
@守仁·冈萨雷斯 ,大佬,直接引用的话,不如就点个邀请吧,我还能稍微详细讲一点。
@Antigng
CR200J没有采用电指令式空气制动,采用的是电磁自动空气制动。其最大的区别在于,贯穿车厢的制动控制线不是把制动指令传递到制动控制单元(BCU),而是把电磁阀的励磁信号直接传达到各个车厢的缓解电磁阀、常减电磁阀和紧急电磁阀。和电指令式直通制动有着本质区别。ECP是一个北美铁路的概念,指的是广义的电控空气制动,其涵盖的范围比较广,最早甚至可以涵盖到1940年代西屋公司开发出来的SMEE阀(Straight-Air, Motor Car, EP, Emergency Valve, 带紧急阀的动车组用直充式电磁阀),所以在详细讲解制动的时候最好不要用这个概念,容易引发含混。
而且国内既有准高速客车是具有电空插座的,只是平时不使用。
@TU5
如果泛泛而谈可以含糊地这么讲,但是CR200J相比传统机辆客车最大的进步就在制动,而且操作方式相比传统机辆客车也有了更大的自由度,所以最好展开说一说。
先请出铁路制动的两位先师,两个乔治。
在故障-安全的制动系统出现之前,铁路的制动系统通常采用直充/抽(下文详述)式制动,其有一个巨大的安全隐患——在列车的车钩锻造技术原始的情况下,一旦发生断钩,列车的后部就会失去制动力,导致溜逸。
最早的故障-安全制动系统是由一种直通式制动改进而来的。然而这种制动不是充,而是抽。即自动真空制动,由英美两国发明家在不同时间、不同地点发明。其中Fred W. Eames在英美间广泛推销他生产的真空制动,并获得了一定的成功,但是在一次Fred到英国进行推销之后,乘船返美,回国发现自己值五十万美金的工厂被一间神秘的公司当作“四万七千美金的债务抵押”而“获得”。Fred便发起了诉讼,法院判决其付清债款即可拿回工厂,但是在Fred付清后,回厂时仍然被看守在他自己工厂门口的保安开枪射杀。
Oh, wait a sec, did I just say that Fred was competing with Mr. Westinghouse?
But I digress.
但是Fred的制动机工厂却流传了下来,它便是著名的纽约空气制动公司(NYAB)。至于为什么NYAB宁可投靠K社都不愿意屈服于西屋,我觉得意思很明白了。
自动真空制动成为世界上第一种故障-安全制动是有其原因的。首先,当发生断钩时,空气不是从制动管涌出,而是涌入;这股空气即可方便地用作溜逸部分的紧急制动力。其次,由于蒸汽机车设有向锅炉喷水的喷射阀,其本身就是利用高压流体的伯努利原理制造真空,真空源方便,不需要像压力空气系统安装有活动部件的蒸汽涡轮和空气压缩机,而且可以阶段施加制动,阶段施加缓解,也可以阶段缓解再施加。第三,由于制动管内抽真空,车厢与车厢之间制动管的连接会自然地“吸住”,不会像早期压力空气制动一般发生炸折角塞门的问题。
但其缺点也是明显的。首先,由于制动和缓解是依靠球阀顶住两个缺口完成的,该制动没有一个稳定的中立位/保持位(Lap)。制动机在制动状态时若不是在“轻微地施加制动”就是在“轻微地缓解”。
其次,随着铁路载重的逐渐提高,对制动力的要求也不断提高。但是真空制动,因为,明显地,是真空制动,所以制动缸的压强差的理想最大值是1个大气压(一般按照英国规定设置为21inHg),而压力空气制动可以轻而易举使制动缸的压强差达到3.5个大气压,甚至更高。要提高制动力,就得加大真空缸的容量。二战后,长期使用真空制动的英国国有铁路还发生过给老式无制动油罐车安装真空/空气双制动缸后,真空制动缸超过部分厂矿企业下部限界的问题,可见要达到一个理想的制动力,真空制动的制动缸要多么巨大。第三,由于使用伯努利原理给制动管抽真空,缓解异常缓慢。
于是,随着压力元件、密封元件和冶金技术的发展,有着更大制动力的自动空气制动,便自然而然地开始占领世界各大铁路公司的市场。
自动空气制动,由伟大的美国发明家乔治·威斯汀豪斯(旧译西屋)发明。乔治·威斯汀豪斯最大的贡献,在于给压力空气制动设置了一个副风缸(Auxiliary Reservoir,下文简称AR),并发明了世界上第一个二压力式空气分配阀——三通阀,实现了压力空气制动的放风制动、充风缓解。其工作原理简单来讲是这样的:首次充风时,制动管充入高压空气,并通过三通阀副风缸充至和制动管一样的压力,放风制动时,副风缸中的空气通过三通阀进入制动缸实现制动,充风缓解时,制动管充压,并通过三通阀将副风缸充至和制动管一样的压力,以给下一次制动提供风源。
CR客车主要使用的104型制动机便使用的是一种改进型的二压力分配阀。在使用间接压力作用之余,又设置了紧急阀和二段局部减压(局部减压是制动阀“感受”到制动管压力下降后开始自行放风的机构,有助于降低制动波速,下文详述)。
该种制动阀最大的优点,在于保留了压力空气制动的大压强之外,也做到了故障导向安全。如果发生列车分离事故,制动管放风后副风缸将风充向制动缸,便可刹停列车。
除此之外,该种制动阀的制动管定压可以在一定区间内随意调整,不必限制统一的制动管定压。
然而,该种制动也有着极大的问题。
首先,二压力机构是根据减压速度而非减压量来触发三通阀位置的,这个减压速度的触发阈值决定了制动机的“缓解稳定性”(缓慢减压不制动)和“制动灵敏度”(减压达速必制动),是一种“软性阀”;而且该阀一旦缓解便是完全缓解,没有阶段缓解的功能。
其次,由于自动空气制动依赖上一次缓解向副风缸补的风来给下一次制动提供风源,如果一次缓解没能做到全列所有车厢的完全缓解,就有可能有车厢发生副风缸补风不足,下一次制动的制动力会被削弱。若是频繁地将制动手柄在制动位和缓解位间来回移动,还可能导致全车制动力丧失,导致列车无制动力溜逸。
第三,由于空气易被压缩,压缩空气指令在制动管中会有波速,导致制动气指令和缓解气指令在机车与列尾间有延迟。这在长大货物列车的制动中最为显著,头车放风到尾车压力下降往往要一分钟以上,头车充风到尾车充风到定压甚至要1分半至2分钟。
第四,由于早期制动系统的阀机构,多为较为精密的研磨件,很多零件无法通过简单的切、铣、钻、车而制成。若是制造精密度不高,容易引起小减压缓解不良,大减压自然缓解等问题。104型制动机就受制于大规模生产时的品控问题,在25T型准高速客车上引发了一些故障。
由于二压力阀机构的存在的这些问题,时任普鲁士国铁的高级调查员Bruno Kunze和任职于美国工程师Carpenter在欧洲开设的制造二压力制动机工厂的工程师Georg Knorr着手开发了一种三压力式的阀动机构,首先在普鲁士国营铁路的货车上实装。这种阀动机构的最大特点是,引入了制动缸的压力对工作风缸和列车管的压力差进行比较,抛弃了副风缸在主活塞平衡中的作用。CR客车中较少使用的F8型制动机就使用的是三压力机构。
该种制动阀由两位伟大的发明家的姓氏所命名,称为KK型分配阀,整个KK系列制动阀下有KKgbr(货车用,带空重调整阀),KKpbr(客车用,带加速制动阀),KKspr(快速旅客列车用,在KKp的基础上增设一个被动的防抱死装置)。
By the way, KK(pronounced as Kaka) in German means poo-poo.
But I digress.
三压力式阀最大的优点在于,保证了压力空气制动的大制动力的同时,也保证了制动机的阶段制动、阶段缓解(但是不能阶段缓解再施加,仍然会发生补风不足)。三压力式分配阀属于一种“硬”制动阀,它是根据减压量的大小工作的,不需要以减压速度来触发制动。这就使得三压力制动机有着极高的灵敏度,微小的减压也能触发制动。
然而,三压力制动机也有自己的缺陷。首先,它的主阀压力是一个弹簧设定的固定值。这就注定三压力式制动机的列车管定压是一定的,不能随意更改。其次,三压力制动机基本没有缓解稳定性,微小的漏风也会触发微小的制动,所以在行车时都需随时跟进缓解补充制动管风压。第三,由于阀结构比简单三通阀复杂,三压力制动机缓解相比二压力制动机来得慢。
随后,以西屋为代表的二压力空气制动机逐步在北美铁路及受其影响的地区推广开来,以克诺尔为代表的三压力空气制动机逐步在普鲁士国营铁路、欧洲大陆推广开来,首英国铁路影响较为严重的地区则继续使用自动真空制动。
二十世纪初,美国开始在城市周边进行大规模的郊区化。在汽车尚未普及之时,路面电车和郊区高速轻轨(Interurban)开始在美国的主要大城市周边铺开。大城市内部也大规模修建路面电车、高架电铁和地下铁路。由于近郊、通勤铁路列车、路面电车对制动响应速度和制动力的要求都很高,传统二压力制动机、三压力制动机都难以满足要求。于是西屋制动又开始把目光转回直通式空气制动。直通空气制动虽然不能做到故障导向安全,但是由于直通管直接连在总风缸和空压机上,所以制动响应速度极高,而且可以随意阶段制动,阶段缓解,阶段缓解再施加,有相当高的操作自由度,是频起频停所必需的。
最早的SM(Straight Air, Motor car, 直充式电车制动阀)型制动阀,用于不需要重连的路面电车和郊区高速轻轨,是一种简单的直通空气制动,由于该型制动不能做到故障导向安全,所以使用SM型制动的电动车一般不重连,单节运行。由于其使用范围比较窄,无法灵活运用,所以很快就被淘汰了。
不过,大获成功的则是SM型阀的改进型,SME(Straight Air, Motor car, Emergency Valve, 带紧急阀的动车组用直通制动)型制动阀。它的巧妙之处在于,列车设有常用的直通管之余,有一根不常用的紧急管。紧急管即是一根充至定压的制动管,它与紧急阀和紧急副风缸相连。紧急阀是一种简化的二压力阀,它没有常用制动和保压功能,只有紧急制动和常位(缓解)功能。当列车发生分离时,紧急管失压,触发紧急阀将紧急副风缸的风快速充至制动缸,达到故障导向安全的目的。
在编组长度为1-4节时,SME型制动的使用效果拔群,既做到了直通制动的快速响应、高自由度,也做到了故障导向安全,在路面电车、郊区高速轻轨和高架铁路中大获成功。
不过,简单直充制动仍然没有摆脱空气压指令波速的问题,所以SME型制动仅能用于较短的编组,长编组会出现严重的制动力衰减。长编组的地下铁路列车、通勤铁路列车显然不能使用SME型制动。
所以,西屋公司开始着手设计一种能够适应长编组、各车厢同时制动、响应速度快、操作自由度高的制动,他们给出的产品就是对世界铁路制动发展具有革命性影响的SMEE型阀。
西屋对“同时制动、高速相应、高操作自由度”所给出的解决方法是利用电磁阀。电信号没有波速的问题,制动励磁信号在车厢间基本上是同时传达的,故可以做到制动的同时施加和缓解,完全解决空气指令波速的问题
SMEE型(Straight air, Motor car, Electro-Pneumatic, Emergency Valve, 带紧急阀的动车组用直充式电磁阀)制动阀与SME型制动阀工作时最大的区别在于,司机不是操作本车的直通制动阀来施加制动,而是操作司机电磁阀,通过三根制动励磁线的电励磁信号(得电缓解线、得电常制线和失电紧急线)来控制各个动车的直通制动电磁阀,使得各动车同时往直通管充风,所有车厢同时排风,使得各个动车同时制动(拖车有一定延迟,早期纽约地铁没有拖车,故不需讨论),所有车厢同时缓解的目的。由于SMEE型阀同SME型阀一样仍然设有一个后备紧急阀,所以仍然是故障导向安全的。
不过,虽然SMEE型阀在纽约地下铁中获得了巨大的成功,但是这种制动系统仍然不是完美的。它最大的弱点在于,一旦任意一个电磁阀的保险丝熔断,都会导致失电紧急线失电,紧急阀失磁,导致全车紧急制动。长大编组一节节寻找熔断的保险丝需要大量时间,而且紧急制动还会导致列车在地下区间停车,造成更多不必要的麻烦。
后来,WABCO为了向重型铁路推销该种制动,将后备的紧急制动阀和紧急副风缸改成正规的二压力制动阀机构,称之为HSC(High Speed Control, 高速控制阀)型制动阀,并可兼容以往使用二压力制动阀的车辆,这就相当于把电磁直通制动和自动空气制动结合了起来,形成了“1+1=2”逻辑的高速电磁直通制动并以自动空气制动为后备故障安全保障,两个相对独立的系统共用一个风源,共同达成一个设计目的。
日本空气制动公司在引入了WABCO的SMEE制动、HSC制动后,对其进行了当地适应性改进。改进后的电磁直通空气制动简称SED/LD系制动,其最显著的特点是,在和HSC制动同样安装了一个正规的后备二压力制动阀,保证了和既有自动空气制动车的兼容性之外,也给全车安装了总风管,每节车厢安装了连在总风管上的直通制动的供风风缸,直通供风风缸和直通管间设置电磁阀,使得每节车(无论动拖)都可以随着励磁信号施加、缓解制动。此外,在单一的常用电磁阀故障时,不会触发紧急电磁阀失电。这么做的原因在于,1、由于每节车厢都设有从总风管到直通管的电磁阀,列车的其他电磁阀会通过直通管向电磁阀失效的车厢供风制动,制动力不会丧失,只会稍稍减慢;2、后备的二压力制动阀仍然可以保证司机在所有常用电磁阀失效/常用电磁回路断路的情况下(此时驾驶台的电磁直通指示灯“直通”不会在制动手柄处于电磁直通常用制动位时亮起)将列车安全运行到终点。
同时,刚刚将铁路国有化的英国也在寻找一种可以用于频起频停的快速响应的制动机。南方铁路局(S. Reg,前南方铁路公司,已经在1920年代引入过WABCO的二压力自动空气制动)对西屋在美国大获成功的SMEE制动很感兴趣,便引进了一套改进的电磁直通制动系统(带二压力自动空气制动做后备和兼容)。它与日本国有铁路的SED/LD系统最大的不同之处在于,用总风管取代直通管,电磁阀直接从各车厢总风管取风。在这种设计下,一旦一节车厢的电磁阀失效,一节车厢失去制动力,那么就会引发严重的车间冲动。所以BREP(British Rail Electro-Pneumatic, 英铁电空)系统的电磁阀一旦失效,就会触发全车电空制动失效。此时列车并不会紧急制动,然而驾驶台上一盏EP Supply Indicator(电空供电正常)灯会熄灭。指示司机停止使用电磁直通空气制动,转用二压力自动空气制动停车。
总的来说,以SMEE为基础发展出来的SED/LD、BREP是各有特点的。首先,他们都做到了高响应速度、故障导向安全、高操作自由度,不单能阶段制动、阶段缓解,还做到了阶段缓解再施加,而且大多数以SMEE为基础发展而来的电磁直通空气制动都使用了自保压的司机制动阀,操作方便,不需来回移动制动手柄。他们的不同之处在于,SMEE有较强的专一性,最适用于当时全动车的美国纽约地铁和郊区高速轻轨,但是不兼容既有系统;日本的SED/LD是对HSC的发展,属于功能最齐全的“全能电磁直通制动”,保证故障导向安全、兼容性、高响应和较高的可靠性,但是缸体多、阀多、同种车连挂需要连一钩(车钩)两线(直流母线和电空控制线)三管(BP、MRP、SAP),比较复杂。BREP则以一种较为简单的方式实现了电磁直通空气制动,系统简单,维护方便,但是故障时的灵活度不如SED/LD来的高。
不过,在战后,欧洲大陆对于类似的问题则采用了完全不同的解决方式。
欧洲大陆由于使用三压力的自动空气制动,并没有像使用二压力的系统一样有无法阶段缓解的问题。所以很长一段时间内,传统三压力自动空气制动阀本身的优异性能使得电磁压力空气制动迟迟没能在欧洲大陆推广开来。
战后,随着列车运行速度的提高,欧洲大陆的铁路技术人员发现,三压力空气制动机虽然性能优良,但是气指令空气波速所导致的制动空走时间问题已经大大影响了列车速度的提高,他们急需寻找一种方式来解决这种问题。
给自动空气制动安装电磁阀并非欧洲人首创,早在1920-30年代,WABCO就向美国铁路公司推销带有电磁阀的具有全车同时制动、缓解功能的二压力电磁自动空气制动阀。给三压力制动阀安装电磁阀,就可以使得该种电磁自动空气制动有着像电磁直通空气制动那样较高的响应速度(但仍需考虑三压力阀本身的作动时间),那么空走时间这个问题已经解决了。
但是三压力电磁自动空气制动仍然不能做到全车同时缓解,也仍然不能做到阶段缓解再施加;缓解时列车冲动的问题,司机操作的灵活和自由度的问题仍然没有解决。
不过,他们想出了一种巧妙的方法可以将这两个问题一并解决。
1960年代开始,欧洲的主要标准客车都安装了总风管(MRP)以供车内的气动车门、厕所工作。既然阶段缓解不能再施加的原因是副风缸补气不足,不能同时缓解的原因时列车管充压只有机车一个补风源;那么如果将供风的总风管在每节车厢经一个减压阀后直接供给副风缸和缓解电磁阀,使得副风缸风压恒定,缓解时每节车都有总风管的风补入列车管,就能直接解决这个问题了。
由于在添加了电磁阀高速响应、阶段缓解再施加、同步缓解的功能后,整个准直通电磁自动空气制动系统仍然是一个单个的系统,所以是一种“1+1=1”的逻辑,通过对现有制动的部分修改达到更多的更好的甚至接近于2(指电磁直通制动,故称该系统为准直通制动)的功能,也保全了最大的兼容性。
但是其缺点也是显著的。即便准直通电磁自动空气制动能做到接近于电磁直通空气制动的性能,但是由于三压力阀本身的缺陷,其制动、缓解的速度仍不及电磁直通空气制动来的快,响应速度相比电磁直通空气制动来说只是一般水平。
近年来,直接传递制动级位指令的电指令制动在高速电动车组上运用较为广泛。CR的高速动车组则普遍采用这一种方式。司机直接将制动级位指令通过动车网络传递到各个车厢的制动控制单元(BCU),BCU将指令译为一个电磁阀能“听”得懂的电信号并从总风管取风施加相应大小的制动力。而上文所述的电磁空压制动则和电指令制动完全不同,它们使用的是励磁信号直接操作电磁阀,由司机的保压操作或是司机制动阀的自保压功能来实现制动力的控制。
电指令制动中2系车的Nabtesco BCU使用的是数字指令,即多条线的得电失电组合来传递制动指令,这种数字指令抗干扰能力很强,只需要在BCU部分做电磁屏蔽,但是制动控制线数目多,也只有有限的级位数;3系车的Knorr BCU则使用的是较为传统的模拟电信号指令,即电信号电压强度来传递制动指令,这种模拟指令抗干扰能力较差,须使用高频PWM来稳定指令电信号,不过理论上可以实现无级调制(事实上仍然设有制动级位以方便电空联合控制,减少信号干扰带来的制动力波动)。
电指令制动有一个特点,他们都使用紧急环路的失电导致紧急电磁阀的失电来触发紧急制动,一般不附设后备自动空气制动;所以其和既有车辆的兼容性较差,连挂机车时需额外安装指令转换装置和直流母线控制制动系统。不过他们都能通过BCU实现回生电制动和气制动的联合圆滑控制,保证列车能有最大的制动力,所以在高速列车和重载通勤列车上广泛采用。
CR200J使用的便正是欧洲大陆60-70年代普及的具有准直通制动功能的电磁自动空气制动。这对于习惯于操作二压力气指令制动机的司机来说无疑是一大利好,阶段制动、缓解、再施加都没有问题,偷风再也不需要偷偷摸摸,而可以光明正大。彻底和上个世纪的工业垃圾103/4型制动阀决裂,让客车列车向三压力准直通功能电磁自动空气制动发展是一次历史性的进步。不过,当CR200J回送无火机车,或是回送使用104制动阀的神秘绿皮车时,则仍需要切除电空,并使用制动阀司机控制器货车位,防止出现回送车的补风不足。
CR200J制动系统在风源可靠性和闸盘容量上也做了一定的改进,并通过司机微机制动控制设备时刻监测尾部风压和电空制动状况。这些 @西园寺萌纸 已经讲清楚了,这里不再赘述。个人对制动安全环路的设计感到多余,三压力式制动机本就能很好地处理高速的大减压和大缓解,这是由该阀本身的阀动方式决定的,更何况在目前情况下缓解电磁阀接总风气直接从各个车厢同步缓解,由于管压波动导致的不缓解发生的情况基本为零,这更多的是一个104型制动机的问题。
不过,有这些预防措施也是有胜于无的。CR200J最大的问题并不在制动,制动反而是CR200J相对于机辆客车最大的进步。CR200J最严重的问题在于粘着重量和牵引重量分配不均可能导致的湿润天气打滑,建议普速线CR200J尽快加装压铁。具体请看
(待续)
