第一篇：列車(chē)再生制動(dòng)能量回收的方法及分析

列車(chē)再生制動(dòng)能量回收的方法及分析

城市軌道交通是耗電大戶。而如何高效利用電能是目前城市軌道交通節(jié)能技術(shù)的關(guān)鍵問(wèn)題。車(chē)輛在運(yùn)行過(guò)程中，由于站間距一般較短，因此要求起動(dòng)加速度和制動(dòng)減速度比較大，并具有良好的起動(dòng)和制動(dòng)性能。城軌交通供電系統(tǒng)一直采用二極管整流技術(shù)實(shí)現(xiàn)交流電源到直流牽引電源的轉(zhuǎn)換，特別是采取24脈波整流技術(shù)后，與電網(wǎng)的諧波兼容問(wèn)題得到較好地解決。該技術(shù)雖然可以較好地滿足車(chē)輛牽引取流的需求，但是此類(lèi)系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：

（1）只能實(shí)現(xiàn)能量的單向流動(dòng)，對(duì)于需要頻繁起動(dòng)和制動(dòng)的地鐵、輕軌等交通工具，制動(dòng)能量的回收有著很大的潛力。車(chē)輛再生制動(dòng)產(chǎn)生的反饋能量一般為牽引能量的30％甚至更多。而這些再生能量除了按一定比例(一般為20％～80％，根據(jù)列車(chē)運(yùn)行密度和區(qū)間距離的不同而異)被其它相鄰列車(chē)吸收利用外，剩余部分將主要被車(chē)輛的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗掉或被線路上的吸收裝置吸收。如果在一列地鐵列車(chē)剎車(chē)時(shí)附近沒(méi)有其他列車(chē)加速運(yùn)行，那它所回饋的電能中只有30％～50％能被再次利用(尤其是在低電壓、高電流的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)里)。如果當(dāng)列車(chē)發(fā)車(chē)的間隔大于10 min時(shí)，再生制動(dòng)能量被相鄰列車(chē)吸收重新利用的概率幾乎為零。

（2）由于制動(dòng)電阻的發(fā)熱引發(fā)站臺(tái)和地下隧道熱量積累、溫度上升，某些城軌系統(tǒng)隧道溫度高達(dá)50℃，不得不加大通風(fēng)設(shè)備的容量，造成嚴(yán)重的二次能耗；

（3）對(duì)于車(chē)載制動(dòng)電阻模式制動(dòng)電阻增加車(chē)體自重造成的電能消耗十分可觀 ；

（4）牽引網(wǎng)上同時(shí)在線運(yùn)行的車(chē)輛有十幾對(duì)甚至幾十對(duì)，負(fù)荷的變化造成牽引網(wǎng)壓波動(dòng)嚴(yán)重，不利于車(chē)輛平穩(wěn)、可靠運(yùn)行?？梢?jiàn)車(chē)輛的制動(dòng)能量至今還是一種沒(méi)有被很好地開(kāi)發(fā)利用的能量。

目前,在我國(guó)大力提倡節(jié)能降耗的形勢(shì)下，城軌供電系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)度已滯后列車(chē)車(chē)輛技術(shù)的發(fā)展，多個(gè)待建的城市軌道線路，如無(wú)錫、蘇州、長(zhǎng)沙、西安、深圳和廣州等多條線路，都提出了對(duì)現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造的需求或者是尋求更好的儲(chǔ)能裝置去回收這些多余的再生能量。再生制動(dòng)能量循環(huán)利用主要有儲(chǔ)能和逆變兩種方式:儲(chǔ)能所采用的技術(shù)主要有蓄電池儲(chǔ)能、電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能3種;而能量回饋所采用的技術(shù)主要是逆變至中壓網(wǎng)絡(luò)和低壓網(wǎng)絡(luò)兩類(lèi)。

首先介紹儲(chǔ)能型回收裝置

(1)蓄電池儲(chǔ)能

蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖所示，該裝置是將制動(dòng)能量吸收到電池介質(zhì)中，當(dāng)供電區(qū)間有列車(chē)需要取流時(shí)，再將所儲(chǔ)存的能量釋放出去，由于蓄電池本身的特點(diǎn)充放電電流小，瞬間不能大功率充放電，所以該裝置體積較大電池處于頻繁充放電狀態(tài)將影響其使用壽命，儲(chǔ)能容量相對(duì)較少。

（2）飛輪儲(chǔ)能型

采用飛輪儲(chǔ)能方式的吸收裝置由儲(chǔ)能飛輪電機(jī)、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、傳感器和控制模塊等組成。該裝置直接接在變電所正負(fù)母線間或接觸網(wǎng)和回流軌間，其核心技術(shù)是利用核物理工業(yè)的物質(zhì)分離衍生技術(shù)而制造的飛輪，該裝置設(shè)置在真空殼體內(nèi)，飛輪經(jīng)過(guò)特殊材料和加工工藝制成的軸支撐在底部結(jié)構(gòu)上。

近幾年，英國(guó)UPT電力公司生產(chǎn)的成熟運(yùn)營(yíng)的飛輪儲(chǔ)能型產(chǎn)品，在香港電力系統(tǒng)、香港巴士公司、英國(guó)、紐約部分地鐵均有應(yīng)用。國(guó)內(nèi)北京大學(xué)某實(shí)驗(yàn)室有類(lèi)似的小功率產(chǎn)品研制，但飛輪的機(jī)械參數(shù)難以達(dá)到國(guó)外的水平，無(wú)法在工程中投入使用。該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)：有效利用了再生制動(dòng)能量，節(jié)能效益好；并可取消(或減少)車(chē)載制動(dòng)電阻，降低車(chē)輛自重，提高列車(chē)動(dòng)力性能；直接接在接觸網(wǎng)或變電所正負(fù)直流母線間，再生電能直接在直流系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對(duì)交流供電系統(tǒng)不會(huì)造成影響。該產(chǎn)品的缺點(diǎn)：飛輪是高速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械產(chǎn)品，對(duì)制造工藝要求很高，需采用真空環(huán)境和特殊軸類(lèi)制造技術(shù)，成本較高。使用壽命是否能滿足要求，維護(hù)維修是否方便，另外國(guó)內(nèi)無(wú)成熟技術(shù)和產(chǎn)品等都成為制約其推廣的因素。

（3）超級(jí)電容儲(chǔ)能

以已經(jīng)投入運(yùn)行的北京地鐵5號(hào)線為例簡(jiǎn)單說(shuō)明超級(jí)電容儲(chǔ)能的應(yīng)用。

當(dāng)具有再生制動(dòng)能力的車(chē)輛在變電站能量存儲(chǔ)系統(tǒng)附近釋放能量時(shí)，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓上升，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可探測(cè)到這種情況，并將牽引網(wǎng)系統(tǒng)中暫時(shí)多余的能量存儲(chǔ)到電容器中，使?fàn)恳W(wǎng)網(wǎng)壓保持在限定范圍內(nèi)。若車(chē)輛在變電站能量存儲(chǔ)系統(tǒng)附近起動(dòng)或加速，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓下降，此時(shí)，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器將能量從存儲(chǔ)系統(tǒng)輸送回牽引網(wǎng)系統(tǒng)中，保持牽引網(wǎng)網(wǎng)壓穩(wěn)定。在直流牽引網(wǎng)的空載狀態(tài)下，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)從牽引系統(tǒng)吸收一部分能量，通過(guò)這種方式可以幫助車(chē)輛起動(dòng)。

儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本工作原理如下：+SlAl—Sl為隔離開(kāi)關(guān)，維護(hù)設(shè)備時(shí)，可將系統(tǒng)從干線牽引網(wǎng)隔離開(kāi)來(lái)。并可使用+SlA2—Q0斷路器隔離系統(tǒng)。+SlA2—QO斷路器發(fā)生故障導(dǎo)致短路時(shí)，熔斷器+S1Fl將熔斷。充電時(shí)，與+SlA2—QO斷路器并聯(lián)的預(yù)充電路(+S 1 A 1—F l、+S1Al—K1和+S1A1—Rl和)將對(duì)間接電容器(Czk)進(jìn)行“軟”預(yù)充，避免充電沖擊電流太大損壞設(shè)備。間接電容器為一組直流濾波電容器。牽引網(wǎng)產(chǎn)生瞬變電壓時(shí)，+S3—L 1濾波電抗器將保護(hù)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。此外，該電抗器將牽引網(wǎng)和變流單元的諧波電流有效地分隔開(kāi)來(lái)。+S3—G l、+S3—G2是變流單元的2個(gè)變流器模塊(圖2)，每個(gè)變流器模塊分別包括2條變流器分路，共4條變流器分路對(duì)能量的總量及流向進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。+S 3—Fl、+S3—F2、+S3—F3，+S3—F4為帶熔斷器的手動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)，+S 4—L1、+S4—L2、+S4—L3、+S4—L4為平波電抗器。進(jìn)行設(shè)備維修時(shí)將系統(tǒng)從牽引網(wǎng)隔離出來(lái)以后，使用由+S3—V1和S9—R1組成的放電支路對(duì)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行放電。+S5—E1??+S8—E8為儲(chǔ)能雙層電容器。雙層電容器特點(diǎn)：高動(dòng)態(tài)充電容量，具有頻繁充放電能力，免維護(hù)，高效率，可分級(jí)控制儲(chǔ)能容量。

該系統(tǒng)的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢(shì)：能量存儲(chǔ)系統(tǒng)先進(jìn)、高性能的控制回路，在實(shí)時(shí)檢測(cè)到牽引網(wǎng)的網(wǎng)壓波動(dòng)達(dá)到設(shè)定的條件后，能夠快速地啟動(dòng)充放電裝置，對(duì)牽引網(wǎng)進(jìn)行充、放電；而同時(shí)由于采用了能夠快速進(jìn)行充放電的雙層電容器，整套裝置能夠?qū)恳W(wǎng)的電能變化做出及時(shí)反應(yīng)，從而改善牽引網(wǎng)供電質(zhì)量，滿足車(chē)輛起動(dòng)和制動(dòng)需要。北京地鐵5號(hào)線的14座牽引變電所均預(yù)留安裝再生電能吸收裝置，從目前4套再生電能吸收裝置的運(yùn)行情況來(lái)看，在改善牽引網(wǎng)供電質(zhì)量、提高車(chē)輛舒適性方面，效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。北京地鐵5號(hào)線變電所的一套再生電能吸收裝置設(shè)備采購(gòu)費(fèi)用為51O余萬(wàn)元人民幣，造價(jià)昂貴。因此，在計(jì)劃采用這種設(shè)備時(shí)需要考慮經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)近期和長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益要綜合比較，最終確定是否可行。隨著產(chǎn)品的大規(guī)模化生產(chǎn)以及電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，類(lèi)似產(chǎn)品的價(jià)格必將大幅下降，相信不久的將來(lái)再生電能吸收技術(shù)能在地鐵領(lǐng)域得到大面積應(yīng)用，成為軌道交通牽引供電技術(shù)發(fā)展的方向。其次是逆變裝置以及相關(guān)技術(shù)（1）逆變至中壓網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

本方案采用如圖1所示原理圖。虛線框中的部分即所提出的再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)，從主接線上看，該系統(tǒng)與牽引供電支路并列布置在交流中壓電網(wǎng)和直流牽引母線之間。系統(tǒng)包含1臺(tái)多重化變壓器以及多個(gè)四象限PWM變流器模塊，整套裝置與傳統(tǒng)的二極管整流機(jī)組并列布置。系統(tǒng)的多重化變壓器一次側(cè)通過(guò)高壓開(kāi)關(guān)柜QFac與交流中壓電網(wǎng)相連，其低壓側(cè)每套繞組都與一個(gè)四象限變流器模塊交流側(cè)相連，四象限變流直流側(cè)則并聯(lián)在一起后通過(guò)直流開(kāi)關(guān)柜QFdc和負(fù)極柜QCdc與直流牽引母線相連。

系統(tǒng)檢測(cè)直流母線電壓，當(dāng)確定有車(chē)輛制動(dòng)且直流母線電壓超過(guò)設(shè)置的門(mén)檻值時(shí)，進(jìn)入回饋模式。此時(shí)裝置將多余的再生制動(dòng)能量通過(guò)各重IGBT變流器以及多重化變壓器回饋到交流中壓電網(wǎng)，此時(shí)裝置內(nèi)能量的流動(dòng)方向是從牽引直流母線流向交流中壓電網(wǎng)，且交流中壓電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)接近-1。

針對(duì)目前城軌供電系統(tǒng)再生制動(dòng)能量回饋的幾個(gè)問(wèn)題，該方案提出了基于多重化四象限變流器的制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)。仿真和樣機(jī)試制表明，該系統(tǒng)可以在滿足電網(wǎng)兼容性要求的前提下實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋至中壓電網(wǎng)的功能，加之所述系統(tǒng)與現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)并列連接，并與中壓交流電網(wǎng)和直流牽引網(wǎng)之間相互間兼容性好，有著較大實(shí)際意義和推廣價(jià)值。

（2）逆變至低壓壓負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)

逆變至低壓網(wǎng)絡(luò)利用再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置來(lái)逆變多余的再生制動(dòng)能量,采用直流牽引網(wǎng)的電壓作為能量控制策略依據(jù),提出DC/AC變換器電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的SVPWM控制策略;運(yùn)用Matlab/Simlulink搭建了一個(gè)750V直流電氣化鐵路等效模型仿真平臺(tái),并通過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的可行性和有效性。再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置能滿足地鐵列車(chē)再生制動(dòng)能量吸收利用及穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)電壓要求,實(shí)現(xiàn)車(chē)輛再生制動(dòng)能量回饋利用。

圖1示出再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置主電路。該系統(tǒng)由三相交流電源經(jīng)降壓變壓器降壓后與二極管構(gòu)成不可控整流來(lái)模擬變電所直流牽引供電系統(tǒng),整流器輸出24脈動(dòng)整流電壓到直流牽引供電網(wǎng),電路后端加入逆變器和電機(jī),通過(guò)控制電機(jī)運(yùn)行的不同狀態(tài)來(lái)模擬地鐵運(yùn)行工況,再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置并聯(lián)在直流母線電壓端。

在三相靜止對(duì)稱(chēng)坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型中,因?yàn)椴⒕W(wǎng)逆變器的交流側(cè)均為時(shí)變交流量,所以對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。為使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變簡(jiǎn)單,可通過(guò)坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到與電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的d,q坐標(biāo)系下。這樣,經(jīng)過(guò)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換后,三相對(duì)稱(chēng)靜止坐標(biāo)系中的基波正弦量將轉(zhuǎn)化為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流變量。這里對(duì)電壓源型逆變器采用輸出電流控制,在與電網(wǎng)電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)的d,q坐標(biāo)系下,應(yīng)用同步矢量電流PI控制器對(duì)逆變器輸出電流實(shí)施閉環(huán)控制,實(shí)現(xiàn)有功和無(wú)功的解禍控制,達(dá)到逆變器輸出單位功率因數(shù)并網(wǎng)的目的。圖2示出DC/AC控制的流程圖,采用基于SVPWM的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu),直流牽引網(wǎng)的電壓采用外環(huán)控制,而內(nèi)環(huán)控制逆變器輸出電流。

外環(huán)控制直流牽引網(wǎng)電壓,實(shí)際直流牽引網(wǎng)電壓嘰與給定電壓嘰'的差值作為直流電壓PI調(diào)節(jié)器的輸入,其輸出作為對(duì)應(yīng)有功功率的d軸電流參考值ia*,通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器傳送到電網(wǎng)的有功功率,使直流牽引網(wǎng)電壓工作在給定參考電壓。內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán),在與電網(wǎng)電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)的d,q坐標(biāo)系統(tǒng)下,利用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器對(duì)逆變器輸出電流的d,q軸分量進(jìn)行解禍控制,PI調(diào)節(jié)器的輸出分別為Ud*和Uq*。根據(jù)Ud*和Uq*及電網(wǎng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)角度的值,利用7段式SVPWM算法即可得三相參考電壓Ua，Ub，Uc的調(diào)制波形。設(shè)置iq*=0使逆變器輸出功率因數(shù)為1。該裝置的驅(qū)動(dòng)電路將無(wú)橋Boost的PFC和半橋諧振LLC電路有機(jī)結(jié)合,具有器件少,成本低,無(wú)電解電容,控制簡(jiǎn)單,輸入功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。

由上述分析可知：

電容儲(chǔ)能型或飛輪儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用IGBT 逆變器將列車(chē)的再生制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組或飛輪電機(jī)中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車(chē)起動(dòng)或加速需要取流時(shí)，該裝置將所儲(chǔ)存的電能釋放出去并進(jìn)行再利用。該類(lèi)吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能電容器組或飛輪電機(jī)、IGBT 斬波器、直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、傳感器和微機(jī)控制單元等。該裝置充分利用了列車(chē)再生制動(dòng)能量，節(jié)能效果好，并可減少列車(chē)制動(dòng)電阻的容量。其主要缺點(diǎn)是要設(shè)置體積龐大的電容器組和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械飛輪裝置作為儲(chǔ)能部件，因此應(yīng)用實(shí)例較少。

逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用電力電子器件構(gòu)成大功率晶閘管三相逆變器，該逆變器的直流側(cè)與牽引變電所中的整流器直流母線相聯(lián)，其交流進(jìn)線接到交流電網(wǎng)上。當(dāng)再生制動(dòng)使直流電壓超過(guò)規(guī)定值時(shí)，逆變器啟動(dòng)并從直流母線吸收電流，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。該吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要包括晶閘管逆變器、逆變變壓器、平衡電抗器、交流斷路器、直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開(kāi)關(guān)、直流電壓變換器和調(diào)節(jié)控制柜等。該裝置充分利用了列車(chē)再生制動(dòng)能量，提高了再生能量的利用率，節(jié)能效果好，并可減少列車(chē)制動(dòng)電阻的容量。其能量直接回饋到電網(wǎng)，既不要配置儲(chǔ)能元件，又不要配置吸收電阻，因此對(duì)環(huán)境溫度影響小，在大功率室內(nèi)安裝的情況下多采用此方案。

第二篇：剎車(chē)回收能量分析(轉(zhuǎn)載學(xué)習(xí)材料)

剎車(chē)能量回收分析

摘要：電動(dòng)汽車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在再生發(fā)電狀態(tài)時(shí)，既可以提供制動(dòng)力，又可以給電池充電回收車(chē)體動(dòng)能，從而延長(zhǎng)電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)駛里程。對(duì)制動(dòng)模式進(jìn)行了分類(lèi)，并詳細(xì)探討了中輕度剎車(chē)時(shí)制動(dòng)能量回收的機(jī)制和影響因素。提出了制動(dòng)能量回收的最優(yōu)控制策略，給出了仿真模型及結(jié)果，最后基于仿真模型及ＸＬ型純電動(dòng)車(chē)對(duì)控制算法的效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

關(guān)鍵詞：制動(dòng)能量回收 電動(dòng)汽車(chē) 鎳氫電池 Simulink模型電動(dòng)汽車(chē)（ＥＶ）的研究是在環(huán)境保護(hù)問(wèn)題及能源問(wèn)題日益受到關(guān)注的情況下興起的。在ＥＶ性能提高并逐步邁向產(chǎn)業(yè)化的過(guò)程中，提高能量的儲(chǔ)備與利用率是迫切需要解決的兩個(gè)問(wèn)題。盡管蓄電池技術(shù)有了長(zhǎng)足進(jìn)步，但由于受安全性、經(jīng)濟(jì)性等因素的制約，近期不會(huì)有大的突破。因此如何提高ＥＶ能量利用率是一個(gè)非常關(guān)鍵的問(wèn)題。制動(dòng)能量回收問(wèn)題對(duì)于提高ＥＶ的能量利用率具有重要意義。電動(dòng)汽車(chē)采用電制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行在發(fā)電狀態(tài)，將汽車(chē)的部分動(dòng)能回饋給蓄電池以對(duì)其充電，對(duì)延長(zhǎng)電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離是至關(guān)重要的。國(guó)外有關(guān)研究表明，在存在較頻繁的制動(dòng)與起動(dòng)的城市工況運(yùn)行條件下，有效地回收制動(dòng)能量，可使電動(dòng)汽車(chē)的行駛距離延長(zhǎng)百分之十到百分之三十。目前國(guó)內(nèi)關(guān)于制動(dòng)能量回收的研究還處在初級(jí)階段。制動(dòng)能量回收要綜合考慮汽車(chē)動(dòng)力學(xué)特性、電機(jī)發(fā)電特性、電池安全保證與充電特性等多方面的問(wèn)題。研制一種既具有實(shí)際效用、又符合司機(jī)操作習(xí)慣的系統(tǒng)是有一定難度的。本文對(duì)上述問(wèn)題作了一些積極的探索，并得出了一些有益的結(jié)論。

１ 制動(dòng)模式電動(dòng)汽車(chē)制動(dòng)可分為以下三種模式，對(duì)不同情況應(yīng)采用不同的控制策略。１.１ 急剎車(chē)對(duì)應(yīng)于制動(dòng)加速度大于２ｍ／ｓ的過(guò)程。出于安全性方面的考慮，急剎車(chē)應(yīng)以機(jī)械為主，電剎車(chē)同時(shí)作用。在急剎車(chē)時(shí)，可根據(jù)初始速度的不同，由車(chē)上ＡＢＳ控制提供相應(yīng)的機(jī)械制動(dòng)力。

１.２ 中輕度剎車(chē)中輕度剎車(chē)對(duì)應(yīng)于汽車(chē)在正常工況下的制動(dòng)過(guò)程，可分為減速過(guò)程與停止過(guò)程。電剎車(chē)負(fù)責(zé)減速過(guò)程，停止過(guò)程由機(jī)械剎車(chē)完成。兩種剎車(chē)的切換點(diǎn)由電機(jī)發(fā)電特性確定。

１.３ 汽車(chē)長(zhǎng)下坡時(shí)的剎車(chē)汽車(chē)長(zhǎng)下坡一般發(fā)生在盤(pán)山公路下緩坡時(shí)。在制動(dòng)力要求不大時(shí)，可完全由電剎車(chē)提供。其充電特點(diǎn)表現(xiàn)為回饋電流較小但充電時(shí)間較長(zhǎng)。限制因素主要為電池的最大可充電時(shí)間。由于電動(dòng)汽車(chē)主要工作在城市工況下，所以本文將研究重點(diǎn)放在中輕度電剎車(chē)上。

２ 制動(dòng)能量回收的約束條件實(shí)用的能量回收系統(tǒng)應(yīng)滿足以下要求：(１)滿足剎車(chē)的安全要求，符合駕駛員的剎車(chē)習(xí)慣。剎車(chē)過(guò)程中，對(duì)安全的要求是第一位的。需要找到電剎車(chē)和機(jī)械剎車(chē)的最佳覆蓋區(qū)間，在確保安全的前提下，盡可能多地回收能量。具有能量回收系統(tǒng)的電動(dòng)汽車(chē)的剎車(chē)過(guò)程應(yīng)盡可能地與傳統(tǒng)的剎車(chē)過(guò)程近似，這將保證在實(shí)際應(yīng)用中，系統(tǒng)有吸引力，可以為大眾所接受。（２）考慮驅(qū)動(dòng)電機(jī)的發(fā)電工作特性和輸出能力。電動(dòng)汽車(chē)中常用的是永磁直流電機(jī)或感應(yīng)異步電機(jī)，應(yīng)針對(duì)不同的電機(jī)的發(fā)電效率特性，采取相應(yīng)的控制手段。

（３）確保電池組在充電過(guò)程中的安全，防止過(guò)充。電動(dòng)汽車(chē)中常用的電池為鎳氫電池、鋰電池和鉛酸電池。充電時(shí)，避免因充電電流過(guò)大或充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)而損害電池。由以上分析可得能量回收的約束條件：

（１）根據(jù)電池放電深度的不同，電池可接受的最大充電電流。（２）電池可接受的最大充電時(shí)間。

（３）能量回收停止時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)速及與此相對(duì)應(yīng)的充電電流值。

本項(xiàng)目原型車(chē)為ＸＬ型純電動(dòng)車(chē)，驅(qū)動(dòng)采用異步交流電機(jī)，額定功率為２０ｋＷ，峰值功率為６０ｋＷ，額定轉(zhuǎn)矩為５３Ｎｍ，峰值轉(zhuǎn)矩為２９０Ｎｍ，持續(xù)輸出三倍額定轉(zhuǎn)矩時(shí)間不小于３０ｓ，額定轉(zhuǎn)速為３６００ｒ／ｍｉｎ，最高轉(zhuǎn)速為９０００ｒ／ｍｉｎ。蓄電池采用２４節(jié)１００Ａｈ鎳氫電池，其瞬時(shí)充電電流可達(dá)１．５Ｃ（Ｃ為電池放電倍率），即１５０Ａ。在充電電流為０．５Ｃ時(shí)，可持續(xù)安全充電。實(shí)驗(yàn)表明，在電機(jī)轉(zhuǎn)速為５００ｒ／ｍｉｎ時(shí)，充電電流小于６Ａ?？稍O(shè)此點(diǎn)為電剎車(chē)與機(jī)械剎車(chē)的切換點(diǎn)。

３ 制動(dòng)能量回收控制算法

３．１制動(dòng)過(guò)程分析經(jīng)推導(dǎo)可得，一次剎車(chē)回收能量Ｅ＝Ｋ１Ｋ２Ｋ３（ΔＷ－ＦｆＳ）。特定剎車(chē)過(guò)程中，車(chē)體動(dòng)能衰減ΔＷ為定值。特定車(chē)型的機(jī)械傳動(dòng)效率Ｋ１和滾動(dòng)摩擦力Ｆｆ基本上是固定的。對(duì)蓄電池來(lái)說(shuō)，制動(dòng)能量回收對(duì)應(yīng)于短時(shí)間（不超過(guò)２０ｓ）、大電流（可達(dá)１００Ａ）充電，因此能量回收約束條件（２）可忽略，充電效率Ｋ３也可認(rèn)為恒定。對(duì)于電機(jī)來(lái)說(shuō)，在制動(dòng)過(guò)程中，其發(fā)電效率Ｋ２隨轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化而變化。制動(dòng)距離Ｓ取決于制動(dòng)力的大小和制動(dòng)時(shí)間的長(zhǎng)短。由以上分析可知，如果電池狀態(tài)（包括放電深度、初始充電電流強(qiáng)度）允許，回收能量只與發(fā)電機(jī)發(fā)電效率和剎車(chē)距離有關(guān)。在滿足制動(dòng)時(shí)間要求的前提下，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

３．２ 控制算法控制策略可描述為：在滿足剎車(chē)要求的情況下（由中輕度剎車(chē)檔位決定），根據(jù)能量回收約束條件（１）和（３）的不同值，確定最優(yōu)制動(dòng)力，使回收的能量達(dá)到最大，即電流對(duì)時(shí)間的積分達(dá)到最大。為了與平常的剎車(chē)習(xí)慣相符合，令制動(dòng)力隨剎車(chē)時(shí)間呈線性增長(zhǎng)，即Ｆｊ＝Ｆｏ＋Ｋｔ。問(wèn)題轉(zhuǎn)換為尋找最優(yōu)的制動(dòng)力初值Ｆｏ和制動(dòng)力增長(zhǎng)系數(shù)Ｋ。我國(guó)常用的轎車(chē)循環(huán)２５工況規(guī)定，汽車(chē)最高速度不超過(guò)６０ｋｍ／ｈ，加速度變化范圍為－１．５ｍ／ｓ２～１．５ｍ／ｓ２。為了體現(xiàn)城市工況下汽車(chē)制動(dòng)的典型性，同時(shí)保證安全性和平穩(wěn)性，考察如下制動(dòng)過(guò)程：電制動(dòng)初始速度為６０ｋｍ／ｈ（對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為４５００ｒ／ｍｉｎ），電制動(dòng)結(jié)束速度為５．４ｋｍ／ｈ（對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為５００ｒ／ｍｉｎ），要求加速度的絕對(duì)值小于２ｍ／ｓ２，速度曲線盡量平滑。中度檔位剎車(chē)時(shí)規(guī)定制動(dòng)時(shí)間為８ｓ～１２ｓ，輕度檔位剎車(chē)時(shí)規(guī)定制動(dòng)時(shí)間為１２ｓ～１８ｓ。下面只討論中度檔位剎車(chē)情況，輕度檔位剎車(chē)情況與之類(lèi)似。鎳氫電池（１００Ａｈ）在常溫以０．５Ｃ放電時(shí)，電池單體電壓變化范圍為１２～１５Ｖ，但電池主要工作于平臺(tái)段，即１２．２～１３Ｖ。為討論問(wèn)題方便，認(rèn)為電池單體端電壓為１２．５Ｖ，總電壓等于３００Ｖ。據(jù)此假設(shè)，計(jì)算所得的充電電流誤差不超過(guò)６％。電機(jī)在不同的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，實(shí)測(cè)的效率曲線類(lèi)似指數(shù)函數(shù)。為了處理方便，可將效率曲線分三段線性擬合成如下函數(shù)（擬合誤差不超過(guò)５％，其中ｎ為電機(jī)瞬時(shí)轉(zhuǎn)速）：與此相對(duì)應(yīng)，可將制動(dòng)過(guò)程分成三個(gè)階段：第一階段：電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍為４５００ｒ／ｍｉｎ～３６００ｒ／ｍｉｎ，電機(jī)發(fā)電效率為０．９，要求制動(dòng)時(shí)間ｔ１≤３ｓ。取制動(dòng)轉(zhuǎn)矩為６０Ｎｍ，即Ｆ０＝１８６０Ｎ，Ｋ＝２０，可得ｔ１＝２．６２ｓ，平均加速度約為－１．２９ｍ／ｓ２。計(jì)算可知，充電電流Ｉ單調(diào)減小，ＩＭａｘ＝Ｉｔ＝０＝７５．７５Ａ。第二階段：電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍為３６００ｒ／ｍｉｎ～１５００ｒ／ｍｉｎ，電機(jī)的發(fā)電效率變化范圍為０．９～０．８２，要求制動(dòng)時(shí)間ｔ２≤５ｓ。此時(shí)問(wèn)題歸結(jié)為在約束條件下的最優(yōu)控制問(wèn)題。經(jīng)仿真計(jì)算可知，回收能量值隨Ｆ０、Ｋ的增加而單調(diào)增加，并且主要由Ｆ０決定。當(dāng)Ｆ０較小時(shí)，Ｋ的變化對(duì)制動(dòng)時(shí)間的影響較大。由于電機(jī)可運(yùn)行在三倍過(guò)載（１４０Ｎｍ）的情況下，可得最大制動(dòng)力為４３００Ｎ。當(dāng)Ｆ０＝４３００Ｎ、Ｋ＝３０時(shí)，回收能量取最大值，為２７４．３（單位：安秒／Ａｓ），平均加速度為－２．８３ｍ／ｓ２。為了滿足剎車(chē)平穩(wěn)性的要求，?。疲埃剑玻常埃埃巍ⅲ耍剑担?。制動(dòng)時(shí)間為４．７１ｓ，此時(shí)回收能量為２６２．８Ａｓ，較最大值減少４．２％，而平均加速度為－１．６８ｍ／ｓ２，僅為最大值的５９．３％。此階段充電電流最大值為７６．９Ａ。為了準(zhǔn)確描述能量回收的效果；引入了一個(gè)新的單位“安秒／Ａｓ”（即時(shí)間以秒為單位對(duì)電流的積分）來(lái)衡量能量的大小。第三階段：電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍為１５００ｒ／ｍｉｎ～５００ｒ／ｍｉｎ，電機(jī)的發(fā)電效率變化范圍為０．８２～０．６，要求制動(dòng)時(shí)間ｔ３≤２ｓ。仿照第二階段的分析方法可得，?。疲埃剑常埃埃埃?、Ｋ＝３０時(shí)，制動(dòng)時(shí)間為１．８８ｓ，回收能量為４２．１Ａｓ，平均加速度為－２．０１ｍ／ｓ２。此時(shí)回收能量較最大值減少２．３％，而平均加速度為最大值的７４．１％，此階段充電電流最大值為３５．９Ａ。４ 仿真模型及結(jié)果根據(jù)汽車(chē)動(dòng)力學(xué)理論并結(jié)合其它相關(guān)方程可得仿真模型：驅(qū)動(dòng)力合力：Ｆｔ＝Ｆｆ＋Ｆｊ＋Ｆｉ＋Ｆｗ其中,Ｆｔ為作用于車(chē)輪上的驅(qū)動(dòng)力合力，Ｆｆ為滾動(dòng)摩擦力，Ｆｊ為加速阻力，Ｆｉ為坡度阻力，Ｆｗ為空氣阻力。在城市工況下，Ｆｉ和Ｆｗ可忽略。其中，車(chē)體質(zhì)量為Ｍ，瞬時(shí)車(chē)速為Ｖ，制動(dòng)初始車(chē)速為Ｖ０，電制動(dòng)結(jié)束時(shí)車(chē)速為Ｖ１，充電電流為Ｉ，電池端電壓為Ｕ。其它符號(hào)含義與前相同。在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ環(huán)境下建立仿真模型，可得電機(jī)轉(zhuǎn)速曲線如圖１所示，充電電流曲線如圖２所示，回收能量曲線如圖３所示。

５ 制動(dòng)能量回收控制算法功效的評(píng)價(jià)以初始速度為６０ｋｍ／ｈ的電制動(dòng)典型過(guò)程為例，經(jīng)仿真計(jì)算可得，回收能量占車(chē)體總動(dòng)能的６５．４％，其余的３４．６％為機(jī)械剎車(chē)和電剎車(chē)過(guò)程中的損耗。以我國(guó)轎車(chē)２５循環(huán)工況為例，考慮到摩擦阻力及各部分效率的問(wèn)題，回收能量占總耗能的２３．３％。實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的制動(dòng)能量回收控制策略是簡(jiǎn)潔有效的。在典型城市工況下，配備能量回收系統(tǒng)的ＸＬ型純電動(dòng)轎車(chē)運(yùn)行可靠，可以延長(zhǎng)續(xù)駛里程１０％以上。６ 其它相關(guān)問(wèn)題的討論鋰電池由于比能量高，也是ＥＶ常用的動(dòng)力源。實(shí)驗(yàn)證明國(guó)內(nèi)研制的鋰電池瞬時(shí)（２０ｓ）充電電流上限可達(dá)１Ｃ，對(duì)常用的８０Ａｈ鋰電池而言，其最大充電電流為８０Ａ左右。但是出于安全方面的考慮，如果把制動(dòng)能量回收系統(tǒng)用于鋰電池系統(tǒng)，需要嚴(yán)格的限流措施或?qū)㈦妱x車(chē)與機(jī)械剎車(chē)同時(shí)作用。制動(dòng)能量回收的另一種情況是汽車(chē)下長(zhǎng)緩坡。我國(guó)規(guī)定城市道路坡度不超過(guò)８％，在此條件下，如果ＥＶ下坡速度為３０ｋｍ／ｈ（ｎ＝２２００ｒ／ｍｉｎ，效率＝０．８４７），則制動(dòng)充電電流為３７．６Ａ，對(duì)鎳氫電池來(lái)說(shuō)不到０．４Ｃ，可以安全地持續(xù)充電。盡管本課題針對(duì)純電動(dòng)車(chē)，但由于混合動(dòng)力車(chē)與純電動(dòng)車(chē)的能量回收規(guī)律相似，因此以上討論同樣適用于各種混合動(dòng)力車(chē)，主要區(qū)別在于電池放電倍率大小不同。

第三篇：列車(chē)完整性檢測(cè)方法

摘要

當(dāng)前國(guó)內(nèi)鐵路快速發(fā)展，但近期出現(xiàn)了多次安全事故，對(duì)人民的生命財(cái)產(chǎn)都造成了重大影響。鐵路安全關(guān)系到國(guó)家的長(zhǎng)期穩(wěn)定發(fā)展。列車(chē)完整性檢測(cè)是保障列車(chē)安全運(yùn)行的重要一部分。為了防止列車(chē)在行駛過(guò)程中發(fā)生拋車(chē)，可以采用有效的列車(chē)完整性檢查設(shè)備。目前低成本技術(shù)要求下，所采用的技術(shù)可以不依賴(lài)軌道電路。主要介紹列車(chē)完整性檢測(cè)技術(shù)，主要包括基于GPS技術(shù)的列車(chē)完整性檢測(cè)、基于加速度傳感器的列車(chē)完整性檢測(cè)。

關(guān)鍵詞：完整性；GPS；加速度傳感器；

引言

列車(chē)的完整性監(jiān)測(cè)是指列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中利用設(shè)備檢測(cè)列車(chē)的完整性，即檢測(cè)列車(chē)有無(wú)脫鉤拋車(chē)現(xiàn)象，目前國(guó)內(nèi)大多采用列車(chē)尾部安全防護(hù)裝置（列尾裝置）來(lái)完成。列尾裝置由安裝在列車(chē)尾部的主機(jī)和司機(jī)室內(nèi)的控制盒兩部分組成，它能實(shí)時(shí)檢測(cè)列車(chē)尾部風(fēng)管風(fēng)壓并將風(fēng)壓信息不停的反饋給機(jī)車(chē)司機(jī)控制盒，實(shí)現(xiàn)欠壓報(bào)警，提示司機(jī)采取緊急制動(dòng)等應(yīng)急措施。主機(jī)對(duì)主管風(fēng)壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)列車(chē)發(fā)生拋車(chē)，風(fēng)管斷開(kāi)漏風(fēng)，泄露量超過(guò)規(guī)定值時(shí)，通過(guò)無(wú)線調(diào)度系統(tǒng)機(jī)車(chē)電臺(tái)及時(shí)向機(jī)車(chē)乘務(wù)員發(fā)出警示。

但是，但列尾裝置在使用過(guò)程中還存在一些問(wèn)題，如：既有或新增的無(wú)線列調(diào)，沒(méi)有列尾裝置司機(jī)控制盒的預(yù)留接口，給安裝和使用帶來(lái)困難；無(wú)線列調(diào)的使用頻率不當(dāng)，造成樞紐內(nèi)列尾裝置主機(jī)與無(wú)線列調(diào)間相互干擾，影響列車(chē)的出發(fā)；列尾裝置對(duì)風(fēng)壓的查詢(xún)頻率不夠，有些一分鐘甚至幾分鐘查詢(xún)一次，這樣不能保證完整性檢查的實(shí)時(shí)性；另外無(wú)線通信存在盲區(qū)，設(shè)備受環(huán)境影響較大。

1.基于GPS技術(shù)的列車(chē)完整性檢測(cè)

1.1 GPS技術(shù)簡(jiǎn)介

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱(chēng)，而其中文簡(jiǎn)稱(chēng)為“球位系”。GPS是20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實(shí)時(shí)、全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報(bào)收集、核爆監(jiān)測(cè)和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，經(jīng)過(guò)20余年的研究實(shí)驗(yàn)，耗資300億美元，到1994年3月，全球覆蓋率高達(dá)98%的24顆GPS衛(wèi)星星座己布設(shè)完成增強(qiáng)系統(tǒng)的性能，增加系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的靈活性，并降低運(yùn)營(yíng)成本。

1.2 GPS技術(shù)的原理

GPS導(dǎo)航儀GPS導(dǎo)航系統(tǒng)的基本原理是測(cè)量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時(shí)鐘所記錄的時(shí)間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過(guò)記錄衛(wèi)星信號(hào)傳播到用戶所經(jīng)歷的時(shí)間，再將其乘以光速得到(由于大氣層電離層的干擾，這一距離并不是用戶與衛(wèi)星之間的真實(shí)距離，而是偽距（PR）：當(dāng)GPS衛(wèi)星正常工作時(shí)，會(huì)不斷地用1和0二進(jìn)制碼元組成的偽隨機(jī)碼（簡(jiǎn)稱(chēng)偽碼）發(fā)射導(dǎo)航電文。GPS系統(tǒng)使用的偽碼一共有兩種，分別是民用的C/A碼和軍用的P(Y)碼。C/A碼頻率1.023MHz,重復(fù)周期一毫秒，碼間距1

微秒，相當(dāng)于300m；P碼頻率10.23MHz，重復(fù)周期266.4天，碼間距0.1微秒，相當(dāng)于30m。而Y碼是在P碼的基礎(chǔ)上形成的，保密性能更佳。導(dǎo)航電文包括衛(wèi)星星歷、工作狀況、時(shí)鐘改正、電離層時(shí)延修正、大氣折射修正等信息。它是從衛(wèi)星信號(hào)中解調(diào)制出來(lái)，以50b/s調(diào)制在載頻上發(fā)射的。導(dǎo)航電文每個(gè)主幀中包含5個(gè)子幀每幀長(zhǎng)6s。前三幀各10個(gè)字碼；每三十秒重復(fù)一次，每小時(shí)更新一次。后兩幀共15000b。導(dǎo)航電文中的內(nèi)容主要有遙測(cè)碼、轉(zhuǎn)換碼、第1、2、3數(shù)據(jù)塊，其中最重要的則為星歷數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶接受到導(dǎo)航電文時(shí)，提取出衛(wèi)星時(shí)間并將其與自己的時(shí)鐘做對(duì)比便可得知衛(wèi)星與用戶的距離，再利用導(dǎo)航電文中的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)推算出衛(wèi)星發(fā)射電文時(shí)所處位置，用戶在WGS-84大地坐標(biāo)系中的位置速度等信息便可得知。

圖1.1 GPS分布和定位指示

可見(jiàn)GPS導(dǎo)航系統(tǒng)衛(wèi)星部分的作用就是不斷地發(fā)射導(dǎo)航電文。然而，由于用戶接受機(jī)使用的時(shí)鐘與衛(wèi)星星載時(shí)鐘不可能總是同步，所以除了用戶的三維坐標(biāo)x、y、z外，還要引進(jìn)一個(gè)Δt即衛(wèi)星與接收機(jī)之間的時(shí)間差作為未知數(shù)，然后用4個(gè)方程將這4個(gè)未知數(shù)解出來(lái)。所以如果想知道接收機(jī)所處的位置，至少要能接收到4個(gè)衛(wèi)星的信號(hào)。

1.3 GPS技術(shù)在列車(chē)完整性檢測(cè)中的應(yīng)用

火車(chē)在正常行使過(guò)程中車(chē)頭和車(chē)尾的距離固定不變。如果發(fā)生拋車(chē)事故，車(chē)頭和車(chē)尾的距離增大。GPS檢測(cè)列車(chē)拋車(chē)的原理就是在火車(chē)的行進(jìn)過(guò)程中檢測(cè)列車(chē)頭尾的GPS位置信息，并計(jì)算列車(chē)頭尾兩點(diǎn)的直線距離。當(dāng)發(fā)現(xiàn)計(jì)算的直線

距離Lt大于火車(chē)的原始長(zhǎng)度Lo時(shí)，即可以判定拋車(chē)。

歐洲相關(guān)部門(mén)于目前采用的列車(chē)完整性檢查系統(tǒng)即TIMS(Train Integrity Monitoring System)是歐洲列車(chē)控制系統(tǒng)(ETCS)中的重要組成。TIMS是ETCS三級(jí)必需的子系統(tǒng)，能夠應(yīng)用在高密度、移動(dòng)閉塞的線路上。不僅減少路旁設(shè)備外，而且縮短平均列車(chē)間隔，提高行車(chē)效率。

在TIMS的實(shí)現(xiàn)方法中，GPS的應(yīng)用是通過(guò)對(duì)車(chē)頭尾定位來(lái)檢測(cè)車(chē)長(zhǎng)。定位方法大多軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)與衛(wèi)星定位相結(jié)合，利用軌道數(shù)字地圖的數(shù)據(jù)資源，補(bǔ)充衛(wèi)星不完備條件下的定位條件缺失問(wèn)題。例如在基于軌道地圖數(shù)據(jù)庫(kù)的雙星定位模型中，數(shù)字地圖提供的區(qū)間軌道信息可視為一系列坐標(biāo)點(diǎn)信息，軌道段可根據(jù)要求劃分，每一個(gè)小段可視為空間直線段，利用一定的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換方法，可以將其轉(zhuǎn)換至WGS一84坐標(biāo)，再應(yīng)用雙星定位算法定位結(jié)算。這種方法計(jì)算精確，但是需要編輯數(shù)據(jù)庫(kù)，前期準(zhǔn)備，測(cè)量工作繁重。

目前來(lái)看，GPS技術(shù)在列車(chē)完整性檢測(cè)以及列車(chē)運(yùn)行檢測(cè)等的應(yīng)用中的主要問(wèn)題是無(wú)法有效突破GPS的四星模式，即在環(huán)境等客觀因素的制約下，接受設(shè)備無(wú)法接收到四顆以上衛(wèi)星信號(hào)的情況下，無(wú)法使用GPS技術(shù)。為此有人做了相關(guān)研究，基本前提都是在接收設(shè)備接收到三顆衛(wèi)星信號(hào)，再利用多普勒效應(yīng)、虛擬衛(wèi)星等方法來(lái)增加附加約束方程。但其實(shí)都沒(méi)有突破四星定位模型的限制。

2.其他列車(chē)完整性檢測(cè)方案

2.1 加速度傳感器檢測(cè)技術(shù)

對(duì)火車(chē)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和列車(chē)拋車(chē)特點(diǎn)進(jìn)行分析，可以得到如下結(jié)論:（1）列車(chē)在減速過(guò)程中不可能發(fā)生拋車(chē);（2）列車(chē)在勻速和加速行使時(shí)會(huì)發(fā)生拋車(chē)。

在勻速行駛和加速度行駛過(guò)程中，火車(chē)任何部分的加速度不小于0，車(chē)尾也是如此。如果列尾發(fā)生拋車(chē)，列尾由于收到阻力的影響，加速度出現(xiàn)負(fù)值。通過(guò)車(chē)頭和車(chē)尾的加速度比對(duì)可以確定是否發(fā)生拋車(chē)。加速度是力的體現(xiàn)，若要檢測(cè)加速度必須對(duì)火車(chē)的受力進(jìn)行分析。火車(chē)由于不是剛性連接，受力影響因素很多，火車(chē)受力分析非常復(fù)雜。在對(duì)列車(chē)運(yùn)行有直接影響的力主要有以下三種力:1機(jī)車(chē)牽引力F;2列車(chē)制動(dòng)力B;3列車(chē)運(yùn)行阻力w。機(jī)車(chē)牽引力由發(fā)動(dòng)機(jī)提供，力的大小由司機(jī)控制，方向與運(yùn)動(dòng)方向相同。列車(chē)制動(dòng)力由閘瓦裝置提供，力的大小由司機(jī)提供，方向與運(yùn)動(dòng)方向相反。列車(chē)阻力最為復(fù)雜，它的大小和方向受外部條件影響很大，根據(jù)不同情況不同對(duì)待。在列車(chē)拋車(chē)檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)火車(chē)阻力的研

究是火車(chē)受力分析的關(guān)鍵所在。

在車(chē)尾和車(chē)頭分別安裝加速度傳感器，然后把車(chē)尾加速度傳感器的數(shù)據(jù)通過(guò)“車(chē)載綜合電臺(tái)”發(fā)送到車(chē)頭的列車(chē)運(yùn)行信息檢測(cè)平臺(tái)，和車(chē)頭加速度傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，就可得到列車(chē)的完整性信息。但這種方法對(duì)“車(chē)載綜合電臺(tái)”的依賴(lài)性較高，一旦“車(chē)載綜合電臺(tái)”出現(xiàn)問(wèn)題，其可靠性就難以保障。

2.2 有線呼叫應(yīng)答法和無(wú)線呼叫應(yīng)答法

為列車(chē)中機(jī)車(chē)、車(chē)輛設(shè)置唯一的ID標(biāo)識(shí)，并把它們順序電氣連接起來(lái)；在軟件中，從車(chē)頭開(kāi)始將每一個(gè)ID標(biāo)識(shí)按照其實(shí)際排列順序串聯(lián)起來(lái)，再首尾相連形成循環(huán)隊(duì)列；運(yùn)行過(guò)程中列車(chē)按照車(chē)頭至車(chē)尾的順序?qū)C(jī)車(chē)、車(chē)輛循環(huán)呼叫，應(yīng)答后，與循環(huán)隊(duì)列中的ID標(biāo)識(shí)進(jìn)行比較，同時(shí)對(duì)其前、后ID標(biāo)識(shí)進(jìn)行比較，若發(fā)現(xiàn)不符或順序錯(cuò)誤，則重復(fù)上次呼叫，三次后仍不相符，則可以確認(rèn)列車(chē)失去完整性。

這種方法基于電氣連接技術(shù)，依賴(lài)于電路的完整性和有效性。從理論上講，有線呼叫、應(yīng)答法只需保證電路連接方面的科學(xué)性和合理性即可。然而，從實(shí)際操作層面上看，大量的電氣連接不僅限制了列車(chē)編組、重裝的靈活性，而且大大加重了各列車(chē)中轉(zhuǎn)站的工作量，增加了調(diào)度難度，并且對(duì)人工拆裝的要求進(jìn)一步提高，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，不具有經(jīng)濟(jì)可行性，也不利于我國(guó)鐵道運(yùn)輸控制系統(tǒng)的自動(dòng)化。在我國(guó)鐵路高速發(fā)展的今天，基于幅員遼闊，鐵路運(yùn)輸網(wǎng)發(fā)達(dá)的現(xiàn)實(shí)條件，如何有效優(yōu)化資源配置，使得投入最小化，效益最大化顯得尤為重要。因此，在列車(chē)中實(shí)施大規(guī)模的電氣連接符合實(shí)際運(yùn)作和當(dāng)今社會(huì)發(fā)展所提倡的低能高效原則。

與有線呼叫應(yīng)答法不同的是它取消了電氣連接，由于采取無(wú)線通信方式，可能會(huì)出現(xiàn)機(jī)車(chē)、車(chē)輛物理連接順序與循環(huán)隊(duì)列的邏輯連接順序有所不同的情形，甚至?xí)霈F(xiàn)沒(méi)有物理連接關(guān)系的機(jī)車(chē)、車(chē)輛與循環(huán)隊(duì)列的邏輯連接順序相同的情況，因此，在無(wú)線呼叫應(yīng)答方法中，機(jī)車(chē)、車(chē)輛必須在同一列列車(chē)中，即滿足同列條件，才可以進(jìn)行完整性檢查的呼叫應(yīng)答。

無(wú)線呼叫應(yīng)答法適用于鐵路列車(chē)解體、編組等作業(yè)后形成新列車(chē)的情形，減少了解體、編組等作業(yè)過(guò)程中機(jī)車(chē)、車(chē)輛電氣連接這一作業(yè)環(huán)節(jié)，是相對(duì)于育線連接方式來(lái)說(shuō)較為科學(xué)、可行的方式。在目前通信領(lǐng)域日新月異，技術(shù)發(fā)展高速前行的情況下，無(wú)線呼叫應(yīng)答法將得到更多的技術(shù)支持和有效、先進(jìn)的方法指導(dǎo)。

3.結(jié)論

以上三種列車(chē)完整性檢查的方案都符合移動(dòng)閉塞系統(tǒng)不設(shè)軌道電路和地面

信號(hào)機(jī)的特點(diǎn)，但是各有利弊。從我國(guó)特有的國(guó)情、路情出發(fā)，基于進(jìn)一步對(duì)上述預(yù)案進(jìn)行安全性、經(jīng)濟(jì)性的充分對(duì)比論證，從而確定不同方案在城軌、鐵路的適用條件和適用范圍。GPS檢測(cè)技術(shù)由于四星模式的瓶頸、在地形較為復(fù)雜的山區(qū)難以接受到有效信息因此難以普及；加速度傳感器的方法受制于車(chē)尾信息向車(chē)頭傳送的可靠性；呼叫應(yīng)答法則對(duì)車(chē)輛解體后再編組提出了更高的要去，其可靠性也得依賴(lài)信息傳輸。綜合在以上三種預(yù)案中，GPS檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用前景是最好的。一方面GPS不但可以檢測(cè)列車(chē)完整性，還可以應(yīng)用于列車(chē)定位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中；另一方面，雖然當(dāng)前在全球定位系統(tǒng)上我們得依賴(lài)國(guó)外技術(shù)，但不久后我國(guó)自行研制的北斗定位系統(tǒng)將全面運(yùn)行，這無(wú)疑將進(jìn)一步降低定位系統(tǒng)在列車(chē)完整性檢測(cè)應(yīng)用的成本和精度。但是，衛(wèi)星信號(hào)不可能覆蓋全部地形情況，所以可以采用加速度傳感器法輔助檢測(cè)，進(jìn)一步提高完整性檢測(cè)的可靠性，提高列車(chē)運(yùn)行的安全性。

Monitoring and Controlling Technology of Train’s Integrality

Abstract With the rapid development of current domestic railway system, the accidents about railway safety were happened frequently, these have greatly negative influence on the lives and property of the people.Railway safety is related to the country's long-term stable development.Train integrity monitoring is to ensure the safe operation of the important part of the train.to prevent the tail-escaping in the course of driving from happening, it can be used effectively in train integrity checking equipments.Currently low cost technical requirements, the technology can do not depend on the track circuit.This article mainly introduces the train integrity monitor technology, including GPS technology based on the train integrity monitoring, acceleration sensor based on the train integrity monitoring.Key words：Integrity；GPS；Acceleration sensor.

第四篇：列車(chē)碰撞安全性分析

列車(chē)碰撞安全性研究發(fā)展與應(yīng)用

吳雪峰

（中南大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院，長(zhǎng)沙，410075）

摘要：論文詳細(xì)地介紹了國(guó)內(nèi)外列車(chē)碰撞研究的必要性和基本理論，較系統(tǒng)的闡述了國(guó)內(nèi)外列車(chē)碰撞研究的發(fā)展?fàn)顩r，最后概述了碰撞研究中的一些設(shè)計(jì)方法以及在實(shí)際中吸能元件的簡(jiǎn)單應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：碰撞研究；基本理論；發(fā)展?fàn)顩r；設(shè)計(jì)方法；應(yīng)用

The Development and Application of Train Crash Safety Research

WU Xue Feng（School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075）

Abstract:The paper describes the need of domestic and international train collisions research and the basic theory in detail.And systematicly elaborate the development of the train collision studies at home and abroad.Finally,The article overview some of the design on collisions and the simple application of energy absorption components in practice.Keywords:

1、引言

在交通運(yùn)輸業(yè)中對(duì)車(chē)輛的運(yùn)行安全一直是公眾關(guān)注的焦點(diǎn),尤其對(duì)行駛中的客運(yùn)車(chē)輛發(fā)生意外碰撞、斷軸或傾覆脫軌等重大事故一旦發(fā)生,如果不能在瞬間將巨大的動(dòng)能耗散,必將車(chē)毀人亡,造成嚴(yán)重的人身傷亡和重大的財(cái)產(chǎn)損失。同汽車(chē)碰撞事故相比，雖然列車(chē)發(fā)生碰撞的概率要小于汽車(chē)發(fā)生碰撞的概率，然而一旦發(fā)生意外事故，同樣會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重后果。例如：2001年8月3日，美國(guó)芝加哥市發(fā)生高架鐵路2輛輕軌列車(chē)追尾事故，141人受傷。2005年1月17日，曼谷2列地鐵列車(chē)在市區(qū)國(guó)家文化中心車(chē)站相撞，列車(chē)上約有700名乘客，造成約200人受傷。2005 年3月10日，在阿根廷首都布宜諾斯艾利斯，由于1列火車(chē)司機(jī)違章，未按信號(hào)指示行車(chē)，造成2列城市列車(chē)追尾相撞，131名乘客受傷等[1-2]。

據(jù)文獻(xiàn)[3-5]介紹,英國(guó)在1972年—1981年10年間,鐵路運(yùn)輸發(fā)生重大事故達(dá)83次,死亡人數(shù)共計(jì)68人;在1980年—1989年10年間,造成死亡人數(shù)增至165人,增幅達(dá)140%。我國(guó)多年來(lái)列車(chē)正面沖突、尾追重大意外事故也時(shí)有發(fā)生,90年代滬寧線旅客列車(chē)正面沖突造成80多名旅客罹難, 京廣線客車(chē)尾追重大事故造成數(shù)10人傷亡,08年4.28事件等。這一系列慘痛事件迫使人們?nèi)ふ宜^的第二安全措施(相對(duì)于行車(chē)信號(hào)而言),即車(chē)輛自身結(jié)構(gòu)防碰撞性能的研究。因此,近十多年來(lái)防撞車(chē)輛的設(shè)計(jì)研究便應(yīng)運(yùn)而生, 許多國(guó)家在鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛、城市軌道車(chē)輛(地鐵、輕軌車(chē)輛)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中, 提高客室的耐撞性,在車(chē)體的特定部位設(shè)置碰撞能量吸收裝置和防爬裝置,以期達(dá)到發(fā)生意外碰撞時(shí)能吸收大部分碰撞動(dòng)能和防爬車(chē)目的, 從而最大限度地減少人員的傷亡。英國(guó)鐵路(BR)與歐洲鐵路研究組織(ORE)在防撞車(chē)的研究中,進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究和現(xiàn)車(chē)的碰撞試驗(yàn),所獲得的成果可直接用于防撞車(chē)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

車(chē)輛的安全性分為主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性。前者是指預(yù)防事故發(fā)生的安全措施；后者是指發(fā)生事故時(shí)對(duì)乘員進(jìn)行保護(hù)的安全措施，如提高車(chē)輛結(jié)構(gòu)的耐撞擊性和采用各種安全約束保護(hù)系統(tǒng)等。處于對(duì)乘客安全的關(guān)心與重視，近年來(lái)，對(duì)車(chē)輛被動(dòng)安全性的評(píng)估已成為一個(gè)重要的研究課題。

2、國(guó)內(nèi)外研究概況

碰撞安全問(wèn)題作為現(xiàn)代車(chē)輛設(shè)計(jì)中以人為本思想的重要組成部分而成為近年來(lái)國(guó)際國(guó)內(nèi)車(chē)輛設(shè)計(jì)研究的一個(gè)熱點(diǎn)。盡管軌道列車(chē)系統(tǒng)中采用了大量的主動(dòng)安全性措施，但是仍然不能完全消除造成乘客嚴(yán)重傷害的列車(chē)碰撞事故。

為使事故造成的損失最小，人們逐步認(rèn)識(shí)到，在設(shè)計(jì)車(chē)輛時(shí)充分考慮車(chē)輛耐碰撞性能的重要性。英國(guó)是較早進(jìn)行耐沖擊車(chē)體研究的國(guó)家，20世紀(jì)90 年代，在英國(guó)鐵路管理委員會(huì)內(nèi)成立了專(zhuān)門(mén)從事列車(chē)碰撞問(wèn)題的研究機(jī)構(gòu)。對(duì)鐵道車(chē)輛結(jié)構(gòu)耐碰撞性和吸能元件，如GRP 圓管進(jìn)行較深入的理論分析、計(jì)算機(jī)仿真和試驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)出如圖1所示帶司機(jī)室的防碰撞車(chē)輛的前端結(jié)構(gòu)[1]。

當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)在乘客區(qū)域發(fā)生變形前，通過(guò)壓縮車(chē)鉤緩沖器以及GRP 能量吸收管和前端底架的有序塑性變形吸收掉1 MJ 能量。法國(guó)國(guó)營(yíng)鐵路從1998 年開(kāi)始進(jìn)行列車(chē)耐碰撞性能研究。利用大型有限元軟件對(duì)兩起發(fā)生在平交道口的列車(chē)碰撞事故進(jìn)行了仿真再現(xiàn)分析，一起事故是內(nèi)燃動(dòng)車(chē)與1 輛油罐車(chē)相撞，另一起是1 列新型的耐撞擊的電動(dòng)車(chē)與1 輛載重30t的大卡車(chē)相撞。仿真結(jié)果表明，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN12663中的第二部分關(guān)于鐵道車(chē)輛被動(dòng)安全性評(píng)價(jià)中的15t重的方型障礙物不能很好地代表與鐵道車(chē)輛相碰撞的路面車(chē)輛。為此，法國(guó)在設(shè)計(jì)TGV雙層高速列車(chē)的動(dòng)力車(chē)和尾部拖車(chē)時(shí)，對(duì)其結(jié)構(gòu)的耐撞擊性能進(jìn)行了大量的理論研究和試驗(yàn)驗(yàn)證。

因此，近年來(lái)，對(duì)于如何在更高碰撞速度的情況下，提高列車(chē)的被動(dòng)安全性越來(lái)越被重視。車(chē)體結(jié)構(gòu)不能發(fā)生永久變形的既有概念則應(yīng)變?yōu)榛诳煽刂颇芰课者^(guò)程的設(shè)計(jì)理念。歐洲正在討論制定“碰撞安全性設(shè)計(jì)”的新標(biāo)準(zhǔn)，旨在定義適合于車(chē)體結(jié)構(gòu)的能量吸收裝置，它涵蓋從有軌電車(chē)到高速列車(chē)所有類(lèi)型的軌道客車(chē)。

總體而言，車(chē)輛的碰撞安全技術(shù)可分為主動(dòng)防護(hù)技術(shù)和被動(dòng)防護(hù)技術(shù)兩類(lèi)。主動(dòng)防護(hù)技術(shù)研究為防止碰撞所采取的各項(xiàng)防范措施。被動(dòng)防護(hù)技術(shù)則通過(guò)車(chē)輛耐撞性能的設(shè)計(jì)，使車(chē)輛在事故發(fā)生的瞬間通過(guò)吸能裝置將巨大的撞擊動(dòng)能耗散，從而達(dá)到最大可能的保護(hù)乘員生命安全的目的。就機(jī)車(chē)車(chē)輛本身而言,研制耐沖擊吸能車(chē)體對(duì)減輕客運(yùn)列車(chē)碰撞事故造成的損失, 有重要的實(shí)用價(jià)值。為了抵御沖擊,按“為乘員提供安全空間和有效緩和撞擊”的思路,重新分配車(chē)體各部分剛度,設(shè)計(jì)出具有合適吸能結(jié)構(gòu)的耐沖擊車(chē)體, 即列車(chē)的動(dòng)車(chē)及客車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)均按前、中、后三種縱向剛度設(shè)置，前后兩部分為弱剛度結(jié)構(gòu), 中間部分為強(qiáng)剛度結(jié)構(gòu)。這樣一旦發(fā)生列車(chē)碰撞事故, 車(chē)體兩端的弱剛度部分將產(chǎn)生塑性大變形吸收沖擊動(dòng)能(簡(jiǎn)稱(chēng)吸能結(jié)構(gòu)), 而車(chē)體中間的強(qiáng)剛度部分僅產(chǎn)生彈性變形(簡(jiǎn)稱(chēng)彈變結(jié)構(gòu))，最終達(dá)到保護(hù)乘客、司機(jī)與機(jī)器設(shè)備安全的目的。這種車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法, 不僅在較大碰撞速度下能對(duì)乘員起到保護(hù)作用, 還將提高中國(guó)機(jī)車(chē)車(chē)輛的車(chē)體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平。

3、能量吸收裝置的元件

能量吸收裝置的基本原理是利用其元件材料的塑性變形能來(lái)耗散所遭受的沖擊動(dòng)能,對(duì)一般材料可忽略其強(qiáng)化性能, 當(dāng)作理想剛塑性體。在外載荷達(dá)到某一定值時(shí),理想剛塑性體可在外載荷不變的情況下發(fā)生塑性流動(dòng),即無(wú)限制的塑性大變形,這時(shí)稱(chēng)元件或結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài),所受的載荷稱(chēng)為元件或結(jié)構(gòu)的極限承載能力,或稱(chēng)極限載荷, 與之相對(duì)應(yīng)的速度場(chǎng)稱(chēng)為塑性損傷機(jī)構(gòu),或塑性流動(dòng)(可動(dòng))機(jī)構(gòu)。元件或結(jié)構(gòu)若有幾個(gè)塑性流動(dòng)機(jī)構(gòu), 則對(duì)應(yīng)地可求得幾個(gè)不同的極限載荷值, 在極限狀態(tài)下應(yīng)選取其最小值作為該元件或結(jié)構(gòu)的極限載荷值, 即極限載荷是唯一確定的。從能量吸收裝置的元件變形情況看, 不宜采用單獨(dú)拉伸或扭轉(zhuǎn)變形, 因?yàn)槔硐雱偹苄圆牧陷d荷一旦達(dá)到材料的屈服極限,則變形要無(wú)限增大,直到斷裂,很難控制。另外實(shí)際材料存在拉伸頸縮變形失穩(wěn)現(xiàn)象,行程一般較短, 難以滿足要求。為了滿足設(shè)計(jì)要求,性能穩(wěn)定可靠,能量吸收裝置大多采用受彎曲變形或壓縮變形的元件。

4、研究及實(shí)際應(yīng)用

列車(chē)通常由動(dòng)車(chē)與拖車(chē)組成的多個(gè)車(chē)組用車(chē)鉤裝置予以連接而成，車(chē)組的動(dòng)車(chē)與拖車(chē)之間采用剛度較大的鉸連接，因而整個(gè)車(chē)組實(shí)際上相當(dāng)于一輛車(chē)。當(dāng)列車(chē)與前面的障礙物相碰撞時(shí)，頭車(chē)組首先處于撞擊狀態(tài)，其他的車(chē)組經(jīng)過(guò)車(chē)鉤緩沖裝置的相位差以后才進(jìn)入撞擊狀態(tài)。由于相位差的存在，在計(jì)算碰撞動(dòng)能時(shí)，可以把列車(chē)中各車(chē)組視為獨(dú)立的運(yùn)動(dòng)物體，其他車(chē)組的質(zhì)量是不斷地補(bǔ)充到撞擊車(chē)輛的質(zhì)量中去的。

圖2為一個(gè)典型的碰撞過(guò)程壓縮力與壓縮變形行程關(guān)系曲線，它反映了采用現(xiàn)代碰撞安全性系統(tǒng)原理設(shè)計(jì)的車(chē)輛在列車(chē)端部發(fā)生碰撞時(shí)的情況。對(duì)于在非專(zhuān)用線路上運(yùn)行的列車(chē)或者與其它類(lèi)型的列車(chē)混合運(yùn)行的情況，車(chē)體結(jié)構(gòu)的碰撞安全性設(shè)計(jì)可能還應(yīng)考慮其它的碰撞假設(shè)條件，例如：與其它類(lèi)型列車(chē)的碰撞，在平交道口與卡車(chē)或小汽車(chē)碰撞等。

地鐵車(chē)輛碰撞安全性設(shè)計(jì)通常采用車(chē)鉤中配置的能量吸收元件以及車(chē)輛端部配置的碰撞變形能量吸收區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)，主要為底架結(jié)構(gòu)中的變形元件，專(zhuān)門(mén)用來(lái)吸收超過(guò)車(chē)鉤系統(tǒng)能量吸收限度的碰撞能量，一旦發(fā)生事故，以降低乘客受到傷害的風(fēng)險(xiǎn)。為了保證碰撞過(guò)程中產(chǎn)生的塑性變形局限于預(yù)先設(shè)定的專(zhuān)門(mén)的碰撞變形能量吸收區(qū)內(nèi)，客室區(qū)域車(chē)體結(jié)構(gòu)的承載能力必須明顯高于車(chē)輛端部。具有恰當(dāng)高度的防爬器要正好布置在碰撞變形能量吸收區(qū)的前方，防止嚴(yán)重車(chē)輛碰撞時(shí)發(fā)生爬升情況而擠壓到客室區(qū)域。碰撞變形能量吸收元件的設(shè)計(jì)通常采用筒形結(jié)構(gòu)(正方形、長(zhǎng)方形、六邊形、多單元組合斷面等)單元。在縱向沖擊力的作用下，這些吸能元件能夠發(fā)生逐步漸進(jìn)式的塑性屈曲變形，其特性曲線呈現(xiàn)振蕩波形，但在碰撞沖擊變形的很長(zhǎng)距離內(nèi)沖擊力水平基本保持一致，如圖2所示。

吸能元件初始長(zhǎng)度的70%～75% 可以作為能量吸收用途使用，它與吸能元件的斷面形狀有關(guān)。通常采用的觸發(fā)機(jī)構(gòu)形式包括：局部弱化處理、錐形結(jié)構(gòu)等，目的是把碰撞初始過(guò)程的沖擊力峰值降低到合理的水平，并明確定義結(jié)構(gòu)屈服發(fā)生的起始位置。車(chē)輛端部的設(shè)計(jì)理念主要通過(guò)以下兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：①車(chē)輛端部碰撞變形能量吸收區(qū)與車(chē)體結(jié)構(gòu)完全集成在一起。②由吸能元件構(gòu)成的碰撞變形能量吸收區(qū)與防爬器板狀結(jié)構(gòu)集成在一起組成一個(gè)模塊化部件，然后通過(guò)螺栓等機(jī)械聯(lián)結(jié)組裝到底架結(jié)構(gòu)前端。

車(chē)輛端部碰撞安全性設(shè)計(jì)的主要挑戰(zhàn)之一來(lái)自必須同時(shí)滿足多個(gè)、并且經(jīng)常是相互矛盾的要求，因?yàn)榧傻呐鲎沧冃文芰课諈^(qū)不僅要承受碰撞沖擊時(shí)的載荷，還要傳遞靜態(tài)載荷。例如：作用在防爬器上的縱向及垂向載荷、作用在端墻結(jié)構(gòu)上的局部載荷、車(chē)鉤載荷、架車(chē)引起的載荷等。靜強(qiáng)度設(shè)計(jì)通常導(dǎo)致非常剛性的車(chē)體端部結(jié)構(gòu)，但是碰撞安全性設(shè)計(jì)要求具有一個(gè)可以變形的區(qū)域，并能夠恰當(dāng)?shù)乜刂颇芰课盏倪^(guò)程及碰撞沖擊力的水平。碰撞變形能量吸收區(qū)本身的設(shè)計(jì)與評(píng)估已經(jīng)非常復(fù)雜，但是為了兼顧靜強(qiáng)度及碰撞安全性?xún)蓚€(gè)方面的要求，通常車(chē)輛端部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要反復(fù)進(jìn)行，而最終的設(shè)計(jì)結(jié)果通常是兼顧兩個(gè)方面的折衷方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張振淼，逄增禎。軌道車(chē)輛碰撞能量吸收裝置原理及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)(續(xù)完).國(guó)外鐵道車(chē)輛，2001，38(4).[2] Frank Muller.輕軌車(chē)輛的制造.國(guó)外鐵道車(chē)輛，2000，37(5).[3] John Lewis.鐵路客車(chē)沖擊試驗(yàn)研究.國(guó)外鐵道車(chē)輛，1999(4).[4] 蔣 秋, 穆霞英.塑性力學(xué)基礎(chǔ)[M].機(jī)械工業(yè)出版社, 136-141.[5] 田口真.鐵道車(chē)輛抗沖撞結(jié)構(gòu)的開(kāi)發(fā).國(guó)外鐵道車(chē)輛，2003，40(6)[6] 劉鴻文.材料力學(xué)[M].高等教育出版社, 1979,1622174.[7] Markus Seitzberger.城軌車(chē)輛碰撞安全性的現(xiàn)代設(shè)計(jì)理念.現(xiàn)代城市軌道交通，2005(1)[8] 侯衛(wèi)星.歐洲鐵路碰撞技術(shù)的開(kāi)發(fā)[J].國(guó)外鐵道車(chē)輛, 1998,(1):23226,46.[9] 朱西產(chǎn)． 汽車(chē)正面碰撞實(shí)驗(yàn)法規(guī)及其發(fā)展趨勢(shì)的分析汽車(chē)工程，2002，（l）：l-5 [10] 田紅旗等 客運(yùn)列車(chē)耐沖擊吸能車(chē)體設(shè)計(jì)方法[J],交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2001，（1）：100-114 [11] 趙洪倫等 城市軌道車(chē)輛動(dòng)車(chē)組耐沖擊吸能車(chē)體設(shè)計(jì)研究[J], 鐵道車(chē)輛，2003，(2)12-41 [12] LEW IS J H.Structural crashworthiness2possibilities and p racticalities[C] //Proc Institution of Mech Engineers:Part F.London: Professional Eng Publishing, 2002: 117-121.[13] LU G.Energy absorp tion requirement for crashworthy vehicles[C]//Proc Institution ofMech Engineers: Part F.London: Professional Eng Publishing, 2002: 31-39.[14] The Association of Train Operating Companies.AV /ST 9001, Vehicle interior crashworthiness[S].

第五篇：廢舊塑料回收方法和用途解析

廢舊塑料回收方法和用途

薄膜是塑料制品中的一大烊，種類(lèi)繁多，使用壽命一般較短，是回收再生利用的主要品種之一，下按用途，形態(tài)簡(jiǎn)介實(shí)例。

（1）農(nóng)用薄膜，農(nóng)用薄膜主要有地膜和棚膜，地膜主要為PE膜，棚模有PE，PE/EVA，PVC膜，在回收再生利用時(shí)，應(yīng)將PE和PVC膜區(qū)分開(kāi)來(lái)，農(nóng)用薄膜一般較臟，且常夾帶有泥土，沙石，草根，鐵釘，鐵絲等，要除去鐵質(zhì)雜質(zhì)并清洗，回收利用的方法主要是造粒，如果，具人工分揀，清洗條件時(shí)，經(jīng)清洗，干燥后的廢膜即可直接用熱擠壓方法生產(chǎn)塑料制品，如盆，桶，塑料法蘭等。

廢農(nóng)膜再生粒料用途如下

1、PE再生粒料，PE再生粒料可用來(lái)仍生產(chǎn)農(nóng)膜，也可用來(lái)制造化肥包裝袋，垃圾袋，農(nóng)用再生水管，柵欄，樹(shù)木支撐，盆，桶，垃圾箱，土工材料等。

2、PVC再生粒料，PVC再生粒料可用來(lái)生產(chǎn)重包裝袋，農(nóng)用水管，鞋底，等

包裝薄膜，包裝薄膜的材料包括玻璃紙（賽珞玢），PE，PVC，PP，EVA，PVDC，PA，PET以及各種復(fù)合薄膜。單層的一種材料的包裝膜，在經(jīng)分揀，清洗后，可如農(nóng)用薄膜一樣直接制成塑料制品或造粒后制成各種制品。復(fù)合薄膜包括不同塑料的復(fù)合薄膜和塑料與紙，鋁箔，等其他材料制成的薄膜，回收后的再生處理要復(fù)雜一些如：

多層塑料復(fù)合薄膜，多層塑料復(fù)合薄膜有PE/PP，PE/EVA/PE，PE/粘合劑/PA/粘合劑/PE，PP/PVDC等，在再生利用前，首先要將不同的材料分離。分離可用溶劑分離法。

紙塑復(fù)合薄膜，紙塑復(fù)合薄膜在再生利用前需先將紙塑分離，這也是紙塑復(fù)合分離的方法，分離設(shè)備為一帶有電加熱的一鍍鉻空心料筒，料筒內(nèi)裝有一個(gè)帶葉片的空心圓筒，料筒和空心圓筒以相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，破碎后的紙塑混合物加入料筒，在料筒中經(jīng)加熱的混合物上的塑料熔融后以料筒下部出料，空心圓筒中的空氣將廢氣帶走。

鋁塑復(fù)合薄膜，鋁塑復(fù)合薄膜有BOPP/鋁，PE/鋁等，用于各種食品包裝，使用后的鋁塑復(fù)合軟包裝袋實(shí)際是一種混合廢料，回收利用較為困難。處理的方法國(guó)外主要為焚燒回收熱量。中國(guó)有焚燒取鋁和粉碎加入填料制低檔粗制品的方法，效果不太理想。這里介紹利用鋁的導(dǎo)電性，制造抗靜電功能材料的例子，其工藝過(guò)程如下：

鋁塑復(fù)合廢料—清洗—粉碎—過(guò)篩—團(tuán)?！?鋁粉-助劑—擠出—半成品—擠出—成品

將鋁塑復(fù)合廢料經(jīng)清洗，粉碎過(guò)10日篩篩選，再進(jìn)行團(tuán)粒，該過(guò)程可采用北京塑料機(jī)械廠的團(tuán)粒機(jī)。團(tuán)粒工藝條件為噴水：95度水0。8升，加料時(shí)間：3min ；抽氣時(shí)間5min 粉碎時(shí)間10min，每次處理15千克。經(jīng)團(tuán)粒的物料再用擠出機(jī)擠出，成半成品，將此半成品再添加入20%鋁 粉，阻燃劑，相容劑及其他助劑，再經(jīng)擠出選粒即可得制品，用作導(dǎo)電性材料。

3． PET薄膜，在塑料行業(yè)，PET主要用作薄膜和瓶，而薄膜可用作包裝，裝飾，錄音帶基或電容器絕緣，PET片也用作照相片基，PET也大量用于纖維，薄膜和纖維用PET的物性粘度較瓶用PET紙。因此回收利用也稍有差異。

PET薄膜和纖維生產(chǎn)工廠產(chǎn)生的下腳料可用來(lái)等待聚酯/環(huán)氧樹(shù)脂粉末涂料，一般這些下腳料的相對(duì)分子質(zhì)量約為2萬(wàn)，熔點(diǎn)260度以上，為組成單一的線型PET。將這樣的下腳料在250至260度下用多元醇醇解，可得相對(duì)分子質(zhì)量約2000至5000的低熔點(diǎn)齊聚聚酯。齊聚聚酯在200至220度加入二元酸酐和酯化劑縮聚，得酸值約3。05 mgKOH/g,軟化點(diǎn)約為85至105度，玻璃化溫度小于等于50度，的產(chǎn)物，此產(chǎn)物用來(lái)制聚酯/環(huán)氧樹(shù)脂粉末涂料。

PET工業(yè)廢料也可用作粘合劑。日本大阪市立工業(yè)研究所和富士照相軟片公司用PET工業(yè)廢料與甘油反應(yīng)制成粘合劑，用于金屬粘接。PET工業(yè)廢料用已二酸或縮乙二醇改性，也可制得熱熔膠，用于柔性材料，如布，皮革，紙，塑料，鋁 等的粘接。

廢舊PET薄膜，片或纖維加上丙二醇，苯乙烯，丙三醇，鄰苯二甲酸酐，順丁烯二酸酐，對(duì)苯二酚及催化劑反應(yīng)可制得不飽和聚酯，用來(lái)制造人造人理石。廢舊PET薄膜的回收方法還可參考