动车组制动系统的组成与功能

动车组制动系统的组成与功能高速列车的制动能量和速度的平方成正比，传统的纯空气制动已不能满足需要，因其制动能力由于以下因素而受到影响：制动热容量和机械制动部件磨耗寿命的限制摩擦材料的性能对粘着利用的局限性，以及对旅客乘坐舒适性的不利影响纯空气制动作用情况下，紧急制动距离不可避免的延长因此，高速列车必须采用能提供强大制动力并能更好利用粘着的复合制动系统；制动时电制动与空气制动联合作用，且以电制动为主。复合制动系统通常由电制动系统、空气制动系统、防滑装置、制动控制系统等组成，下面就这几部分分别加以介绍：电制动空气制动防滑装置制动控制系统电制动电制动是将列车的动能转变为电能后，再变成热能消耗掉或反馈回电网的制动方式，应用在200公里动车组上的主要有电阻制动和再生制动两种。电阻制动和再生制动都是让列车的动轮带动动力传动装置（牵引电动机），让其产生逆作用，消耗或回收列车动能，习惯上也称为动力制动。下面分别就这两种制动方式加以介绍：一、电阻制动（一）系统构成（二）工作原理司机室或ATC装置发出制动指令后，制动控制装置首先对列车运行速度进行判断。当速度大于25km/h时，制动主回路构成（PB转换器转为制动位置），然后制动接触器动作（B11闭合、P11打开、P13打开），随后依次是励磁削弱接触器打开、预励磁接触器投入，最后，断路器投入（L1闭合）。此时，由电枢绕组、励磁绕组和主电阻器构成电阻制动主回路，并使电流向增加原牵引时剩磁的方向流动，再由主电阻器最终将电枢转动发出的电能变为热能消散掉。二、再生制动（一）系统构成（二）工作原理与电阻制动相比，再生制动的主回路中没有了主电阻器。制动时回路中各部件的动作与电阻制动时一样，只是电枢转动产生的电能要回馈到电网。电制动具有摩擦部件少（仅有轴承）、维修工作量少、可以反复使用等优点，担负着动车组制动减速时的大部分能量。但由于增加了控制装置和制动电阻等设备，使重量增加；而且，如果条件不具备就不能产生制动作用（即电制动失效）。因此，为提高可靠性，高速动车组的制动控制系统具有在电制动系统不能正常工作时，自动切换到摩擦制动系统的功能。三、电制动的控制列车的电制动线是在制动控制器置于非常制动位或在ATC制动指令时得电。但在低速时电制动力下降，如列车中各车的电制动转换不一致，列车有可能因各车辆制动力不同而造成纵向冲动；所以，在列车速度降低到一定值时，要将电制动同时转为空气制动。空气制动系统虽然电制动可以提供强大的制动力，但目前空气制动对于高速动车组来说仍然不可或缺。这是因为：直流电机的制动力随着列车速度的降低而减少，如不采取其他制动方式，列车就不可能完全停下来。而交流电机虽然可通过改变转差来控制制动力的大小，理论上可使制动力不受列车速度的限制，但从高速到停止均能有效作用的、可靠的电制动装置尚处于研究阶段。如前所述，动车组空气制动系统一般采用电气指令的直通式电空制动装置。在本书中，我们将该装置分为压力空气供给系统、空气制动控制部分和基础制动装置三部分加以讲述。一、压力空气供给系统（一）空气压缩机空气压缩机按其压缩方法可分为往复式和旋转式两种。往复式空气压缩机由电动机通过联结器直接驱动，电动机轴直接带动曲轴使活塞动作，反复交替地进行吸气行程和压缩行程。在吸气行程时吸气阀打开吸入空气。在压缩行程时压缩空气克服排气阀弹簧的反力后排出。一般经2级压缩可得到所需的900kPa的压缩空气。旋转式空气压缩机采用电动机与压缩机直联的方式，旋转式空气压缩机又分为涡旋式和螺杆式两种。涡旋式空气压缩机是由固定涡旋盘和运动涡旋盘组成。当运动涡旋盘摆动时，固定涡旋盘和运动涡旋盘之间被分成月牙形空间，因为越向中心空间越小，所以从外部吸入的空气随着转动被压缩，然后克服安装在中心部排气阀弹簧的反力排出。因为旋转式压缩机能连续排出压缩空气，所以空压机的振动、噪声和输出压缩空气的脉动都较小。此外，由于固定涡旋盘和运动涡旋盘是非接触的，所以维修量也较少。（二）安全阀安全阀安装在空气压缩机输出之后的总风缸上，在空气压力超过规定值时排出过剩的压缩空气，以防损坏空气设备。（三）干燥装置干燥装置是为了防止管路、三室风缸及增压缸等气动部件腐蚀以及因冬季排水阀冻结而发生的设备故障，设置在空气压缩机输出管路上的装置。以前除湿使用的是吸附材料（铝硅酸盐），现在开始使用体积小、质量轻，且不需电源的高效高分子空丝膜式除湿装置。（四）三室风缸为贮存压缩空气，在动车组上设置了不同用途的风缸。在目前使用的车辆中，是将一个圆柱形风缸分割为总风缸、制动风缸和控制风缸3个空气室，以减轻质量。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存储压缩空气的风缸。在压缩空气供给系统中，由空气压缩机输出800-900kPa的压力空气，经该车的总风缸和总风管送到全列其它各车的总风缸。在装有空气压缩机的车辆的总风缸处，设有为排出设定压力值以上压缩空气的安全阀（设定值为950kPa）。在列车中设有多个空气压缩机时，由同步指令线来控制其同步工作，以使负荷平均化。二、空气制动控制部分（一）空气制动控制装置在较早的动车组中，各种空气制动控制装置是分别用管路连接起来的；而目前运用的各种动车组，其各种阀、塞门多采用单元化方式集中安装在铝合金安装板的前面，以减轻质量和减少维护、检修工作量。另外，为了检查的方便，在空气制动控制装置上还设置了测试口。（二）电空转换阀（EP阀）电空转换阀安装在空气控制装置内，它由电磁线圈和给排阀等零部件构成。当制动电子控制装置输出的空气制动指令量（电空转换阀电流）通过电磁线圈时就会产生与电流成比例的吸力，控制给排阀的开闭。通过电空转换阀的控制，可将最大900kPa的输入空气压力（SR压力）变成与电空转换阀电流成比例的输出压力空气（AC压力）。为防止在缓解时AC压力随电空转换阀温度的变化而变化，需要加偏流进行缓解补偿。另外，为补偿AC压力上升和下降时所产生的压力差（约30kPa），即使是对于相同的制动级别，也要供给不同的电空转换阀电流以保证输出正确的AC压力。（三）中继阀中继阀设在制动控制装置内，由给排阀杆、给排阀、复位弹簧等构成。它将电空转换阀输出的AC压力和紧急电磁阀输出的紧急制动压力作为控制压力，向增压缸提供与此控制压力相应的增压缸空气压力。在常用及非常制动指令时，从电空转换阀送来的AC压力进入AC室，在紧急制动时，从紧急电磁阀送来的紧急制动压力空气进入UB室。这些压力空气输入后，使给排阀杆上移，顶开给排阀，由于给排阀的开启使SR压力空气通过给排阀口变为增压缸空气压力（制动作用）。另外，增压缸压力空气还流入FB室产生反馈作用，当增压缸空气压力上升到与AC压力或紧急制动压力相同时，给排阀下移关闭阀口，SR压力空气停止向增压缸的流动（保压状态）。这时的增压缸空气不论AC压力或紧急制动压力多大均与之相同。反之，制动缓解时，AC压力或紧急制动压力降低导致给排阀杆下移，离开给排阀，增压缸压力空气从给排阀杆内部通路排入大气，呈缓解状态。（四）压力调整阀压力调整阀输入总风缸的压力空气，输出紧急制动用的压力空气（根据车辆的不同设置一种或两种压力值）或踏面清扫装置用的压力空气。它利用弹簧力和空气压力的差使膜板动作，进行空气压力调整。弹簧力大小可通过安装在调整阀下部的调整螺钉来调整。（五）电磁阀电磁阀由给排阀部和电磁阀部组成。它通过电磁阀部线圈的励磁、消磁（得电或失电）使可动铁心动作来开闭给排阀。电磁阀有ON型和OFF型两种。电磁阀的形式用奇数和偶数表示。ON型电磁阀（代号为奇数）在电磁阀励磁时输入口和输出口之间连通，同时排气口关闭；在消磁时输入孔关闭，同时输出口与排气口相通。OFF型电磁阀（代号为偶数）与ON型电磁阀各通路的通断情况完全相反。例如：在日本新干线动车组上，励磁后向踏面清扫装置输送压力空气，使增粘研磨快产生作用的“踏面清扫装置用电磁阀”是ON型（如VM13型）。而紧急回路用的电磁阀励磁时关闭输入口，消磁时使制动缸得到紧急制动压力作用的是OFF型电磁阀（如VM32型）。（六）截断塞门截断塞门是为了在需要时将压力空气截断或排出而串在连接三室风缸、空气制动控制装置及增压缸等装置的管路前、后的部件。（七）增压缸增压缸由空气缸、液压缸和防滑电磁阀等构成。用于将空气压力转换为一定倍率的较高的液压，从而得到所需的闸片压力。另外，增压缸上还装有访滑阀以及为解决由于访滑阀连续动作而产生不能制动问题的给排截断阀。（八）制动缸动车组上的制动缸多为液压制动缸，按基础制动装置的动作方式大致可分为杠杆式和夹钳式，而后者又可分为浮动型和对置型两种。液压制动缸的缸径和数量根据其结构和需要的制动力而定。（九）管路管路的作用是将空气压缩机输出的压缩空气送给三室风缸及制动装置等各种用风设备；各设备根据空气流量的大小，分别采用3/4英寸或3/8英寸的管路来输送压力空气。制动用压缩空气的流向为：空气压缩机→总风缸管→制动风缸→中继阀→增压缸。三、基础制动装置（一）夹钳装置现在的动车组一般不再使用传统的杠杆式传动装置，而是普遍使用夹钳式装置。该装置制动夹钳、支架和剪刀形的夹紧制动盘的本体组成，支架和本体之间用销轴联结。本体上设有稳定制动力和防止振动的防振橡胶，本体在销轴上可以滑动以满足轮对左、右运动的要求。另外，本体上还有间隙调整器。（二）制动盘制动盘结构形式见图2-3。按摩擦面的配置，制动盘可分为单摩擦面和双摩擦面两种。按盘本身的结构，可分为整体式和由两个“半圆盘”用螺栓组装而成的“对半式”，这种对半分开式便于制动盘磨耗到限时更换，不需退轮。按盘安装的位置可分为轴盘式和轮盘式，前者装在轴上，后者装在轮的两侧；动车组中的拖车一般采用轴盘式盘型制动装置，而动车采用轮盘式制动装置，因动车的车轴上要安装驱动装置，没有安装置动盘的位置。由于制动盘是一个既受力又受热的零部件，不宜用过盈配合直接装在轴上，所以轴盘式通常要采用锻钢盘毂作为车轴与制动盘之间的过渡零件，而且在摩擦盘螺栓连接处要加装弹性套。制动盘和盘毂之间采用多个径向弹性圆销实现浮动连接，受热时摩擦盘可以沿着径向弹性圆销完全自由地伸缩，以消除内应力。考虑到制动盘要有良好的散热性，在制动盘的中间部分设计许多散热筋片。这样，当车辆运行时，空气对流即达到散热作用。（三）制动闸片闸片的形状均呈月牙形或扇形（图2-4），也有对称分成两半的，其好处是容易拆卸，特别适用于闸片与轨面空间很小的条件。闸片上的散热槽有各种不同的形式，有横向槽、竖向槽和斜槽等，其作用都是增加摩擦面的贴合性，便于排除磨屑和散热。动车组中的空气制动系统是这样协同工作的：压缩空气由电动空气压缩机产生，经由贯通全列车的总风管送到各车的总风缸，再经两个单向阀分别送到控制风缸和制动风缸。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。电控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（当车辆设备发生故障时，经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）。在对增压缸空气压力进行控制时，用根据制动指令、速度和载重计算出的制动力减去电制动的反馈量后，得到实际需要的空气制动力。将此变换为电空转换阀（EP阀）的电流，由电空转换阀产生与其电流成比例的空气压力（AC压力），并将此压力作为中继阀的控制压力，通过中继阀产生增压缸空气压力（BC压力）（紧急制动时，从紧急用压力调整阀输出的控制压力，经紧急电磁阀通往中继阀，中继阀对电空转换阀和压力调整阀的空气压力进行比较，将二者中压力较大者作为增压缸空气压力输出）。中继阀输出的增压缸空气压力经由制动软管从车体送到转向架上增压缸的输入侧，在增压缸的输出侧就会产生比空气压力高且与空气压力成比例的液压，送给制动夹钳装置（液压制动缸），使其产生动作。防滑装置一、滑行和踏面擦伤滑行就是由于车轮被“抱死”，而导致转动速度急剧减小的现象；轮轨之间的滑动会延长制动距离并使踏面擦伤（磨平