一种高速动车组制动系统及其制动方法

摘要

本发明涉及一种高速动车组制动系统及其制动方法，将摩擦系数值根据速度范围分成多段，并预先存储在制动控制装置中，由制动控制器发出制动指令，由制动控制装置演算出列车制动所需要的空气制动力，并最终生成BC压力PBC，向制动执行装置输送压力空气，所述制动执行装置用于实施制动或停车。本发明制动控制装置BCU中采用的摩擦系数不是一个恒定的平均摩擦系数，而是根据不同的速度范围和制动级位的分段摩擦系数值，有利于实际输出的制动力与设计制动力的吻合，避免出现实际制动力远大于设计制动力的情况，使制动平稳，同时可以降低制动盘和闸片的磨耗，提高基础制动的使用经济性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种高速动车组制动系统及其制动方法。

背景技术

制动系统是高速动车组安全的保证，制动系统设计的性能将影响制动设备的可 靠性、耐久性和经济性，并影响旅客的乘坐舒适性。

动车组在制动时，通过制动系统的控制单元BCU，接受来自车辆信息控制装置 中的制动级位信息、速度信息和载荷信息等，演算列车制动所需要的空气制动力； 空气制动力的最终施加是通过制动控制装置输出的经过BCU计算出来的压力空气到 气动夹钳，然后驱动闸片摩擦车轮上的制动盘来实现列车的制动或停车。

BCU在演算列车实际需要的空气制动力时，需要引用的一个参数是制动盘和闸 片的摩擦系数，目前通用的做法是利用地面飞轮试验得到的各速度点下的瞬时摩擦 系数进而计算得出的全速度范围内的一个平均摩擦系数值。这会造成实际输出的制 动力与设计制动力不相吻合，出现实际制动力远大于设计制动力的情况，制动平稳 性差，且增加了制动盘和闸片的磨耗。

发明内容

本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种高速动车组制动系统，同 时提供一种制动方法，有利于实际输出的制动力与设计制动力的吻合，使制动平稳， 降低制动盘和闸片的磨耗，提高基础制动的使用经济性。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种高速动车组制动系统，包括：

制动控制器，用于发出制动指令给信息控制装置；

制动控制装置，所述制动控制装置中存储有按速度范围分段制定的摩擦系数值， 根据与速度相对应的摩擦系数值及接收的制动级位信息、速度信息和载荷信息，演 算出列车制动所需要的空气制动力，并最终生成BC压力P_BC，向制动执行装置输送压 力空气，所述制动执行装置用于实施制动或停车。

进一步，所述制动执行装置由气动夹钳、闸片和制动盘组成，所述制动控制装 置计算出来的压力空气施加给所述气动夹钳，所述气动夹钳驱动所述闸片，所述闸 片摩擦车轮上的所述制动盘实施制动或停车。

进一步，所述摩擦系数值按速度范围分为0-V1km/h、V1km/h-V2km/h、V2km/h 以上三段；

在0-V1km/h速度范围内，所述摩擦系数值为定值f1；

在V2km/h以上速度范围内，所述摩擦系数值为定值f2；

在V1km/h-V2km/h速度范围内，所述摩擦系数值按由f1至f2线性变化取值。

进一步，所述速度V1为70km/h，所述速度V2为118km/h，所述摩擦系数值f1为 0.28±20％或0.35±20％，所述摩擦系数值f2为0.27±20％或0.298±20％。

进一步，所述制动控制装置对动车和拖车分别存储有相应的分段摩擦系数值。

本发明的另一个技术方案是：

一种高速动车组制动方法，将摩擦系数值根据速度范围分成多段，并预先存储 在制动控制装置中，具体包括如下步骤：

步骤1，接收制动级位信息、速度信息和载荷信息；

步骤2，对应速度范围，确定相应的摩擦系数值，并根据制动级位信息、速度信 息和载荷信息，演算出列车制动所需要的空气制动力，并最终生成BC压力P_BC；

步骤3，将计算出来的所述BC压力P_BC施加给制动执行装置以实施制动或停车。

进一步，上述步骤2中所述的最终BC压力P_BC满足如下关系式；

$P_{\mathrm{BC}}=\frac{k\times \beta }{f}$

式中，β——设计减速度，单位为m/s²；

f——闸片的摩擦系数；

k——常数。

进一步，所述摩擦系数值按速度范围分为0-V1km/h、V1km/h-V2km/h、V2km/h 以上三段；

在0-V1km/h速度范围内，所述摩擦系数值为定值f1；

在V2km/h以上速度范围内，所述摩擦系数值为定值f2；

在V1km/h-V2km/h速度范围内，所述摩擦系数值按由f1至f2线性变化取值。

进一步，所述速度V1为70km/h，所述速度V2为118km/h，所述摩擦系数值f1为 0.28±20％或0.35±20％，所述摩擦系数值f2为0.27±20％或0.298±20％。

进一步，所述制动控制装置对动车和拖车分别存储有相应的分段摩擦系数值。

综上内容，本发明所述的一种高速动车组制动系统及其制动方法，制动控制装 置BCU中采用的摩擦系数不是一个恒定的平均摩擦系数，而是根据不同的速度范围 和制动级位的分段摩擦系数值。动车组制动时，通过BCU内部设置的分段式摩擦系 数值，有利于实际输出的制动力与设计制动力的吻合，避免出现实际制动力远大于 设计制动力的情况，使制动平稳，同时可以降低制动盘和闸片的磨耗，提高基础制 动的使用经济性。

附图说明

图1是本发明制动系统结构图；

图2是本发明摩擦系数变化图；

图3是本发明制动控制装置BCU计算BC压力的流程图。

如图1至图3所示，制动控制器1，信息控制装置2，制动控制装置3，制动执行装 置4，气动夹钳5，闸片6，制动盘7。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1所示，高速动车组制动系统主要包括制动控制器1、信息控制装置2、制动 控制装置3及制动执行装置4。

制动控制器1设置于司机室内，由司机控制，信息控制装置2分布在各车，用于 接收制动控制器1发出的制动指令，并将制动指令传输至各车的制动控制装置3，制 动控制装置3中的BCU采集速度信息及载荷信息，并由制动控制装置3中的BCU(Brake  Control Unit制动控制单元)进行制动力演算，计算出列车制动需要的空气制动力， 并最终生成BC压力(即制动缸压力)P_BC，向制动执行装置4输送压力空气，控制制动 执行装置4完成列车的制动或停车。制动执行装置4包括气动夹钳5、闸片6及制动盘7， 压力空气输送到气动夹钳5，然后驱动闸片6摩擦车轮上的制动盘7来实现列车的制动 或停车。

其中，制动控制装置3中的BCU演算BC压力P_BC时满足如下关系式：

$P_{\mathrm{BC}}=\frac{k\times \beta }{f}---\left(1\right)$

式中，β——设计减速度，单位为m/s²；

f——闸片的摩擦系数；

k——常数。

该关系式(1)由如下关系式演算得出：

①动车组制动力F[kN]如(2)式：

F＝W×(1+Φ)×β        (2)

式中，W——车辆重量(含负荷)，单位为ton；

Φ——惯性系数；

β——设计减速度，单位为m/s²。

②制动力F[kN]与气动夹钳压紧力P[kN]的关系式如(3)所示：

$P=\frac{F}{f\times (\phi \times n)}---\left(3\right)$

式中，f——闸片的摩擦系数；

Φ——制动盘比；

N——制动盘数/辆。

③气动夹钳压紧力P[kN]与BC压力P_BC[kPa]的关系如(4)式：

$P=\frac{\pi }{4}\times {d_C}^2\times X\times P_{\mathrm{BC}}\times n_C\times {\lambda }_C\times \eta ÷10000---\left(4\right)$

式中，d_C——制动钳缸径[cm]；

X——增压缸增压比；

n_C——制动钳缸个数；

l_C——制动钳杠杆率；

η——效率。

将式(2)和式(3)代入(4)式，即得出设计减速度β、摩擦系数f与输出的 BC压力P_BC的关系式，如式(5)示：

$P_{\mathrm{BC}}=\frac{W\times (1+\Phi )\times \beta }{f\times \phi \times n\times \frac{\pi }{4}\times d_c^2\times X\times n_c\times l_c\times \eta }\times 10000---\left(5\right)$

式(5)中除设计减速度β、摩擦系数f和BC压力P_BC外，其余均为常数，所以 式(5)可以简化得出式(1)的关系式其中k代表常数。

制动系统工作时，制动控制装置3中的BCU判断此时列车的速度信号、载重信 号、制动级别，通过上式输出唯一的BC压力P_BC，而此压力P_BC是建立在为使动车组 在该速度点下具有所设计的目标减速度、利用假设的平均摩擦系数推算出来的，但 是在实际制动过程中，摩擦系数是瞬时变化的，采用一个全速度范围内的平均摩擦 系数进行计算，不可避免会出现偏大的实际制动力作用结果。

如图2所示，本实施例中，采用按速度范围分段制定摩擦系数值f，优选，将速 度范围分成三段，分别为0-V1km/h、V1km/h-V2km/h及V2km/h以上，其中，V1 和V2代表列车制动初速度，单位为千米每小时(km/h)。

在0-V1km/h速度范围内，摩擦系数值f为定值f1；

在V2km/h以上速度范围内，摩擦系数值f为定值f2；

在V1km/h-V2km/h速度范围内，摩擦系数值f按由f1至f2线性变化取值。

将与速度对应的摩擦系数值f预先存储在制动控制装置3中的BCU内，在发出制 动指令时，根据制动时的速度对应出摩擦系数值f，并根据制动级别、速度信息及载 荷信息演算出制动所需的空气制动力及BC压力P_BC。对于高速动车组，对应动车和拖 车摩擦系数值f不同，制动控制装置3中分别存储有与动车和拖车相对应的分段摩擦系 数值f。

根据闸片大量的实验室试验数据，进行统计分析，制定出分段的摩擦系数值f利 用方案。

具体参见下表1。

表1：

其中，优选，速度V1为70km/h，速度V2为118km/h。

对于动车，摩擦系数值f1可根据闸片使用状态等具体情况选择为0.35±20％中的 任一数值，优选f1在0.35±5％的范围内；

摩擦系数值f2选择为0.298±20％中的任一数值，优选f2在0.298±5％的范围内。

对于拖车，摩擦系数值f1选择为0.28±20％中的任一数值，优选f1在0.28±5％的 范围内；

摩擦系数值f2选择为0.27±20％中的任一数值，优选f2在0.27±5％的范围内。

动车组制动时，通过BCU内部设置的分段式摩擦系数值f，有利于实际输出的制 动力与设计制动力的吻合，避免出现实际制动力远大于设计制动力的情况，使制动 平稳，同时可以降低制动盘和闸片的磨耗，提高基础制动的使用经济性。

如图3所示，在动车组制动时，具体制动步骤如下：

步骤1：司机通过制动控制器1发出制动指令至列车网络系统主机，然后通过光 纤传输至各车的信息控制装置2。

步骤2：信息控制装置2接收制动指令，并将制动级位信息、速度信息和载荷信 息传输至各车的制动控制装置3中的BCU。

步骤3，制动控制装置3中的BCU根据列车制动时的初速度，对应预先存储在BCU 中的速度范围，确定相应的摩擦系数值f，如当制动初速度为120km/h时，动车所对 应的摩擦系数值f为定值0.298；如当制动初速度为90km/h时，通过线性关系，找出 与速度90km/h对应的摩擦系数值f为0.32；如当制动初速度为50km/h时，动车所对 应的摩擦系数值f为定值0.35，将此摩擦系数值f及制动级位信息、速度信息和载荷 信息，代入上式(1)中生成BC压力P_BC，并根据该压力值向制动执行装置4输出具有 一定压力的压力空气。

步骤4，将压力空气施加给制动执行装置4中的气动夹钳5，然后驱动闸片6摩擦 车轮上的制动盘7来实现列车的制动或停车。

如上所述，结合附图所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是 未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简 单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。