机械设计制造及其自动化专业毕业论文18102.doc

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1、 毕业设计（论文）中文题目：提速客车制动系统的研讨学 院： 远程与继续教育学院专 业：机械设计制造及其自动化北京交通大学毕业设计(论文)成绩评议年级09春层次本科专业机械设计制造及其自动化姓名周阳题目提速客车制动系统的研讨指导教师评阅意见成绩评定： 指导教师：年 月 日评阅教师意见 评阅教师：年 月 日答辩小组意见答辩小组负责人： 年 月 日北京交通大学毕业设计(论文)任务书本任务书下达给： 09春 级 本 科 机械设计及自动化 专业学生 设计（论文）题目：提速客车制动系统的研讨一、设计（论述）内容：结合我国铁路客车的发展现状，通过对铁路主要客车的了解，正确地分析现阶段铁路客车制动机的特点，有

2、针对性地研究分析客车制动系统常见故障并提出解决措施和可行性整改方案。二、基本要求：随着我国铁路客运向高速方向发展，对铁路客车行车安全提出了更高的要求。为此，有必要对客车制动系统的各类故障进行研究分析并提出解决措施。要求能根据各型铁路客车实际运行中，制动系统出现的各类故障结合实践经验不断摸索和研究，掌握了制动系统的各类主要故障，对其进行逐一分析并提出合理化解决措施。三、重点研究的问题：结合铁路运输生产力布局调整，针对铁路客车制动系统出现的各类故障进行研究分析，找出各类故障的发生规律并提出解决措施和可行性整改方案。四、主要技术指标：（无）五、其他要说明的问题论文要用统一的毕业论文用纸，用中文打印（

3、B5）或手写。手写每页20行，每行2022字，用黑或蓝黑墨水工整书写；打印正文用宋或楷体小四号字，版面上空2.5cm，下空2cm，左右空2cm(靠装订线一侧增加0.5cm空白用于装订)。对字体和字号的要求如下：题目用一号(分两行书写时用小一号)黑体字；第一层次(一)题序和标题用小二号黑体字，题序和标题之间空两字，不加标点，下同；第二层次(（一)）题序和标题用小三号黑体字；第三层次(1)题序和标题用四号黑体字；第四层次(（1）)题序和标题用小四号黑体字；第五层次以下标题和题序与第四层次同。下达任务日期：2011年01月18日要求完成日期：2011年03月 20日答辩日期： 2011年05月 15

4、日 指导教师： 开 题 报 告题 目：提速客车制动系统的研讨报告人： 2011年1月30日一、文献综述：通过认真的阅读机车车辆工艺、铁道机车车辆、铁路货车车辆设备设计规范和高速列车制动机，可以综合体现出我国铁路提速客车在制动方面的要求。为适应铁路货车提速,我国设计生产了普通双层客车,快速25型双层客车和快速25K型客车,25Z型客车。这些车辆在制动方面采用了盘形制动,电控制动,空重车调整装置和防滑器等。提速客车是实现旅客列车提速的基本条件之一。要加大提速客车关键部件检修质量的监督力度。消灭行车事故，保证运行安全，提高车辆配件的使用寿命。因此必须加强客车定期维护保养工作。二、选题的目的和意义：中

5、国铁路是客货混运的交通大动脉，我国从1997年至今经历了6次大提速极大的提升了铁路运输能力，使百姓乘车更加便捷。速度是铁路综合技术的指标，一个国家铁路运营速度的高低综合反映了该国铁路技术装备的整体水平，因此论文对铁路客车制动系统的主要环节进行了研究对客车制动进行了热应力的有限分析，计算了制动过程中的温度变化和分布的热应力分布。同时对导热率，比热融合线胀系数等有关材料属性进行不同方案对比分析。三、研究方案：随着旅客列车速度不断提高，提速客车逐渐暴露出纵向冲动加剧，舒适度下降车钩磨耗加快等问题。旅客列车调速停车均需要有制动系统完成由于制动系统的不同制动工况的制动波速不同基础制动装置动作的不一致性，

6、闸瓦摩擦因数的不稳定性会造成列车中车辆产生相对速度在列车运行过程中产生纵向冲动。目前我国所有提速客车全部安装了电子防滑器，保证提速旅客列车运行安全。对提速客车紧急制动时制动缸压力设计值存在的问题进行了分析并提出了相应的建议四、进度计划：2月4日 2月10日 分析题目，查阅资料，学习与毕业设计相关的知识，作好前期准备工作。 2月11日 2月20日 划分论点，进行方案论证，撰写论文。 2月21日 3月4日划分论点，进行方案论证，撰写论文撰写毕业论文并征求导师意见，修改毕业论文，进行毕业论文的评议。五、指导教师意见：题目符合当前铁路的发展要求，研究方案可行，进度安排合理，可以进行下一步工作。指导教师

7、： 2011年2月 1日中期报告题目：提速客车制动系统的研讨报告人：机械设计制造及其自动化 周阳一、总体设计对我国列车制动系统的发展状况进行概括，对高速列车的常用制动方式进行了阐述，提出了制动装置改进的方案，介绍了制动装置的故障及检测，最后对制动控制系统的发展进行展望。二、基本框架1、列车常用制动方式2、我国制动技术和设备现状3、制动装置性能的改进 4、制动装置的故障及检测 5、国外列车制动新技术三、进展情况已经完成制动装置的故障及检测这一部分，其他部分还不能汇总，资料搜集不齐，只有个别部分成形，后面还需继续努力。四、 指导教师意见论文按照进度计划进行，确定的整体思路符合任务书的要求，框架结构

8、合理，可以进行论文的撰写工作。结 题 验 收一、完成日期 2011年3月15日二、完成质量论文基本上符合要求，结构较完整，层次较清楚。能运用所学专业理论知识结合铁路企业特点完成论文，具有一定的分析问题解决问题的能力。三、存在问题如能多增加实际运用中具体案例说明问题会更好。四、结论毕业论文进行过程中，态度较认真，基本按照任务书的要求查找资料，总结现场存在的问题，并能够与老师联系、沟通。按时完成了开题报告、中期报告、初稿的写作，并对初稿进行了反复修改，基本上达到了论文的写作要求。经检查可以结题。 指导教师： 2011年3月15日摘 要论文题目：提速客车制动系统的研讨论文摘要：对我国列车制动系统的发

9、展状况进行概括，对高速列车的常用制动方式进行了阐述，提出了制动装置改进的方案，介绍了制动装置的故障及检测，最后对制动控制系统的发展进行展望。关键词：列车 制动技术 提速Pick toThesis topic: high-speed train braking technique and summarized Abstract: train braking system in China was summarized, the development situation of the commonly used for high-speed trains expounds the braking

10、, and puts forward the improved scheme brake, introduces the brake fault and testing, finally to the development of the brake control system was discussed. Keywords: train brake technology faster 目 录第一章 绪论11.1列车制动系统的发展概况11.2列车提速促进我国铁路科技和管理水平提高21.3 列车提速不断提高我国机车制动装置水平31.4 制动装置必须满足提速列车的制动需求3第二章 高速列车制动技

11、术52.1 列车常用制动方式52.1.1 粘着制动52.1.2 非粘着制动62.2 我国制动技术和设备现状72.2.1 制动机72.2.2 基础制动装置72.2.3传统制动控制模式分析82.2.4 高速列车制动控制92.3 制动装置性能的改进102.3.1 闸瓦制动方式102.3.2 盘形制动方式112.4 制动装置的故障及检测122.4.1 故障122.4.2 检测132.5 国外列车制动新技术132.5.1 ECP制动系统132.5.2 电力机械式制动机14第三章 总结与展望163.1列车提速与制动装置必须和谐发展、相辅相成163.2 制动控制系统的发展趋势16参考文献17第一章 绪论铁路

12、客车是完成铁路客流运输任务的运载工具，而制动装置是铁路客车的重要组成部分之一，是机车车辆实施减速和停车作用的执行机构，是确保列车运行安全的必备装置。客车制动系统的性能是保证高速列车安全运行的关键。对现代铁路而言，制动的重要性不仅仅是安全问题，制动已经成为制约列车速度和牵引质量进一步提高的重要因素。建国50多年来，随着国民经济的增长，我国铁路制动技术发展迅速。特别是改革开放以来，为适应铁路快速、重载运输的需求，整个制动系统采用了大量的新技术，并且取得了显著的成效。发展高速列车是提高铁路客运能力的主要措施，其关键取决于制动系统的性能。1.1列车制动系统的发展概况从1867年美籍德国人George

13、Westinghouse研制并实现用压力空气来进行列车制动之后的100多年间，空气制动系统虽经不断发展和多次改动，但仍保持其基本作用原理。解放前，由于我国铁路机车车辆来自世界许多国家，制动装置品种繁多，一般以K1、K2型三通阀为主，其他则为QA、QSLP、H、QSHU等杂型阀，当时尚有9000多辆车未装备空气制动机。经过随后5年的整修和改造，于1956年底基本已在全部车辆上装备了空气制动装置，并逐渐淘汰了各种杂型阀。随着载重50t以上新造货车的投入运用，由于K型制动机缺乏空重车位，重车制动力严重不足。1956年四方车辆研究所和齐齐哈尔车辆厂共同研制在K型制动机的基础上增添紧急3阶段上升性能，并

14、在降压气室上增设安全阀，这在一定程度上提高了制动波速，并达到提高重车制动率的目的。1958年铁道部组织审查，1959年起逐步在新造列车上全面推广，改名为GK型制动机。随着铁路运输的不断发展，车辆的载重和速度都相应提高，GK型制动机由于其制动波速低等原因已不能适应需要。为此，我国于1961年开始研制103型空气制动机，并于70年代通过铁道部技术鉴定后开始陆续装车。为适应货物列车长编组、重载的需要，1989年铁道部科学研究院与眉山车辆厂着手研制新型制动机，在103型空气制动机的基础上进行改进，将其间接作用原理改为直接作用原理，同时增加加速缓解作用，保留103型空气制动机原有优点，借鉴国外制动机的先

15、进经验，全面调整了原有参数。此改进方案于1993年通过铁道部技术鉴定后定型为120型空气制动机并批量装车。目前，为了适应货物列车提速的要求，相关研究单位和制造厂在120型空气制动机基础上又研制了120K型货车制动机，目前尚未开始批量生产。空重车自动调整装置与闸瓦间隙自动调整器合称两器。空重车调整装置就是根据车辆载重量的不同来调整闸瓦压力，以保持车辆的制动率不随载重量的变化而变化，以减小列车制动时的纵向冲动和轮对擦伤。20世纪50年代推广的GK型客车制动机，其空重车位采用手动调整方式，不仅耗费大量人力，而且易于失调、误调，导致制动机发生不应有的故障。70年代后期，铁道科学研究院开始对两级自动调整

16、装置进行研制。早期产品有400A型、400B型、KZW-4型无级调整装置，现又研制成功KZW- 4GAB (KZW-4GCD)型空重车自动调整装置。同时，眉山车辆厂也研制成功TWG-1型空重车自动调整装置，并在提速客车和普通货客车上推广使用。从1980年开始，我国铁路开始研制货车闸瓦间隙自动调整器(又称闸调器)， 并先后在哈尔滨、沈阳、北京、上海、广州、成都、郑州等铁路局的部分列车上装车试验。1982年7月通过铁道部部级鉴定，定名为ST1-600型双向闸瓦间隙自动调整器，并进行批量生产和在货车上推广应用。在ST1-600型闸调器之后，又成功研制了ST2-250型闸调器。1.2列车提速促进我国铁

17、路科技和管理水平提高铁路列车速度是一个国家铁路技术水平的最重要的标志！新中国成立之初，铁路旅客列车的平均运行时速只有20.9km， 直到二十世纪九十年代初也只提高到48.3km。2004年4月18日铁路大提速后，全路旅客列车平均技术速度达到,75.6km，平均旅行时速达到65.7km，部分列车在个别区段瞬时速度已达200km。1998年在旅客列车正线综合性能试验时，在许昌至小商桥站区间最高试验速度达到,240km，创造了我国铁路第一速度记录。这次试验的成功，不仅标志着我国铁路将来运营速度达到240km，也标志着我国铁路将跨入世界高速铁路行列。提速是一项宏伟的现代化工程，确保提速安全万无一失，为

18、此它对线路基础、机车、车辆、通信信号、运输组织等提出了全方位的创新要求。它涉及技术装备、 安全控制、运输组织、生产力布局调整、维修体制改革、服务质量提升、运输产品优化等方方面面。任何方面出现问题，都会牵一发而动全身，影响全路提速工作的顺利圆满完成。为了达到以上目标，十几万铁路员工与施工队伍与万里铁道线上，在极其艰苦的条件下，在异常紧张的时间内，展开了一场空前规模的大会战。客车提速必然会压缩和减少货车的运行空间!，即降低列车密度和运输能力。唯一的办法是靠管理技术提高运输密度，如京沪线以全国2%的营业线路完成了全国10.2%的旅客周转量和7.2%的货物周转量，成为我国乃至世界上客货运输最繁忙的干线

19、。这就是靠管理技术、提高运输能力换来的。1.3 列车提速不断提高我国机车制动装置水平前苏联在列车上使用6kb-10,合成闸瓦的经验表明，在整个速度范围内，摩擦系数几乎不变。具有较高的制动效能，初速为160km/h的客车，停车制动距离在平道上是1400m，该经验正好与我国现行的铁路技术管理规程第189条，运行速度,140km/h至160km/h的旅客列车紧急制动距离限值为1400m相同。该距离比铸铁闸瓦缩短了30%，我国研制合成闸瓦较世界先进国家落后约20年。1986年铁道科学研究院与北京市制动密封材料厂首次主项承担4-2型低摩擦系数合成闸瓦研制。在借鉴国外铁路合成闸瓦研制经验的同时，着手摸索、

20、探讨适合我国国情和路况的合成闸瓦。1978年底!通过了部级鉴定，开创了我国研制生产使用合成闸瓦的新纪元，1984年4月完成了蒸汽机车用合成闸瓦.以上两项获得了国家科技进步奖& 1987年12月完成了内、电机车低摩合成闸瓦。1991年完成了高摩合成闸瓦的研制、鉴定任务，历时15年胜利完成了我国蒸汽、内燃、电力机车和车辆高、低摩合成闸瓦的研制任务。近几年来，随着客车的不断扩编，提速和货车重载运输的强化，又为新造机车车辆开发研制出相应的新品种（如粉末冶金闸瓦、半金属闸瓦和闸片等），逐步发展成为能满足我国铁路各类型各系列国产机车车车使用的摩擦材料制动用产品。合成、半金属、粉末冶金闸瓦均由复合材料中的基

21、体组元、摩擦组元、增强组元、润滑组元、粘结剂和填料组成由于各种组元的配比不同，加工工艺等的不同，适用的速度也不同，所以各有自己的名称。1.4 制动装置必须满足提速列车的制动需求列车的基础制动方式很多，如摩擦制动、电阻制动、磁轨涡流制动等，其中以摩擦制动应用最广。摩擦制动又可分为踏面制动与盘形制动两种，前者制动元件为闸瓦与车辆踏面组成摩擦副，后者则为制动圆盘与闸片组成的摩擦副。两类制动方式均要求制动时摩擦系数不变、摩擦力高、耐磨损性能优良、散热快、无火花等，其最终目的又都是把动能转变为热能，达到列车调速或停车的目的。在我国铁路上使用较多的有铸铁摩擦材料闸瓦，其优点是价格低、摩擦系数较为稳定、不受

22、气候影响、导热性好。有25%的制动性能被闸瓦消散，对车轮损害小。但普通铸铁闸瓦摩擦系数较小，且随着列车速度的提升而迅速降低，高速运行时热衰退更为明显。为了解决这个问题，改进其性能，提高闸瓦和摩擦系数并增加其耐磨性，科研人员开始把含磷量提高。我国70年代以前主要推广中磷闸瓦，现已明令停止使用。1985年以后，开发出了高磷闸瓦。近年来又研制出超高磷闸瓦，成份中含有铜、铬、镍等合金元素，能满足准高速内燃机车制动性能的要求。合成摩擦材料闸瓦由具有不同物理化学性能材料组分组合而成，通过改变材质配方和工艺，在一定范围内可调整和改变其理化性能，达到制动时无火花、质量轻、高速度、摩擦系数大且不随列车速度的改变

23、而变化，使用寿命可达铸铁闸瓦的4倍以上。其缺点是导热性差，闸瓦只能吸收制动热量的15%左右，在湿润状态下，摩擦系数大为下降，制动时温度不能超过250度。超过时磨损率急剧增加，摩擦系数也随之改变，半金属材料闸瓦是指材料中金属成份达到或超过50。第二章 高速列车制动技术2.1 列车常用制动方式目前列车常用的制动方式主要有两种：粘着制动和非粘着制动。制动力由车轮与钢轨之间的摩擦力产生的制动方式，称为粘着制动，或称摩擦制动。施行粘着制动时，制动力受轮轨间的粘着力的限制，最大制动力不超过粘着力。粘着制动是目前主要的制动方式。闸瓦制动、盘形制动、液力制动、电阻制动、旋转涡流制动及再生制动等制动方式都属于粘

24、着制动。制动力不是通过车轮与钢轨之间摩擦力产生的制动方式，称为非粘着制动。轨道电磁制动和轨道涡流制动等都属于非粘着制动，其制动力大小不受轮轨间粘着力的限制。非粘着制动目前主要作为一种辅助的制动方式用于粘着制动力不够的高速旅客列车上。下面分别对粘着制动和非粘着制动的常用方式作一介绍。2.1.1 粘着制动2.1.1.1 闸瓦制动闸瓦制动是通过闸瓦压紧轮对踏面时产生强大的摩擦力，使列车大部分动能转化为热能的制动方式。闸瓦制动是目前国内列车上使用最广泛的一种制动方式，它的优点在于制造工艺简单、成本低、制动力大、使用方便、不受天气条件的限制、制动时还能通过清理踏面改善车轮与钢轨的粘着。但是闸瓦制动也存在

25、着很多缺点：摩擦系数随速度提升而迅速下降，高速时不能充分利用轮轨间的粘着系数而使制动效率降低，低速时又易发生冲动及擦伤车轮踏面，使机车车辆运行时的噪声明显增大。闸瓦在车轮上摩擦时，会产生大量的热能，磨损快，须不定期地更换，资源消耗大。基于以上特点，国内货运列车大都采用闸瓦制动方式。2.1.1.2 盘形制动盘形制动是通过将闸片夹紧制动盘，使闸片与制动盘间产生摩擦而起到制动作用。盘形制动释放制动能量快，制动闸片有相当稳定的摩擦因数，噪声小。基于这些因素，使得在高速客运列车上必须采用盘形制动。现在新造客车上基本上以盘形制动替代了传统的闸瓦制动。但是圆盘制动机也有一些缺点：因装有制动圆盘而增加了总质量

26、，因缺乏清理车轮踏面的作用而恶化了车轮与钢轨的粘着。2.1.1.3 动力制动动力制动是指将列车的牵引动力装置经过适当控制和转换后进行制动的方式。动力制动由再生制动和电阻制动两部分组成。再生制动在制动时把牵引电机转换为发电机，将动能转换为电能并反馈给电网，它只能用在电力机车和电动车上。电阻制动是把再生制动产生的电能加在制动电阻上，变成热能并发散的制动方式。制动时优先使用再生制动，只有当接触网不能吸收再生制动的能量时，才自动转换为电阻制动。动力制动方式不需要消耗能源，其以环保、节能和制动平稳等优点作为辅助制动方式广泛应用于以摩擦制动为主的列车上。研究表明，列车使用动力制动装置后，制动闸瓦的磨耗速度

27、降低了50%，轮对轮箍的磨耗速度降低了30%。2.1.1.4 液力制动液力制动在制动时油泵向液力制动器供油，涡轮固定不动，泵轮由惯性力带动并随电机转动，工作油在转子内被加速而在定子内又被减速，最终在泵轮和涡轮间形成环流，产生制动力矩，并转化为工作油的热能加以消散。它主要用在液力传动的机车上。2.1.1.5 旋转涡流制动旋转涡流制动是在牵引电机轴或车轴上装有作为电磁感应体的金属涡流盘，制动时，盘在电磁铁形成的磁场中旋转，盘表面感应出涡流，使涡流盘发热，将列车动能转换成热能。2.1.2 非粘着制动2.1.2.1 磁轨制动磁轨制动是通过将安装在列车转向架上两轮对之间轨面上方的电磁铁吸附在轨道上并励磁

28、，使装有磨耗板的电磁铁以一定的吸力吸附在钢轨上并滑行，靠磨耗板与轨面之间的摩擦使动能转变为热能并散发。磁轨制动为非粘着制动，是一种提高制动力很有效的方式，能较明显地缩短制动距离。运用表明，具有磁轨制动时，制动距离可以缩短20%至25%。目前它主要作为一种辅助制动方式用于高速列车的紧急制动。2.1.2.2 轨道涡流制动轨道涡流制动是将电磁铁悬挂在位于钢轨正上方的列车转向架上，通过电磁铁与钢轨间的相对运动，在钢轨中感应出涡流而产生阻力并使钢轨发热，从而把列车的动能转化为热能的制动方式。轨道涡流制动有下列优点：磁铁不与钢轨接触，不产生摩擦作用，噪声小，制动力的增加不受粘着条件的限制，制动力大且平稳，

29、可减小制动距离，改善乘车的舒适度。缺点：成本高, 消耗电能大，制动时会使钢轨升温，影响稳定性。2.2 我国制动技术和设备现状随着机车车辆装备的不断发展，在制动系统方面也取得了许多进展，为在国内开行重载列车奠定了坚实的基础。当然，随着列车牵引重量的不断增加和进一步提速，现有设备还不能完全满足相应要求，因此需要进一步的改进。2.2.1 制动机目前我国铁路重载运输货车主要使用120型空气制动机，该型制动机采用了带先导阀的二级控制机构，大大提高了货物列车的制动波速，但其只是为了满足开行万吨列车而设计的。近几年为了适应货物列车重载、快速的要求，在120 型空气制动机基础上又研制了120K 型货车制动机，

30、以缩短空走时间。随着列车编组与牵引重量的进一步增加，空气制动系统在运用过程中暴露出充风时间长、各车辆制动性能不一致、阶段缓解困难、制动距离加长、纵向冲动加大、设备磨损加快等问题。同时，由于设备的过度磨耗和过早损坏而导致车辆维修和运用成本升高，因得不到最佳的制动作用能力而导致货运运能较低。要彻底改善重载货车的制动性能可以采用电空制动的制动方式。通过电气信号控制空气制动，基本上可以实现同步制动和制动风缸的连续充风，并可缩短制动距离、提高列车运行速度和减轻列车纵向冲动。近年来，北美和南非重载铁路采用微机控制的直通电控空气制动系统（简称“ECP”）克服了自动空气制动系统的不足，取得了很好的效果。2.2

31、.2 基础制动装置目前，我国货物列车采用的制动形式主要还是闸瓦制动，使用铸铁闸瓦。对于重载运输而言，若装用高摩合成闸瓦，更能发挥制动机加速缓解的作用。这是由于高摩合成闸瓦的摩擦系数比铸铁闸瓦的摩擦系数要高一倍，可以将车辆的闸瓦压力或制动率减半，从而减少制动缸和基础制动装置的尺寸，减少制动耗风量和加速再充气，实现调速时间和距离的缩短，而且极大地减轻了纵向冲动，对于车辆设备维护以及列车运行安全都有很好的效果。2.2.3传统制动控制模式分析传统的空气制动机以压力空气作为动力源和控制信号。贯穿整个列车的列车管既是制动动力渠道又是制动控制信号通道。这种制动控制模式的一个突出缺点是制动、缓解波速低,列车中

32、各车辆的制动、缓解作用一致性差,列车纵向冲动大,客车乘坐舒适性差。这个缺点不可能通过改进空气制动机各部件的机械结构得到根本解决。为解决这一问题,对原有制动机进行了加电控的改进,产生了电空制动机。它是用电来传输制动控制信号,以此来大大提高信号传输速度,提高列车中各车辆的制动、缓解作用一致性。对自动式电空制动机来说,电传送的实际上只是一个启、停原有空气分配阀动作的开关量信号,具体的列车管空气压力设定值仍要由列车管通过压力空气传送。因此,电空制动机只是从作用一致性方面比空气制动机所改善,而在制动力均匀分配、操作平稳性等问题上,并没有提供更好的解决措施。列车运行操纵过程中,制动系统所实现的功能主要是使

33、列车减速和停车,司机所关心的2个主要运行参数是列车运行速度和制动距离。制动距离在紧急制动时才具有实际意义。常用制动停车时,司机最为关心的是机车停车位置,也就是列车速度降为零时所对应的空间位置,此时的制动距离并不是一个关键性的参数。因此,与制动系统功能最密切的参数是列车速度。最理想的制动控制模式是直接实时地控制列车速度,即直接把实时检测到的列车运行速度作为反馈信号,与制动控制器给出的目标速度进行比较。控制信号处理单元计算后给出新的控制指令交给制动执行单元,然后再进行速度检测、反馈、处理,形成一个闭环速度控制系统。这种理想的制动控制模式有待进一步开发使用。制动时和列车速度关系最为直接的一个参数是列

34、车减速度,它和列车速度之间的函数关系不受制动机参数、粘着系数等的影响。列车减速度和制动力之间有着直接的函数关系,在车重、摩擦系数等参数已知的情况下,可以通过对制动缸压力的控制实现对列车减速度的控制。制动缸压力换算到列车减速度的过程中,涉及车重、闸瓦与车轮或闸片与制动盘之间摩擦系数、基础制动装置的传动效率等中间参数。由于空气和电空制动机控制部件不具有计算功能,不能实现制动缸压力到列车减速度的换算,因此2种制动机都只能实现对制动缸压力的控制,且受到信号精度及制动控制部件性能制约,对制动缸压力的控制精度不是很高。以上是传统制动机的局限性,这些局限性是由当时的技术水平决定的。无论是空气制动机或者是电空

35、制动机,在整个铁路事业发展过程中都发挥了巨大的作用,而且在现在的铁路运输中仍发挥着重要作用。但是随着铁路运输向高速重载的方向发展以及机车车辆对制动装置性能要求的逐步提高,它们已不能满足新的要求。在高速列车制动控制系统设计过程中,仍继承了传统制动控制的一些基本思想。随着现代控制技术、电子技术的引入和计算机的应用,列车制动控制系统较以往发生了很大的变化。2.2.4 高速列车制动控制2.2.4.1 直通与自动直通与自动是和空气制动机密切相关的两个概念，通常用它们来划分不同的制动机。直通是指制动时将总风缸的压力空气直接充入制动缸，即制动缸的直接风源是总风缸。自动是指列车管破裂或列车分离时制动机能自动实

36、施制动。由二者的含义可以看出,直通是就空气制动机作用方式而言的,而自动是就制动机功能而言的,二者不是对立的两个概念。最初的直通式制动机在列车管破裂或列车分离时，由于每辆车和制动风源的联系被切断，列车会失去制动能力。为解决这一问题，在每辆车上装设了独立的制动动力储备单元，即副风缸。这样，制动时即使失去总风缸风源的支持，每辆车仍能靠所储存的压力空气实现制动，制动机具备了“自动”功能。此后所有形式的制动机都保留了这一功能。列车管破袭或列车分离属列车运行中的紧急情况。这时制动机收到的信号为列车管减压，为实现自动功能，制动机必须以此作为制动信号。相应地，常用制动也采用了列车管减压制动的方式。这一方式导致

37、制动过程中副风缸压力空气得不到补充。由于自动制动机发展初期为直接作用方式，三通阀的动作要靠副风缸与列车管空气压力的平衡关系来控制，因此在制动过程中，必须切断副风缸与列车管的通路。间接作用方式制动机的发展使副风缸解脱出来，不再参与三通阀或分配阀的动作控制。但由于列车管减压制动方式和制动单管制(贯穿整个列车的只有一根列车管，不再用总风管)两个条件的限制，制动时副风缸压力空气仍得不到补充。制动时副风制压力得不到补充给自动式空气制动机的应用带来一个问题。制动时副风缸压力空气充入制动缸,缓解时列车管向副风缸充气，副风缸充到定压需要一定的时间，在制动后的再充气过程中，制动机的最大制动能力低于标准值。以往列

38、车运行速度较低，线路上行车密度小,制动后有充分的时间进行缓解，使副风缸得到足够的压力空气。随着列车运行速度的提高，区间行车密度的增大，列车的调速变得频繁，这一问题逐渐暴露出来。空气制动控制系统中电指令的引入为解决这一问题提供了可能性。电空制动机实现了控制信号的部分独立，但还不能彻底解决这一问题。直通电空制动机实现了控制信号和制动动力源的彻底分离，压力空气不再参与制动控制，使这一问题得到解决。直通电空制动机和原来的自动空气制动机相比较，主要有以下不同：用电指令取代空气压力信号作为控制信号；用总风管代替了列车管；用制动储风缸代替了副风缸。每节车的制动储风缸通过单向阀与总风管相连，制动时，制动储风缸

39、充气，保持和总风缸相同的空气压力值，制动机为“直通式”。总风管破裂或列车分离时，制动机接到电信号实施制动，由于单向阀的作用，制动储风缸压力空气不会向总风管逆流，制动机具有“自动”功能。由以上分析可以看出，随着制动机的发展“直通”的含义也在发生着变化。过去对“直通”的理解是从制动机作用方式上讲的，它使制动机结构简单。现在，可以从功能上重新认识它的含义，它使制动机具有制动能力不衰减性。直通电空制动机把直通与自动很好地统一了起来，因此把这种制动机称为“直通自动电空制动机”更为恰当。直通电空制动机是高速列车制动机发展的方向，在国外已被广泛采用，我国正在研制的200km/h电动车组也采用了这种制动机。2

40、.2.4.2 电气指令式制动电气指令式制动系统的特点为：制动控制器给出的控制指令为电信号，通过电器设备电信号传输到每节车，每节车的制动控制单元将电指令转换为相应的空气压力信号，再用此信号控制中继阀(空气流量放大阀)动作,进而控制制动缸充、排气，实现制动与缓解。电气指令式制动具有动作反应快、作用一致性好、可控制性强、电制动与空气制动容易协调等优点。从制动控制指令发生和传输的角度来看，电气指令式制动可分为数字式和模拟式两大类。再根据空电制动配合运算的方式不同，前者又可分为切换阀式、气运算式和电运算式三种。2.3 制动装置性能的改进目前国内外列车普遍采用的制动方式是摩擦制动，主要有闸瓦制动和盘形制动

41、。而其它的制动方式如电阻制动、再生制动、轨道电磁制动等仍只作为辅助制动，因此闸瓦制动方式和盘形制动方式性能的改进是研究的重点。2.3.1 闸瓦制动方式闸瓦的制动能力主要由闸瓦与车轮之间的摩擦来决定。为了改进闸瓦制动效能, 常用的方法是通过使用新材料来改变闸瓦与车轮之间的摩擦和粘着力 2 。目前研究较多的主要是中磷闸瓦、高磷闸瓦、合成闸瓦和橡胶岩棉闸瓦。2.3.1.1 中、高磷闸瓦自60 年代以来, 我国准轨列车使用的闸瓦多为含磷量为0.7%1.0%的中磷铸铁闸瓦。实践证明，中磷闸瓦在使用中存在较多缺点，尤其是耐磨性能差，使用寿命短。而高磷闸瓦在耐磨耗、耐高温、摩擦系数稳定性及效益等方面均优于中

42、磷闸瓦，耐磨性为中磷闸瓦的2.53.0倍。但高磷闸瓦由于材质脆性大、高温强度低、导热性能差，所以在制动时容易产生裂纹。2.3.1.2 合成闸瓦针对高、中磷铸铁闸瓦的缺欠, 国外早已开展了对高摩擦系数合成闸瓦的研究, 欧美一些发达国家, 如美国已采用合成闸瓦替代铸铁闸瓦。高摩擦系数合成闸瓦制动力大，磨耗量较小，使用寿命长。另外，制动时噪声小，无火花粉尘，制造成本低。合成闸瓦主要特点如下：(1) 具有平稳的摩擦系数并能充分利用粘着力提高制动力，缩短制动距离。(2) 耐磨、使用寿命长、对车轮磨损少。合成闸瓦的使用寿命一般比铸铁闸瓦长310 倍。因而可大大减少更换闸瓦的工作量，降低铁路运营成本。(3)

43、 重量轻。合成闸瓦重量仅为铸铁闸瓦的1.41.3, 便于更换闸瓦，减轻劳动强度。(4) 制动时无火花，可避免发生火灾事故，有利安全运行。合成闸瓦也有其不足之处：(1) 在实际运用中普遍存在着中部比两端磨耗快及容易产生破裂、掉块。(2) 使用高磨合成闸瓦比铸铁闸瓦更易发生动轮弛缓。2.3.1.3 橡胶岩棉闸瓦橡胶岩棉闸瓦的耐磨程度高于合成闸瓦和中磷闸瓦，耐磨性为合成闸瓦的2 倍，为中磷闸瓦的5倍以上，具有制造成本低、耐磨性能强、使用寿命长、更换方便及效益显著等特点。2.3.1.4 金属陶瓷闸瓦金属陶瓷闸瓦与铸铁闸瓦相比，具有较高的摩擦因数，摩擦因数与抱闸力之间的关系良好，使用寿命长。虽然金属陶瓷

44、早已成功地应用于高效圆盘制动机结构内，但因制造复杂而导致其价格昂贵。材料硬度高而难以磨合是金属陶瓷闸瓦不能均匀贴合到车轮踏面上的原因，因此在安装新闸瓦后不可避免地会出现偏高的接触应力区。金属陶瓷的导热性比灰铸铁差，因此传入车轮的制动能量比采用灰铸铁制动闸瓦时大15%。2.3.2 盘形制动方式盘形制动方式的改进主要通过改变制动盘闸片的性能来实现，目前研究较多的是金属制动闸片、陶瓷材料制动闸片和炭纤维制动闸片。国外营运的高速列车盘式制动仍在使用锻钢盘与铁铜粉末冶金闸片。为进一步提高制动盘的能量和降低盘重，研究主要集中在高能量制动盘和中能量制动盘上。研究表明，炭纤维复合材料密度低、制动能量高, 但在

45、摩擦系数稳定性和制造成本方面仍有大量的工作要做。陶瓷材料具有优良的高温摩擦磨损性能，但仍没有解决大尺寸部件的脆性问题。材料表面强化技术可大大改善制动盘表面的摩擦磨损性能，所要解决的问题是涂层与基体间结合的可靠性问题。铝基强化复合材料可降低重量50%以上， 但其使用温度相对较低，限制了它在更大的范围内推广使用。国外炭纤维制动闸片的应用研究明显加快，国外制动闸片已经开始从使用半金属制动片为主转向使用少金属片甚至炭纤维片。2.4 制动装置的故障及检测2.4.1 故障目前货运列车普遍采用的是闸瓦制动方式，较大的制动能力和较低的成本使其得以普遍采用，但也存在着诸多问题。2.4.1.1 闸瓦抱死当施行缓解

46、时，闸瓦未能离开车轮踏面，这一故障称为闸瓦抱死。闸瓦抱死时由于闸瓦与轮箍间的剧烈摩擦，导致大量发热，致使轮箍温度升高、膨胀，严重的还使轮箍外串，造成脱线事故，因而闸瓦抱死对行车安全构成严重威胁。2.4.1.2 闸瓦脱离由于列车在高速运行过程中频繁制动，闸瓦所受的冲击力非常大，容易使闸瓦松动，造成闸瓦脱离，严重影响行车安全。2.4.1.3 闸瓦偏磨闸瓦偏磨将减小闸瓦与车轮踏面的接触面积，使得闸瓦的制动能力下降。闸瓦任一侧厚度磨到极限后整块闸瓦即需报废，导致材料的浪费和运营费用的增加。闸瓦偏磨在其它国家也有报道。日本车辆工学对日本车辆运用检测现场的统计表明，所换闸瓦约85%是由于偏磨造成的。偏磨也增加了列车的运行阻力，降低了铁路的运能。如果能解决偏磨现象，可使目前机车提高牵引吨位7.1%以上。2.4.2 检测闸瓦的制动工作状况直接影响着列车的行驶速度和行车安全，因此对闸瓦的状况进行及时有效地监控检测显得格外重要。目前国内仍采用人工检测方式，不仅劳动强度大、耗费时间多，而且检测精度低，对列车的安全性构成了一定的威胁，因此迫切需要研制高效的自动检测装置。目前国外已开发出一些使用各种传感器进行闸瓦在线自动检测的设备，而其在国内尚处于研究开发中。闸瓦自动化检测的应用是未来铁路行业发展的必然趋势。鉴于目前这种状况，国内很多专家学者都对闸瓦自动检测技术进行了深