1、中 南 大 學CENTRAL SOUTH UNIVERSITY 本科畢業論文（設計）論文題目 動車組制動控制系統的綜合設計學生姓名 學 院 中南大學成教學院 專業班級 電氣工程及其自動化 完成時間 2011年3月10日 指導老師 摘要該文件描述了由微型處理器控制的8輛高速聯掛車的電空摩擦制動系統，主要由以下幾種列車配置組成：EC01 TC02 IC03 BC04 FC05 IC06 TC07 EC08電空摩擦制動系統由“Knorr Bremse鐵路客車制動系統”專門為高速列車而設計。論文主要概述了CRH3型車整個制動與空氣供應系統，以及推薦的接口方法。該系統專門為惡劣的鐵路環境而設計，并著重考

2、慮了以下因素：安全性可靠性實用性低使用周期成本（LCC）便于維修及排除故障車輛布線及配管最少化關鍵字：CRH制動系統CCUBCUCv引導壓力EBL緊急制動回路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目錄：摘要- 1 -Abstract- 2 -目錄：- 3 -第一章 緒論- 4 -1.1 制動概念及其研究意義- 4 -1.2 國內外動車制動系統的應用情況- 4 -1.3 動車組的制動部位基本概述- 4 -第二章 制動的原理分析- 6 -2.1 制動功能控制原理及各主要制動實施介紹- 7 -2.1.1緊急制動- 7 -2.1.2 常用制動- 10 -2.1.3停放制動- 15 -2.1.4撒砂- 17 -2.1.5

6、壓縮空氣供應- 19 -2.1.6制動主要部件介紹：B02B60制動設備單元- 21 -第三章 安全環的原理分析- 25 -3.1 緊急制動回路（EBL）- 25 -3.2 停放制動監控回路（PBML）- 27 -3.3 制動緩解回路（BRL）- 28 -3.4 乘客緊急制動回路（PEBL）- 29 -3.5 轉向架監控回路（BML）- 29 -3.6 火災報警回路（FAL）- 29 -第四章 火災報警原理分析- 31 -4.1 煙氣探測控制單元的功能- 33 -4.1.1評估CAN總線信號- 33 -4.1.2自檢- 33 -4.1.3用軟件進行狀態檢測- 33 -4.1.4無電源情況下的工

7、作狀態- 34 -4.1.5重新啟動- 34 -4.1.6電源供應及短路保護- 34 -4.2 單列車整列火災報警安全回路的建立- 35 -4.2.1占用司機室端車：- 35 -4.2.2另一端的非占用司機室端車- 37 -4.2.3單車火災系統進入準備就緒狀態- 37 -4.2.4環路建立- 38 -4.2.5其他說明- 38 -4.3 單車火災系統相關繼電器狀態的分析- 39 -4.3.1單車準備就緒狀態的建立過程- 39 -第五章 結論及展望- 55 -5.1 結論- 55 -5.2 展望- 55 -參考文獻資料- 57 -鳴謝- 58 -第一章 緒論1.1 制動概念及其研究意義 制動：

8、人為的制止物體的運動，包括使其減速、阻止其運動或加速運動。 制動的實質：（作用力的觀點）制動裝置產生與列車運行方向相反的力，是列車盡快減速或停車；（能量的觀點）將列車的動能變成別的能量或轉移走。在現代高速鐵路高速發展的階段，高速動車組成為時下的寵兒。在人們一味追求速度激情的今天，為確保和保障乘客和動車組安全，我們也不斷的完善著制動安全性能和人性化的融合！這里為了打造更安全、更舒適、更智能、更人性的制動系統奠定了基礎。1.2 國內外動車制動系統的應用情況歐美日本等發達國家從二十世紀下半葉開始大規模研制并運用動車組。分別有法國的阿爾斯通；德國的西門子ICE、“歐洲之星”；日本新干線等等都是當今國際

9、上很有實力的高速動車裝備企業。其中他們很多一部分用到的安全制動系統都是Knorr 制動裝備。我國也于20世紀90年代開始研制動車組。無論是唐車制造的DMU型雙層內燃動車組、“新曙光”號準高速雙層內燃動車組、“春城”號電動車組、“先鋒”號交流傳動電動車組、“中原之星”交流傳動電動車組還是“中華之星”高速電動車組。但是無論那一個都與那些發達國家的高速動車有所差距。直到2004年中國鐵路行業開始引進吸收國外先進技術。致2008年中國已成功引進并吸收了大量國際高端動車技術。其中最為矚目的是CRH3C型動車的成功研制。其中對牽引、制動系統這樣的核心系統的研究才剛剛開始。高速動車組高速發展的今天以德國的I

10、CE為原型的CRH3型車起到引領同行業發展的關鍵作用。CRH3的重大核心技術之一的制動系統對以后高速動車組的發展起著制約作用。1.3 動車組的制動部位基本概述我們通?？吹降碾娏C車和內燃機車，其動力裝置都集中安裝在機車上，在機車后面掛著許多沒有動力裝置的客車車廂。如果把動力裝置分散安裝在每節車廂上，使其既具有牽引動力，又可以載客，這樣的客車車輛便叫做動車。而動車組就是幾節自帶動力的車輛加幾節不帶動力的車輛編成一組，就是動車組。動車組是城際和市郊鐵路實現小編組、大密度的高效運輸工具，以其編組靈活、方便、快捷、安全、可靠、舒適為特點。在此我們主要研究CRH3型車制動系統。制動系統來按536噸的質量

11、設計。制動初速度300 km/h 時，僅有空氣制動時制動距離（包括制動響應時間）：3700米作為目標值在初速度200千米/小時時最大許可的制動距離是2000 米，在初速度160 千米/小時時制動距離是1400米，這些制動距離是適用在水平平面上制動，并且全部空氣摩擦制動有效。如圖1.1 為整車制動控制系統結構。圖1.1：全面制動控制系統原理因為在列車運行過程中會出現種種意外情況，為了保護車輛運行安全及人員生命安全，列車建立安全回路，CRH3車輛共有6個安全回路，分別為：Emergency brake loop 緊急制動回路 (EBL)Parking brake monitoring loop 停

12、放制動監控回路 (PBML)Brakes released loop 制動緩解回路 (BRL)Passenger emergency brake loop 乘客緊急制動回路 (PEBL)Bogie monitoring loop 轉向架監控回路 (BML)Fire alarm loop 火災報警回路 (FAL)所以制動部位包括有安全環路，火災報警的部分基本概念。第二章 制動的原理分析該制動系統由微型處理器控制，提供全面的制動管理，它可以控制、管理并診斷制動過程中涉及到的所有Knorr-Bremse設備（彈簧停車制動設備只適應與指示及診斷功能），并與列車管理系統保持聯系，以保證列車的高度安全性、

13、可靠性及實用性。其在每節車廂上都有一個BCU控制機箱單元。BCU箱中主要包括：1、電子控制“ESRA”；2、電子機械部件；3、帶閥門的氣動控制板。在圖2.1和圖2.2中論述的控制系統設計理念，在每車的制動控制系統中反映出來。直接EP 制動激活常用制動，通過直接和間接EP 制動激活緊急制動，當牽引時，使用間接制動。 圖2.1 圖2.2直接的電-空制動和從屬的間接制動的主要部件包括： 制動力控制器（因為在司機室，所以在圖2中沒有顯示出來） 在單個車中的制動控制單元(BCU)。 電氣安全回路（緊急制動回路） 控制常用制動的模擬轉換器或比例閥 制動管 間接制動的直接緩解分配閥 中繼閥（壓力中繼閥） 壓

14、縮空氣風源，總風管(MRP)，主風缸。 每車單個制動控制單元的制動風缸(R-pressure reservoir)。 轉向架設備模擬轉換器激活直接制動，空氣控制閥激活間接制動，這兩個部件通過一個小的橫截面產生制動缸預控制壓力。下面的雙向止回閥能確保高的制動缸預控制壓力（模擬變壓器或間接控制閥要求產生較高的制動力）轉換為制動力。壓力中繼閥通過一個大的斷面(C-pressure)在制動缸壓力控制回路中調節制動缸壓力，這個壓力是通過制動缸預控制壓力(Cv-pressure) 的小橫斷面給定。另外為了增加制動容量，壓力中繼閥也起到了增加壓力的作用。為了防止摩擦制動過熱和防止超過允許的最大摩擦系數，根據

15、不同的速度，緊急制動分步進行。意思是在高速運行(v 200 km/h)時，制動力比在低速時(v 160km/h）被加6.3巴的壓力，而在（列車）低速時僅被加5.0巴的壓力。這將由BCU在速度的基礎上激活相應的電磁閥控制。除了撒砂的信號外，附加的干燥砂子的信號也將由制動控制單元分配給用于此目的的電磁閥。同時，撒砂信號將通過車輛總線“MVB”和列車總線“WTB”被發送。2.1.5壓縮空氣供應車輛將裝備兩個空氣供應系統。每個空氣供應系統的供風量至少在1300L/分，并包括一個主空壓機。主空壓機與一個雙塔式空氣干燥器和一個具有防凍功能的冷凝水收集箱相連。另外，在受電弓附近有兩個輔助空壓機。主空壓機通過

16、車載變流器由接觸網設備提供電能。輔助空壓機通過獨立于接觸網的電池進行操作。當通過接觸網送電時，兩個主空壓機各自通過一個輔助轉換單元供電。當一個車載轉換器或一個空壓機在正常情況下失效時，可能限制運行?？諌簷C被囊封在所謂的壓縮空氣供應單元中壓制壓縮空氣并以這種方式減少噪音。壓縮空氣被局部地儲存在壓力風缸中，即儲存在每個車上。壓縮空氣通過具有最大壓力10巴的主風管進行分配。圖2.7給出了氣動功能以及供給：圖2.7 氣動管路圖空氣要求：供風系統包括兩個空氣壓縮機，如果一個壓縮機壞了，列車仍能正常運行。列車的耗風量不是一個常量，變化的大小取決于以下因數： 空氣制動應用的頻率和程度 滑動（排風閥動作）頻率

17、和程度 開門的頻率（氣動運行） 衛生間應用的頻率 烘砂和撒砂的頻率 氣動附加器（喇叭，轉向器，弧刷） 載重變化頻率（空氣彈簧） 空氣泄漏程度列車運行只有一個空氣壓縮機工作時，耗風量超過壓縮機的供應量。為了解決這種問題，利用各種儲氣缸給氣動設備供氣。必須間歇地關斷氣耗設備，使其壓力不超過標稱值。因為儲氣缸提供了空氣，因此氣動功能不受影響。 主風缸 空氣制動和停放制動缸 衛生間和門 空氣彈簧（轉向架部分） 喇叭 受電弓在設計階段，通過估計平均氣流，計算耗風量。操作過程“準備”：在操作過程中，仍沒有通過接觸網的電源。主壓縮機不能通過由電池提供的電力運轉。因此，在主MRP風缸中現有的空氣被首先用于升起

18、受電弓。如果現有的空氣不足，則所需的壓縮空氣由輔助空壓機用自備風缸提供（圖5中的U11）?；诖嗽?，相對于主空壓機的輔助空壓機，由電池提供電力。圖2.8由輔助空壓機提供的用于主開關和受電弓的壓縮空氣圖2.8例： 輔助空壓機 U01,過壓閥 U09,止回閥 U04，U05,截止閥 U06，U16，U12,壓力傳感器U08,壓力表 U10,輔助風缸 U11,電磁閥U22,減壓閥U13，U18,壓力開關U19，U14,測量插座U20，U15。通過BCU對輔助空壓機進行局部控制。為此，在輔助壓縮機的氣動控制電路中將設置壓力獲取模塊。 位于同一半部列車上的中央控制單元（CCU）將讀取風缸壓力并在司機的

19、MMI（人機界面）上顯示壓力值。2.1.6制動主要部件介紹：B02B60制動設備單元制動設備單元 (B02B60) 是制動控制模塊 (B02) 的組成部分。制動設備單元 (B02B60) 將 MR 壓力（受下面所述功能的影響）轉換為相應的制動缸壓力 (C 壓力)。 先導壓力 Cv（受壓力調節器 (B02B60.02) 影響）- 司機制動閥 (C23) 先導壓力 Cv（受制動管的壓降影響）- 司機制動閥 (C02) 先導壓力 Cv（其調整量相當于按負載變化的分量）- 制動設備單元 (B02B60) 的 T 接口 中繼閥 (B02B60.07) 上的 T 壓力（其調整量相當于按速度變化的分量） -

20、 引發緊急制動時速度超過 200 km/h 該設備是單個氣動和電氣動設備的組合，其功能集成于一塊支承板 (a) 上。 圖2.9 制動設備單元B02B60主要由以下各單個部件組成： 支承板 (a) 壓力調節器 (.02) 由以下組件組成：- 先導閥 (.02-1 和 .02-2)- 壓力傳感器 (.02-3) 電磁閥 (.03) 雙向止回閥 (.04) 限壓閥 (.05) 截斷塞門 (.06) 中繼閥 (.07) 先導閥 (.08 和 .12) 壓力開關 (.09、.11 和 .23) 活塞閥 (.10) 壓力傳感器 (.13、.14、.15 和 .16) 檢測套管 (.17、.18、.19、.

21、20、.21 和 .22) 旋入式噴嘴 (.30)設備與車輛側匯接板之間的氣動連接通過管路建立。本設備帶有五個壓縮空氣接口： 1 - 儲風缸壓力 R（用于產生 C 壓力）的壓縮空氣入口 2 - 儲風缸壓力R (R1)（用于通過 DCL1 進行先導控制）的壓縮空氣入口 3 - 分配閥的 Cv 壓力的壓縮空氣接口 4 - 隨負載變化的控制壓力 T 的壓縮空氣入口 5 - C 壓壓縮空氣出口支承板 (a) 上包括了協調各單個部件所必需的所有壓縮空氣管道和孔。壓縮空氣接口裝在支承板 (a) 的背面。壓力調節器 (.02) 根據制動計算器的預設值制備制動缸先導壓力 Cv。電磁閥 (.03) 用來轉換到最

22、大 R 壓力（緊急制動）上 雙向止回閥 (.04) 處有來自壓縮空氣入口 2 和 3 的壓縮空氣。其中壓力較高的氣流通過雙向止回閥 (.04)。 壓力較高的氣流向壓力較低的壓縮空氣接口的流動則受到抑制。雙向止回閥 (.04) 的輸出壓力被繼續導至限壓閥 (.05)。在限壓閥 (.05) 內，來自雙向止回閥 (.04) 的先導壓力得到了調整，其調整量相當于載荷分力， 從而形成修正后的先導壓力。截斷塞門 (.06) 用于閉鎖壓縮空氣接口 4（T 壓力）。中繼閥 (.07) 中形成 C 壓力。先導閥 (.08) 控制到中繼閥 (.07) 的壓縮空氣接口 T 的供風。先導閥 (.12) 控制到活塞閥

23、(.10) 的控制空氣接口 A4 的供風。通過活塞閥(.10)控制中繼閥(.07)和壓縮空氣接口 5 之間的壓縮空氣連接。通過壓力開關（.09、.11 和 .23）和壓力傳感器（.13、.14、.15 和 .16）監控設備特定區域中的壓力（見表 2.7）。通過檢測套管(.17、.18、.19、.20、.21 和 .22)可以在設備的指定區域檢測壓力（參見表 2.8)。表 2.7 壓力開關和壓力傳感器的檢測區域壓力傳感器/壓力開關可檢測的壓力.02-3在壓力調節器 (.02) 內形成的先導壓力 Cv.09中繼閥 (.07) 上的 T-壓力.13儲風缸壓力 R.14分配閥的先導壓力.15隨負載變化

24、的控制壓力 T.11.16.23C 壓力表 2.8 檢測套管的檢測區域檢測套管可檢測的壓力.17在壓力調節器 (.02) 內形成的直接制動先導壓力 Cv.18間接制動的先導壓力 Cv.19隨負載變化的控制壓力 T.20根據負載而修正的先導壓力 Cv.21儲風缸壓力 R.22制動缸壓力工作方式（參見圖 2.9）流入壓縮空氣接口 2的R壓力在由制動計算器控制的壓力調節器(.02)和電磁閥(.03)中被轉換為EP制動的先導壓力。電磁閥(.03)的輸出壓力由壓力調節器 (.02)的壓力傳感器(.02-3)電氣監控，并通過電氣信號傳輸至制動計算器。通過壓力表可以在檢測套管(.17)處檢測此壓力。電磁閥(

25、.03)的輸出壓力存在于雙向止回閥(.04)的壓縮空氣入口 A1 處。在雙向止回閥(.04)的壓縮空氣入口 A3 處加有由分配閥氣動生成的先導壓力。該先導壓力由壓力傳感器(.14)進行電氣監控，并通過電氣信號傳輸至制動計算器。通過壓力表可以在檢測套管(.18)處檢測此壓力。這兩股先導壓力中較大的一股通過雙向止回閥(.04)被導至限壓閥(.05)。 隨負載變化的控制壓力 T 在壓縮空氣接口 4 處被導入設備中。T 壓力在經過截斷塞門(.06)和旋入式噴嘴后由壓力傳感器(.15)電氣監控并通過電氣信號傳輸至制動計算器。通過壓力表可以在檢測套管(.19)處檢測此壓力。T 壓力存在于限壓閥(.05)的

26、控制壓力接口處。被導入的先導壓力在限壓閥(.05)里進行修正， 其調整量相當于按負載變化的分量。通過壓力表可以在檢測套管(.20)處檢測此壓力。隨負載變化的先導壓力存在于中繼閥(.07)的 Cv 入口處。儲風缸壓力 R 通過壓縮空氣接口 1 被導向中繼閥(.07)。R 壓力由壓力傳感器(.13)進行電氣監控，并通過電氣信號傳輸至制動計算器。通過壓力表可以在檢測套管(.21)處檢測此壓力。同樣，來自于壓縮空氣接口 1 的 R 壓力存在于中繼閥(.07)的 T 接口處。 該輸入可通過先導閥(.08)中斷，并由壓力開關(.09)電氣監控。先導閥(.08) 的磁鐵未得電時，中繼閥(.07)的 T 接口

27、被排風。以此在中繼閥(.07)中形成了制動缸壓力 C，該壓力與施加的隨負載變化的先導壓力相符。通過壓力表可以在檢測套管(.22)處檢測 C 壓力。C 壓力被繼續導向活塞閥(.10)?；钊y(.10)上可將 C 壓力阻斷并同時給壓縮空氣接口 5 排風。 借助先導閥(.12)通過壓縮空氣接口 1 輸入活塞閥(.10) 的控制壓力。先導閥(.12)的磁鐵未得電時，活塞閥(.10)切換至通路位置?；钊y(.10)的控制空氣接口被排風。被導向壓縮空氣接口 5 的 C 壓力由壓力傳感器(.16)和壓力開關(.11 和 .23)電氣監控。第三章 安全環的原理分析作為一個原則，電動車組都設有安全回路。該安全回

28、路提供了獨立于列車控制系統的監測功能，使用傳統的電流接觸器技術實現對車輛狀態的監控。當蓄電池電源打開，110V 電源向列車回路控制線供電，列車回路控制線通過布置于整列車直到端車的監控接觸器元件（回路繼電器）實現，回路控制線的信息傳遞到位于端車的回路狀態線中，該控制線按順序將信息傳遞到整列車，并由回路狀態評估元件（回路狀態繼電器）執行一個實際回路狀態探測。在回路斷電時回路控制線及狀態線會失電，回路狀態繼電器失電，各車的回路狀態繼電器會響應控制線及狀態線的變化，對列車或單車執行的對應操作。如果激活一個故障開關，該回路將會由于一個故障而失效，此時若激活占用司機室內的故障開關，將忽略除本車外的整列車的

29、回路繼電器，若激活一個非占用司機室內的故障開關，將忽略整列車的回路繼電器。雙司機室同時操作時雙端同時給110V，此時回路（控制線和狀態線）斷開，無法工作。在CRH3動車組中共有6個安全回路，分別為：Emergency brake loop 緊急制動回路 (EBL)Parking brake monitoring loop 停放制動監控回路 (PBML)Brakes released loop 制動緩解回路 (BRL)Passenger emergency brake loop 乘客緊急制動回路 (PEBL)Bogie monitoring loop 轉向架監控回路 (BML)Fire alar

30、m loop 火災報警回路 (FAL) 下面介紹各環路的原理分析：3.1 緊急制動回路（EBL）緊急制動回路需要向列車內所有制動組件發送緊急制動請求，該過程不受列車控制系統的影響。通過下列獨立控制方式實施緊急制動：激活 EC01/EC08 車內的緊急制動閥，給制動管通風（通過間接作用制動器進行制動）。激活各車的緊急制動閥，導致各車緊急制動（通過直接作用制動器進行制動）。激活冗余行車制動。各制動控制單元檢測列車管路“安全回路狀態”，實施最大行車制動（額外）。 通過以下有人司機室中的回路斷路器可更改緊急制動回路狀態： 自動列車保護系統 停車制動監測回路 轉向架監測回路 自動安全裝置 “司機制動閥”(=28S01)（處于緊急制動“EB”位置在無人司機室也可激活） operat