本科生毕业论文(动车制动)

1、华东交通大学学士学位论文  动车制动控制设计姓名：刘作雳申请学位级别：学士专业：电气工程及自动化指导教师：章颉20110412中文摘要随着铁路第六次大面积提速，时速200公里及以上动车组大量投入使用，成为我国高速客运的主力车型。铁路交通的蓬勃发展使我国对铁路机车车辆专业人才的需求大大增加。动车组网络控制系统实验平台正是在这种形势下提出创建的，目的是培养高素质的面向铁路和机电行业测控专业技术人才，加深铁路相关专业学生对动车组理论与概念的直观理解，增强学生的实践动手能力。本文论述了动车组网络控制系统实验平台中制动实验系统的组成以及各项功能的实现方法。本实验系统以西门子S7200

2、系列PLC作为控制中心，在安装有监 控软件WinCC的上位机PC的控制下，根据制动理论实现再生制动和空气制动的实验过程。论文的主要工作有：(1)分析动车组制动系统的特点，提出制动实验系统的组成和再生制动、空气制动等各项功能的实现方法；(2)参考现有动车组牵引、制动计算的教材和资料，系统地研究整理出动车组制动计算公式，包括空气制动力计算公式、再生制动力计算公式以及制动距离计算公式等；(3)搭建以PLC为核心的制动控制单元硬件电路，通过在上位机控制下完成相应动作来实现制动实验过程；(4)通过上位机监控系统实现了在制动实验系统中设定动车组初、末速等制动参数，制动计算，查看制动模式曲线，查看制动力分配

3、，制动信息归档等功能；(5)分析系统在工作中可能遇到的干扰，提出相应的抗干扰措施。本论文完成了以CRH2动车组为参考的制动实验系统的设计和调试工作。经实验验证，基本实现了系统预期功能。本实验系统具有良好的实践及教学意义，可以指导铁路相关专业学生直观地掌握动车组制动相关理论和原理，提高学习效率，为培养高素质人才提供了有利的实验条件。关键词：动车组；实验：制动系统；制动控制ABSTRACTAlong with the sixth largescale speedup of railways，a big number of EMU wereput into use at a speed of 200

4、kmh and aboveEMU have become the leading train typein passenger transportation of 0111"countryFlourishing development of railway trafficcreated great demand for talents who major in railway locomotives and vehiclesIn suchsituation,the idea of establishing an experimental platform of EMU network

5、 controlsystem is brought forward，with the purpose to cultivate highquality talents of railwayand measurement major, well as deepen understanding in EMU theories and concepts，and enhance practical and operating ability of students in related majorBraking experiment system is one part of the experime

6、ntal platform of EMUnetwork control system Compositions and realization methods of the brakingexperiment system is discussed in this paperThe Siemens S7-200 series PLC is takenas the control center of the system，and the regenerativebrakingandpneumatic brakingexperiments are realized according to bra

7、king theories under the control ofupper-computer with WinCC installed onMajor works ofthe paper are"(1)According to analysis on features of EMU，put forward compositions andrealization methods of each function like regenerative braking and pneumatic brakingofthe braking experiment system；(2)With

8、 the reference of data available，study and sort out EMU braking formulassystematically,including pneumatic braking force formulas，regenerating braking forceformulas and braking distance formulas；(3)Taking PLC as the core，put up hardware circuit of BCU and realize desiredbraking functions under the c

9、ontrol of upper-computer；(4)Monitoring and control system in upper-computer call realize followingfunctions：initial speed setting，final speed setting,braking calculation，braking modecurve checking，braking force distribution checking and braking information archiving；(5)Analysis possible interference

10、 in systematic operation and put forwardantiinterference measures accordinglyDesign and debugging of thbrakingexperimentsystem is accomplished in thepaper based on the principle of CRH2 EMUVerified by experiment，the system 1s ableto implement intended functions basicallyThe experiment system possess

11、es practicaland instructional significance，and could enable students of related railway major tomaster braking theories and principle of EMU visually as well as improve learningefficiency,thus provide favorable experimental conditions for cultivating highqualitytalentsKEYWORDS：EMU；Experiment；Braking

12、 System；Braking Control独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编

13、以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘.学位论文作者签名： 导师签名：签字13期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日致谢本论文的工作是在我的导师章颉老师的悉心指导下完成的。章颉老师渊博的专业知识，严谨的治学态度，科学的工作方法和诲人不倦的高尚师德给了我极大的帮助和影响。不仅使我树立了远大的学术目标、掌握了基本的研究方法，还使我明白了许多待人接物和为人处世的道理。本论文从选题到完成，每一步都是在导师的指导下完成的，倾注了导师大量的心血。在此，谨向导师表示崇高的敬意和衷心的感谢!本论文的顺利完成，离不开各位老师、同学和朋友的关心和帮助。在此感谢章颉老师和甘老师对我的论

14、文提出的宝贵的意见以及在我的学习和生活上给予我的关心；感谢各同学在我毕业设计和论文撰写过程中提出的中肯的意见，在此向大家表示衷心的感谢。 另外感谢我的家人，他们无私的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业.11选题背景及意义1绪论 当前，测控专业实验设备老化和短缺的问题已经非常突出，很多实验的设置，尤其是一些重要的专业主修课程和专业特色课程的实验(如动车组传动与控制、动车组牵引与控制等)，未能将基本理论和公式用形象的实验来描述，既没有满足素质教育的要求，也没有体现研究型大学的教学特色，特别是无铁路特色，直接原因是实验设备的不足。另外，3+1专业已经开始培养学生，铁路机车车辆专业已经招生，马上

15、面临专业实验，实验建设已经迫在眉睫。因此动车组网络控制平台的建设是非常必要的。动车组网络控制平台以CRH2型动车组为参考，构建基于列车总线(WTB)和车辆总线(MVB)的网络平台，能够实现时速200公里动车组的基本网络控制功能，包括牵引控制、制动控制、车门控制、驾驶台控制等。如图11所示。图卜1动车组网络控制平台总体结构图Fig1-1 Structural Diagram ofEMU Network Control Platform通过该实验平台可以实现基于总线的网络控制实验，也可以实现单独的各子系统的功能实验。能够达到使学生了解动车组网络控制系统结构和工作原理，理解牵引控制、制动控制、车门控

16、制以及驾驶台控制等子系统的工作原理，掌握控制系统的设计技术，最终实现能够应用的目的。本论文主要阐述动车组网络控制平台中制动实验系统的组成和控制方法。12国内外动车组技术发展现状.自从1825年世界上第一条铁路建成并通车开始，铁路逐渐成为了交通运输中的重要运输方式之一。快速、可靠、舒适、经济和环保是铁路在与其他运输方式的竞争中取胜的先决条件，许多国家都在通过新建或改建既有线发展高速铁路。国际上一般认为，高速铁路动车组是最高运行时速在200公里以上的铁路运输系统。所谓动车组就是由若干动力车和拖车或全部由动力车长期固定连挂在一起组成的车组。高速动车组的牵引动力配置基本上有两种型式，即集中配置型和分散

17、配置型。传统的机车牵引形式就是牵引动力集中配置，列车由一台或几台机车集中于一端牵引。由于机车总功率受到限制，难以满足进一步提高速度的要求。动车组编组中的车辆全部为动力车，或大部分为动力车，即牵引动力分散配置。由于动车组可以根据某条线路的客流量变化进行灵活编组，可以实现高密度小编组发车以及具有安全性能好、运量大、往返不需掉转车头、污染小、节能、自带动力等优点，受到国内外市场的青睐，应用也越来越广泛，被称为铁路旅客运输的生力军。121 国外动车组发展状况. 世界高速铁路动车组技术最发达的国家有3个：德国、日本和法国。各国使用动车的比重以日本为最大，占87；荷兰、英国次之，分别占83和61；法国、德

18、国又次之，分别占22和12。德国铁路自20世纪80年代起开始发展250kmh以上的高速客运列车。1985年，Siemens公司与Adtranz公司联合开发的高速动车组ICEN开始投入运行，设计最高速度为350kmh，并在试运行阶段创下了4069kmh的德国最高试验速度记录。德国铁路高速动车组的发展及主要技术特征见表11。 表1-1德国高速动车组日本高速列车全部采用电动车组的形式。从1964年10月1日起至今，日本的高速列车已走过了40年的发展历史，从0系高速列车开始，相继研制开发了loo系、100N系、200系、E1系、400系、300系、500系、E2系和700系等高速列车。日本高速列车的发

19、展及主要技术特征见表12。表12日本高速动车组表12日本高速动车组 续上从法国第一条高速铁路TGV东南线全线通车至今已有20多年了，这一期间，法国高速铁路获得了前所未有的飞跃发展，1999年已拥有高速铁路新线1280km，2001年地中海高速线开通。法国高速铁路新线里程已达1576km，高速列车TGV可以提供服务的路网范围达5900km。部分高速列车技术特征见表13。表13法国高速列车122我国动车组技术的发展现状。我国铁路第六次大提速上线运行的动车组名称为“和谐号”，原名CRH系列。CRH是China Railway Highspeed(中国铁路高速)的缩写，目前有CRHlCRH5几种型号，

20、分别从日本、德国、法国等国引进先进技术，并消化吸收及国产化，成为“具有我国自主知识产权”的动车组产品系列。其中，CRHl、2、5均为200公里级别(营运速度200kmh，最高速度250kmh)。CRH3为300公里级别(营运速度330kmh，最高速度380kmh)。CRH2具有提升至300kmh级别的能力。本论文以CRH2型动车组为参考原型进行论述。CRH2型电动车组是铁道部为铁路进行第六次提速向日本川崎重工订购的高速列车车款之一。它以日本新干线的E21000系电动车组为基础，是继台湾高铁的700T之后，第二款出口国外的新干线列车。供中国使用的CRH2虽使用与E21000相同的电动机，由于其编

21、组方式是4M4T(4辆动车4辆拖车)，动力比日本6M2T(6辆动车2辆拖车)编组的E2系小，因此在营运速度方面会比日本本土的E2系有所下调，运营时速为200kmh左右。CRH2型动车组为动力分散型，列车由8节车编组，其中有4个车带动力。每节带动力的车都有4个牵引电机，单机功率为300千瓦以上，整列车的牵引功率达到4800千瓦以上，动力配置均衡合理，完全满足高速运行要求。13动车组制动技术。制动装置是保证列车安全运行所必需的装置，因此高速动车组对制动技术提出了严峻的挑战。动车组的动能与速度的平方成正比，而在一定的制动距离条件下，列车的制动功率是速度的三次函数。因此，传统的空气制动能力远远不能满足

22、需要。动车组常采用再生制动与空气制动的复合制动模式，制动控制系统包括再生制动控制系统和空气制动控制系统，此外还有电子防滑器及基础制动装置等。制动系统工作原理如图12所示。相对动力集中式列车而言，动力分散列车的控制系统具有许多优点。动力集中式列车动力制动往往集中在机车上，而拖车往往只采用摩擦制动；而动力分散列车的动力制动分散在列车的多辆(可能全部)车上，因而能更充分地利用再生制动、电阻制动等动力制动的制动能力，这就大大减少了摩擦制动摩擦副的磨损，提高了列车运行的经济性，同时大大减少了制动时的噪声【29】。 动车组制动系统需要具备的条件是：(1)尽可能缩短制动距离以保障列车安全；(2)保证高速制动

23、时车轮不滑行；(3)司机操纵制动系统灵活可靠，能适应列车自动控制的要求。14论文主要工作。本文所述制动实验系统完成的主要功能以及实现方案如下：(1)分析国内外动车组制动系统的特点，提出制动实验系统的组成和再生制动、空气制动等各项功能的实现方法；(2)参考现有动车组牵引、制动计算的教材和资料，系统地整理出动车组制动计算公式，包括空气制动力计算公式、再生制动力计算公式以及制动距离计算公式等；(3)搭建以PLC为核心的制动控制单元硬件电路，通过在上位机控制下完成相应动作来实现制动实验过程：(4)在本制动实验系统中，用控制发电机转速来模拟动车组制动系统的制动过程；(5)用气缸压力模拟动车组的空气制动力

24、：(6)通过上位机监控系统实现在制动实验系统中设定动车组初、末速等制动参数，制动计算，查看制动模式曲线，查看制动力分配，制动信息归档等功能；(7)分析系统工作中可能遇到的干扰，提出相应的抗干扰措施。2制动系统综述动车组运行速度高，给列车的制动能力、运行平稳性等方面提出一系列挑战。因此，高速动车组必须装备高效率和高安全性的制动系统，为列车正常运行提供调速和停车制动的手段，并在意外故障或其它必要情况下具有尽可能短的制动距离。此外，高速运行的动车组对制动系统的可靠性和制动时的舒适度也提出了更高的要求。所以，动车组制动系统的性能和组成与普通旅客列车完全不同，它是一个能提供强大制动力并能更好利用粘着的复

25、合制动系统，包含多个子系统，主要由电制动系统、空气制动系统、防滑装置、制动控制系统等组成，制动时采用电空制动联合作用的方式，且以电制动为主。21动车组制动方式的分类211按制动用途分类动车组制动作用按用途可分为如下四大类：(1)常用制动常用制动是正常条件下为调节、控制列车速度或进站停车施行的制动。其特点是作用比较缓和，且制动力可以调节，通常只用列车制动能力的20"-'80，多数情况下只用50左右。 (2)非常制动非常制动是紧急情况下为使列车尽快停住而施行的制动。其特点是把列车制动能力全部用上，且动作迅猛，制动力为最大常用制动力的14"-15倍。非常制动有时也称快速制

26、动。(3)紧急制动紧急制动也是在紧急情况下采取的制动方式，特点与非常制动类似。它与非常制动的区别在于：非常制动一般为电、空联合制动，也可以是空气制动；而紧急制动只有空气制动作用。(4)辅助制动辅助制动又包括备用制动、救援回送制动、停放制动和停车制动等。212按能量转移方式分类从能量的观点来看，制动的实质就是将列车动能转变成别的能量或转移走，根据列车动能消耗的方式不同，制动方式可分为摩擦制动和动力制动。摩擦制动是指通过机械摩擦来消耗列车动能的制动方式。其优点是制动力与列车速度无关。无论列车是在高速还是低速时都有制动能力，特别是在低速时能对列车施行制动直至停车。可以说摩擦制动始终是列车最基本的制动

27、方式。摩擦制动的缺点是：制动力有限，这是受热能散发的限制而直接影响制动功率增大的缘故。摩擦制动包括闸瓦制动、盘形制动和磁轨制动等。1)闸瓦制动闸瓦制动也称踏面制动，是自有铁路以来使用最广泛的一种制动方式。它用铸铁或其他材料制成的瓦状制动块(闸瓦)紧压滚动着的车轮踏面，通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将列车的动能转变为热能耗散于大气，并产生制动力，如图2一l所示：闸瓦作用于车轮的法向压力K引起闸瓦作用于车轮的切向滑动摩擦力K·仇(仇为闸瓦与车轮间的滑动摩擦系数1。由于车轮紧压在钢轨上，故闸瓦摩擦力对轮心的逆时针方向的力矩K仇R在轮轨接触点又引起钢轨反作用于车轮的切向静摩擦力B(R为车轮滚动

28、圆的半径)。此力即由制动装置引起的与列车运行方向相反的外力一制动力。在轮轨间保持静摩擦和忽略车轮回转惯性的条件下，制动力在数值上可以认为就等于闸瓦摩擦力，如式21所示：当制动力超过粘着力时，轮轨接触点将发生相对滑动，制动力将变成滑动摩擦力。由于滑动摩擦系数比粘着系数小得多，故制动力将突然迅速减小。在强大的闸瓦摩擦力矩作用下，车轮转速将显著降低，直至停止转动。但列车速度并未同时显著降低，已停止转动的车轮在钢轨上滑行，使车轮踏面发生局部擦伤。当闸瓦压力一定时，制动力的大小取决于闸瓦摩擦系数。闸瓦摩擦系数与闸瓦的材质、列车运行速度、闸瓦压强和制动初速有关。(2)盘形制动盘形制动(摩擦式圆盘制动)是在

29、车轴或车轮辐板侧面安装制动盘，用制动夹钳使两个闸片紧压制动盘侧面，通过摩擦产生制动力，将列车动能转变成热能，消散于大气，如图2-2所示。与闸瓦制动相比，盘形制动有下列主要优点： 大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗；可按制动要求选择最佳“摩擦副"。盘形制动的制动盘可以设计成带散热筋的，它旋转时具有半强迫通风作用，以改善散热性能，为采用摩擦性能较好的合成材料闸瓦提供了有利条件，与闸瓦制动相比，它更适宜于高速列车。制动平稳，几乎没有噪声。高速列车的空气制动系统普遍采用盘形1制动方式取代踏面制动，后者即使被使用也4缓解弹簧；仅仅是作为踏面清扫装置的作用。众所周知，杠杆拉杆；盘形制动具有较好的

30、摩擦性能和更大的制动能力，后者不仅取决于盘形制动的制动盘数，也取决于其散热性能和耐磨性。这些性能需要通过设计合理的制动盘结构形式和制动闸片材料才能取得。盘形制动的制动力公式如式22。式中，K，为闸片压力；伊为闸片摩擦系数；，为闸片作用半径；R为车轮(滚动圆)半径。国内目前自行开发的制动盘主要是高强度和抗热裂性能良好的锻钢盘，对200kmh以上高速车辆使用的闸片材料也正在研究开发之中。盘形制动的不足之处是车轮踏面没有闸瓦的摩刮，轮轨粘着将恶化，因此还要考虑加装踏面清扫器，或采用以盘形制动为主，盘形加闸瓦的混合制动方式。否则即使安装有防滑器，制动距离也比闸瓦制动要长。(3)磁轨制动磁轨制动也称摩擦

31、式电磁轨道制动或磁轨摩擦制动。磁轨制动是在转向架的两个侧架下面，在同侧的两个车轮之问各安置一个制动用的电磁铁，制动时将它放下并利用电磁力紧压钢轨，通过电磁铁上的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动力，并把列车动能转变为热能，消散于大气。动力制动是指利用某种能量转换装置，将运行中列车的动能转换为其他形式的能量，并予以消耗的制动方式。动力制动的基本原理是使牵引电机作为发电机工作而产生制动力，所产生的电能可以在制动电阻上转变为热能发散(电阻制动)或反馈至供电网(再生制动)，在高速列车中的应用以后者为多。其特点是制动力与列车速度有很大关系，列车速度越高，制动力越大，随着列车速度的降低，制动力也随之下降。

32、动力制动包括电阻制动、再生制动、电磁涡流轨道制动、以及电磁涡流转子制动等。(1)电阻制动电阻制动广泛用于电力机车、电动车组和电传动内燃机车。它是在制动时将原来驱动轮对的自励牵引电动机改变为他励发电机，由轮对带动发电，并将电流通往专门设置的电阻器。采用强迫通风，使电阻器产生的热量消散于大气而产生制动作用。(2)再生制动与电阻制动相似，再生制动也是将牵引发动机变为发电机；不同的是，它将电能反馈回电网，使本来由电能变成的列车动能再生为电能，而不是变成热能消散掉。(3)旋转涡流制动旋转涡流制动是在牵引电动机轴上装有金属盘，制动时金属盘在电磁铁形成的磁场中旋转，盘的表面感应出涡流，产生电磁吸力，并消散于

33、大气，从而产生制动作用。此种制动方式广泛应用于日本新干线100系、300系和700系动车组的拖车上。(4)轨道涡流制动轨道涡流制动又称线性电磁涡流制动。它与上述磁轨制动很相似，也是把电磁铁悬挂在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间。不同的是，轨道涡流制动的电磁铁在制动时只是放下到离轨面几毫米处，而不与钢轨接触。它是利用电磁铁和钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力，并把列车的动能变为热能消散于大气。213按制动力形成方式分类从作用力的观点来看，制动就是让制动装置产生与列车运行方向相反的外力，使列车产生较大的减速度，尽快减速或停车。根据制动力的形成方式，制动方式又可分为粘着制动和非粘

34、着制动【12】。车轮在钢轨上滚动时，轮轨接触处既非静止，也非滑动，在铁路术语中用“粘着"来说明这种状态。粘着制动是指依靠粘着滚动的车轮与钢轨粘着点之间的粘着力来实现列车制动的方式。粘着制动包括闸瓦制动、盘形制动、电阻制动、再生制动及电磁涡流转子制动等。以闸瓦制动为例，车轮、闸瓦和钢轨三者之间有三种可供分析的状态：第一种是难以实现的理想的纯滚动状态；第二种是应极力避免的“滑行”状态；第三种是实际运用中的“粘着”状态。根据轮轨间的静摩擦系数>粘着系数>动摩擦系数的关系，在上述三种情况中，可能实现的制动力的最大值以纯滚动状态时为最大，但实际上这是达不到的；“滑行”状态最小，这不但会延长制动距离，而且会擦伤车轮：“