电机械制动(EMB)技术 交通运输工具新型制动系统

交通是兴国之要，强国之基。我国已明确提出建设“交通强国”的宏伟目标，“前瞻性”“引领性”和“颠覆性”这些关键词是实现“交通强国”宏伟目标的核心要求、核心路径和核心目标。当前交通运输装备正经历着一场智能化的变革，而电气化是智能化的基础和前提。轨道交通、汽车和飞机等交通运输工具制动技术发展历程基本一致，都经历了从手制动到以液压或气动为动力源的发展历程，现在仍然无法彻底摆脱对压缩空气或液压油等制动介质的依赖。随着制动系统的发展，制动指令和信号的传递已经不再需要压缩空气作为介质，但从制动指令到制动力的施加仍然需要经过电空（液）转换环节和压缩空气（油）的作用环节，即需要首先将电信号转换为预控压力信号，作用于摩擦副。电机械制动（ Electromechanical Brake, EMB）用电动机直接驱动摩擦片，将交通运输工具动能转化为热能，产生制动作用，简化了传统空气或液压制动系统先进行电空（液）转换再实施制动的作用环节，真正实现了制动系统的全电气化。 
EMB技术早是在航空领域提出的，被称为飞机的“全电制动”，1982年美国首次在 A-10攻击机上研制并成功测试了一台电制动样机。1998年，一架安装电制动的 F-16C飞机试飞成功。同期，电机械制动技术在客机上进行研发试验， 1996年底电机械制动系统得到空中客车工业公司的批准，目前已被 A340-500/600干线飞机所选用。全电制动系统也已成功运用于波音公司的 B787客机。随着 EMB技术在飞机上的应用日益成熟及汽车制动性能要求的不断提高，电机械制动技术在汽车领域也得到了较为广泛的研究。一些国际著名的汽车零部件厂商开始对电子机械制动该技术进行研究，均已经研发出各自的电子机械制动器样机，从 1999年开始在各届车展上展出。 2005年，世界上款采用 EMB技术的量产车—SL500敞篷跑车被推出。在轨道交通领域， EMB技术研究相对滞后，日本鹿儿岛 1000型低地板有轨电车曾经探索和试装过采用此技术原理的制动器。综上所述，无论是飞机、汽车还是轨道交通，采用电能驱动代替气压或液压驱动的 EMB技术是未来制动系统的解决方案。 EMB技术必将成为我国发展高端交通装备的核心内容和建设“交通强国”的关键突破点。作者们编写本书，旨在让更多的科技人员能够在全面而深入地了解 EMB技术的基础上，共同攻克 EMB技术的发展难题，开创 EMB技术研究的新局面。
本书由中国中车集团有限公司和同济大学共同组成的编写组完成。在编写的过程中，作者们根据多年从事制动教学和电机械制动研究开发的体会和经验，对内容的取舍和编排做了认真的考虑和优化，从 EMB技术在轨道交通、汽车和飞机等交通运输工具中的应用共性出发，凸显 EMB这一新型技术的特点。本书首先介绍了制动的相关概念、意义和制动力的产生方式，为读者构建起制动理论的总体框架，紧接着介绍了制动技术在交通运输工具上的发展历程，总结出 EMB技术的必然发展趋势。在此基础上，先从系统层面介绍了 EMB技术，接着对控制系统、执行机构、摩擦副及其检测方法、防滑控制和可靠性等子系统进行了分类介绍，后对 EMB技术在轨道交通、汽车和飞机上的实例进行了介绍并总结了 EMB技术的特点。
本书在撰写过程中，作者们参考了一些国内外的资料，限于篇幅，在参考文献目录中只列出其中的一部分，在此谨向原作者表示衷心感谢。
本书在编写过程中，田寅、唐海川、梁瑜、宫保贵、李克雷、周高伟参与了部分章节的编写，马天和、雷驰、袁泽旺、周嘉俊、翁晶晶和陈超六位博士协助收集资料和制作图表，付出了辛勤劳动。
限于水平和时间仓促，书中的缺漏和不当之处在所难免，敬请读者批评指正。

电机械制动技术是一种由电子控制和电驱动的机电一体化的新型摩擦制动技术。本书介绍了电机械制动技术的相关基础理论和工程应用方法。书中首先系统分析总结了轨道交通、汽车和飞机等交通运输工具制动技术的发展历程，然后从系统层面介绍了电机械制动（EMB）系统设计方法，再对电机械制动的制动控制系统、执行机构、摩擦副及其检测方法、防滑控制和可靠性进行了阐述，并以轨道交通、汽车和飞机为例，介绍了电机械制动（EMB）在交通运输工具上的应用实例，*后对电机械制动（EMB）技术的特点进行了分析和总结。
本书涵盖了各种交通运输工具电机械制动技术，内容全面广泛，可作为高等院校交通运输工程、机械工程等学科的机电专业实践运用的研究生教材或参考书，也可供有关科研人员和工程技术人员参考使用。

王军，轨道交通装备技术和管理专家。现任中车科技创新委员会主任，轨道交通车辆系统集成国家工程实验室主任。兼任国家铁路局专家委员会委员、国家知识产权专家咨询委员会委员、中国铁道学会常务理事。长期从事铁路机车车辆技术研发、创新体系建设和工程管理工作。主持研制青藏高原客车、“和谐号”时速250公里和时速350公里高速列车，是我国高速列车技术创新与管理领军人物之一。获国家科技进步特等奖、一等奖、二等奖各一次，第十二届詹天佑铁道科学技术大奖，作为“复兴号动车组研发创新团队”核心成员获全国创新争先奖牌，入选国家百千万人才工程，享受国务院颁发的政府特殊津贴。

前言
第 1 章　概论 ……………………………… 1
1.1　制动在交通运输工具中的意义 …… 1
1.2　交通运输工具常用制动方式 ……… 2
1.2.1　列车动能转移方式 …………… 3
1.2.2　制动力形成方式 ……………… 4
参考文献 ………………………………… 5
第 2 章　交通运输工具制动技术的发展 … 6
2.1　轨道交通车辆制动技术的发展 …… 6
2.1.1　人力制动机 …………………… 6
2.1.2　空气制动 ……………………… 6
2.1.3　液压制动机 ………………… 15
2.1.4　电机械制动 ………………… 15
2.2　汽车制动技术的发展 …………… 16
2.2.1　人力机械制动 ……………… 16
2.2.2　液压 / 气压制动……………… 17
2.2.3　电子机械制动 ……………… 26
2.3　飞机制动技术的发展 …………… 27
2.3.1　人力制动系统 ……………… 28
2.3.2　气压 / 液压制动系统………… 28
2.3.3　液压防滑制动系统 ………… 30
2.3.4　全电防滑制动系统 ………… 32
参考文献 ……………………………… 35
第 3 章　EMB 系统设计 ………………… 37
3.1　制动系统设计要求 ……………… 37
3.1.1　一般原则 …………………… 37
3.1.2　制动系统功能要求 ………… 37
3.1.3　制动系统安全要求 ………… 41
3.2 EMB 系统组成及工作原理 ……… 43
3.2.1　供能装置 …………………… 43
3.2.2　制动指令与通信系统 ……… 43
3.2.3　制动控制系统 ……………… 46
3.2.4　制动执行机构 ……………… 47
3.3 EMB 系统制动计算 ……………… 47
3.3.1　一般原理 …………………… 47
3.3.2 轨道车辆 EMB 系统
制动计算 …………………… 47
3.3.3　汽车 EMB 系统制动计算 …… 51
3.3.4　飞机 EMB 系统制动计算 …… 52
3.3.5 EMB 系统功耗计算 ………… 53
参考文献 ……………………………… 53
第 4 章　EMB 控制系统 ………………… 54
4.1　制动力管理 ……………………… 54
4.1.1　轨道交通车辆制动力管理 … 54
4.1.2　汽车制动力管理 …………… 56
4.1.3　飞机制动力管理 …………… 58
4.2 EMB 制动力调节 ………………… 58
4.2.1 PI 控制 ……………………… 59
4.2.2　模型参考自适应控制 ……… 60
4.2.3　自校正控制 ………………… 61
4.2.4　改进型 PID 控制 …………… 61
4.2.5　其他控制方法 ……………… 62
4.3　防滑控制 ………………………… 62
4.3.1　滑行检测 …………………… 62
4.3.2　滑行控制 …………………… 63
4.3.3　防滑控制展望 ……………… 64
4.4　闸片间隙调整和磨耗在线监测 … 64
4.5　备用电源管理 …………………… 65
4.6　故障检测及处理 ………………… 65
第 5 章　EMB 执行机构 ………………… 67
5.1 EMB 执行机构的形式与组成 …… 67
5.1.1　浮动式 EMB 执行机构 ……… 67
5.1.2　杠杆式 EMB 执行机构 ……… 67
5.1.3　直推式 EMB 执行机构 ……… 68
5.1.4　集成式 EMB 执行机构 ……… 68
5.2 EMB 执行机构的结构与功能 …… 69
5.2.1　电动机选型和结构特点 …… 69
5.2.2　运动转化装置 ……………… 71
5.2.3　减速增力装置 ……………… 74
5.2.4　间隙调整装置 ……………… 78
5.2.5　制动力保持装置 …………… 78
参考文献 ……………………………… 80
第 6 章　摩擦副及其检测方法 ………… 81
6.1　摩擦副技术要求及种类 ………… 81
6.1.1　技术要求 …………………… 81
6.1.2　种类 ………………………… 84
6.2　热力学仿真 ……………………… 88
6.2.1　理论基础 …………………… 88
6.2.2　热流密度 …………………… 89
6.2.3　摩擦面积的确定 …………… 89
6.2.4　热流分配系数的确定 ……… 90
6.2.5　对流换热系数的预测 ……… 92
6.3　试验方法 ………………………… 98
6.3.1　机械性能试验 ……………… 98
6.3.2　摩擦性能试验 ……………… 99
6.3.3　摩擦副测温 ………………… 101
6.3.4　环保性能试验 ……………… 103
参考文献 ……………………………… 106
第 7 章　EMB 系统防滑控制 …………… 108
7.1　概述 ……………………………… 108
7.2　黏着 ……………………………… 108
7.2.1　黏着系数 …………………… 109
7.2.2　附着系数 …………………… 109
7.3　防滑控制技术发展历程 ………… 112
7.4　防滑控制系统设计要求 ………… 113
7.4.1　一般原则 …………………… 113
7.4.2　轨道车辆防滑设计要求 …… 113
7.4.3　汽车防滑设计要求 ………… 114
7.4.4　飞机防滑设计要求 ………… 115
7.5 EMB 防滑控制系统组成及原理 … 116
7.5.1　速度传感器 ………………… 117
7.5.2　防滑控制器 ………………… 118
7.5.3　防滑控制原理 ……………… 119
7.6　防滑控制性能评价 ……………… 121
7.6.1　黏着利用率 ………………… 121
7.6.2　防滑功耗增加率 …………… 123
参考文献 ……………………………… 123
第 8 章　可靠性 ………………………… 124
8.1　制动系统可靠性与安全性 ……… 124
8.1.1　评价指标 ……&hell