高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)

王潔先

摘 要 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的控制方式、系統(tǒng)配置需不斷進(jìn)行優(yōu)化，本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的動(dòng)車組制動(dòng)控制方式、制動(dòng)系統(tǒng)組成對(duì)制動(dòng)控制技術(shù)進(jìn)行探討和分析。

關(guān)鍵詞 動(dòng)車組 制動(dòng)系統(tǒng) 風(fēng)源裝置 基礎(chǔ)制動(dòng)

中圖分類號(hào)：U266.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

EMU Brake System Technology

WANG Jiexian

（Technology Center， CSR Qingdao Sifang Locomotive Co.， Ltd.， Qingdao， Shandong 266111）

Abstract With the development of science and technology， high-speed EMU braking system control mode and the system configuration is a continuous need to optimize， this combined with advanced EMU brake control， brake system components for the brake control techniques to explore and analyze.

Key words EMU； brake system； air source device； foundation brake

近年來，國(guó)內(nèi)高速動(dòng)車組得到了快速發(fā)展，制動(dòng)技術(shù)吸收了國(guó)內(nèi)外高速列車制動(dòng)技術(shù)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)行了自主創(chuàng)新，技術(shù)水平得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步，完成了時(shí)速250公里速度級(jí)、時(shí)速350公里速度級(jí)以及更高速度試驗(yàn)列車制動(dòng)系統(tǒng)的匹配和應(yīng)用，為高速動(dòng)車組提供了安全、可靠、舒適和節(jié)能環(huán)保的制動(dòng)系統(tǒng)。

1 制動(dòng)方式

動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)按照預(yù)設(shè)的減速度控制動(dòng)車組減速或停車，按照制動(dòng)方式一般分為粘著制動(dòng)和非粘著制動(dòng)。粘著制動(dòng)即為依靠輪軌間的相互摩擦作用產(chǎn)生列車所需的制動(dòng)力，如通過制動(dòng)缸產(chǎn)生的空氣制動(dòng)和由牽引電機(jī)產(chǎn)生的電制動(dòng)；非粘著制動(dòng)即為通過利用外阻力作用在列車上，使列車產(chǎn)生制動(dòng)力而停車，如風(fēng)阻制動(dòng)、磁軌制動(dòng)和渦流制動(dòng)等。粘著制動(dòng)為國(guó)內(nèi)外高速動(dòng)車組主要的制動(dòng)力來源，非粘著制動(dòng)一般作為輔助制動(dòng)方式，在高速工況下提供所需的制動(dòng)力。本文以高速動(dòng)車組常用的粘著制動(dòng)為基礎(chǔ)，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行討論。采用粘著制動(dòng)方式的制動(dòng)系統(tǒng)一般由電制動(dòng)系統(tǒng)和空氣制動(dòng)系統(tǒng)兩大部分組成，制動(dòng)時(shí)采用復(fù)合制動(dòng)方式，即電制動(dòng)并用電氣指令式空氣制動(dòng)。列車制動(dòng)時(shí)，電制動(dòng)優(yōu)先，當(dāng)電制動(dòng)力不足時(shí)，由空氣制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)足，有效降低了基礎(chǔ)制動(dòng)中制動(dòng)盤和閘片的磨耗。

2 電制動(dòng)系統(tǒng)

2.1 再生制動(dòng)

牽引工況，動(dòng)車組通過受電弓接收接觸網(wǎng)的電力，經(jīng)牽引變流器整流逆變后，提供給牽引電機(jī)，而在列車需要制動(dòng)時(shí)，牽引變流器控制牽引電機(jī)切斷電源，轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)使用。制動(dòng)時(shí)牽引電機(jī)將列車動(dòng)能變?yōu)槿嘟涣麟?，由牽引變流器將此三相交流電轉(zhuǎn)換為單相交流電，再由主變壓器升壓后回饋到電網(wǎng)，將列車運(yùn)行的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

2.2 電阻制動(dòng)

在動(dòng)車組主回路中設(shè)置制動(dòng)電阻，制動(dòng)過程中當(dāng)再生電量不能反饋回電網(wǎng)時(shí)，由牽引電機(jī)和制動(dòng)電阻構(gòu)成電阻制動(dòng)回路，由制動(dòng)電阻將牽引電機(jī)發(fā)出的電能變?yōu)闊崮芟⒌簟?/p>

3 空氣制動(dòng)系統(tǒng)

空氣制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)控制裝置、風(fēng)源裝置和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置等組成。制動(dòng)控制裝置是制動(dòng)系統(tǒng)的中樞，負(fù)責(zé)接收制動(dòng)指令，進(jìn)行制動(dòng)控制，擔(dān)負(fù)著制動(dòng)力的計(jì)算和分配任務(wù)。風(fēng)源裝置為制動(dòng)系統(tǒng)提供制動(dòng)的源動(dòng)力，高速動(dòng)車組上通常由主空壓機(jī)和輔助空壓機(jī)構(gòu)成?；A(chǔ)制動(dòng)裝置為制動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將制動(dòng)壓力作用在車輪上，產(chǎn)生輪軌摩擦力，從而進(jìn)行列車制動(dòng)。制動(dòng)系統(tǒng)主要部件在列車上的布置如圖1。

圖 1 制動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成

3.1 制動(dòng)控制裝置

3.1.1 常用制動(dòng)

為滿足司機(jī)正?？剀囆枰O(shè)置常用制動(dòng)。常用制動(dòng)指令由司機(jī)通過司機(jī)室內(nèi)制動(dòng)控制器發(fā)出，制動(dòng)時(shí)，采用電空復(fù)合制動(dòng)，優(yōu)先使用電制動(dòng)，電制動(dòng)不足時(shí)，由空氣制動(dòng)力進(jìn)行補(bǔ)充。在常用制動(dòng)情況下，基于預(yù)先設(shè)定的制動(dòng)減速度控制列車的減速或者停車。通常常用制動(dòng)沖動(dòng)限制在0.75m/s3內(nèi)。

另外，由列車上安裝的自動(dòng)列車保護(hù)系統(tǒng)（ATP）可以根據(jù)安全需要發(fā)出最小、中等和最大常用制動(dòng)指令，控制動(dòng)車組減速或停車。

3.1.2 緊急制動(dòng)

緊急制動(dòng)是緊急情況下為使列車盡快停住而施行的制動(dòng)。緊急制動(dòng)一般采用兩種形式：電空復(fù)合緊急制動(dòng)和純空氣緊急制動(dòng)兩種方式。在司機(jī)設(shè)有緊急制動(dòng)開關(guān)，操縱臺(tái)制動(dòng)控制器上設(shè)有緊急制動(dòng)位，可由司機(jī)進(jìn)行緊急制動(dòng)；自動(dòng)列車保護(hù)系統(tǒng)（ATP）可根據(jù)安全需要觸發(fā)緊急制動(dòng)停車。

為了安全保護(hù)需要，動(dòng)車組設(shè)置貫通全列的常得電緊急制動(dòng)指令線，根據(jù)緊急制動(dòng)觸發(fā)設(shè)置條件，可以觸發(fā)電空復(fù)合緊急制動(dòng)或純空氣緊急制動(dòng)，在以下情況發(fā)生時(shí)將觸發(fā)緊急制動(dòng)：總風(fēng)缸壓力不足；列車分離時(shí)；緊急制動(dòng)環(huán)路中斷或失電；制動(dòng)系統(tǒng)控制電源失電；檢測(cè)到制動(dòng)力不足；緊急電磁閥失電；列車超速，自動(dòng)列車保護(hù)系統(tǒng)（ATP）起作用。緊急制動(dòng)距離是對(duì)高速動(dòng)車組制動(dòng)能力考核的一個(gè)重要指標(biāo)，動(dòng)車組在干軌、平直軌道的制動(dòng)距離要求如下：制動(dòng)初速200km/h時(shí)，緊急制動(dòng)距離≤2，000 m；制動(dòng)初速300km/h時(shí)，緊急制動(dòng)距離≤3，800 m；制動(dòng)初速350km/h時(shí)，緊急制動(dòng)距離≤6，500 m。

3.1.3 停放制動(dòng)

停放制動(dòng)為動(dòng)車組在無(wú)風(fēng)、無(wú)電時(shí)為防止列車溜車而設(shè)置的一種制動(dòng)功能。停放制動(dòng)的實(shí)現(xiàn)有兩種方式：采用儲(chǔ)能式停放制動(dòng)單元缸或采用鐵靴。

儲(chǔ)能式停放制動(dòng)單元缸集成在基礎(chǔ)制動(dòng)裝置上，在停放制動(dòng)緩解時(shí)，壓縮空氣充入停放制動(dòng)缸，彈簧被壓縮。停放制動(dòng)施加時(shí)，停放缸內(nèi)的壓縮空氣被排出，彈簧力施加到制動(dòng)卡鉗上產(chǎn)生制動(dòng)力。動(dòng)車組長(zhǎng)時(shí)間放置，總風(fēng)壓力降低到停放制動(dòng)缸壓力以下時(shí)，停放制動(dòng)自動(dòng)施加。另外，在裝有停放制動(dòng)缸的轉(zhuǎn)向架兩側(cè)提供機(jī)械緩解手柄，停放制動(dòng)可以在車側(cè)手動(dòng)緩解。當(dāng)停放制動(dòng)按鈕失效，不能緩解停放制動(dòng)時(shí)，可操作轉(zhuǎn)向架兩側(cè)的手動(dòng)緩解裝置進(jìn)行緩解。采用鐵靴進(jìn)行停放制動(dòng)時(shí)，可以根據(jù)停放現(xiàn)場(chǎng)坡道、風(fēng)速的大小，選擇不同型式的鐵靴放置在車輪與軌道間，防止列車溜車。

3.1.4 保持制動(dòng)

為滿足坡道啟動(dòng)要求，動(dòng)車組設(shè)置保持制動(dòng)功能。停車時(shí)，制動(dòng)控制裝置自動(dòng)施加一定的制動(dòng)力（制動(dòng)力大小根據(jù)車重和坡道預(yù)先設(shè)定）。列車在坡道上啟動(dòng)時(shí)，保持制動(dòng)起作用，防止列車溜車，當(dāng)接收到保持制動(dòng)釋放信號(hào)時(shí)，保持制動(dòng)自動(dòng)解除。在司機(jī)室內(nèi)設(shè)置保持制動(dòng)旁路開關(guān)，可將保持制動(dòng)功能切除。

3.2 風(fēng)源裝置

3.2.1 空氣壓縮機(jī)裝置

在進(jìn)行風(fēng)源裝置配置時(shí)，需核算動(dòng)車組耗風(fēng)量，根據(jù)耗風(fēng)量的大小選擇合適排量的空氣壓縮機(jī)。高速動(dòng)車組用空氣壓縮機(jī)一般采用活塞式空氣壓縮機(jī)和螺桿式空氣壓縮機(jī)兩種。

活塞式空氣壓縮機(jī)依靠其內(nèi)部活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生壓縮空氣，一般經(jīng)過二級(jí)壓縮即可得到所需壓強(qiáng)的壓縮空氣。活塞式空氣壓縮機(jī)能夠適應(yīng)較寬的氣壓范圍，技術(shù)成熟，成本低，在工業(yè)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，其缺點(diǎn)為噪聲大，易振動(dòng)、運(yùn)行平穩(wěn)性差。螺桿式空氣壓縮機(jī)機(jī)頭內(nèi)部有一對(duì)互相嚙合的凹凸螺桿，其中凸齒形的稱為陽(yáng)螺桿，凹齒形的稱為陰螺桿。螺桿式空氣壓縮機(jī)通過陰、陽(yáng)螺桿的轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)螺桿縫隙中的氣體進(jìn)行壓縮，從而產(chǎn)生壓縮空氣。螺桿式空氣壓縮機(jī)具有體積小、振動(dòng)小、噪音低、效率高、排氣壓力穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，在高速動(dòng)車組上得到較多的應(yīng)用。

3.2.2 干燥裝置

在每臺(tái)空氣壓縮機(jī)輸出管路上設(shè)有干燥裝置，去除壓縮空氣中的水分，防止管路、風(fēng)缸及用氣設(shè)備等的腐蝕。干燥裝置一般采用雙塔式干燥裝置和膜式干燥裝置。

3.2.3 風(fēng)缸

動(dòng)車組每輛車上設(shè)有總風(fēng)缸、制動(dòng)風(fēng)缸、控制風(fēng)缸，各風(fēng)缸容積根據(jù)耗風(fēng)量計(jì)算確定。為防止總風(fēng)壓力過高，在空氣壓縮機(jī)裝置和在裝有空氣壓縮機(jī)裝置的車輛總風(fēng)缸上裝有安全閥。在各風(fēng)缸底部留有排水孔，并裝有排水塞門，防止管路和風(fēng)缸內(nèi)部因水汽凝結(jié)造成腐蝕。

3.3 基礎(chǔ)制動(dòng)裝置

基礎(chǔ)制動(dòng)裝置一般分為踏面制動(dòng)和盤型制動(dòng)。踏面制動(dòng)為將閘瓦作用在車輪踏面上，產(chǎn)生制動(dòng)所需摩擦力；盤型制動(dòng)為在車軸或車輪上設(shè)置制動(dòng)盤，由制動(dòng)夾鉗產(chǎn)生壓緊力作用在制動(dòng)閘片上，由制動(dòng)閘片和制動(dòng)盤之間的摩擦力產(chǎn)生制動(dòng)作用。時(shí)速120km/h以下的普通客車和地鐵車輛較多采用踏面制動(dòng)，高速動(dòng)車組采用盤型制動(dòng)。

動(dòng)車組的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置由制動(dòng)夾鉗和制動(dòng)盤組成，其中制動(dòng)盤分為軸裝制動(dòng)盤和輪裝制動(dòng)盤。如圖2。

在進(jìn)行制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)動(dòng)車組編組形式、最高運(yùn)用速度、車重以及安裝空間等參數(shù)信息進(jìn)行基礎(chǔ)制動(dòng)熱容量計(jì)算和匹配，從而進(jìn)行制動(dòng)盤數(shù)量的確定和選取。如CRH380A型動(dòng)車組，動(dòng)車每軸采用2輪盤，拖車每軸設(shè)置2輪盤和2軸盤。

長(zhǎng)期以來，世界各國(guó)開發(fā)了多種適合于不同運(yùn)行工況的制動(dòng)材料。制動(dòng)盤材料曾使用過普通鑄鐵、普通鑄鋼、低合金鑄鐵；此后，由于列車輕量化的需要，又相繼研究開發(fā)了特殊合金鑄鋼、低合金鍛鋼、鑄鐵-鑄鋼組合材料、c/c纖維復(fù)合材料和鋁合金基復(fù)合材料等新型材料。為滿足運(yùn)用和安裝需要，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置向著熱容量大、體積小的方向發(fā)展。

4 小結(jié)

隨著高速列車技術(shù)的發(fā)展，制動(dòng)系統(tǒng)的總體發(fā)展趨勢(shì)是以微機(jī)控制直通電空制動(dòng)控制系統(tǒng)為基礎(chǔ)，以安全、可靠、舒適和環(huán)保節(jié)能為目標(biāo)，通過不斷改革和創(chuàng)新，最終向高度自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。同時(shí)，大功率制動(dòng)盤、優(yōu)化的制動(dòng)控制模式、高可靠性的制動(dòng)系統(tǒng)、高性能的防滑技術(shù)、非粘著制動(dòng)模式的應(yīng)用等都將是高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的研究關(guān)鍵與探索方向。

參考文獻(xiàn)

[1] 臧其吉.德國(guó)高速列車技術(shù)的發(fā)展.機(jī)車電傳動(dòng)，2003.

[2] 錢立新.高速動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)的最新進(jìn)展.電力機(jī)車與城軌車輛，2004.

[3] 孫睿，王月明.動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)的研究.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2008.