更高速動車組非黏著制動應用研究*

邵　林， 張　犀， 楊　欣

(1　中國鐵道科學研究院　機車車輛研究所， 北京 100081;2　北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100081)

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更高速動車組非黏著制動應用研究*

邵林1， 張犀2， 楊欣1

(1中國鐵道科學研究院機車車輛研究所， 北京 100081;2北京縱橫機電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100081)

對于380～400 km/h速度等級的更高速動車組，制動距離、制動熱負荷、制動黏著3個參數(shù)對現(xiàn)有制動系統(tǒng)的應用有所限制，有必要引入非黏著制動方式；對比若干非黏著制動方式，渦流軌道制動更適于更高速動車組；以中國標準動車組的制動特性為基礎，對增加渦流軌道制動系統(tǒng)的動車組制動特性、制動力匹配等問題進行了分析，在一定程度上可以解決以上3個限制條件。

動車組； 非黏著制動； 渦流軌道制動

制動系統(tǒng)是動車組的核心技術(shù)之一，制動系統(tǒng)的性能不僅直接決定了列車運行的安全和舒適度，也是提高列車運行速度的重要限制因素。

國外動車組主要采用的是電制動和空氣制動組合的微機直通電空制動系統(tǒng)。制動系統(tǒng)通過電氣信號傳遞制動指令，由微機進行處理和控制。

我國鐵路通過引進消化吸收再創(chuàng)新，逐步掌握了速度300～350 km/h高速動車組制動技術(shù)，全面構(gòu)建了速度300～350 km/h動車組設計制造與運用維護技術(shù)體系，國產(chǎn)CRH380系列動車組實現(xiàn)批量生產(chǎn)，躋身世界一流行列。CRH380系列動車組目前多運用于300 km/h速度級，制動試驗的最高速度達到380 km/h。

高速鐵路對于運行速度和試驗速度的提高有著遠期的需求，隨著動車組設計速度的提高，高速區(qū)制動能力、制動黏著利用、基礎制動裝置熱負荷等問題對制動系統(tǒng)提出了更高的要求，對現(xiàn)行制動系統(tǒng)的應用提出了不同程度的限制。

國外高速動車組在電制動和空氣制動結(jié)合的基礎上，對制動系統(tǒng)也在不斷改進并探討制動新技術(shù)。日本、德國、法國等國家研發(fā)并應用了空氣翼板制動、渦流軌道制動、磁軌制動、渦流盤式制動等制動方式。以上新式制動技術(shù)的研究，為我國動車組在更高速度條件下應用提供了新的思路。

以380～400 km/h為更高速動車組目標速度，以CRH380系列動車組的試驗結(jié)果為基礎，從更高速度動車組制動系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)開始分析，引出應用非黏著制動的必要性；通過對各種非黏著制動方式的比較，提出渦流軌道制動為推薦配置；最后基于速度350 km/h標準動車組的設計性能指標，將渦流軌道制動與現(xiàn)有制動方式的匹配關(guān)系進行了分析。

1　更高速度動車組制動系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)

制動距離(或制動減速度)、制動黏著和制動熱負荷作為動車組制動特性的重要參數(shù)，在考慮更高速動車組在380～400 km/h速度級運用時是重要的限制條件，討論更高速度動車組受以上3個參數(shù)制約的情況。

1.1制動距離

國內(nèi)現(xiàn)行動車組緊急制動距離標準，見表1所示。

表1　國內(nèi)緊急制動距離限值及其對應制動減速度[1-2]

對于380 km/h以上速度級的制動距離標準，暫無適合國內(nèi)情況的評判值，按照380 km/h及以下速度級外延的方式，推算更高速制動距離的標準值。以400 km/h為目標速度，按照120～380 km/h的制動距離外延的方式，得到制動距離標準擬合值，擬合曲線見圖1所示。

由以上擬合曲線得到400 km/h的緊急制動距離標準外延值約為10 500 m，車輛實際的制動距離應小于此標準并保留一定裕量。

以成熟運用的CRH380A動車組、CRH380B動車組為制動距離比較對象，如表2所示[3]。

圖1　按標準外延至400 km/h的制動距離標準

制動工況車型制動初速度/(km·h-1)制動距離/m制動距離標準/m復合工況純空氣工況CRH380ACRH380BCRH380ACRH380B3803807499589073837480<8500

僅從減速度角度出發(fā)，更高速度動車組的制動減速度設計時應著重考慮高速區(qū)段的黏著限制，此外，應保證高速區(qū)段減速度變化平穩(wěn)。以此為原則，對制動減速度曲線進行外延，并對減速度進行積分運算，得到按目前減速度配置模式、初速度400 km/h緊急制動EB的制動距離，見表3所示。

表3　動車組初速度400 km/h緊急制動EB制動距離

由以上制動距離標準和設計值外延的結(jié)果來看，按現(xiàn)有制動配置方式，制動力設計滿足400 km/h的運用要求，但是由于高速區(qū)段產(chǎn)生的制動距離隨初速度的提高而急劇增大，而制動能力影響著運行追蹤間隔[4]，導致運行速度增加的同時限制了追蹤間隔的縮短，失去了提速的意義。建議更高速度動車組通過提升制動配置以提高制動力，尤其在高速區(qū)段，以保證合理的制動距離。

1.2制動黏著分析

對于高速動車組，制動黏著是制動能力提高的一個重要限制因素。國內(nèi)對于速度大于120 km/h的高速輪軌黏著研究尚屬空白，各車型分別以國外原型車的黏著取值進行制動力設計。以CRH380AL動車組為例，CRH380AL動車組緊急制動實際利用黏著系數(shù)曲線已貼近日本新干線干軌黏著系數(shù)曲線，已超過濕軌黏著系數(shù)且沒有裕量[3，5]，天氣狀態(tài)較差的條件下增加了滑行的機率和擦輪的危險，限制了動車組制動能力的進一步提高。

圖2　CRH380AL緊急制動實際利用黏著系數(shù)曲線

無論是動力制動還是機械摩擦制動，均是通過輪軌間的黏著狀態(tài)產(chǎn)生列車的制動力。因此在設計制動裝置時，總是要涉及到輪軌黏著問題，而且隨著速度的提高，黏著問題就更為突出。高速時黏著系數(shù)的低下，恰恰限制了高速所需的制動力的提升。當平均減速度為0.94 m/s2時，黏著系數(shù)應該在0.095以上，由于線路狀態(tài)、自然條件、車輛的運行品質(zhì)等因素的變化，黏著系數(shù)的離散度較大。列車速度越高，制動力需要越大，產(chǎn)生滑行的危險就越大。面對高速列車安全停車制動時黏著系數(shù)對傳統(tǒng)黏著制動能力的提高的挑戰(zhàn)，開發(fā)非黏著制動方式有著重大意義。

1.3制動熱負荷

高速動車組的制動能量分別由再生制動、空氣制動及少量列車阻力組成。正常工況下的緊急制動應發(fā)揮幾乎全部的再生制動力，不足部分由空氣制動補充；在動車組經(jīng)過無電區(qū)段或電制動發(fā)生故障時，空氣制動作為制動力可靠發(fā)揮及最后的安全保障，在純空氣制動工況下仍應保證動車組符合制動距離和制動減速度的要求停車。在研究基礎制動部件的熱負荷問題時，均應考慮純空氣的緊急制動在最高速度級制動至停車為熱負荷情況最惡劣的工況。

以CRH380AL和CRH380BL為代表車型，基礎制動配置方式見表4所示。

表4　CRH380AL和CRH380BL動車組基礎制動配置方式

CRH380AL與CRH380BL動車組的拖車軸上均配置了軸裝制動盤，而動車軸上的空間配置了牽引電機，不具備安裝軸裝制動盤的條件，因此基于現(xiàn)有車型的車下空間分布情況，不具備提高制動盤數(shù)量以分散摩擦制動熱能消耗的條件。

根據(jù)試驗報告，CRH380AL與CRH380BL在熱負荷條件最惡劣的緊急空氣制動工況下，初速度分別為300，350，380 km/h，基礎制動部件(包括制動盤和制動閘片)的溫度情況如表5所示[3]。

表5　CRH380AL動車組純空氣工況下緊急制動時制動盤(片)最高溫度

表6　CRH380BL動車組純空氣工況下緊急制動時制動盤(片)最高溫度

型式試驗中對基礎制動部件的溫度限值為700℃，高于此溫度持續(xù)工作會導致材料制動力減弱與損壞。由試驗結(jié)果可見，在試驗中兩車型在測點位置最高溫度均大于700℃，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)計算，二者高溫持續(xù)時間均不超過15 s，為短時現(xiàn)象，但是若在更高速度級施加緊急空氣制動，隨著制動能量增加，摩擦副溫度將出現(xiàn)短時更高溫度，并在700℃以上溫度持續(xù)時間加長。

以400 km/h為目標速度級，分別以CRH380AL和CRH380BL的緊急空氣制動為例，在考慮列車阻力的條件下，計算需要消耗的制動能量，并與380 km/h的情況進行對比，見表7所示。

表7　CRH380AL和CRH380BL動車組制動380 km/h與400 km/h能量消耗對比統(tǒng)計

由表7可見，400 km/h緊急空氣制動較380 km/h相比，阻力消耗能量的增量百分比較空氣制動更大，但空氣制動仍將增加8%的能量需求。

以CRH380BL動車組為例，統(tǒng)計不同初速度下緊急空氣制動的基礎制動最高溫度，繪制曲線圖如圖3所示。

圖3　制動盤片溫度隨制動初速度變化曲線

從試驗曲線可知，隨著制動初速度提高，制動盤(片)溫度基本呈直線上升，推斷按現(xiàn)有配置，初速度400 km/h的制動盤(片)最高溫度應在750℃～800℃之間。

由以上各統(tǒng)計和計算結(jié)果可推斷，按現(xiàn)有基礎制動單元的材料、數(shù)量及相關(guān)配置不變的基礎上，兩個車型的基礎制動部件熱負荷已處于飽和狀態(tài)，不滿足在400 km/h 運用的條件。

2　非黏著制動比較

國內(nèi)現(xiàn)有的動車組制動系統(tǒng)，由微機控制的直通式空氣制動系統(tǒng)和再生制動共同實現(xiàn)制動作用。在對列車施加制動過程中，將優(yōu)先使用再生制動，剩余不足制動力由空氣制動補充；空氣制動系統(tǒng)通過電空轉(zhuǎn)換裝置控制空氣制動，同時配以大功率盤形制動機。應用于350 km/h及以下速度級運營、380 km/h的試驗速度時，空氣制動和再生制動的協(xié)同作用在制動能力、安全性、可靠性方面均可以滿足要求。

若以現(xiàn)有動車組的制動配置運行于400 km/h速度級時，制動系統(tǒng)受到制動力提高、黏著利用、制動部件熱負荷等方面的限制，需要配置新型的制動方式。

基于以上對更高速動車組的制動現(xiàn)狀的分析，建議在更高速動車組上加裝非黏著制動功能，可以解決以上3個限制：

(1)由于非黏著制動力的疊加而增加了整車制動力，從而縮短了制動距離；

(2)不受軌面黏著限制的發(fā)揮制動力；

(3)在斷電再生制動失效時也可以發(fā)揮制動力，從而與空氣制動一起成為最后的安全保障，可以降低空氣制動的熱負荷。

選取有代表性的非黏著制動方式：磁軌制動、渦流軌道制動、風阻制動，結(jié)合不同制動方式在國內(nèi)外動車組或城軌車輛的應用情況及特點，見表8所示。

表8　非黏著制動特點對比

由以上特點對比和應用范圍可見，渦流軌道制動較適合高速動車組制動能力提升，參照德國ICE3和ICE/V動車組應用線性渦流軌道制動的經(jīng)驗[5]：動車組從動轉(zhuǎn)向架上采用渦流磁軌制動，渦流磁鐵距離軌面7 mm，高度可調(diào)以適應輪對磨損。每臺轉(zhuǎn)向架裝有2套渦流制動裝置，每塊磁鐵長1 290 mm，由8個線圈勵磁。每輛拖車的4塊磁鐵串聯(lián)勵磁，由牽引變流器的降壓斬波供電，若發(fā)生電故障，則需要容量大的鎳鎘電池供電。8輛編組的列車最大渦流制動功率為800 kW，最大渦流制動力可達200 kN，質(zhì)量約增加9 600 kg(包括供電系統(tǒng))，但通過降低傳統(tǒng)制動機的質(zhì)量可以完全補償。此外，鋼軌升溫問題已由無砟軌道解決，信號干擾問題也由新型軌道電路LZB解決，德國鐵路規(guī)定，ICE3型動車組僅可在設LZB軌道電路的無砟軌道運營。

假設與ICE3動車組配置相同的渦流軌道制動系統(tǒng)安裝于CRH380BL動車組，按ICE3動車組實測制動力[6]，按增加渦流軌道裝置后的車重計算減速度，并與實際配置制動系統(tǒng)產(chǎn)生的減速度進行對比，見圖4所示。

圖4　CRH380BL實際制動系統(tǒng)與渦流軌道制動系統(tǒng)減速度對比曲線

由圖4可見，CRH380B動車組的制動減速度在0.7～1.4 m/s2之間，渦流軌道制動可以提供的制動減速度在0.25～0.4 m/s2之間，是現(xiàn)有制動減速度的1/4～1/3，產(chǎn)生的制動效果較為可觀。

3　渦流軌道制動與現(xiàn)有制動方式匹配分析

假設更高速動車組增加渦流軌道制動配置后，動車組的制動力由再生制動、空氣制動、渦流軌道制動組成，三者制動力的匹配是否良好關(guān)系到動車組制動力是否有效、平穩(wěn)、可靠。

3種制動方式的應用特點如下：

(1)動車組再生制動是來源于電機工作時發(fā)電機狀態(tài)，將能量回饋電網(wǎng)產(chǎn)生制動力，是清潔無消耗的制動方式，在更高速動車組的應用上仍應做為正常情況下主要的制動力輸出，應根據(jù)制動級位設定的制動力曲線優(yōu)先發(fā)揮再生制動，制動力不足的部分再由其他制動形式補充，在3～4級以下的小級位制動時，應保證整車幾乎全部的制動力均由再生制動承擔。

(2)動車組的空氣制動是作為最后安全保障的制動方式，在更高速度動車組上仍應發(fā)揮重要作用。在再生制動和渦流軌道制動力不能滿足制動控制曲線時，應按制動力需求投入不足部分。

(3)渦流軌道制動作為增加的制動方式，主要為了解決緊急制動時黏著不足、熱負荷過大等問題，為減少對軌道電路影響和軌面升溫情況，應僅在緊急制動時施加，常用制動時，可以根據(jù)需求手動追加制動力。當動車組進入無電區(qū)時，渦流軌道制動應由大功率電池提供勵磁電流，電池容量限制了無電區(qū)頻繁的渦流制動。

以上3種制動力中，再生制動和空氣制動為黏著制動，此二者的制動力發(fā)揮應不超過既有車型實際發(fā)揮，由此保證了高速區(qū)段的制動黏著不超過限值。

以設計概念中的速度350 km/h中國標準動車組為基礎，探討在其現(xiàn)有制動配置之上，增加了渦流軌道制動的制動力匹配關(guān)系。以圖5所示的速度350 km/h中國標準動車組的緊急制動減速度曲線[7]外延至400 km/h為設計目標，按緊急空氣制動、緊急復合制動、渦流軌道制動失效的緊急制動分別進行分析。

圖5　速度350 km/h標準動車組緊急制動EB減速度外延至400 km/h曲線(不含風阻)

3.1緊急空氣制動制動力匹配關(guān)系

緊急空氣制動工況下，再生制動失效，若在無電區(qū)，假設渦流制動電池足夠進行一次制動到停車。此時整車制動力由渦流軌道制動和空氣制動組成，應優(yōu)先發(fā)揮全部的渦流軌道制動力，不足部分由空氣制動補充。此時制動減速度應與設計值完全一致，考慮阻力的情況下，計算制動距離為7 910 m。

結(jié)合前述渦流制動減速度曲線，計算渦流制動和空氣制動減速度分配圖如圖6所示。

圖6　緊急空氣制動制動減速度分配曲線(不含風阻)

CRH380BL動車組初速度380 km/h的緊急空氣制動時，空氣制動產(chǎn)生能量接近基礎制動部件極限，標準動車組初速度400 km/h條件下空氣制動力產(chǎn)生的能量仍小于此狀態(tài)，計算可得，僅為同速度級下所需能量的52%。

3.2緊急復合制動制動力匹配關(guān)系

更高速動車組在緊急復合制動工況時(即正常條件下的緊急制動)，應優(yōu)先采用再生制動和渦流軌道制動，不足部分由空氣制動補充。

若再生制動、渦流軌道制動、空氣制動三者均能夠完全發(fā)揮，制動力將大大高于標準動車組的設計制動力。從增強制動力、充分利用再生制動綠色能源的角度出發(fā)，即使高于制動力目標曲線，也應發(fā)揮全部的再生制動和渦流軌道制動，而不是限制二者發(fā)揮。同時，較少的一部分空氣制動力將補充由于投入延時和低速時其他制動方式能力降低帶來的不足。

結(jié)合渦流軌道制動曲線、按CRH380B動車組的全功率發(fā)揮曲線及標準動車組緊急制動減速度曲線，計算緊急復合制動減速度分配曲線，如圖7所示。

圖7　緊急復合制動制動減速度分配曲線(不含風阻)

由圖7可見，在速度大于340 km/h的區(qū)間內(nèi)，完全發(fā)揮的再生制動與渦流軌道制動產(chǎn)生的減速度之和已經(jīng)大于標準動車組設計值，此時應按照完全發(fā)揮二者的制動力設計減速度；低于340 km/h的區(qū)間內(nèi)，仍需空氣制動補充制動力，空氣制動力較純空氣緊急制動時大幅度減小。

調(diào)整后的緊急復合制動減速度曲線見圖8所示。

圖8　再生制動與渦流制動全部發(fā)揮的緊急復合制動制動減速度曲線(不含風阻)

由于340 km/h以上速度級提高了制動減速度，在考慮阻力的情況下，重新核算初速度400 km/h的緊急復合制動距離，為7 494 m，較緊急空氣制動距離7 910 m縮短400 m。

3.3渦流軌道制動失效的緊急制動

渦流軌道制動系統(tǒng)是由牽引變流器提供的工作電流，在無電區(qū)或變流器故障時，可以利用車載大功率電池維持，從而保證制動。受電池容量限制，不應連續(xù)頻繁使用渦流軌道制動，只應在牽引變流器可以給本系統(tǒng)供電和緊急制動等應急工況下使用。

考慮極端工況下，全部渦流軌道制動系統(tǒng)失效，此時施加緊急復合制動，制動力由空氣制動和再生制動承擔，若在無電區(qū)施加緊急空氣制動，制動力全部由空氣制動承擔。根據(jù)前面分析，在初速度400 km/h的緊急空氣制動時，按現(xiàn)有車型的基礎制動配置，熱負荷均不滿足條件，在此情況下，判定車輛處于降級模式，應限速運行。若按380 km/h及以下速度級運行，其緊急制動特性與未配備非黏著制動的現(xiàn)有車型一致。

渦流軌道制動方式的配置在一定程度上解決了更高速度下制動能力提高帶來的問題：

(1)高速區(qū)段制動力不足

以標準動車組制動減速度曲線為設計參考值，在緊急復合制動工況下，再生制動和渦流軌道制動全部發(fā)揮，空氣制動力不投入，即可使340 km/h以上速度級的減速度大于設計值。而通過進一步增加空氣制動力，可以使動車組根據(jù)設計需求產(chǎn)生更大的減速度。

(2)制動黏著對制動力提高的限制

制動力設計時僅需保證空氣制動和再生制動力不大于黏著限值即可，為降低防滑風險甚至可以降低其發(fā)揮，渦流軌道制動為非黏著制動，在保證總體制動力提高的同時使黏著利用更少。

(3)制動熱容量的限制

渦流軌道制動一定程度上分擔了空氣制動力，在緊急復合制動工況下，空氣制動較少投入，緊急空氣制動工況下，空氣制動承擔能量較未配置渦流軌道制動系統(tǒng)減少52%。

渦流軌道制動配備大功率電池，在無電區(qū)也可以投入使用，但受電池容量限制，不應頻繁使用，僅在牽引變流器可以給系統(tǒng)供電或緊急制動工況下投入。若渦流制動失效時，按現(xiàn)有車型基礎制動配置，熱負荷不滿足400 km/h的運行條件，應降級限速運行。

4　結(jié)束語

(1)更高速動車組的目標速度為380～400 km/h，對制動系統(tǒng)而言，主要受到制動距離、制動黏著和制動熱負荷3個參數(shù)的限制：

①按現(xiàn)有緊急制動距離標準外延，400 km/h緊急制動距離標準為10 500 m；按CRH380A、CRH380B動車組的制動力外延至400 km/h，估算緊急制動距離符合此外延標準要求。高速區(qū)段產(chǎn)生的制動距離隨初速度的提高而急劇增大，建議更高速度動車組應提升制動力，尤其在高速區(qū)段，以保證合理的制動距離。

②高速區(qū)段的黏著利用是提高制動力的一個重要限制因素，目前國內(nèi)動車組的動力制動和機械摩擦制動方式均通過輪軌間的黏著產(chǎn)生制動力，引入非黏著制動方式有著迫切需求。

③根據(jù)國內(nèi)CRH380系列動車組在初速度380 km/h緊急空氣制動試驗結(jié)果，基礎制動部件溫度已接近極限，估算初速度400 km/h緊急空氣制動條件下，空氣摩擦制動將增加8%的熱能消耗，且可能產(chǎn)生750℃～800℃以上的瞬時高溫。因此，現(xiàn)有車型基礎制動配置方式(包括摩擦材料、制動盤數(shù)量等)不適合在400 km/h的速度運用。

(2)在現(xiàn)有CRH380系列動車組的基礎上，若要實現(xiàn)更高速度運行，可以通過增加非黏著制動的方式來提高制動力，并解決黏著利用和基礎制動裝置熱負荷的限制。對比國內(nèi)外非黏著制動的應用經(jīng)驗和特點可見，渦流軌道制動方式是適合于更高速動車組的非黏著制動方式，是未來國內(nèi)制動技術(shù)的發(fā)展方向。

(3)以中國標準動車組的制動性能為基礎，對增加渦流軌道制動后的制動力匹配方式進行分析，根據(jù)分析結(jié)果，緊急制動時僅通過渦流軌道制動和空氣制動即可以滿足目標減速度要求，電制動有效的條件下可以進一步增加制動力，同時進行了渦流制動失效分析。通過空氣制動、電制動和渦流軌道制動的協(xié)同作用，可在一定程度上提高高速區(qū)段的制動力，并可解決黏著利用和基礎制動熱負荷問題。

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Research of Non-adhesion Braking Application on High-speed EMU

SHAOLin1,ZHANGXi2,YANGXin1

(1Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China;2Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100081, China)

For EMU with speed of 380～400 km/h, braking distance, thermal load and braking adhesion limit available braking system currently, it is necessary to introduce non-adhesion braking type; compare with some non-adhesion braking types, eddy current track brake is better suitable for higher-speed EMU; based on the standard EMU of China, this paper analyzed the characteristic and brake power's joint work of EMU installed eddy current track brake, which could solve the three restrictions above.

EMU; non-adhesion braking; eddy current track brake

1008-7842 (2016) 03-0037-06

男，助理研究員(

2015-09-28)

U266.2.35

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.08

*中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計劃項目(2013B001-A-1);鐵道科學技術(shù)研究發(fā)展中心科研項目(J2013J008)