列車制動技術發(fā)展趨勢探討

吳萌嶺，馬天和，田 春，楊 俊，陳茂林

(1.同濟大學 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804；2.南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設備有限公司，江蘇 南京 211800；3.同濟大學 機械與能源工程學院，上海 201804)

隨著我國高速鐵路、城市軌道交通、重載及快捷貨物運輸?shù)陌l(fā)展，標準動車組、全自動駕駛地鐵列車、低地板現(xiàn)代有軌電車、跨座式和懸掛式單軌列車、高速磁浮和中低速磁浮列車等眾多新車型的下線，制動系統(tǒng)作為與安全、舒適、高效運輸緊密相關的關鍵技術領域和核心子系統(tǒng)也面臨著新的發(fā)展要求。

本文對列車空氣制動系統(tǒng)發(fā)展歷程進行總結，并深入分析近年來新興的不依賴壓力空氣的電機械制動技術。然后，從性能需求和軌道運輸發(fā)展的角度論述其對制動系統(tǒng)電氣化和智能化發(fā)展的要求和推動作用。最后，討論列車制動減速度控制方面的研究，并分析其發(fā)展和應用的方向。

1 列車制動系統(tǒng)發(fā)展歷程

列車制動系統(tǒng)自誕生以來，主要發(fā)展出手制動機、真空制動機、空氣制動機(直通制動機、自動制動機、直通自動制動機)、電空制動機、微機控制電空制動系統(tǒng)以及液壓制動系統(tǒng)和電機械制動系統(tǒng)等形式(見圖1)。手制動機采用人力為原動力，除鐵路發(fā)展初期應用外，現(xiàn)一般用作調車作業(yè)和停放制動；真空制動機以大氣與真空的壓差為原動力，制動能力有限，現(xiàn)已基本過渡為空氣制動機；液壓制動系統(tǒng)一般用于低地板有軌電車等安裝空間受限的車型。本節(jié)主要分析目前廣泛應用的空氣制動系統(tǒng)和新發(fā)展的電機械制動系統(tǒng)。

圖1 列車制動系統(tǒng)分類

1.1 空氣制動系統(tǒng)

1869年，George Westinghouse首次將以壓力空氣來操縱的制動機運用于列車，這種制動機屬于直通制動機。由于直通制動機存在安全性和一致性方面的缺陷，1872年，George Westinghouse又發(fā)明了自動制動機，設計出了第1個三通閥。時至今日，空氣制動機雖然又有自動式和直通自動式之分，三通閥或分配閥又有二壓力機構和三壓力機構之分，但基于此原理的自動制動機和直通自動制動機依然在世界范圍內廣泛使用[1-8]。

空氣制動從其控制系統(tǒng)的角度來看經歷了從空氣制動控制(見圖2(a))到電氣指令式制動控制的發(fā)展歷程，后者根據其電氣化程度又經歷了電磁控制(見圖2(b))、氣壓控制(見圖2(c))到電氣控制(見圖2(d))的演變過程[9-21]。空氣制動控制系統(tǒng)以壓力空氣作為制動信號傳遞和制動力控制介質，其列車管(制動管)既傳遞制動控制信號，又輸送壓力空氣。而電氣指令式制動控制系統(tǒng)以電氣信號來傳遞制動信號，一般不設列車管，由總風管為列車各車輛供風，制動缸的直接風源為制動供給風缸(制動風缸)。換言之，隨著列車制動系統(tǒng)的發(fā)展，制動指令完成了電氣化的演變，但從制動指令到制動力的施加仍然需要經過電空(液)轉換環(huán)節(jié)和壓力空氣(油)的作用環(huán)節(jié)。首先將電信號轉換為預控壓力信號，然后經中繼閥流量放大后控制制動缸活塞桿推出，作用于閘瓦—踏面摩擦副或閘片—制動盤摩擦副后，在輪軌接觸處產生制動力。

圖2 空氣制動系統(tǒng)的電氣化演變過程

1.2 微機控制電機械制動系統(tǒng)

列車制動技術發(fā)展到微機控制直通電空制動系統(tǒng)階段，其控制的電氣化程度已經達到了較高的水平，也具備了智能化發(fā)展的基礎。而微機控制電機械制動則為整個制動系統(tǒng)的智能化提供了新的思路。電機械制動(Electromechanical Brake, EMB)用電能直接驅動閘片(瓦)與制動盤(車輪踏面)摩擦，將車輛動能轉化為熱能產生制動作用。簡化了傳統(tǒng)空氣或液壓制動系統(tǒng)先進行電空(液)轉換再實施制動的作用環(huán)節(jié)，即在制動信號傳遞和制動力控制上都擺脫了壓力空氣等介質，真正實現(xiàn)了制動系統(tǒng)的全電氣化，并有望推動列車制動系統(tǒng)的智能化程度進一步加深。

電機械制動(EMB)技術最早是在航空領域提出的，被稱為飛機的“全電剎車”[22-24]，后來在汽車領域也得到了較為廣泛的應用和研究，稱為電子機械制動[25-26]。在軌道交通領域，國外曾有日本鹿兒島市交通局在其1000型低地板有軌電車上試裝過采用此技術原理的制動器[27](見圖3)。

在國內，同濟大學吳萌嶺課題組運用電氣技術的最新成果進行了適用于軌道車輛的新型電機械制動系統(tǒng)設計[28-29]，電機械盤形制動單元如圖4所示，外形與既有空氣制動夾鉗單元一致，驅動方式由氣動變?yōu)殡妱印?/p>

圖3 日本有軌電車電機械制動裝置

圖4 電機械盤形制動單元

圖5給出了單元的控制原理，采用力傳感器反饋進行閉環(huán)控制。如圖6試驗曲線所示，其階段制動緩解性能穩(wěn)定，控制精度高，可實現(xiàn)1 Hz頻率(即在1 s內調節(jié)制動力從0到最大再到0)的隨動制動力控制性能，響應迅速。

圖5 電機械制動單元夾緊力閉環(huán)控制原理

從系統(tǒng)的角度分析，微機控制電機械制動系統(tǒng)是一種由電子控制和電驅動的機電一體化的新型摩擦制動系統(tǒng)，其原理如圖7所示。組成上主要包含電機械制動控制裝置(BECU)和電機械制動單元(EBU)2大主體部件。常用制動時BECU從列車管理系統(tǒng)(TMS)接收司機控制器或者列車自動駕駛系統(tǒng)(ATO)的控制指令，施加與常用制動級位對應的制動力；緊急制動時，BECU由緊急制動列車線直接獲取指令，施加與車重成比例的緊急制動力。與微機控制直通電空制動系統(tǒng)相比，省去了制動風缸、閥、塞門和氣路管路等，如圖8所示。與液壓制動系統(tǒng)相比，省去了泵、油缸、閥及液壓管路等，結構簡單，零部件減少，降低了裝配和維護的難度，節(jié)約了成本。系統(tǒng)更加模塊化和輕量化(相比空氣制動系統(tǒng)每輛車減重30%以上)，簡化了系統(tǒng)結構，提高了系統(tǒng)可靠性。

圖6 電機械制動單元試驗曲線

筆者認為電機械制動系統(tǒng)可實現(xiàn)對制動缸推出力的閉環(huán)控制，實現(xiàn)閘瓦(片)間隙的智能調整和磨耗量在線智能監(jiān)測，從而實現(xiàn)系統(tǒng)功能的智能化。同時，由于其響應迅速、控制精確，不但有利于列車制動過程控制的舒適度和停車精度的提高，而且在制動防滑控制中可實現(xiàn)黏著改善控制，為新型智能防滑控制方法創(chuàng)造了條件，有望實現(xiàn)對沿用至今的防滑控制模式做出突破。

2 性能需求推動制動系統(tǒng)電氣化

任何載運工具都離不開制動系統(tǒng)，對軌道車輛而言，制動系統(tǒng)最重要的使命是要確保安全，保證列車在任何突發(fā)緊急情況下都能在規(guī)定距離內安全停車。隨著技術進步，列車采用的制動方式越來越豐富，從傳統(tǒng)純機械驅動的踏面制動、盤形制動到越來越依賴電能或電機的電阻制動、再生制動、磁軌制動、渦流制動等。這些涉“電”制動方式往往由于其本身的特點，或者是一些特殊場合難以發(fā)揮作用，或者是由于其本身的適用局限性，或者是經濟性和合理性，使得它們不能或難以成為安全制動方式。時至今日，踏面制動或盤形制動仍是被普遍接受的列車安全制動方式。

圖7 微機控制電機械制動系統(tǒng)原理

圖8 系統(tǒng)對比

提高制動波速需要電氣化，但傳統(tǒng)的踏面制動或盤形制動由于空氣制動機制動波速較低[30-32]，難以適應鐵路高速、重載的發(fā)展趨勢。因此，無論是高速動車組還是城軌列車都已普遍采用“電”信號傳遞制動指令，以提高制動波速；甚至在貨物列車上，也已開始制動指令電氣化的探索。

對于客運列車，制動過程的舒適性也是十分重要的指標?？紤]到乘客的乘車感受，列車制動時的速度變化不能過大，減速度的變化率也不能太高。目前世界各國普遍采用的干線旅客列車(包括高速動車組)緊急制動的平均減速度在1.0 m·s-2左右；地鐵列車一般為1.2～1.3 m·s-2。城軌和高速動車組列車均要求制動系統(tǒng)具備沖動限制功能，在列車制動指令發(fā)生變化時，列車制動減速度的變化一般限制在不超過0.75 m·s-3左右[33]。乘客的舒適性還表現(xiàn)在列車停站的精確控制(包括停站精度和平穩(wěn)度)。目前國內地鐵列車要求的停站精度在±250 mm左右。由于空氣制動系統(tǒng)的強非線性(制動缸壓力精度±20 kPa)和大時滯特性(響應在1 s以上)，以及現(xiàn)行制動控制模式的局限性(不考慮閘片摩擦系數(shù)、運行阻力等干擾)，在滿足上述旅客舒適度不算太高的要求時，已顯力不從心。

筆者認為，只有進一步提升制動系統(tǒng)的電氣化與智能化程度，特別是上文第1.2部分所述電機械制動和下文第4部分所述減速度控制的實現(xiàn)，關于安全性和舒適性等性能需求的問題才能從控制上得到解決。

3 軌道運輸發(fā)展推動制動系統(tǒng)智能化

近年來，關于數(shù)字鐵路、智能鐵路和軌道智能運輸系統(tǒng)的構想越來越成熟，鐵路智能自動化和鐵路智能運輸系統(tǒng)(Railway Intelligent Transportation System，RITS)提出了“可測、可控、可視、可響應”的4大核心特征[34]。四方股份公司和唐山軌道客車公司分別以CRH380A型高速動車組和以CRH380BL型高速動車組為平臺研制了智能化高速列車[35]。中車集團公司總經理、股份公司總裁奚國華在亞歐數(shù)字互聯(lián)互通高級別論壇上提出了關于新一代智慧列車實現(xiàn)自駕駛、自診斷、自決策、自控制、自恢復的構想。為了順應這一潮流，實現(xiàn)列車的高度智能化，作為關鍵子系統(tǒng)之一的制動系統(tǒng)首先要完成電氣化，最終實現(xiàn)智能化。

在高速客運和城市軌道交通領域，列車制動系統(tǒng)呈現(xiàn)出分布式、網絡化的發(fā)展趨勢，從車控到架控和軸控的分布式控制方式[14]不斷成熟，利用列車和車輛總線以及制動內網的通訊技術不斷完善，列車或網段制動管理與狀態(tài)監(jiān)控的模式逐漸成為主流，推動了列車制動系統(tǒng)的電氣化和智能化進程。

在重載貨物運輸[36]領域，列車的載重越來越大，編組越來越長，為了解決長大貨物列車制動緩解一致性差、縱向沖動大的問題，逐漸發(fā)展出了無線遙控機車同步操縱技術(LOCOTROL)[37-38]和電控空氣制動(Electronically Controlled Pneumatic, ECP)[39-45]2類新的制動控制系統(tǒng)。目前我國大秦線[46-48]萬噸級組合列車均采用了運用LOCOTROL技術的CCBⅡ制動機，神黃線重載組合列車采用了基于無線遙控同步操縱技術的DK-2型機車制動機。從本世紀初開始，國產ECP制動系統(tǒng)研制已經進行到技術評審或實車試驗階段。以LOCOTROL和ECP技術為代表的貨物列車電控空氣制動可以優(yōu)化整列車的動力分配和制動控制，加快制動波速和緩解波速，改善列車操縱性能和前后車輛制動、緩解的一致性，使列車起動和停車更加迅速、平穩(wěn)，減小車鉤受力，縮短制動距離，提高列車運行安全和效率[49-52]。這2種控制技術提升了貨運列車制動系統(tǒng)的電氣化水平，為智能化制動控制的發(fā)展提供了平臺。

4 制動控制智能化新進展—減速度控制

以ICE3等車型為代表的歐系動車組一般采用微機控制自動式電空制動系統(tǒng)[15]，制動時對列車管壓力進行閉環(huán)控制，制動力的大小取決于列車管減壓量。這一控制模式軟件操作簡單，但其制動力計算采用理想的摩擦系數(shù)且未考慮黏著條件，存在黏著利用低、制動距離長、高速區(qū)段滑行概率較大等問題。這一控制模式實際上是一種理論制動力控制。如圖9所示，由于高速區(qū)段列車輪軌黏著顯著降低，因此全速度區(qū)段制動力設定過于保守，且濕軌條件下高速區(qū)段制動有超出黏著條件限制的風險。

圖9 制動力控制

日系動車組制動控制系統(tǒng)一般根據速度—黏著曲線[16]控制制動力，如圖10所示，在高速區(qū)段沿理論黏著曲線控制，較低速度區(qū)段保持理論減速度不變。這一控制方式可以有效縮短制動距離并降低高速區(qū)段的滑行風險，黏著利用率較高。但其在減速度計算時采用理想的摩擦系數(shù)，以平直道制動工況作為計算條件，未能考慮摩擦系數(shù)、坡道坡度等參數(shù)變化的影響，可能造成實際減速度與目標減速度偏離較大。這一控制模式實際上是一種理論減速度控制。圖11所示為國內某型動車組實際制動效果曲線，隨著速度的下降，由于實際摩擦系數(shù)的上升，實際減速度相對目標值的偏差逐漸增大，最大有超過50%的偏差。

圖10 速度—黏著控制[16]

上述傳統(tǒng)制動控制模式在減速度層面是開環(huán)的，難以應對制動過程中的不確定參數(shù)擾動產生的影響。對列車制動過程進行分析可以發(fā)現(xiàn)，閘瓦(片)摩擦系數(shù)、坡道坡度等參數(shù)是隨時間、速度或距離而改變的不確定量，難以獲得精確值，影響制動力、制動減速度和制動距離等的準確性。傳統(tǒng)的制動控制方法忽略了這些不確定參數(shù)對制動性能的影響，不能實現(xiàn)對列車實際制動力和實際減速度的精確控制。

圖11 某型動車組實際制動效果

近年來，國內外學者提出減速度控制模式的概念，對列車制動減速度進行了一系列閉環(huán)控制研究[53-60]，主要包括基于Smith預估器的PI控制[53-54]、PID控制[57-58]，基于在線參數(shù)估計的自適應控制[59]，基于Krasovskii泛函控制[60]等方法，取得了較好的仿真效果并在臺架試驗或線路試驗中驗證了其控制性能。圖12(a)表示傳統(tǒng)制動控制模式的原理，在制動缸壓力層面進行了閉環(huán)控制，但由于實際只控制到了中繼閥的輸出端，制動缸壓力控制只能做到近似精確，實際減速度的控制精度難以保證。圖12(b)表示的減速度控制模式對制動過程中基礎制動參數(shù)和線路運行參數(shù)等不確定性擾動加以考慮，通過閉環(huán)控制提高列車制動實際減速度的控制精度。

圖12 傳統(tǒng)制動控制模式和減速度控制模式原理對比

文獻[59]提出的基于在線參數(shù)估計的自適應控制方法是通過對閘瓦摩擦系數(shù)、坡道坡度、載重等擾動進行估計，然后用估計出的參數(shù)進行制動力的計算，可以顯著減小實際減速度與目標減速度的偏差。如圖13(a)，(b)所示，該方法可實現(xiàn)對坡度連續(xù)變化的坡道進行坡度實時估計，使減速度控制誤差從0.3 m·s-2減小到0.1 m·s-2。在不使用空簧壓力信息計算車輛制動質量，而通過減速度控制算法對列車載重實時估計，進行制動力計算的情況下，對列車實際制動減速度的控制仍然達到了較好的效果(圖13(c)，(d))，這為簡化車輛載荷獲取方式提供了可能。

目前，長大貨物列車編組可達數(shù)百輛，綿延數(shù)公里長，列車各位置車輛所處的坡道坡度不一，由此引起的縱向沖動問題[61-63]十分嚴峻；同時，貨車由于無空氣彈簧的存在，其載重信號的獲取和空重車壓力的調整[64-65]十分復雜且精度較低。若采用減速度控制模式，其對線路坡道坡度和列車載重的估計方法為解決上述問題提供了思路。

5 結 論

從列車制動系統(tǒng)的歷史和現(xiàn)狀可以看出，制動系統(tǒng)的演變過程伴隨著列車的升級換代及整個軌道運輸行業(yè)的發(fā)展呈現(xiàn)出電氣化和智能化程度不斷加深的過程?？梢灶A見，未來的制動系統(tǒng)需要走從滿足功能到提升性能再到最終實現(xiàn)智能的發(fā)展道路。

圖13 減速度控制地面試驗曲線[59]

(1)制動系統(tǒng)的電氣化主要體現(xiàn)在控制信號的傳遞和制動力產生及作用的過程中，智能化包含功能控制的智能化和維保監(jiān)測的智能化，主要體現(xiàn)在分布式精確控制、同步性快速響應、全系統(tǒng)智能監(jiān)測、全過程智能控制、全壽命周期智能維護等方面。制動系統(tǒng)的智能化可以從根本上提高列車制動技術水平，保證系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性，電氣化是智能化的前提，二者相輔相成，是未來需要長期發(fā)展的方向。

(2)電機械制動系統(tǒng)實現(xiàn)了全電氣化，可對全系統(tǒng)進行全面監(jiān)測，做到對系統(tǒng)動態(tài)信息的實時感知、智能診斷和決策以及在途預警，對各種可能出現(xiàn)的故障，系統(tǒng)可自動處理或提示司乘人員采取對應的安全措施，實現(xiàn)對故障的快速定位和處理。電機械制動系統(tǒng)易監(jiān)測、電氣化、智能化、模塊化的特點也為制動系統(tǒng)運維智能化奠定了基礎。

(3)減速度控制考慮了制動過程中參數(shù)不確定性帶來的影響，使制動過程更可控，可提升制動平穩(wěn)性和舒適性，保障城軌列車精確停車和正點運行，解決貨車縱向沖動和制動不均等問題，為列車智能化制動控制指明了方向。

(4)在電機械制動系統(tǒng)被大規(guī)模應用之前，空氣制動系統(tǒng)仍是列車運行安全的重要保障。空氣制動系統(tǒng)利用壓力空氣的作用產生制動力，是一種復雜的非線性時滯系統(tǒng)，圍繞這一特點，其未來發(fā)展仍需以提高控制性能和安全性能為目標。在貨車制動領域，繼續(xù)推進系統(tǒng)電氣化，發(fā)展電控技術；在客車制動領域，加深系統(tǒng)的智能化程度，應用減速度控制等新型控制技術，提高制動及防滑控制性能，發(fā)展故障預測與健康管理技術，提升系統(tǒng)安全性。