车前后车辆制动、缓解作用一致; 3.具有动力制动能力，在正常制动过程中，应尽量充分发挥动力制动能力，以降低运行成本; 4.具有动力制动和摩擦制动的复合制动能力; 5.制动系统应保证有轨电车在长大下坡道上运行时，其制动力不会衰减; 6.有轨电车各车辆的制动力应尽可能一致，制动系统应根据乘客量的变化，具有载荷调整能力，以减少制动时的纵向冲动; 7.具有紧急制动性能，遇到紧急情况是，能使有轨电车在规定距离内停车，紧急制动除了可由司机操纵外，必要时还可由行车人员利用紧急制动按钮进行操纵; 8.有轨电车在运行过程中发生诸如列车分离、制动系统故障等危及行车安全的事故时，应能自动起紧急制动作用; 9.轻量化要求，除了车体、转向架这些大部件，各种车载设备也应考虑轻量化设计，制动系统的供风设备、制动控制装置等分布在各车上，也要满足轻量化要求; 10.制动系统的工作状态直接关系到列车运行安全，除了要满足可靠性要求，还要易于维护保养、便于维修。 西南交通大学本科毕业设计(论文) 第7页 第3章 有轨电车制动系统的组成、原理及控制 对于有轨电车制动系统，根据其采用电气制动和空气制动复合制动的特点，可以分为电气制动和空气制动两大部分。 图3-1 有轨电车制动系统组成示意图 3.1空气制动 3.1.1空气制动原理 传统的机车车辆制动机有两种类型空气制动机和电空制动机，电空制动机是在空气制动机基础上引入电控(电磁、电子或微机控制)部分构成的，它们都可以简称为空气制动。 空气制动系统的制动原动力来自压缩空气，制动力的产生依赖于轮轨接触，属于摩擦制动。其制动指令发出、传递，制动力产生、控制都需要压缩空气。 空气制动系统由供风系统、制动控制装置、基础制动装置组成。供风系统由空气西南交通大学本科毕业设计(论文) 第8页 压缩机及其附件(干燥装置、油水分离器、调压器、安全阀)、储风缸、管路及其附件、压力表等组成，具体组成形式与产品型号有关。制动控制装置从整个控制原理上分为两类