机车制动技术发展及新型制动机1

PF‘前 •VF
PZ‘前 • 0 （P
‘ F前
r) •VF
PZ‘后 •VZ后
0 r •VF PZ‘后 •VZ后
r •VF PZ‘后 •VZ后
r • VF VZ
PZ‘后
PZ 3.25r 100
机车（分配阀）制动缸压力计算
1.气体的压力必须用绝对压力
2.制动前工作风缸的压力与制动管压力相等，为 （500KPa+100KPa）
r • VF VZ
PZ‘后 PF‘后 PF’前 r PF前 100 r
4.25r PF前 100 当定压500KPa时
rmax 140KPa 当定压600KPa时
rmax 170KPa
机车最大有效减压量计算
100 r • VG VR
PR‘后
PG‘后 PG’前 r
• 现代制动机全部增设了均衡风缸与中继阀，通过中继阀根据均衡 风缸的压力变化来控制制动管与均衡风缸完成相同的压力变化， 使司机能够方便准确地控制制动管的压力变化
司机直接 控制机 车上均 衡风缸
中继阀
全列车 制动管
➢机车制动阀间接控制列车管压强
– 自动制动阀
– 均衡风缸
– 中继阀 – 列车管压强 过充风缸
交流传动机车制动系统
► 一、制动机及管路发展 ► 二、CCBⅡ制动机 ► 三、法维莱Eurotrol制动机
－－机车车辆学院 马金法
制动基本概念
• 所谓制动是指能够人为地产生列车减速力并控 制这个力的大小，从而控制列车减速或阻止它 加速运行的过程。
• 不同情况对制动提出了不同的要求 *常用制动不一定停车，可能是仅仅是调速。 *紧急制动一定要迅速停车 制动过程必须具备两个基本条件： • （1）实现能量转换； • （2）控制能量转换。
分配阀
►二压力机构分配阀作用示意图
►三压力机构分配阀作用示意图
制动缸压力的计算基础
压力与压强 大气压
由物理学可知，大气对地球表面作用着一定压力，这一压 力称为大气压。一般取100kPa。 绝对压力 压力空气的实际压力。若气体未压缩而呈自由状态，其绝 对压力即为大气压力，若处于绝对真空状态，则其绝对压 力为零。 表压力 压力表指示的压力值。由于一般压力表只指示高于大气压 力数值（真空压力表则例外），所以绝对压力与表压力的 差值为大气压力值。 绝对压力等于表压力与大气压之和。
均衡风缸管
大气
总风管 列车管
三通阀进化为分配阀
• 由于充气沟的逆流作用导致制动时空走时间加大 、制动空走距离加长。分配阀通过局减作用尽量 消除逆流的影响。
• 由于三通阀直接控制制动缸，但因为制动缸复原 弹簧的作用，使得制动时制动缸一开始相当于真 空，从而使得减压量较小时获得的制动缸压力较 小。
• 阶段缓解的需要。三通阀为二压力机构，分配阀 既可以为二压力机构，也可以为三压力机构
正好克服制动缸活塞弹簧反力和制动缸活塞与制 动缸壁摩擦力之和的制动缸压力
最小有效减压量
能够生成最小有效制动缸压力的减压量
根据制动缸压力与制动管减压量的关系
35KPa 3.25rmin 100
rm in

135 3.25
wk.baidu.com

41.5KPa
规定： 制动管最小有效减压量 为50 KPa
车辆最大有效减压量计算
PG‘前
•VG
PR‘前
•VR
（P
‘ G前
r) •VG
PR‘后
• VR后
100 •VR r •VG PR‘后 •VR
100 •VR r •VG PR‘后 •VR
100 r • VG VR
PR‘后
PR 2.6r PZ
最小有效减压量计算
• 最小有效制动缸压力（35KPa）
制动系统发展
► 1869年，美国工程师乔治·韦斯汀豪斯（Geroge Westinghouse）发明了世界上第一台空气制动机---直通式空气制动机。
► **革命性的突破**
• 很多人都曾致力于改进火车刹车装置的研究，但谁也没想到，最终获得成功的却 是一位贫困的美国年轻人——威斯汀豪斯，他发明了一种灵敏可靠的空气制动闸 ，给火车这匹巨大不羁的“铁马”，系上了“缰绳”，在铁路安全运输史上竖立 了一个值得纪念的里程碑。 威斯汀豪斯发明新型火车空气闸的念头，是由一次偶 然的事件激发起来的。他在一次旅行中，恰好赶上了因火车刹车不灵造成的严重 撞车事故。目睹了一场车毁人亡的惨剧，他当时就下定决心，要发明一种有效的 制动闸，来避免交通事故的发生，保障铁路运输的安全。 他首先想到了蒸汽。既 然列车是蒸汽推动的，为什么不能用蒸汽来制动呢？他设计了一套装置，用管路 把锅炉和各个车厢连接起来，试图用蒸汽来推动汽缸活塞，从而压紧闸瓦，达到 刹车的目的。但由于高压蒸汽在长长的管路里迅速冷凝，丧失压力，实验未能取 得预想的效果。 威斯汀豪斯正在一筹莫展时，有一天他偶然买了一份《生活时代 》报，一条报道法国开凿塞尼山隧道，介绍压缩空气驱动大型凿岩机的消息，使 他联想到苦思冥索的制动闸：既然压缩空气可以驱动凿岩机，开掘坚硬的岩石， 或许也能够驱动火车制动闸。 基于这个想法，威斯汀豪斯终于制成了新型的空气 闸。其原理并不复杂，只要增加一台由机车带动的空气压缩机，通过管道将压缩 空气送往各个车厢的汽缸就行了。刹车时，只要一打开阀门，压缩空气就会推动 各车厢的汽缸活塞，将闸瓦压紧，使列车迅速停下来。 1868年，年仅23岁的威斯 汀豪斯取得了空气制动闸的专利权，组成了威斯汀豪斯制动闸公司。直到今天， 空气制动闸仍然是火车和汽车运行的安全保障。
上式说明压力空气的绝对压力与体积的乘积为常量，即 等温过程变化前与变化后，其压力与体积乘积相等。
车辆（GK）制动缸压力计算
• 1.气体的压力必须用绝对压力 • 2.制动前副风缸的压力与制动管压力相等，为（
500KPa+100KPa）或（700KPa） • 3.制动前制动缸的压力100KPa，但是它的容积是
直通式空气制动机
制动机管路发展1
• 总风缸管 全列车的风源
• 列车制动管 向车辆提供制动与缓解用的压缩空气，同时传 递车辆制动机制动与缓解的控制信号。
• 制动缸管 • 作用于制动缸活塞上，产生制动原力，制动机
的控制对象。
直通式空气制动机分析
► 制动机的控制对象是制动缸的压力变化，分析 制动机就是分析各管路的压力控制方法与实现。
► 注意由于制动机直接关系着行车安全，所以制 动机设计和使用中一定要对最困难的情况进行 充分的预想，制动机正常情况下能够顺利完成 制动任务，紧急情况下更要能够顺利完成制动 任务。即预防“万一”
► 制动管充风，产生制动作用；制动管排风，实 现缓解作用。
直通式空气制动机分析
► 制动缸的压力变化控制方法。 与列车制动管连通，由司机通过控制制动管压力变化来直接控制。 ► 制动管压力变化控制方法。 通过制动阀手柄不同位置直接控制制动管与调压阀管、大气通路的
制动缸压力的计算基础
制动缸压力计算的依据
一、克拉贝隆理想气体状态方程： PV=GRT 式中 P——气体的压力（Pa，N/m2）；
V——气体的容积（m3）； T——气体的温度（K）； G——气体的摩尔数（mol）；
R——普适气体恒量，R=8.31J/mol•K。
制动缸压力的计算基础
二、空气制动机的实际工作过程
• 电空制动机随着计算机技术和传感器技术 的发展，其控制信号传递实现网络化，控 制过程由原来的开环转换为数字化闭环控 制，提高了速度响应与准确度。
制动管压力的间接控制
• 随着编组辆数的不断增加，制动管越来越长，制动管的压力变化 传递时间也越来越长，司机通过制动阀直接控制制动管的压力变 化变得越来越力不从心。
0 • 4.制动后副风缸的压力与制动管压力相等，为（
500KPa+100KPa-r)或（700KPa-r） • 5.副风缸与制动后制动缸容积比为3.25:1 • 6.制动后制动缸的压力为我们所求
车辆（GK）制动缸压力计算
PF‘前 •VF PZ‘前 •VZ前 PF‘后 •VF PZ‘后 •VZ后
制动缸压力的计算基础
三、波义耳-马略特定律
为简化计算起见，可以忽略温度变化对计算结果的影 响，即把压力与容积的变化过程看作是等温变化过程 。根据波义耳----马略特定律，空气压力与容积之间 的关系为：
PV＝常量 式中
P——压力空气的压力（绝对压力），（Pa，N/m2） ；
V——压力空气的容积（m3）。
手制动机特点
• 踏着轮子的混世魔王 • 19世纪初，以蒸汽为动力的火车出现了。在1829年举行的一次“火
车竞赛”中，斯蒂芬森驾驶着满载的“火箭”号机车，以时速56公里 创造了陆地第一个车辆奔跑速度。此后不久，呼啸的火车开始奔驰在 美国和欧洲大陆。形成了铁路交通运输业蓬勃发展的新时代。 但是， 这时的火车还不够完善。致命的缺点是刹车不灵，经常导致运行事故 。在一般公众眼里，火车也是一种不安全的交通工具，有人将它戏称 为“踏着轮子的混世魔王”。 当时的火车刹车装置十分原始，最初仅 仅装在车头上，完全凭司机的体力扳动闸把来刹车，很难使沉重的列 车迅速停下来。后来改进为每节车厢上都安一个单独的机械制动闸， 配备一个专门的制动员，遇有情况，由司机发出信号，各个制动员再 狠命接下闸把。这样虽然稍好一些，但仍然不能迅速地刹住列车。因 此，发明一种灵敏有效的火车刹车装置，已成了当然铁路系统一项亟 待解决的大问题。
直通式空气制动机缺点
► 存在“列车分离时，列车制动系统 失去制动作用”的致命弱点
自动空气制动机
► 1872年，乔 治·韦斯汀豪斯 在直通式空气 制动机的基础 上，研制出了 一种新型的空 气制动机—自 动空气制动机。
自动空气制动机
自动空气制动机缓解位
自动空气制动机制动位
自动空气制动机制动后保压位
3.6r PG前 当定压500KPa时
连通与关断，进而控制制动管压力变化。通过调压阀来限制制动 管压力的最高值，同时防止总风缸压力变化影响制动管压力变化 从而影响制动与缓解的控制作用 ► 总风缸压力变化控制方法。 ► 通过控制压缩机的启停来控制 **各管路的压力变化控制实际上就是控制该管路与外部大气或压力比 它高的风源的通路的开通与切断来实现该管路的压力控制。**
3.制动前容积室的压力100KPa，它的容积制动前 后基本相等
4.制动后工作风缸的压力与制动管压力相等 （500KPa+100KPa-r)，r为制动管减压量
5.工作风缸与容积室的容积比为2.6:1
6.制动后容积室的压力为我们所求
机车（分配阀）制动缸压力计算
PG‘前 •VG PR‘前 •VR前 PG‘后 •VG PR‘后 •VR后
自动空气制动机的特点
• 相比直通式，增加了副风缸和三通阀。结 构复杂化，但消除了直通式的致命弱点。
• 制动缸压力控制由直通改为三通阀根据制 动管的压力变化来控制制动缸与大气、副 风缸通路的开通与切断。
• 这种控制模式到现代还在使用。只不过随 着制动机发展，相应部件发生了进化。
电空制动机
• 由于电信号传递准确、速度快，所以现代 制动机普遍采用电信号传递控制指令，但 最终执行制动的仍为压缩空气，因此称为 电空制动机。
一、制动机及管路发展
1.总风缸 2.制动缸 3.列车制动管 4.均衡风缸管 5.作用管 6.制动平均管
制动系统
► 制动力是指制动过程中所形成的可以人 为控制的列车减速力。
控制
实现
制动机
手制动机 弹停制动
基础制动装置
制动系统
制动系统发展
► 1825年9月27日，在 英国的斯多克顿至 达林顿之间建成了 世界上第一条铁路， 于是世界上第一列 由蒸汽机车牵引的 列车开始运营。当 时所使用的制动机 是人力制动机，即 手制动机。
在空气制动机的工作过程中，一方面，虽然空气压缩 机产生的压力空气具有一定的温度，但压力空气须经 散热管进入总风缸，并且总风缸又置于大气之中，所 以当总风缸向制动管及各风缸充入压力空气时，压力 空气都已经过充分冷却，使其温度与外界接近于相等 。另一方面，在制动过程中，随着制动管减压速度的 不同，副风缸向制动缸（或工作风缸向容积室）充风 速度也不相同，致使气体因动能的变化而造成气体温 度的波动和压力的波动，但待风缸的压力稳定后，其 气体温度与大气温度也接近于相等（有关试验资料表 明，制动机工作过程受到温度的影响约为１℃左右） ，同时，在制动机中存在着各种漏泄和游间，对计算 精确度也有影响。