铁道机车车辆液压制动机及其国内外发展

铁道机车车辆液压制动机及其国内外发展
摘要介绍了应用于铁道机车车辆上的液压制动机的原理、特点和关键技术,
对国内外铁道机车车辆采用液
压制动机的应用进行了分析,并阐述了液压制动机的发展趋势。

关键词液压制动;铁道车辆;发展
列车运行速度越高,对车辆设备小型化、轻量化
及制动系统的性能及可靠性要求越高。

采用液压制动
机来代替传统的空气制动机,可以在确保具有与空气
制动装置相同可靠性的条件下实现小型化、轻型化,
同时由于液压系统具有快速响应的特点,可取消防滑
器,并比空气制动系统具有更好的防滑性能。

为了适应高速机车车辆以及城市轨道交通车辆整
体技术的发展,世界上许多国家都对液压制动方式进
行了研究,成为铁路机车车辆制动技术发展的趋势之
一。

目前,随着计算机技术、机电和自动控制技术、
现代制造技术及新材料、新工艺等一系列高新技术的
蓬勃发展,液压技术有了很大的发展。

密封材料性能
的提高、液压件微型化以及高可靠性和适用性等,都
给机车车辆制动系统采用液压技术创造了条件。

1 液压制动的组成及基本原理
液压制动系统一般是由油泵,蓄能器,电磁控制
阀以及基础制动装置等部件组成。

液压系统原理图一
般如图1所示。

由液压系统原理图可以看出,整个液压制动系统
按照功能来分,可以分为微机制动控制器(MBCU)、
电液制动装置及基础制动装置。

微机制动控制器(MBCU)的工作原理与空气制动
机基本相似,以接收常用制动指令、紧急制动指令、
电气制动反馈、ATC信号等输入,经过计算机处理,
输出常用制动指令、紧急制动指令来控制相应电磁阀,
完成制动力的控制。

除此之外,它还要控制液压系统
的驱动和控制,如油泵的起停控制,以及整个液压系
统的状态检测等,如液压系统的各种传感器反馈信息。

电液制动装置由电机、油泵、蓄能器、常用制动
压力控制、紧急制动压力控制和油箱组成。

各部分工
作原理如下。

(1)电机、油泵及蓄能器
电机、油泵将电能转变为液压能源,给整个制动
系统提供制动能量。

由于机车车辆的制动系统是间隙
性工作的,因此采用了蓄能器装置,可有效减少电机
功率,降低系统能耗。

同时,为了确保制动系统的安全性,在系统中设置了两个蓄能器,使液压动力源具有双重系统。

这两个蓄能器中的一个在常用制动时使用,另外一个在紧急制动时被使用。

两个蓄能器可同时给紧急制动供油。

即使在发生油泵停止工作等非正常状态下,蓄能器仍然具有供3次紧急制动所需能量
的能力。

电机和油泵在达到系统压力的下限值或者在发生
制动作用时接通,在达到系统压力的上限值关闭。

液压泵采用间歇运转可靠的活塞式油泵,为了减轻质量和防止漏油,一般采用无管的管座安装方式。

(2)常用制动压力控制
压力控制采用尘粒无法混入工作油的闭环方式,
完成机车车辆常用制动压力的控制。

一种方法使用可实现高速动作的平衡型提动阀(高速电磁阀)通过传
感器反馈而进行以车轴为单位的数字压力控制。

另外一种方法采用电液比例压力阀完成对制动缸
压力的控制,其可实现制动缸压力无级控制,以方便
与ATO等系统配合使用。

由于液压油的可压缩性很小,压力控制响应迅速, 因此采用液压控制方式具有消除滑行状态的压力控制
功能。

(3)紧急制动压力控制
在制动控制器的电源断开或者控制油压不足时,
紧急控制使蓄能器内的压力油流入基础制动装置内, 对每个转向架进行紧急制动压力控制,使其产生紧急制动作用。

另外,在制动不缓解和压力不足时,通过液压传感器的检测,可使其对整个机车车辆产生紧急
制动作用。

(4)油箱
油液回到油箱,实现油液的回收。

同时完成系统
散热。

基础制动装置包括夹钳和制动盘。

由于采用了液
压油缸,整个制动夹钳体积小,可以安装在安装空间
极小的走行装置或转向架上。

2 国内外液压系统现状
2·1液压制动的产生
20世纪60年代,第1台液压制动机装置应用于有
轨电车上〔2〕。

它除了作为动力制动机的补充外,首先是完成列车的停车制动功能。

20世纪80年代中期开发出了用于快速交通工具(people mover Fahrzeuge)的复合液压制动系统〔2〕。

此外,利用当时开发出的制动液压无级调节装置满足了能精确调节制动力,以确保
列车停车位置准确性的要求。

从1990年前后开始,随着低地板有轨电车的迅速
发展,促使转向架和走行装置对安装紧凑性要求进一步提高,这种发展对高压液压部件也产生影响。

低地板技术推动了液压悬挂和水平调节系统的发展。

利用这种系统可以简单的方法达到与采用空气弹簧的车辆同样的乘坐舒适性。

液压系统通常既向制动机又向水平调节系统提供液压能源。

目前,液压设备不仅用于有轨电车,也用于快速交通工具、单轨铁路车辆、地铁列车和城市快速铁路列车,在有轨电车线路和干线铁路上运行的首批双流制列车上也装备了这类系统。

对于标准的铁路机车车辆,如果其走行装置或转向架
的空间很狭小,则可安装液压制动装置,这些液压制动装置可以利用专门的液压缸驱动,而这些液压缸用于转换执行从常规空气制动控制系统接受到的“指令”。

例如日本的新干线高速列车和西班牙的Talgo高
速列车。

目前在国内外应用的液压制动机主要有以下几种:
(1)日本的高速动车组液压制动机;
(2)德国的克诺尔液压制动机;
(3)磁浮列车采用的液压制动机。

2·2日本高速动车组采用的液压制动机日本高速动车组制动装置的发展经由了气液制动、
液压制动阶段。

(1)气液制动方式
采用气液制动方式,需要使用增压缸将空气压力
转换为一定倍率的较高的液压。

增压缸的设置是因为受转向架安装空间的限制,为了得到必要的闸片压力, 需要使用体积小的采用较高压力的液压制动缸。

另外增压缸上还安装有防滑阀及为解决由于防滑阀连续动作而发生不能制动问题的给排截断阀。

图2为气液制动原理示意图〔1〕。

压缩空气由压缩机产生,经过由贯通全列车的总
风管送到各车的总风缸,再经过两个单向阀分别送到控制风缸和制动风缸,控制风缸是为空气弹簧等制动以外的系统供应压缩空气的风缸。

制动风缸是制动专用的储存压缩空气的风缸,各车制动风缸中的压缩空气供给中继阀、紧急电磁阀和电空转换阀使用。

电空转换阀将送来的压缩空气,调整到与制动指令相对应的空气压力,并作为指令压力送给中继阀。

中继阀将电空转换阀的输出作为控制压力,输出与其相应的压
缩空气送到增压缸。

另外当车辆设备发生故障时,经过由紧急电磁阀
的压缩空气作为指令压力被送到中继阀,此时中继阀
与常用制动一样,将具有相应压力的压缩空气送到增
压缸。

(2)液压制动方式
随着日本新干线高速动车组的发展,液压制动装
置得到了广泛应用。

液压制动装置最早是在20世纪60 年代开发的,并安装在新干线上的951型动车组上进
行了试验〔4〕。

但是由于存在回油内部漏油,液压维护等问题而未被采用。

因此,开发了新一代液压制动装置,在电液制动装置的控制阀上采用了开关阀,并简化了结构,应用了传感器反馈等方法,使装置的可靠
性得到了大幅度提高。

新开发的液压制动装置在试制的500系新干线(WIN350:西日本客运铁路公司制造) 2号车的前转向架上安装,并进行了性能确认试验,都取得了良好结
果〔4〕。

日本的TRY-Z型动车组也应用了液压制动系
统〔6〕。

该制动系统由液压控制单元,直通式预备制动控制单元和轨道制动液压单元三大部分组成,采用由
一个共同的液压源向各单元中的蓄能器中储压的工作方式。

另外在轮轴上有液压制动钳。

液压制动控制单元是通过设在每根轴上的能控制
制动缸压力的常用控制阀和紧急控制阀,经在高压优
先原则下动作的梭阀控制制动钳动作的。

无论是常用控制阀还是紧急控制阀,都能在制动指令下,根据滑
行检测来调节制动缸压力。

直通式预备制动控制单元是将在专用的蓄能器中
所储的压力,通过位于液压制动控制单元之间的梭阀
去控制制动钳动作的。

2·3德国的克诺尔制动机
德国的克诺尔制动机公司生产的液压系统已运用
于欧洲轻轨车辆〔2〕。

图3为用于低地板车辆制动机和水平调节系统联合控制的电动液压供给和控制单元, 其安装在车体上。

它将电机、油泵、蓄能器以及控制计算机(MBCU)集成在一起,与基础制动装置通过油
管连接。

液压浮动夹钳(图4)在液压制动缸的作用下夹
紧轮盘或者轴盘,产生制动力。

2·4磁浮列车液压制动机
西南交通大学研制的青城山旅游磁浮列车,其制
动系统也采用液压制动机。

根据EMS磁浮列车的结构量减轻了约三分之二。

由于省略了配管,以及设备的
简化,使零件数量大幅度减少。

据文献〔5〕介绍,液
压制动所需装置比气液制动所需装置减小了很多,质
量由原来的790 kg变为280 kg,只约为原来质量的
35%。

(7)维修方便。

液压装置装在转向架上,在进行
维修时易于拆卸,仅仅需要进行油泄漏检查和油路空
气的排放。

(8)液压源的蓄压特性好。

比空气制动方式下的
蓄压时间快,具有极为良好的蓄压特性。

4 结论
当前在铁路机车车辆牵引传动和制动系统中采用
了机械、电气、空气和液压等技术来传递各种作用力
和能量。

这些技术各有所长,尤其是在大功率执行部
件的安装空间受很大限制的车辆上,液压技术作为理
想的选择从而脱颖而出。

铁路车辆上不可或缺的制动
子系统采用液压技术符合这种发展趋势。

随着我国高速动车组以及城市轨道交通的不断发
展,各种新型转向架对轻量化、小型化的要求越来越
高,液压制动系统必将在此方向发挥其优势。

参考文献
〔1〕内田清五·日本新干线列车制动系统[M]·陈贺,李
毅,杨弘,译·北京:中国铁道出版社, 2004·
〔2〕Jens galander, Reinhard loebner·铁路机车车辆的液压制动机[J]·铁路技术评论, 2005, 11 (1): 19-24·
〔3〕李和平·磁浮车制动系统的研究[J]·铁道机车车辆,
1995 (3): 49-52·
〔4〕内田清五等·机车车辆用液压制动系统的开发[J]·国外
内燃机车, 1999 (4): 9-15·
〔5〕铁道车辆用液压制动器[J]·国外机车车辆工艺, 1998
(6): 24·。