轨道车辆制动技术(讲稿)

同济大学铁道与城市轨道交通研究院制动技术研究所
一、制动实质与制动方式
轨道电磁制动（磁轨制动）
优点： 制动力不是通过轮轨粘 着产生，所以不受粘着限制。 缺点： 钢轨磨耗大，也要发热； 另外，滑动摩擦力比粘着力 要小，所以只能作为高速列 车紧急制动时的一种辅助制 动的方式。
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一、制动实质与制动方式
再生制动 再生制动与电阻制 动相似，制动时将牵引 电机变为发电机运行， 最后经变流和变压后以 单相交流电形式反馈到 电网中。 视频播放
再生制动原理图
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一、制动实质与制动方式
涡流制动 • 圆盘涡流制动 盘型涡流制动器是采 用圆盘形感应盘和环状 分布的电磁铁及安装机 构。当列车运动时，圆 盘形感应盘随着车轴高 速旋转，当涡流制动器 电源接通，励磁电磁铁 产生磁通，在电磁铁与 感应盘的气隙中建立移 动磁场，使感应盘内产 生感应电动势与涡流。 涡流产生的磁场使 气隙 中的合成磁场发生畸变， 气隙中的磁力线发生倾 斜，在旋转的切线方向 产生制动力矩。
l 2B 2K 2Rx 2 2 q g
4B
4 ql 2 q z qt g

4B
q g
4K k r 4B r 4 J
2Rx1 2Rx 2 2Px 2
qz g
j B （K k ) K k r
一、制动实质与制动方式
1.制动实质 人为地使列车减速直至停车，或阻止列车加速，称为“制动”。制 动的实质是列车动能的转移。
1 2 mv BS Fw S BS 2
式中：m－列车质量；v－列车速度；B－制动力；S－列车行驶距离。 随着制动力的施加，列车速度逐渐减小，列车动能什么时候转移完 毕，就什么时候停车。 此种人为的、可控制的阻力称为“制动力”。
②非粘制动 非粘制动方式无需通过轮轨粘着产生制动力， 其制动力的大小不受粘着力的限制。
磁轨制动、轨道涡流制动和风阻制动都属于 非粘制动。
二、制动控制系统
直通式
1 空气制动控制系统——以 压力空气作为制动信号传 递和制动力控制介质的制 动控制系统。
空气制动.wmv
自动式
直通自动式
数字指令式
2 电气指令式制动控制系 统—— 以电气信号来传递制动信 号的制动控制系统。
2 Px
qt g

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一、制动实质与制动方式
2.制动方式
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一、制动实质与制动方式
2.制动方式
Ⅰ按动能转移的方式分类 ①摩擦制动 通过摩擦副的摩擦，把列车的动能转变为热能，并消散于大气。 闸瓦制动（踏面制动） B≈Kφk 闸瓦材料： 铸铁闸瓦 合成闸瓦 粉末冶金闸瓦 普通铸铁闸瓦 高摩合成闸瓦 中磷铸铁闸瓦 低摩合成闸瓦 高磷铸铁闸瓦 尚在研究的有稀土元素掺入的铸铁闸瓦、陶瓷铝材料制成的闸瓦等。
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ห้องสมุดไป่ตู้
空气制动控制系统
二、三压力机构 二压力机构阀——阀的主控机构是依靠两种压力的差别或平衡 而发生动作 特点：a.具有一定的稳定性 ≤5kPa/sec b.具有一定的灵敏度 ≥10kPa/sec c.适用于不同的列车管定压 d.轻易缓解 缓解灵敏度 10~20kPa/sec 阀的软性——a.、c.、d. 三压力机构阀——阀的主控机构是依靠三种压力的差别或平衡 而发生动作 特点：a.具有制动力不衰减性 b.具有阶段缓解，列车管充至定压才能完全缓解。 阀的硬性：列车管充至定压才能完全缓解
一、制动实质与制动方式
K 100 3.6V 100 0.0007(110 Vo ) 5K 100 14V 100
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一、制动实质与制动方式
②盘形制动 分类： • 轴盘式 • 轮盘式 优点： • 对踏面有利 • 可双向选择摩擦副 • 制动功率较大 缺点： • 粘着系数下降 • 制动盘在运行时消耗功率 • 簧下重量增加 • 风缸多，检修复杂
150 200 250 300 350 400 450 500
减速度（m/s/s）
0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0
速度（km/h）
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一、制动实质与制动方式
Ⅱ按制动力获取方式分类 ①粘着制动 车轮与 钢轨间的状态：
• • 纯滚动 B max ≤N•μj 滑行 B max ≤N•μd
一、制动实质与制动方式
B K RX 1
ql g

K k r B r J
B K Rx 2
ql g

一、制动实质与制动方式
Rx1 Rx 2 Px
qz g

2 Px
qt g

一、制动实质与制动方式
l 2 B 2 K 2 RX 1 2 q g
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一、制动实质与制动方式
空气动力制动
非粘制动
制动力由制动翼片 空气阻力产生
空气动力制动特点 产生的空气动力阻力 与速度平方成正比 原有车辆结构 改动较小 利用风能具有 节能环保意义 高速时效果好 弥补了高速时 粘着制动力的不足
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空气制动控制系统
自动空气制动机 特点： a.列车管减压，制动；列车 管增压，缓解。列 车分离自动 制动。 b.制动与缓解一致性较好。 c.有阶段制动和一次缓解。
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空气制动控制系统
直通自动式空气制动机 特点： • 有阶段制动，阶段缓解。 但无一次缓解（直接缓解），一 定要列车管充至定压，制动缸 才完全缓解。 • 具有“制动力不衰减性”， “制”漏泄可自动开启进排气 阀而由“副”来补，“副”漏 泄可由“列”来补，“列”漏 泄时有可能由总风缸经制动阀 自动补充。这就是“直通”含 义。 • 列车分离能自动紧急制动停车。
越来越多的优越性，正 200
处于从低谷走向复兴的 150 重要历史阶段。
100 50 0 铁路 20
120 80 铁路 飞机 小轿车 大巴
飞机
小轿车
大巴
一、制动实质及制动方式 二、制动控制系统 三、控制方式探讨 四、地铁制动系统介绍 五、高速列车制动系统介绍
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(a)
轴盘式
(b) 轮盘式
1. 轮对；2. 制动盘；3. 单元制动缸； 4. 制动夹钳；5. 牵引电机
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一、制动实质与制动方式
盘形制动 制动盘材料 • 铸铁、铸钢材料(CRH3) • 锻钢材料（CRH2) • 铝基复合材料 • 纤维加强陶瓷材料 • C/C复合材料
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电气指令制动控制系统
电磁空气制动机 Ⅰ自动式
1. 供风管；2. 列车管；3. 单向阀；4. 副风缸；5. 三通阀； 6. 制动缸；7. 缓解电磁阀；8. 制动电磁阀；9. 制动导线； 10. 缓解导线；11. 负线
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Drag(N)
单片制动风翼产生的制动力随速度的变化
图 3 350km/h单片制动风翼车身 表面压力分布
交汇.wmv
图 4 350km/h单片制动风翼车身周围 空间速度值分布
7000 6000 5000 阻力板2-1 阻力板2-2 阻力板2-3
Drag (N)
4000 3000 2000 1000 0 100
B Bmax N K N K N
K 0 ， 0 称为轴制动率。 N K ， 称为车辆制动率。 q
其中q车辆总重。
粘着条件可以写为： 0
或

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一、制动实质与制动方式
一、制动实质与制动方式
②动力制动 电阻制动
电阻制动系统 在结构上的显著特 点是主回路中有一 个制动电阻，制动 时，电枢绕组、励 磁绕组和主电阻器 构成制动主回路， 并使电流向增加原 牵引剩磁的方向流 动，再由主电阻器 将电枢转动发出的 电能变为热能消散 掉。
电阻制动原理图
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日本空气动力制动方式
Fastech 360S
2006年日本研制出利用空气动力制动的Fastech360S和其改 进型Fastech 360Z，并已经通过时速400公里的安全测试，装有空气 动力制动装臵的列车制动距离在时速360公里时与时速275公里时 大致相同
表 1单片制动风翼产生的制动力随速度的变化
• 粘着 B max ≤N•μ 粘着系数： 粘着力与车轮与钢轨间的垂直载荷 之比称为“粘着系数”。 影响粘着系数的主要因素： • 车轮和钢轨表面状态 • 列车运行速度
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一、制动实质与制动方式
0.25 0.2
粘着曲线
0.15 0.1 0.05 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 速度（km/h）
150
200
250 300 Speed (km/h)
350
400
三块制动风翼产生制动力效果
迎风面的第一块制动风翼产生的制动力最大，第三块最小； 第二块与第三块制动风翼产生制动效果差别减弱，没有第一块与第二块制动效果差别大
0.9 0.8
空气动力制动 运行阻力 再生制动 空气动力制动+运行阻力 运行阻力+再生制动 空气动力制动+运行阻力 +再生制动
速度（km/h ）
380
350
320
300
250
200
150
单片制动风翼 产生的制动力 5.768 (kN)
4.896
4.095
3.601
2.504 1.606
0.906
制动风翼产生的空气动力制动 力随着的速度的升高而增加， 即速度高时产生的效果更明显
7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 100 200 300 400 Speed(km/h)
从能量的观点看，列车的动能通 过电磁铁与感应盘间的电磁耦合，转 化为感应盘的热能，通过辐射、对流、 传导逸散到空气中去。
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一、制动实质与制动方式
• 线性涡流制动
图显示线性涡流制动系 统原理。再转向架下，电枢 线圈沿钢轨纵向布臵，通过 适当的线圈绕制可以获得交 替的南北极。制动开始时， 电枢线圈被激励，由于钢轨 与线圈之间的相互运动，励 磁磁场在感应板中产生感应 涡流，涡流产生的磁场与励 磁电磁铁产生的磁场相互作 用，气隙中的电磁场发生畸 变，形成垂直分量和水平分 量的作用力，水平分量的作 用力与列车的前进方向相反， 这个作用力就是涡流制动力。
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轨道车辆制动技术
吴萌岭
世界铁路复兴的时代已经来临
面临世界能源资源 700 紧缺和环境恶化的现实 ，铁路作为节能环保的 绿色交通工具，通过采 用高新技术，已显示出
600 500 400 300 200 100 0 铁路 飞机 小轿车 大巴 人均公里CO2排放量（g/人·公里） 180 100 400 200 铁路 飞机 小轿车 大巴 人均公里能耗（kcal/人·公里） 650
传递方式
模拟指令式 电磁空气制动
控制方式
气压控制型 电气控制型 自动式
空气制动控制方式
直通式
二、制动控制系统
直通空气制动机 特点： a.列车管增压，制动；列车 管减压，缓解。列车管断 裂（列车分离）失去制动 力。 b.制动力控制不够精确。 c.可实现阶段制动和阶段缓 解。 d.同时性差，纵向冲动大。
美国 英国 日本 法国 前西德 中国干轨 中国湿轨
我国地铁车辆一般采用的设计范围为：0.14~0.16 13.5 45.6 我国湿轨： 我国干轨： 0.0405
0.0624
V 260
V 120
一、制动实质与制动方式
粘着限制: 制动力（闸瓦与车轮的摩擦力）应小于粘着力。