毕业设计（论文）动车组制动控制系统的综合设计

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1、中 南 大 学CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 本科毕业论文（设计）论文题目 动车组制动控制系统的综合设计学生姓名 学 院 中南大学成教学院 专业班级 电气工程及其自动化 完成时间 2011年3月10日 指导老师 摘要该文件描述了由微型处理器控制的8辆高速联挂车的电空摩擦制动系统，主要由以下几种列车配置组成：EC01 TC02 IC03 BC04 FC05 IC06 TC07 EC08电空摩擦制动系统由“Knorr Bremse铁路客车制动系统”专门为高速列车而设计。论文主要概述了CRH3型车整个制动与空气供应系统，以及推荐的接口方法。该系统专门为恶劣的铁路环境而设计，并着重考

2、虑了以下因素：安全性可靠性实用性低使用周期成本（LCC）便于维修及排除故障车辆布线及配管最少化关键字：CRH制动系统CCUBCUCv引导压力EBL紧急制动回路AbstractThis document describes the microprocessor controlled, electro-pneumatic friction brake system of a 8-car high speed multiple unit, consisting of the following train configuration:EC01 TC02 IC03 BC04 FC05 IC06 TC0

3、7 EC08The electro-pneumatic friction brake system was developed by “Knorr Bremse Brake Systems for Railway Vehicles” especially for high-speed train applications.This section provides a general description of the complete brake and air supply system along with the interface methodology proposed. The

4、 system has been designed for application to the harsh railway environment with significant attention paid to the following factors:- Safety- Reliability- Availability- Low LCC (life cycle costs)- Ease of maintenance and troubleshooting- Minimised car wiring and pipingKey words:China Railways High-s

5、peedBraking systemCentral Control UnitBrake Control UnitPilot controlEmergency Brake loop目录：摘要- 1 -Abstract- 2 -目录：- 3 -第一章 绪论- 4 -1.1 制动概念及其研究意义- 4 -1.2 国内外动车制动系统的应用情况- 4 -1.3 动车组的制动部位基本概述- 4 -第二章 制动的原理分析- 6 -2.1 制动功能控制原理及各主要制动实施介绍- 7 -2.1.1紧急制动- 7 -2.1.2 常用制动- 10 -2.1.3停放制动- 15 -2.1.4撒砂- 17 -2.1.5

6、压缩空气供应- 19 -2.1.6制动主要部件介绍：B02B60制动设备单元- 21 -第三章 安全环的原理分析- 25 -3.1 紧急制动回路（EBL）- 25 -3.2 停放制动监控回路（PBML）- 27 -3.3 制动缓解回路（BRL）- 28 -3.4 乘客紧急制动回路（PEBL）- 29 -3.5 转向架监控回路（BML）- 29 -3.6 火灾报警回路（FAL）- 29 -第四章 火灾报警原理分析- 31 -4.1 烟气探测控制单元的功能- 33 -4.1.1评估CAN总线信号- 33 -4.1.2自检- 33 -4.1.3用软件进行状态检测- 33 -4.1.4无电源情况下的工

7、作状态- 34 -4.1.5重新启动- 34 -4.1.6电源供应及短路保护- 34 -4.2 单列车整列火灾报警安全回路的建立- 35 -4.2.1占用司机室端车：- 35 -4.2.2另一端的非占用司机室端车- 37 -4.2.3单车火灾系统进入准备就绪状态- 37 -4.2.4环路建立- 38 -4.2.5其他说明- 38 -4.3 单车火灾系统相关继电器状态的分析- 39 -4.3.1单车准备就绪状态的建立过程- 39 -第五章 结论及展望- 55 -5.1 结论- 55 -5.2 展望- 55 -参考文献资料- 57 -鸣谢- 58 -第一章 绪论1.1 制动概念及其研究意义 制动：

8、人为的制止物体的运动，包括使其减速、阻止其运动或加速运动。 制动的实质：（作用力的观点）制动装置产生与列车运行方向相反的力，是列车尽快减速或停车；（能量的观点）将列车的动能变成别的能量或转移走。在现代高速铁路高速发展的阶段，高速动车组成为时下的宠儿。在人们一味追求速度激情的今天，为确保和保障乘客和动车组安全，我们也不断的完善着制动安全性能和人性化的融合！这里为了打造更安全、更舒适、更智能、更人性的制动系统奠定了基础。1.2 国内外动车制动系统的应用情况欧美日本等发达国家从二十世纪下半叶开始大规模研制并运用动车组。分别有法国的阿尔斯通；德国的西门子ICE、“欧洲之星”；日本新干线等等都是当今国际

9、上很有实力的高速动车装备企业。其中他们很多一部分用到的安全制动系统都是Knorr 制动装备。我国也于20世纪90年代开始研制动车组。无论是唐车制造的DMU型双层内燃动车组、“新曙光”号准高速双层内燃动车组、“春城”号电动车组、“先锋”号交流传动电动车组、“中原之星”交流传动电动车组还是“中华之星”高速电动车组。但是无论那一个都与那些发达国家的高速动车有所差距。直到2004年中国铁路行业开始引进吸收国外先进技术。致2008年中国已成功引进并吸收了大量国际高端动车技术。其中最为瞩目的是CRH3C型动车的成功研制。其中对牵引、制动系统这样的核心系统的研究才刚刚开始。高速动车组高速发展的今天以德国的I

10、CE为原型的CRH3型车起到引领同行业发展的关键作用。CRH3的重大核心技术之一的制动系统对以后高速动车组的发展起着制约作用。1.3 动车组的制动部位基本概述我们通常看到的电力机车和内燃机车，其动力装置都集中安装在机车上，在机车后面挂着许多没有动力装置的客车车厢。如果把动力装置分散安装在每节车厢上，使其既具有牵引动力，又可以载客，这样的客车车辆便叫做动车。而动车组就是几节自带动力的车辆加几节不带动力的车辆编成一组，就是动车组。动车组是城际和市郊铁路实现小编组、大密度的高效运输工具，以其编组灵活、方便、快捷、安全、可靠、舒适为特点。在此我们主要研究CRH3型车制动系统。制动系统来按536吨的质量

11、设计。制动初速度300 km/h 时，仅有空气制动时制动距离（包括制动响应时间）：3700米作为目标值在初速度200千米/小时时最大许可的制动距离是2000 米，在初速度160 千米/小时时制动距离是1400米，这些制动距离是适用在水平平面上制动，并且全部空气摩擦制动有效。如图1.1 为整车制动控制系统结构。图1.1：全面制动控制系统原理因为在列车运行过程中会出现种种意外情况，为了保护车辆运行安全及人员生命安全，列车建立安全回路，CRH3车辆共有6个安全回路，分别为：Emergency brake loop 紧急制动回路 (EBL)Parking brake monitoring loop 停

12、放制动监控回路 (PBML)Brakes released loop 制动缓解回路 (BRL)Passenger emergency brake loop 乘客紧急制动回路 (PEBL)Bogie monitoring loop 转向架监控回路 (BML)Fire alarm loop 火灾报警回路 (FAL)所以制动部位包括有安全环路，火灾报警的部分基本概念。第二章 制动的原理分析该制动系统由微型处理器控制，提供全面的制动管理，它可以控制、管理并诊断制动过程中涉及到的所有Knorr-Bremse设备（弹簧停车制动设备只适应与指示及诊断功能），并与列车管理系统保持联系，以保证列车的高度安全性、

13、可靠性及实用性。其在每节车厢上都有一个BCU控制机箱单元。BCU箱中主要包括：1、电子控制“ESRA”；2、电子机械部件；3、带阀门的气动控制板。在图2.1和图2.2中论述的控制系统设计理念，在每车的制动控制系统中反映出来。直接EP 制动激活常用制动，通过直接和间接EP 制动激活紧急制动，当牵引时，使用间接制动。 图2.1 图2.2直接的电-空制动和从属的间接制动的主要部件包括： 制动力控制器（因为在司机室，所以在图2中没有显示出来） 在单个车中的制动控制单元(BCU)。 电气安全回路（紧急制动回路） 控制常用制动的模拟转换器或比例阀 制动管 间接制动的直接缓解分配阀 中继阀（压力中继阀） 压

14、缩空气风源，总风管(MRP)，主风缸。 每车单个制动控制单元的制动风缸(R-pressure reservoir)。 转向架设备模拟转换器激活直接制动，空气控制阀激活间接制动，这两个部件通过一个小的横截面产生制动缸预控制压力。下面的双向止回阀能确保高的制动缸预控制压力（模拟变压器或间接控制阀要求产生较高的制动力）转换为制动力。压力中继阀通过一个大的断面(C-pressure)在制动缸压力控制回路中调节制动缸压力，这个压力是通过制动缸预控制压力(Cv-pressure) 的小横断面给定。另外为了增加制动容量，压力中继阀也起到了增加压力的作用。为了防止摩擦制动过热和防止超过允许的最大摩擦系数，根据

15、不同的速度，紧急制动分步进行。意思是在高速运行(v 200 km/h)时，制动力比在低速时(v 160km/h）被加6.3巴的压力，而在（列车）低速时仅被加5.0巴的压力。这将由BCU在速度的基础上激活相应的电磁阀控制。除了撒砂的信号外，附加的干燥砂子的信号也将由制动控制单元分配给用于此目的的电磁阀。同时，撒砂信号将通过车辆总线“MVB”和列车总线“WTB”被发送。2.1.5压缩空气供应车辆将装备两个空气供应系统。每个空气供应系统的供风量至少在1300L/分，并包括一个主空压机。主空压机与一个双塔式空气干燥器和一个具有防冻功能的冷凝水收集箱相连。另外，在受电弓附近有两个辅助空压机。主空压机通过

16、车载变流器由接触网设备提供电能。辅助空压机通过独立于接触网的电池进行操作。当通过接触网送电时，两个主空压机各自通过一个辅助转换单元供电。当一个车载转换器或一个空压机在正常情况下失效时，可能限制运行。空压机被囊封在所谓的压缩空气供应单元中压制压缩空气并以这种方式减少噪音。压缩空气被局部地储存在压力风缸中，即储存在每个车上。压缩空气通过具有最大压力10巴的主风管进行分配。图2.7给出了气动功能以及供给：图2.7 气动管路图空气要求：供风系统包括两个空气压缩机，如果一个压缩机坏了，列车仍能正常运行。列车的耗风量不是一个常量，变化的大小取决于以下因数： 空气制动应用的频率和程度 滑动（排风阀动作）频率

17、和程度 开门的频率（气动运行） 卫生间应用的频率 烘砂和撒砂的频率 气动附加器（喇叭，转向器，弧刷） 载重变化频率（空气弹簧） 空气泄漏程度列车运行只有一个空气压缩机工作时，耗风量超过压缩机的供应量。为了解决这种问题，利用各种储气缸给气动设备供气。必须间歇地关断气耗设备，使其压力不超过标称值。因为储气缸提供了空气，因此气动功能不受影响。 主风缸 空气制动和停放制动缸 卫生间和门 空气弹簧（转向架部分） 喇叭 受电弓在设计阶段，通过估计平均气流，计算耗风量。操作过程“准备”：在操作过程中，仍没有通过接触网的电源。主压缩机不能通过由电池提供的电力运转。因此，在主MRP风缸中现有的空气被首先用于升起

18、受电弓。如果现有的空气不足，则所需的压缩空气由辅助空压机用自备风缸提供（图5中的U11）。基于此原因，相对于主空压机的辅助空压机，由电池提供电力。图2.8由辅助空压机提供的用于主开关和受电弓的压缩空气图2.8例： 辅助空压机 U01,过压阀 U09,止回阀 U04，U05,截止阀 U06，U16，U12,压力传感器U08,压力表 U10,辅助风缸 U11,电磁阀U22,减压阀U13，U18,压力开关U19，U14,测量插座U20，U15。通过BCU对辅助空压机进行局部控制。为此，在辅助压缩机的气动控制电路中将设置压力获取模块。 位于同一半部列车上的中央控制单元（CCU）将读取风缸压力并在司机的

19、MMI（人机界面）上显示压力值。2.1.6制动主要部件介绍：B02B60制动设备单元制动设备单元 (B02B60) 是制动控制模块 (B02) 的组成部分。制动设备单元 (B02B60) 将 MR 压力（受下面所述功能的影响）转换为相应的制动缸压力 (C 压力)。 先导压力 Cv（受压力调节器 (B02B60.02) 影响）- 司机制动阀 (C23) 先导压力 Cv（受制动管的压降影响）- 司机制动阀 (C02) 先导压力 Cv（其调整量相当于按负载变化的分量）- 制动设备单元 (B02B60) 的 T 接口 中继阀 (B02B60.07) 上的 T 压力（其调整量相当于按速度变化的分量） -

20、 引发紧急制动时速度超过 200 km/h 该设备是单个气动和电气动设备的组合，其功能集成于一块支承板 (a) 上。 图2.9 制动设备单元B02B60主要由以下各单个部件组成： 支承板 (a) 压力调节器 (.02) 由以下组件组成：- 先导阀 (.02-1 和 .02-2)- 压力传感器 (.02-3) 电磁阀 (.03) 双向止回阀 (.04) 限压阀 (.05) 截断塞门 (.06) 中继阀 (.07) 先导阀 (.08 和 .12) 压力开关 (.09、.11 和 .23) 活塞阀 (.10) 压力传感器 (.13、.14、.15 和 .16) 检测套管 (.17、.18、.19、.

21、20、.21 和 .22) 旋入式喷嘴 (.30)设备与车辆侧汇接板之间的气动连接通过管路建立。本设备带有五个压缩空气接口： 1 - 储风缸压力 R（用于产生 C 压力）的压缩空气入口 2 - 储风缸压力R (R1)（用于通过 DCL1 进行先导控制）的压缩空气入口 3 - 分配阀的 Cv 压力的压缩空气接口 4 - 随负载变化的控制压力 T 的压缩空气入口 5 - C 压压缩空气出口支承板 (a) 上包括了协调各单个部件所必需的所有压缩空气管道和孔。压缩空气接口装在支承板 (a) 的背面。压力调节器 (.02) 根据制动计算器的预设值制备制动缸先导压力 Cv。电磁阀 (.03) 用来转换到最

22、大 R 压力（紧急制动）上 双向止回阀 (.04) 处有来自压缩空气入口 2 和 3 的压缩空气。其中压力较高的气流通过双向止回阀 (.04)。 压力较高的气流向压力较低的压缩空气接口的流动则受到抑制。双向止回阀 (.04) 的输出压力被继续导至限压阀 (.05)。在限压阀 (.05) 内，来自双向止回阀 (.04) 的先导压力得到了调整，其调整量相当于载荷分力， 从而形成修正后的先导压力。截断塞门 (.06) 用于闭锁压缩空气接口 4（T 压力）。中继阀 (.07) 中形成 C 压力。先导阀 (.08) 控制到中继阀 (.07) 的压缩空气接口 T 的供风。先导阀 (.12) 控制到活塞阀

23、(.10) 的控制空气接口 A4 的供风。通过活塞阀(.10)控制中继阀(.07)和压缩空气接口 5 之间的压缩空气连接。通过压力开关（.09、.11 和 .23）和压力传感器（.13、.14、.15 和 .16）监控设备特定区域中的压力（见表 2.7）。通过检测套管(.17、.18、.19、.20、.21 和 .22)可以在设备的指定区域检测压力（参见表 2.8)。表 2.7 压力开关和压力传感器的检测区域压力传感器/压力开关可检测的压力.02-3在压力调节器 (.02) 内形成的先导压力 Cv.09中继阀 (.07) 上的 T-压力.13储风缸压力 R.14分配阀的先导压力.15随负载变化

24、的控制压力 T.11.16.23C 压力表 2.8 检测套管的检测区域检测套管可检测的压力.17在压力调节器 (.02) 内形成的直接制动先导压力 Cv.18间接制动的先导压力 Cv.19随负载变化的控制压力 T.20根据负载而修正的先导压力 Cv.21储风缸压力 R.22制动缸压力工作方式（参见图 2.9）流入压缩空气接口 2的R压力在由制动计算器控制的压力调节器(.02)和电磁阀(.03)中被转换为EP制动的先导压力。电磁阀(.03)的输出压力由压力调节器 (.02)的压力传感器(.02-3)电气监控，并通过电气信号传输至制动计算器。通过压力表可以在检测套管(.17)处检测此压力。电磁阀(

25、.03)的输出压力存在于双向止回阀(.04)的压缩空气入口 A1 处。在双向止回阀(.04)的压缩空气入口 A3 处加有由分配阀气动生成的先导压力。该先导压力由压力传感器(.14)进行电气监控，并通过电气信号传输至制动计算器。通过压力表可以在检测套管(.18)处检测此压力。这两股先导压力中较大的一股通过双向止回阀(.04)被导至限压阀(.05)。 随负载变化的控制压力 T 在压缩空气接口 4 处被导入设备中。T 压力在经过截断塞门(.06)和旋入式喷嘴后由压力传感器(.15)电气监控并通过电气信号传输至制动计算器。通过压力表可以在检测套管(.19)处检测此压力。T 压力存在于限压阀(.05)的

26、控制压力接口处。被导入的先导压力在限压阀(.05)里进行修正， 其调整量相当于按负载变化的分量。通过压力表可以在检测套管(.20)处检测此压力。随负载变化的先导压力存在于中继阀(.07)的 Cv 入口处。储风缸压力 R 通过压缩空气接口 1 被导向中继阀(.07)。R 压力由压力传感器(.13)进行电气监控，并通过电气信号传输至制动计算器。通过压力表可以在检测套管(.21)处检测此压力。同样，来自于压缩空气接口 1 的 R 压力存在于中继阀(.07)的 T 接口处。 该输入可通过先导阀(.08)中断，并由压力开关(.09)电气监控。先导阀(.08) 的磁铁未得电时，中继阀(.07)的 T 接口

27、被排风。以此在中继阀(.07)中形成了制动缸压力 C，该压力与施加的随负载变化的先导压力相符。通过压力表可以在检测套管(.22)处检测 C 压力。C 压力被继续导向活塞阀(.10)。活塞阀(.10)上可将 C 压力阻断并同时给压缩空气接口 5 排风。 借助先导阀(.12)通过压缩空气接口 1 输入活塞阀(.10) 的控制压力。先导阀(.12)的磁铁未得电时，活塞阀(.10)切换至通路位置。活塞阀(.10)的控制空气接口被排风。被导向压缩空气接口 5 的 C 压力由压力传感器(.16)和压力开关(.11 和 .23)电气监控。第三章 安全环的原理分析作为一个原则，电动车组都设有安全回路。该安全回

28、路提供了独立于列车控制系统的监测功能，使用传统的电流接触器技术实现对车辆状态的监控。当蓄电池电源打开，110V 电源向列车回路控制线供电，列车回路控制线通过布置于整列车直到端车的监控接触器元件（回路继电器）实现，回路控制线的信息传递到位于端车的回路状态线中，该控制线按顺序将信息传递到整列车，并由回路状态评估元件（回路状态继电器）执行一个实际回路状态探测。在回路断电时回路控制线及状态线会失电，回路状态继电器失电，各车的回路状态继电器会响应控制线及状态线的变化，对列车或单车执行的对应操作。如果激活一个故障开关，该回路将会由于一个故障而失效，此时若激活占用司机室内的故障开关，将忽略除本车外的整列车的

29、回路继电器，若激活一个非占用司机室内的故障开关，将忽略整列车的回路继电器。双司机室同时操作时双端同时给110V，此时回路（控制线和状态线）断开，无法工作。在CRH3动车组中共有6个安全回路，分别为：Emergency brake loop 紧急制动回路 (EBL)Parking brake monitoring loop 停放制动监控回路 (PBML)Brakes released loop 制动缓解回路 (BRL)Passenger emergency brake loop 乘客紧急制动回路 (PEBL)Bogie monitoring loop 转向架监控回路 (BML)Fire alar

30、m loop 火灾报警回路 (FAL) 下面介绍各环路的原理分析：3.1 紧急制动回路（EBL）紧急制动回路需要向列车内所有制动组件发送紧急制动请求，该过程不受列车控制系统的影响。通过下列独立控制方式实施紧急制动：激活 EC01/EC08 车内的紧急制动阀，给制动管通风（通过间接作用制动器进行制动）。激活各车的紧急制动阀，导致各车紧急制动（通过直接作用制动器进行制动）。激活冗余行车制动。各制动控制单元检测列车管路“安全回路状态”，实施最大行车制动（额外）。 通过以下有人司机室中的回路断路器可更改紧急制动回路状态： 自动列车保护系统 停车制动监测回路 转向架监测回路 自动安全装置 “司机制动阀”

31、(=28S01)（处于紧急制动“EB”位置在无人司机室也可激活） operating field(=操作位于次要操作区的“紧急制动阀”（=28-K02 / N03）。紧急制动回路收集来自于自动列车保护系统、紧急手动按钮、停放制动监控回路、自动安全设施和转向架监控回路的紧急制动请求，并把该请求送到所有牵引箱（这里激活再生制动）、智能制动面板（这里激活制动控制设施），再送到CCU 和高速制动阀（这里连接主风管）。操作员控制动作：实施操作员控制动作时，注意以下操作元件： 通过停车制动监测回路实施紧急制动实施停车制动，直至列车组停车。停车前，无法解除制动。 通过转向架监测回路实施紧急制动在中断转向架监

32、测回路期间，将实施紧急制动。通过有人司机室故障开关操纵台上的故障开关“转向架检测回路”(=43S25)可解除紧急制动。可以通过操作“司机制动阀”（=28-S01）至“OC”位，延迟紧急制动，以避免列车在隧道内或桥梁上停车。 通过自动安全装置 (ASD) 实施紧急制动实施紧急制动，直至司机室某一自动安全装置控制元件被激活。 通过自动列车保护实施紧急制动实施停车制动，直至列车组停车。停车前，无法解除制动。 通过司机制动阀实施紧急制动实施紧急制动，直至动车组停车。停车前不可以缓解制动。 通过蘑菇形紧急按钮实施紧急制动实施紧急制动，直至缓解位于次要操作区的操作按钮“紧急制动阀”（=28-K02/ N0

33、3）。 通过旅客紧急制动回路实施紧急制动实施紧急制动，直至列车组停车。停车前，无法缓解制动。通过操作“司机制动阀”(=28S01) 可延迟实施紧急制动，以防列车在隧道内或桥梁上停车。EB 请求是在有人控制的司机室内，通过列车自动保护系统，停车制动监测回路，转向架监测回路，ASD， 紧急停车按钮以及制动力控制器产生的。相关部件：列车自动保护系统（部分通过辅助接触器），停车制动监测回路，转向架监测回路，ASD，制动力控制器（紧急制动位时，回路开通），司机室内的紧急停车按钮，通过紧急制动请求辅助接触器来中断紧急制动回路。这些部件均位于头车内，因此，在头车内可以找到处理紧急制动请求的线路部件。表3.1 描述了不同部件安全环中断后列车的动作模式模式动作模式停车制动监视环紧急制动直到停止列车停止前停车制动监视环一直保持开的状态转向架监视环在转向架监视环断开期间进行紧急制动通过司机可以进行重新复位ASD最大常用制动直到有一个ASD控制单元被激活最大常用制动的紧急制动ATP紧急制动直到