（机械工程专业论文）160kmh快速铁路货车制动系统关键技术研究.pdf

摘要 摘要 铁路是我国最主要的交通运输方式之一，在我国的经济发展中起着不可替代的重要 作用，它所担负的客货运输任务十分繁重。为了完成这个艰巨的任务，列车的牵引重量 和运行速度都要不断提高，所以制动技术在铁路发展中越来越重要。自1 9 9 7 年以来， 铁道部对我国干线铁路先后进行了6 次大规模提速。列车速度的提高，是对制动技术最 为严格的挑战。 随着铁路向高速、重载方向发展，对制动系统的研究显得尤为重要。制动问题是随 着铁路而伴生的古老问题，其研究一直沿用传统的实验方法，一方面是由于空气制动系 统结构简单、易于实验；另一方面是由于早期的气体流动理论的局限，难于与空气制动 系统相结合。由于现在铁路高速、重载的需要，空气制动系统日益复杂，单纯依靠实验 手段难度不断增加，且耗资、费时，特别是实验中制动性能的离散性，促使人们开始转 向模拟研究。计算机运算能力的提高，为数学模型的解创造了条件，促进了制动系统模 拟研究的迅速发展。 本文通过对带有f 8 型空气控制阀的列车制动系统进行认真的研究和分析，应用f 8 阀列车制动系统仿真程序，计算出不同编组长度下，各种减压量的制动缓解和紧急制动 工况，并与试验数据对比，验证仿真程序的正确性，同时，利用该仿真程序预测1 6 0 k m h 快速货车使用f 8 阀的制动系统性能，紧急制动距离满足要求，常用制动及缓解作用正 常，证明f 8 阀能够满足快速货车要求，可以应用到快速货车制动系统中。 此外，本文对1 6 0 k m h 快速货车制动系统的空重车调整装置、基础制动装置、防滑 器等进行全面的分析计算，从理论和实际情况两方面考虑，提出该制动系统配置的最合 理方案。 关键词：铁路；制动；模拟仿真；f 8 阀；快速货车 大连交通大学i 丁学硕十学位论文 a b s t r a c t r a i l w a yi st h eo n eo fm o s ti m p o r t a n tt r a n s p o r t a t i o n so fo u rc o u n t r y ，i nt h ed e v e l o p m e n t o fo u rc o u n t r y se c o n o m y ，i tt a k e st h ei m p o r t a n tr o l eo ft h ef r e i g h ta n dp a s s e n g e r t r a n s p o r t a t i o n t oc o m p l e t et h i sd i f f i c u l t yt a s k ，t h et r a i n sp u l lw e i g h ta n dr u ns p e e da l w a y st o r i s e ，t h e r e f o r e ，b r a k et e c h n o l o g yi sb e i n gi m p o r t a n ti nr a i l w a yd e v e l o p m e n t s i n c e19 9 7 ，t h e m i n i s t r yo fr a i l w a yh a sr a i s e dt h er u ns p e e df o rs i xt i m e si nt h em a i nl i n e s t h er a i s i n go f t r a i ns p e e d ，i st h em o s ts t r i c tc h a l l e n g ef o rt h eb r a k et e c h n o l o g y a sr a i l w a yd e v e l o p st oh i g hs p e e da n dh e a v yh a u l ，t h er e s e a r c ho nb r a k i n gs y s t e mi s v e r yi m p o r t a n t b r a k ep r o b l e mi sa na n c i e n tp r o b l e ma l o n g 谢t l lr a i l w a y i t ss t u d i e sa l w a y s u s et h et r a d i t i o n a lm e t h o do fe x p e r i m e n t ，o nt h eo n eh a n d ，i ti sb e c a u s eo fa i rb r a k es y s t e m s s t r u c t u r es i m p l e ，i se a s yt ot e s t ；o nt h eo t h e rh a n d ，i ti sb e c a u s eo ft h el i m i t a t i o no fa i rf l o w d y n a m i c si ne a r l ys t a g e ，i sh a r dt oc o m b i n ew i t ha i rb r a k es y s t e m b e c a u s eo ft h er a i l w a y n e e dd e v e l o p st oh i g hs p e e da n dh e a v yh a u lf o rt h ep r e s e n t , a n da i rb r a k i n gs y s t e mb e c a m e m o r ec o m p l e x ，o n l yd e p e n do nu s i n gt h em e t h o do fe x p e r i m e n tm e a n sm o r ed i f f i c u l t y ，m o r e t i m ea n dm o n e yc o n s u m i n g ，e s p e c i a l l yd u et ot h ed i s c r e t eo fb r a k ec a p a b i l i t yi ne x p e r i m e n t ， m a k ep e o p l eb e g i nt oc h a n g er e s e a r c hd i r e c t i o nt os i m u l a t i o n t h er a i s i n go fc o m p u t e r o p e r a t i o n a la b i l i t y ，m a k et h ec o n d i t i o nt ow o r ko u tm a t h e m a t i c sm o d e l ，a n dp r o m o t et h e b r a k es y s t e mq u i c k l yd e v e l o p m e n to fs i m u l a t e dr e s e a r c h i nt h i sp a p e r ，t h r o u g ht h es t u d ya n da n a l y z es e r i o u sa b o u tt r a i nb r a k es y s t e m 诵lf 8 d i s t r i b u t i o nv a l v ea n da p p l yt h es i m u l a t i o ns o f t w a r ec a l c u l a t e das e r i e ss i m u l a t i o nr e s u l t s ， s u c ha sp e r f o r m a n c e ，e m e r g e n c ya n dr e l e a s es p e e d s ，a n dp r e s s u r ec u r v e s ，c o m p a r e d 、 ，i t l l e x p e r i m e n td a t a , v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f t h ep r o g r a m i nt h em e a n w h i l e ，u s et h i ss i m u l a t i o n p r o g r a mp r e d i c t e dt h e16 0 k m hr a p i df r e i g h tc a r ，d i s t a n c eo fe m e r g e n c yb r a k es a t i s f i e st h e r e q u i r e m e n t 1 a r g ea n ds m a l lp r e s s u r er e d u c t i o na n dr e l e a s ea r en o r m a l ，i tp r o v e dt h a tt h ef 8 v a l v ec a ns a t i s f yt h er e q u i r e m e n t sa n da p p l yt ot h eb r a k es y s t e mo ft h e16 0 k m hr a p i df r e i g h t c a r b e s i d e s ，t h i sp a p e rc a r r yo u to v e r a l la n a l y s i sf o rl o a de m p t ye q u i p m e n t ，b a s i cb r a k e e q u i p m e n ta n da n t i s k i dd e v i c ee t co ft h er a p i df r e i g h tc a l b r a k es y s t e m ，c o n s i d e r i n gt w o a s p e c t so ft h e o r e t i c a la n da c t u a lc o n d i t i o n , t h e nb r i n gf o r w a r dt h em o s tr e a s o n a b l ep r o j e c t a b o u ta u x i l i a r ye q u i p m e n to ft h er a p i df r e i g h tc a rb r a k es y s t e m k e yw o r d s ：r a i l w a y ；b r a k e ；s i m u l a t i o n ；f 8d i s t r i b u t i o nv a l v e ；r a p i df r e i g h tc a r 绪论 绪论 铁路是国民经济的大动脉，对我国经济的发展起着十分重要的作用。特别是近年来， 随着我国国民经济的持续、快速、稳定的发展，铁路管理和研究部门通过一系列的体制 改革、管理改革和技术革新，使我国的铁路事业取得了令人瞩目的成绩。 自1 9 9 7 年以来，铁道部对我国干线铁路先后进行了六次大规模的提速，效果非常 明显，提速战略使我国铁路焕发出了新的生机与活力。经过前五次大规模提速，铁路的 提速网络覆盖全国大部分地区和主要城市，特快列车最高时速从1 2 0 公里提高到 1 4 0 - 1 6 0 公里，广深线客车最高速度达到2 0 0 k m h ，秦沈客运专线试验列车创造了 3 2 1 5 k m h 时的新记录，从根本上扭转了我国铁路列车运行速度长期在低水平徘徊、不 适应市场需求的局面。2 0 0 7 年4 月1 8 日又进行了第六次大提速，范围覆盖1 7 个省市， 同时在京哈、京沪、京广、京九、陇海、浙赣、兰新、广深、胶济等干线展开。其中时 速1 2 0 公里及以上线路延展里程达到2 2 万公里，比第五次大提速时增加6 0 0 0 公里；时 速1 6 0 公里及以上提速线路延展里程达到1 4 万公里，分布在京哈、京沪、京广、京九、 武九、陇海、浙赣、兰新、广深、宣杭等干线；时速2 0 0 公里线路延展里程达到6 0 0 3 公里，分布在京哈、京沪、京广、陇海、武九、浙赣、胶济、广深等干线，其中京哈、 京广、京沪、胶济线部分区段时速达到2 5 0 公里。 货运方面，由于我国铁路运输形式属于客货混线，客车的大范围提速使得货车提速 成为必然，但是，由于货车转向架性能、制动装置性能、线路质量、管理调度等方面因 素的制约，铁路货物列车运行速度在全国范围内大提速的环境下，仍没有大幅度的提高， 为此，在2 0 0 0 年北京召开的重载运输委员会会议上，铁道部提出了“重载、密度、高 速”的货车发展方向，鼓励铁路工厂和相关研究机构试验研制高速货车转向架和制动系 统，以适应市场的需求，为铁路的进一步提速提供更大的空间。从长远来看，铁路运输 运力、运量的提高必将对我国铁路运输业的发展，乃至整个国民经济的发展起到十分重 要的带动作用。 随着全国铁路第六次大提速，我国铁路旅客列车的速度在主要干线已经提高到了 2 0 0 k m h ，现在正向3 0 0 k m h 的目标迈进。而货物列车的最高速度还停留在1 2 0 k m h ， 因而严重降低了铁路线路的使用率，制约了铁路的进一步提速，因此货运快捷化势在必 行。我国根据铁路货运提速的要求，应尽快开发1 6 0 k m h 货车，以消除铁路全面提速的 瓶颈，而1 6 0 k m h 快速货车需要解决的首要问题是列车制动问题。 大连交通大学工学硕十学位论文 铁路货车的最高运行速度提高到1 6 0 k m h ，对货车制动系统提出了更高的要求，这 是我国目前货车制动技术发展的重大课题。为此，铁道部立项“1 6 0 k m h 快速货车制动 系统的研究”。 制动系统配置选择的核心是空气控制阀的选择。本文通过应用f 8 型空气控制阀仿 真程序对f 8 阀进行计算分析，验证货车使用f 8 阀方案的可行性。 现有铁路货车主要使用1 2 0 型货车空气制动系统，1 2 0 阀是为重载列车而研制的， 制动缸充排气较慢，不能适应快速货车运行的需要。为适应快速货车的要求，研究人员 提出用客车阀的制动系统方案。 从经济和尽量使用通用件的角度考虑，有人提出快速货车使用f 8 阀，为了证实f 8 阀应用在快速货车上的可行性，通过仿真程序预测了装f 8 阀快速货车的制动系统性能。 货车使用客车阀时，列车管定压，列车主管、支管及阀体与各风缸相连管路的直径、长 度都发生较大变化，各参数变化后制动性能如何变化，只有通过试验台试验的方法予以 验证，目前还没有开展试验研究工作。本文的仿真程序可以很方便的解决这些问题，该 程序可在输入文件中改变管路长度、直径，风缸尺寸等参数，模拟计算出各种条件系统 制动特性。 国外已经认识到制动系统仿真研究的重要性，美国新罕布什尔大学与纽约空气制动 机公司、伊利诺斯工学院与美国铁路学会【l ，2 】，r 本铁道技术研究所1 3 。5 j 、印度工学院等 都相继开发了适合本国空气制动系统的模型1 6 。0 1 ，意大利使用模块化方法开发了可以组 装式的列车制动仿真系统j 。美国己成功地用模型预测了装a b d w 系列阀的空气制动 系统制动特性。日本用模型研究了列车管减压特性，得到了实验难于实现的有价值的结 论。印度不仅用模型预测了制动系统性能，还将模型应用于参数研究之中。 大连交通大学已经开发出适合装有1 2 0 阀的列车空气制动系纠1 2 , 1 3 】，可以模拟2 5 0 辆以内编组的各种列车制动系统特性，能够模拟最多由4 列车组成的组合列车制动系统 特性。能模拟紧急制动、各种减压量的常用制动、缓解、初充气及各种工况问的转换， 真实的模拟司机的连续操纵过程。同时开发了单阀试验台试验单阀过程仿真系统【1 4 1 ，开 发了10 4 阀列车空气制动系统和f 8 阀列车空气制动系统仿真软件【1 5 , 1 6 】。并且已经成功 的应用这些系统研究高原低气压对制动系统性能和调速能力的影响1 1 7 j ，紧急制动作用临 界长度研究【1 8 l ，高原低气压对单阀试验性能的影响【1 9 2 0 1 ，两种试验台试验标准对比研究 1 2 1 1 。此外，还利用列车仿真系统预测了组合列车制动性能。 最近中南大学和中国铁道科学研究院一起应用现代流体计算动力学数值计算方法， 以长大货物列车空气制动管系的充气特性作为研究对象，研究列车编组辆数( 长度) 、 列车管系组成( 弯管、塞门、软管、直径、材质) 、泄漏等因素对列车管充气压力的影 绪论 响和沿列车管长度方向的充气压力分布情况。还建立了长大货物列车空气制动管系与副 风缸结合的二维数值仿真模型，使用有限体积法及能量守恒方程等进行了数值仿真计 算。进而建立了长大货物列车空气制动管系的3 维充气特性模型田】，并将它应用到研究 万吨重载列车制动系统初充气性能当中。 仿真研究的优势显而易见，它不但能模拟实验工作，解决实验的费资、耗时等问题， 还能从整个空气制动系统角度研究参数变化的影响，并且克服实验条件随机性及阀性能 不一致产生的实验数据的离散性，而且对进一步了解制动机理及研究高速、重载列车新 型制动系统具有重要现实意义。此外，仿真研究对于合理确定制动系统灵敏度、研究漏 泄影响及制定评价制动系统性能的标准等也极具优势【l 捌。 本文研究的主要内容包括以下三方面： 1 通过对f 8 型列车制动系统进行认真的研究和分析，应用f 8 型空气控制阀仿真 程序，计算不同编组情况下，各种减压量的制动与缓解工况，分析f 8 阀在快速货车上 的制动系统能力。 2 对1 6 0 k m h 快速货车制动系统的其它配置( 如空重车调整装置、基础制动装置、 防滑器和手制动机等) 进行论证分析，作为选择该制动系统合理配置的理论依据。 3 对整个制动系统进行验证计算，并与2 0 0 4 年铁路主要技术政策中的规定进 行比较，验证该制动系统可以满足1 6 0 k m h 快速货车的需要。 3 大连交通大学工学硕七学位论文 第一章我国铁路制动技术的发展 1 1 车辆制动技术的发展 建国5 0 多年来，随着国民经济增长，铁路制动技术发展迅速。尤其是改革开放以 来，为适应重载、高速运输的需要，制动新技术的采用几乎遍及整个系统，微机控制等 高新技术的应用亦已起步，成绩显著【2 3 】。 1 1 1 解放初期我国铁路制动机概况 解放前，由于我国铁路机车车辆来自各帝国主义国家，制动装置亦必然十分繁杂， 一般是美国西屋空气制动系统的产品。蒸汽机车大多装备e t 6 型制动机；客车大多为 p m 型和l n 型制动机，东北和上海地区尚有少量日本国铁a v 型制动机；货车则以k 1 、 k 型制动机为主。当时尚有9 0 0 0 多辆车未装备空气制动机。经过整整5 年的整修和改 造，于1 9 5 6 年底基本己在全部车辆上装备了空气制动装置，并逐步淘汰了各种杂型阀。 1 1 2 引进国外新型制动机 解放初期，百废待兴，国内车辆生产能力不足，一部分专用车辆，如罐车和保温车 都依赖进口解决。因此，国外各种制动机随之进入国内。由于受当时国际环境的限制， 所有进入国内新型制动机均属u i c 系统的三压力机构。在列车中缓解过程特别长，必须 等待充气到接近定压时才能缓解完毕。而我国旧有制动机均属a a r 二压力系统。二者 混编共同工作时，动作上必然发生较大差异，造成列车操纵上极为困难。这些新杂型阀 于6 0 年代全部拆除改装g k 制动机。经验告诉我们，改进或新研制一种新型制动机时， 新旧混编是首要考虑的问题。 1 1 31 日阀改造工作 随着5 0 t 以上新造货车的投入运用，由于k 型阀缺乏空重车位，重车制动力严重不 足，改造k 2 、加装降压气室的方案旧事重提。设计中在旧方案基础上增添了紧急三阶 段上升性能，并在降压气室上增设了安全阀。试验结果表明，在一定程度上提高了制动 波速，达到了提高重车制动率的目的。并逐步在新造货车上全面推广，改名为g k 阀。 与当时研制成功的中磷闸瓦共同组成一套制动系统。应该承认，当时没有想到，它们能 在3 0 多年来货物列车制动中发挥了主力军的作用，实在是功不可没。 l 3 型三通阀的主要缺点是紧急制动性能不可靠，当车辆编组大于8 辆时，全列车 就不能正常传播紧急作用。四方车辆研究所、天津机车车辆机械厂在原l 3 阀基础上将 紧急部结构改为直接排大气式，同时对滑阀常用孔和紧急孔作了相应修改，提高了紧急 4 第一章我国铁路制动技术的发展 灵敏度和传播能力，改名为g l 3 型阀。1 9 6 6 年部进行鉴定，同意正式投产逐步取代原 l 3 阀。 p 2 型三通阀容易发生意外紧急，其原因主要由于棒形节制阀阻力过大，尤其冬季 时，三通阀油粘度增大，问题更为严重。1 9 6 3 年由齐厂统一修改图纸，将棒形节制阀改 为平面节制阀，问题得到解决。 1 1 4 自行研制新阀 6 0 年代初，由于货车电空阀缺乏推广条件而终止进行。铁道部指示铁道部科学研究 院与齐厂，以此为基础转搞空气制动。其技术要求为：( 1 ) - - 压力机构控制；( 2 ) 加装中继 阀以设空重位( 原要求手动、三级，后改二级) ；( 3 ) 常用和紧急分开设置；( 4 ) 采用s 型 橡胶膜板和滑阀结构；( 5 ) 紧急制动波速应在2 5 0 m s 以上。经过一系列试验和扩大考验。 测得各项性能基本符合条件但其紧急波速仅为2 3 0 m s ，未能达到设计要求。由于客观原 因，直到1 9 7 8 年才由铁道部组织鉴定，同意扩大装车，定名1 0 3 型空气分配阀。1 9 6 8 年，为了解决旅客列车不起紧急，铁道部指示在1 0 3 阀基础上研制客车阀，方案中取消 减速部，增加紧急增压作用。1 9 7 5 年由铁道部组织鉴定，决定在全路推广，定名1 0 4 型客气分配阀。 改革开放以来，货运量猛增，运量与运能矛盾日益突出，开行重载列车是解决矛盾 的好办法。大秦铁路预定开行万吨列车，1 0 3 阀不能满足需要。原拟引进的美国a b d w 或德国d b 6 0 阀，在室内试验中发现了很多问题，为此，铁道部决定终止引进工作。1 9 8 9 年起，重又由铁科院与眉山车辆厂研制新阀，目标为满足万吨重载列车制动要求。进而 开始设计新阀。 新阀设计中保留了1 0 3 阀原有优点，吸取了国外制动机的先进经验，全面调整了参 数。采用直接控制，以缩小风缸容积来适应重载列车要求。在原紧急部增设先导阀以提 高紧急波速。新设置加速缓解阀和11 l 风缸达到加速缓解目的，效果明显。又新设置了 半自动缓解阀以方便使用。为适应今后压力保持操纵，新阀滑阀上增设呼吸孔，作为技 术储备。考虑空重车调整，根据运用要求，另外在阀外配置。试验结果令人满意，各项 指标达到了8 0 年代国外先进制动机水平。1 9 9 3 年通过铁道部鉴定，决定在全路推广。 1 9 9 4 年起在新造货车上全面安装，旧车每年也以一定数量改造。1 9 5 4 年制动会议目标 至此才得以实现，定名为1 2 0 型空气控制阀。 客车g l 3 阀制动灵敏度低，操纵灵活性差，2 0 辆编组时列车纵向冲动太大。1 9 7 9 年开始，由四方所与天津厂研制新型客车阀。设计中取消金属涨圈和滑阀主控部采用二 三压力机构，以盖板转换。试验结果表明达到了美国2 6 c 阀水平( 旧型) ，并能与1 0 4 5 大连交通大学t 学硕十学位论文 阀、g l 阀混编应用。1 9 8 9 年由铁道部组织鉴定，并在广州局部分客车扩大装车，定名 f 8 型空气分配阀。 1 1 5 电空制动技术的发展 ( 1 ) 直通式电空制动 1 9 5 8 年太原铁路局首次搞出我国第一台电空阀样机。接着形成大搞电空的活动，1 2 月在铁科院对创造的13 种电空制动机进行试验、评审和方案优选，并组织全路分机、 客、货3 组分别设计试验。这一时期，电空制动基本上是采用苏联双线直通式电空制式， 电路中设有检查回路，当主电路发生故障时能自动报警并自动转换成空气制动。空气制 动作为备用。试验结果表明：客车电空制动机波速快，制动距离缩短约7 8 ，减小 冲动，操纵灵活，舒适性好。 ( 2 ) 自动式电空制动 1 9 8 5 年在北京召开了专家论证会，考虑到混编性能，决定采用自动式电空制动制式。 设计中采用单管五线式，车辆电空制动机由1 0 4 阀和3 个电磁阀组成，另设有加速缓解 风缸；机车上则装备电空控制器、继电器，转换塞门使空、电能自动转换。由于1 0 4 阀 是一次缓解型阀，在实现电操纵阶段缓解时必须用一个电磁阀控制它的排气口。因此， 紧急制动时仅能由空气阀起作用。 ( 3 ) 高速动车组和轻轨车辆的电空控制技术的研究 为了适应发展高速运输的需要，6 0 年代以来，国外纷纷大力发展了直通式电空制动 系统。经历了数字式、模拟式，目前，已进入微机控制阶段。我国在这一方面的研究工 作也早在北京地铁初建时期就开始进行。经过早期的l 3 电空、数字式直通电空机在北 京地铁多年运用实践，积累了丰富的经验。因此，在当前我国时速2 0 0 k m - - - - 3 0 0 k m 的高 速动车组研制中，无论是动力集中式动车组还是动力分布式动车组，均考虑了微机控制 的直通式电空制动加上备用自动空气的方案。 1 2 基础制动装置的发展 1 2 1 闸瓦的发展 闸瓦是摩擦式制动机的执行构件和转换能量的一个重要部件。闸瓦和车轮间摩擦因 子直接影响制动力大小和制动距离的长短，而摩擦因子又取决于闸瓦的材质。铁科院于 1 9 5 8 年起就着手闸瓦材质的研究。开始选用含磷量为1 9 6 的闸瓦，试验表明闸瓦摩擦 因子随着含磷量增加而增大，但脆性也随之增大，易发生脆裂折断，必须增加钢背。这 样又增大了它的成本，使其价格太高，不易于推广。为减少工作量，最后决定采用含磷 6 第一章我国铁路制动技术盼发展 量为0 7 1 o 的闸瓦，定名中磷铸铁闸瓦。它的摩擦因子比灰铁瓦约提高2 0 - - - 2 5 ； 耐磨性约提高5 0 。1 9 6 0 年由铁道部组织鉴定，全路推广使用。 合成闸瓦的研制也在6 0 年代开始起步，配方大都以石棉、树脂为主，加上其它添 加剂组成。由有关各厂自搞配方在各局进行试验。试用中发现有闸瓦通风槽及钢背孔发 生裂纹、金属镶嵌问题等。 为解决中磷闸瓦由于坡地道区制动时承担制动功率过大而产生大量火花，在车辆上 加装了防火板，仍不能解决问题。进一步又研制了含磷量为1 8 2 5 的铸铁闸瓦， 结果表明，高磷铸铁闸瓦具有摩擦因子稳定、火花少、耐磨性高又能与中磷瓦互换使用 等优点。但是，它易于产生横向毛细裂纹，质脆易裂，故决定增加钢背以补强。1 9 8 9 年后在客货车上全面推广。 1 9 8 0 年，铁道部颁发了铁路高摩擦系数合成闸瓦暂行技术条件。2 0 0 2 年，铁 道部又颁发了铁路货车高摩擦系数合成闸瓦技术条件( 暂行) 。2 0 0 4 年，齐厂与浙 江省三门哈达摩擦材料厂研制出新型高摩合成闸瓦，通过试验台的试验和一年多的运用 考验，表明该新型闸瓦具有摩擦系数稳定、车轮踏面温升低、使用寿命长等特点，并能 很好的避免金属镶嵌的产生，可有效地降低车轮热损伤及车轮的机械划伤问题。 1 2 2 盘形制动装置的发展 我国盘形制动起步于1 9 5 8 年，由四方厂、铁科院、四方所等单位合作，研制了低 重心轻快列车和双层客车各1 列，这是我国铁路列车上第一次安装盘形制动，早期盘形 制动装置，由于在试用中发现热应力未能很好解决，摩擦性能未能充分研究，盘与闸片 材质缺乏选择，制动缸密封不良，周圈螺栓数量过多，检修不便等问题而终止使用。 8 0 年代初期，铁科院1 ：1 试验台建成，为研制盘形制动提供了研究手段，加快了 研制进程。在早期研制的基础上，吸取了国外成功的经验，全面突破了旧有模式。在1 9 8 6 年研制的2 5 5 m 全空调双层客车设计中采用了全新技术的盘形制动装置。由于采用了弹 性连接盘毂结构，解决了长期存在的热应力问题，选择了h 3 0 0 特种合金铸铁盘和h z 4 0 8 合成闸片作为摩擦副，获得了良好摩擦性能和耐磨性，而且还耐热裂。设计中还采用了 相应配套的s p 2 带间隙调整的制动单元和自动空重车调整装置。这套制动系统的研制成 功为开行准高速列车和提速客车奠定了基础。h 3 0 0 制动盘和准高速客车上装用的5 4 4 5 合成闸片配套满足了1 6 0 k m h 列车制动的要求。 9 0 年代开始对时速2 0 0 k m - - 一3 0 0 k m 的高速动车进行研制，进一步试验了t d l 与m d l 型特种镍铬钼钒合金钢盘、m - 2 5 0 与t - 2 5 0 型粉末冶金闸片，设计中改进了制动盘结构 型式，已取得了可喜的成果。部分高速机车上还装备了粉末冶金闸瓦的单元制动。 7 大连交通大学t 学硕十学位论文 1 2 3 闸瓦间隙自动调整器的发展 在车辆制动过程中，闸瓦不断磨耗，导致制动缸活塞行程不断增长。制动缸活塞行 程是有一定限制的：过短时，制动缸压力太高，擦伤车轮：过长，则制动缸压力太弱， 直接威胁行车安全。过去，我国货车上一贯是人工调整闸瓦间隙，给现场检修运用人员 带来沉重负担。因此，7 0 年代后期研制了双向闸瓦间隙自动调整器。1 9 8 2 年由铁道部 组织鉴定后在全路货车推广，定名s t l - 6 0 0 型闸调器。推广初期采用推杆式安装方式， 运用中发现，当传动比大于1 时，推杆弯曲变形较大，影响使用：后改用杠杆式。齐厂 改进设计，减轻重量，并缩小调整量为2 5 0 m m ，1 9 8 8 年起推广运用，改称s t 2 2 5 0 型闸 调器。 1 2 ，4 空重车自动调整装置的发展 a a r 系统主要有s c - 1 型和e l - 6 0 型两级空重车自动调整装置，并在从r 系统得到了 很好的应用。我国空重车调整装置经历了手动调整、两级自动调整和无级自动调整三个 过程，代表产品有g k 型制动机和1 0 3 型制动机的手动两级调整装置、c k - 1 型两级空重 车自动调整装置和k z w a 型无级空重车自动调整装置，并在各历史时期发挥了重要作用。 1 2 5 防滑装置的发展 6 0 年代，广州铁路局一些高速客车上曾装用过机械式防滑器，但运用中发现一些问 题而终止使用。微机控制电子防滑装置的研制在9 0 年代起步，1 9 9 3 年铁科院试制样机 开始在双层客车上试用，获得了令人满意的结果。1 9 9 4 年，正式装车运用。1 9 9 8 年由 铁道部组织鉴定，定名为t f x - 1 型防滑装置。1 9 9 6 年起在三大干线提速客车上批量推广。 为适应更高速度客车需要，在t f x 一2 型防滑装置上又改进了设计，并采用无源电磁式速 度传感器、频率响应为5 0 m s 的高速防滑排风阀等新组件。 本章小结 本章主要介绍了我国车辆制动技术和基础制动装置的发展，着重说明了制动机的发 展历程，并描述了闸瓦、盘形制动装置、闸瓦间隙自动调整器、空重车自动调整装置和 防滑装置的发展。 8 第二章仿真系统的空气流动理论 第二章仿真系统的空气流动理论 制动系统设计与研究一直沿用传统的试验方法，这一方面是由于早期的制动系统结 构简单、易于实验，另一方面是由于计算手段的落后及气体流动理论与空气制动系统结 合具有相当的难度，限制了制动系统模拟的发展。随着列车运行速度的提高及列车重载 化的需要，列车制动系统日益复杂，单纯依赖试验手段难度不断增加，并且实验方法耗 资、费时，特别是试验中制动性能的离散性很难得出具有规律性的结论，促使人们转向 计算机模拟研究。 列车制动是依靠压力流动( 压力变化) 实现制动与缓解，其过程是一动态过程。 因此，制动系统真正意义上的仿真是制动系统性能仿真，而不是阀内动作过程的动画演 示或者某种压力变化的经验公式。只有性能仿真才能够预测制动系统性能，分析参数影 响，为更好的设计制动系统提供分析手段。其用处也更加广泛，更具有实际意义。 因为制动系统是靠压力空气的压力变化和制动阀的原理来实现制动和缓解，因此， 制动系统性能仿真核心包括气体流动的计算和阀内移动部件位置计算两部分内容。 气体流动计算是根据气体动力学原理，利用计算机技术，通过求解列车制动系统内 气体流动瞬态方程获得列车制动系统在制动与缓解过程中气体流动状态的动态过程。在 制动系统中主要由管路，管路接头，管路与缸的连接，管路喷口等结构，气体在其内部 流动时，将有不同的流动方程，以下介绍相关理论与方程。 在推导管路内气体流动基本方程时，特做如下假定： 1 管路轴向几何尺寸比径向尺寸大得多，管道内轴向流动效应比横向流动效应要 大得多。从而可以认为管道内流动是一维的，对于每个流量参量，可以理解为该参量在 相应管道截面上的平均值。 2 管路内流动参量随时间变化非常剧烈，故认为管道内流动是非定常的。每个流 动参量不仅是长度坐标的函数，同时也是时间的函数。 3 气体流经的管道，截面积变化比较缓慢，并且认为管壁是刚性的。 4 气体流动过程中，需要考虑管壁的摩擦和管壁与气体间的热量交换，并把它看 作是一维模型。流动过程是非等熵的。 5 管内流体认为是完全气体，并不计重力。 根据以上5 条假设，可以从质量守恒、动量守恒和能量守恒定律出发，推导出非等 熵不定常流动基本方程，结合边界条件方程，就可以利用计算机计算出气体流动各参量 变化规律。 9 大连交通人学工学硕十学位论文 2 1 气体流动基本方程 管路内气体流动是空气制动系统的核心，仿真程序中主要包含细长管内气体流动计 算，缸内气体状态计算及多种气体流动边界条件计算。根据直径远小于管长度，忽略气 体状态沿管路径向流动的差异，在计算中包含气体流动时与管内壁的摩擦，故可假设管 内气体流动为一维、有摩擦、不等熵非稳定流动。根据气体流动连续方程、动量守恒方 程和能量守恒方程，推导出用气体状态参数如流速、压力、温度、密度等描述的气体流 动方程。方程组如( 2 1 ) 所示： 至+ p 塑+ 甜望+ 丝一d f ：0 二+ p + 甜二+ l 2 8 tl 融瓠fd x 丝+ 塑+ ! 望+ g ：o+ + 一二+ u = u 现 o x p0 x ( 罢+ 材譬) 一口2 ( 粤+ 扰罢) 一( 七一1 ) p ( q + u g ) ：0 、a叙7、西缸7 、 ( 2 1 ) 其中g = 厂了u 2 丽u 五4 式中p ，“，p ，口，k ，d ，f ，q ，x ，f ，分别为流体密度，流速，管路截面积，压力，摩擦系 数，水利直径，声速，比热比及单位时间流向单位质量气体的热量。 2 2 特征方程 方程组( 2 1 ) 是偏微分方程组，无法求得解析解，需借助于具有高速计算能力的计 算机求出数值解。本文通过特征线方法求解( 2 1 ) 式偏微分方程组，利用特征线方法求 解方程数值解的过程如下：首先在三个特征方向_ d x ：甜+ 口，_ d x ：“一口，_ d x ： 上将偏 d t饿斑 微分方程转化为常微分方程组( 2 2 ) ，利用当前气体状态和气体流动依赖区大小，求出当 前时刻最大时间步长，在求得经过最大时间步长后气体状态，循环往复，直到指定的计 算终止时间为止。方程( 2 2 ) 女1 1 下： 以= 罢地k - ia u d f 记+ ( k - 2 1 ) 2q 山x q 彳1d z 一一k - i a 2fd x2 鱼du 2 甜u ，一) 旦a 卜 。 。 2 口耐彳l | i 、7 i 卵= 罢地一丁k - i 了a u 面d f 犯- ( k - 2 1 ) 2q 口x ，蟛, 么id z + 一k - i 2 f x i a 2du 2 尚 1 + 一1 ) 旦a 忽( 2 2 ) 42 ，趔 2 口耐么l l 、7 l 如竿参陪+ 等川3 d z 式中，以、u 、z 、x 分别为无量纲熵、无量纲流速、无量纲时间和无量纲长度。 l o 第二章仿真系统的空气流动理论 缸内气体状态假定为滞止状态，既气体在缸内没有流动，主要考虑到尽管缸内有气 体流入流出，但是每次流入流出量和缸内气体相比很小，故假设缸内气体为滞止状态 1 4 - 2 2 o 2 3 在计算机上的求解方法 为了求解管路内气体的黎曼变数九、p 和以，将管路沿长度方向划分成许多网格， 每个网格初始状态的黎曼变量九、p 和以可以求得。以下说明如何利用z 时刻网格点上 的流动参量九、d 和彳。计算z + a z 时刻网格点的流动参量。 假设管路内流动是亚音速正向流动，在z 时刻，网格点卜1 ，r ，r + 1 上的参量九、b 和以已知。在z - x 平面上通过p 点作3 族特征线，它们与z 时刻的网格线分别交于w 、 s 、t 三点，如图2 1 所示。 l 形 。 一i 声 ： ，| r - 1 。wr ， s。件1 图2 1 内插法计算图( u o ) f i g 2 1t h ec a l c u l a t i o np i c t u r eo fi n t e r p o l a t i o nm e t h o d ( u o ) 根据特征线斜率特点，利用网格点上z 时刻的参数值用线性插值方法计算w 、s 、 t 点的九、d 、a 。值，根据特征方程( 2 2 ) 1 , - - 算增量，再利用式( 2 3 ) 计算p 点参数值。同 样的方法可以求得管路所有非边界网格点z + z 时刻的状态参量。 九p = 九。+ d 九 以= 殷+ 即 ( 2 3 ) a 印= 以7 + 幽。 以上过程解释了在初始状态已知的情况下，通过循环往复的计算可以求得整个制动 过程中的管路内气体流动状态。 对于边界节点，利用上述方法不能得到全部参量，需要引入边界方程。本模型中的 边界方程有管路分支边界、管路部分开口端边界、管路与缸连接边界、通过阻力接头的 管路边界等。 大连交通大学工学硕士学位论文 以上计算方法适用于管路内部计算，当计算点处于管路边界时，上述方程不能够求 解出所有黎曼变量，只有引入边界方程后才能求出全部边界点黎曼变数。 2 4 边界条件 边界条件中包括部分开口端边界( 主要用于模拟管路气体排入大气) 、管路与缸连 接边界( 用于模拟缸与管相连) 、多分支边界( 模拟多管相连，如3 通等) 。在列车制 动系统性能仿真程序中，共有5 种边界条件，它们是： ( 1 ) 封闭端边界：封闭端就是管路的端部具有封闭的埠，这种边界主要仿真列车最 后一辆车管路尾部，该管端部不再与其它车辆相连。有关门车时，关门车支管和f 8 阀 连接处也是封闭端。 ( 2 ) 部分开口端边界：当管路端部有一个小孑l 与外界连通时，该小孔面积控制管路 内气体流入流出量。这种边界条件用于模拟机车自动制动阀排气口和管路内气体向大容 积的缸充气过程。 ( 3 ) 管路多分支边界：这种边界是多根管路相交于一点，模型中就是用于处理主管 和支管相连接情况。 ( 4 ) 管内阻力边界：这种边界是管路面积不变，但是管路内有限制气体流动的阻力 模型，主要用于软管连接器模型。 ( 5 ) 缸与管连接边界条件：用于实现制动缸、副风缸、工作风缸、附加风缸、主阀 上腔、中腔、下腔与对应管路的连接。制动缸、副风缸、工作风缸、辅助室、主阀上中 下腔、局减室作为具有容积的气缸模型化，缸内气体状态由热力学第一定律计算。 本章小结 本章主要介绍了气体流动的基本方程及相关假设条件，描述了气体流动基本方程， 推导出便于计算机运算的特征方程，简单介绍了在计算机上的求解方法，并给出了求解 特征方程仿真程序中的5 种边界条件。 1 2 第三章f 8 犁空气分配阀及仿真程序 第三章f 8 型空气分配阀及仿真程序 为适应旅客列车扩编和开行准高速列车的需要，四方车辆研究所与天津机车车辆机 械厂共同研制了“f 8 型空气分配阀( 以下简称f 8 分配阀或f 8 阀) ，并于1 9 8 9 年通 过铁道部鉴定，列入推广项目。由于其结构、性能、检修工艺等方面均较我国原有的客 车空气分配阀有较大地改进和提高，投入运用以来，受到用户的欢迎。 f 8 阀可以与国内客车任何型号的三通阀、分配阀无条件混编。当以专列编组时，可 以编组至2 5 辆，而使用阶段缓解性能后，可使司机操纵更加方便、安全。 另外，f 8 阀是根据我国国情，并吸收外国的先进经验而设计制造的，其结构与我国 内燃机车主型制动机j z 一7 型制动机相近，许多零部件均可与之互换使用。 f 8 阀也是目前国内最接近u i c ( 国际铁路联盟) 标准的分配阀，近年来已随车出口 到伊朗和缅甸等国家。 将来对于列车编组较短的快运货车( 列车长度约为6 0 0 m 左右) ，f 8 型空气分配阀 可增加客货转换位，也可考虑使用。 3 1f 8 型空气分配阀的特点 3 1 1f 8 阀原理上的特点“ f 8 阀采用二一三压力机构作用原理，即主阀是三压力机构( 列车管、工作风缸、 制动缸三压力平衡) ；辅助阀是二压力机构( 列车管和辅助室压力平衡) 。由于主阀是 三压力机构，所以具有良好的阶段缓解作用。但在缓解时，需等待列车管压力充到接近 工作风缸压力时，制动缸压力才能降到零，所以缓解时间较长。这与二压力分配阀有较 大差距。为解决这个问题，辅助阀设计成二压力作用机构，并且具有加速缓解作用。主 阀和辅助阀的相互配合，使该分配阀即具有三压力分配阀的阶段制动、阶段缓解、自动 补风等特点，又具有二压力分配阀的轻易缓解的特点。 3 1 2f 8 阀结构上的特点 f 8 阀采用橡胶膜板和柱塞止阀结构，取消了传统的胀圈、滑阀结构，简化了检修 工艺，延长了使用周期，提高了作用的可靠性。 3 1 3f 8 阀性能上的特点 ( 1 ) 具有良好的制动、缓解特性。 ( 2 ) 具有良好的阶段缓解特性，并有阶段缓解与一次缓解的转换作用，适用范围广， 提高了列车操纵的灵活性。 大连交通大学工学硕士学位论文 ( 3 ) 具有自动补风性能。当列车施行制动保压后，制动缸一旦漏泄，可以自动补风， 使制动缸压力保持不衰减。 ( 4 ) 制动缸最高压力可根据需要在一定范围( 如3 8 0 - - - 4 8 0 k p a ) 内调定。同时制动缸 压力与制动缸活塞行程无关。 ( 5 ) 具有较好的