列車非接觸式緩速制動技術(shù)應(yīng)用綜述

黃俊剛，周少藝，馮家浪，楊躍富

（510430 廣東省 廣州市 廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院）

0 引言

隨著鐵路運(yùn)輸業(yè)的蓬勃發(fā)展，列車運(yùn)行速度與運(yùn)輸量日益增長，這意味著對列車的制動安全性能提出了更高的要求。列車綜合制動系統(tǒng)由非接觸式輔助緩速制動、空氣制動和行車阻力組成。其中，空氣制動在停車和緊急制動工況下起到關(guān)鍵作用[1-2]。列車常態(tài)行車制動時，列車綜合制動系統(tǒng)優(yōu)先使用非接觸式輔助緩速制動，在輔助緩速制動效果不足以實(shí)現(xiàn)制動目標(biāo)時，空氣制動系統(tǒng)將介入進(jìn)行制動力的補(bǔ)償。列車空氣制動采用機(jī)械剛性摩擦耗能的方式實(shí)現(xiàn)，將列車的行駛動能轉(zhuǎn)換為制動摩擦元件的熱能，并利用對流和輻射換熱的途徑將制動摩擦元件的熱能散失到大氣環(huán)境中。剛性摩擦使得制動閘片產(chǎn)生磨耗，需要定期檢查與更換，頻繁檢查與更換閘片產(chǎn)生的人工物料成本將導(dǎo)致列車運(yùn)維費(fèi)用增加；此外，剛性摩擦產(chǎn)生的制動粉塵對大氣環(huán)境極不友好[3-5]。依據(jù)制動閘片在動車組列車的不同位置（動車、拖車）綜合測算，一個標(biāo)準(zhǔn)動車組閘片平均更換周期為2.5 次/年?！吨袊F道2021 年統(tǒng)計(jì)公報》數(shù)據(jù)顯示，截至2021 年，全國鐵路動車組保有量為4 012 標(biāo)準(zhǔn)組，共計(jì)32 097 輛動車，預(yù)計(jì)2022 年新車投放量會在200～300 組[6]。在列車定期運(yùn)維工作中，若能降低制動閘片的檢查與更換周期，節(jié)省的列車運(yùn)維費(fèi)用將是非常可觀的。

非接觸式緩速制動器與常規(guī)摩擦制動不同，其以無損非接觸式能量轉(zhuǎn)換效應(yīng)為原理，如法拉第效應(yīng)、電磁渦流損耗效應(yīng)、液渦流損耗效應(yīng)等，將列車的行駛動能轉(zhuǎn)化為其他可散失或利用的能量。通過加裝使用非接觸式緩速制動器，不僅可以減輕列車制動閘片的磨損，延長制動閘片的更換周期，降低運(yùn)維成本，同時，可有效減少制動粉塵的排放，有利于環(huán)境的保護(hù)。本文從各類緩速制動技術(shù)的原理、應(yīng)用案例及產(chǎn)品技術(shù)應(yīng)用優(yōu)缺點(diǎn)的角度，綜述緩速制動技術(shù)在國內(nèi)外列車上的應(yīng)用狀況，提出各類型緩速制動技術(shù)未來的關(guān)鍵創(chuàng)新突破點(diǎn)，以期為列車輔助制動技術(shù)的產(chǎn)品研發(fā)規(guī)劃提供參考。

1 鐵路機(jī)車緩速制動技術(shù)應(yīng)用分析

基于對列車常規(guī)接觸式摩擦制動器運(yùn)維成本和環(huán)境保護(hù)的優(yōu)化考量，非接觸式緩速制動技術(shù)得到了一定的應(yīng)用。通過加裝緩速制動裝置，將列車的常規(guī)接觸式摩擦制動器的負(fù)荷分流，降低磨損提高其使用壽命的同時有效減少摩擦制動粉塵的排放。國內(nèi)外市場上應(yīng)用于列車的緩速制動技術(shù)主要有再生緩速制動、電渦流緩速制動（含盤形與直線電渦流）以及液力緩速制動。

1.1 再生緩速制動技術(shù)

列車的再生緩速制動技術(shù)的原理是將電機(jī)從牽引動力驅(qū)動模式切換為阻尼發(fā)電耗能模式，再生緩速制動技術(shù)采用阻尼發(fā)電耗能途徑，將列車行駛的動能轉(zhuǎn)化為可回收電能的同時，列車獲得減速制動力。再生緩速制動技術(shù)所產(chǎn)生的電能通過變壓變流設(shè)備，回送至軌道線路接觸網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)制動能量的再生回收與利用。如圖1 所示。

圖1 列車再生緩速制動技術(shù)原理Fig.1 The principle of train regenerative retarding braking

再生緩速制動技術(shù)具有制動過程噪音小、舒適度高、能源再生、環(huán)保利用等優(yōu)勢，目前在各國的高速列車中廣泛采用再生緩速制動技術(shù)，如法國的TGV、歐洲的ICE、我國的CRH 等系列車型[7-8]。以我國復(fù)興號CR300AF 高速列車為例，列車制動控制指令發(fā)出后，列車綜合制動系統(tǒng)優(yōu)選啟動再生緩速制動功能，當(dāng)再生緩速制動能力不能滿足列車制動需求時，列車綜合制動系統(tǒng)依序啟動各節(jié)車輛的空氣制動模塊提供剛性摩擦制動力，這不僅使得列車制動過程更為平順，而且能在一定程度上有效降低制動閘片的磨損，減少制動閘片的檢查與更換周期，有效降低運(yùn)維成本。

當(dāng)供電臂區(qū)間內(nèi)取流列車無法承接同區(qū)間內(nèi)列車再生緩速制動產(chǎn)生的回饋電能時，甚至整個供電臂區(qū)間內(nèi)只有再生緩速制動列車時（例如整個供電臂位于長大坡道區(qū)段時，列車處于長下坡再生制動工況，而且這種狀況發(fā)生的可能性較大），列車再生制動回饋的電能若反送至接觸網(wǎng)，將迫使接觸網(wǎng)的電壓快速升高，當(dāng)接觸網(wǎng)電壓超過29 kV 時，將引發(fā)接觸網(wǎng)的饋線動作保護(hù)，導(dǎo)致接觸網(wǎng)供電中斷的嚴(yán)重問題，直接影響線路的正常運(yùn)行[9-11]。

為避免再生緩速制動回饋電能返送造成接觸網(wǎng)供電中斷的嚴(yán)重問題，列車再生緩速制動回饋的電能只能通過發(fā)熱電阻轉(zhuǎn)換為熱能并散失到大氣中，但由于高速列車再生制動發(fā)熱電阻的熱量散失能力有限，同時發(fā)熱電阻溫度過高時亦可能會產(chǎn)生火災(zāi)，因此在大坡道、長隧道群內(nèi)，考慮再生制動的安全問題，再生緩速制動與列車綜合制動的占比將嚴(yán)重下降[12-13]。未來，配合車載儲能裝置進(jìn)行再生緩速制動和能量回收的工作方式，是解決再生制動應(yīng)用受限的關(guān)鍵創(chuàng)新突破點(diǎn)。

1.2 電渦流緩速制動技術(shù)

電渦流緩速制動技術(shù)以電磁場楞次定律為原理，利用電磁渦流損耗效應(yīng)，把列車行駛動能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)盤的熱能，并通過對流換熱和輻射換熱將熱能散失到大氣中，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車的減速，在機(jī)車車輛上的應(yīng)用以盤形電渦流和直線電渦流結(jié)構(gòu)形式為主。其中，盤形電渦流的轉(zhuǎn)盤與車軸串聯(lián)，因此其制動效果與輪軌制動摩擦黏著系數(shù)有關(guān)；直線電渦流由于直接將渦流損耗效應(yīng)作用于地面上的軌道，因此其制動效果與輪軌制動摩擦黏著系數(shù)無關(guān)。電渦流緩速制動器制動力矩的影響因素主要有勵磁電流大小、磁場間隙、切割速度、材料屬性等，在實(shí)際應(yīng)用中，通常是調(diào)節(jié)勵磁電流大小來實(shí)現(xiàn)制動力矩的動態(tài)輸出調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車減速效果的動態(tài)調(diào)整。目前，國外研發(fā)生產(chǎn)電渦流緩速制動器的品牌有法國泰樂瑪、德國Maya 公司、美國Ogura 工業(yè)公司、日本Murakami公司和五十鈴/住友（ISUZU/SUMITOMO）等，國內(nèi)品牌有深圳特爾佳科技、洛陽凱邁等[14]。

電渦流緩速制動器主要應(yīng)用場景為高速鐵路與磁懸浮列車，且以與輪軌制動摩擦系數(shù)無關(guān)的直線電渦流緩速制動技術(shù)類型為主。直線電渦流緩速制動器在工作時，控制系統(tǒng)將帶有勵磁線圈的升降式橫梁從轉(zhuǎn)向架上降落，勵磁線圈與軌道之間的制動保持間隙為3～6 mm，勵磁線圈通電后產(chǎn)生垂直于軌道的磁場，軌道利用與轉(zhuǎn)向架之間的相對運(yùn)動速度，切割磁力線產(chǎn)生渦流損耗效應(yīng)，將列車行駛動能轉(zhuǎn)化為鋼軌的熱能，鋼軌的熱能通過對流和輻射換熱散失到大氣環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)列車的常規(guī)制動與緊急制動。直線電渦流緩速制動器最早于2002 年在歐洲城際特快列車-3（ICE3）使用，接續(xù)，法國AGV 上亦裝備直線電渦流緩速器，均獲得了較好的技術(shù)應(yīng)用效果，如圖2 所示。

圖2 應(yīng)用于鐵路機(jī)車的直線電渦流緩速制動器Fig.2 Linear eddy current retarder applied in railway locomotives

傳統(tǒng)直線電渦流緩速制動器需要較強(qiáng)的勵磁電流，列車停電后存在無法勵磁制動的問題。日本鐵道綜合技術(shù)研究所研發(fā)了一種應(yīng)用于新干線的自發(fā)電自勵磁式直線電渦流緩速制動器，列車依靠自身的行駛動能發(fā)電，將所發(fā)電能提供給勵磁線圈，實(shí)現(xiàn)自發(fā)電勵磁制動[15-16]。另外，直線電渦流緩速制動器由于需要勵磁線圈，在消耗大電流的同時，整體體積較龐大，整備自重較重。為將直線電渦流緩速制動器輕量簡化，日本鐵道綜合研究所曾嘗試在盤形電渦流緩速制動器中，利用永磁體代替笨重的勵磁線圈，并順利通過實(shí)車測試[17]，但由于永磁體所能提供的磁場強(qiáng)度較低，同時存在無法實(shí)現(xiàn)磁場強(qiáng)度無級調(diào)節(jié)的技術(shù)問題，導(dǎo)致永磁式電渦流緩速制動器在列車中的應(yīng)用前景受限。

此外，電渦流緩速制動器在長下坡緩速制動時，由于采用散熱效果欠佳的風(fēng)冷技術(shù)，隨著渦流損耗作用零件的溫度急劇升高，零件內(nèi)部電磁阻滯力效應(yīng)會大幅度降低，產(chǎn)生了嚴(yán)重的制動力熱衰退問題，無法滿足機(jī)車車輛長下坡的輔助制動使用需求，同時電渦流緩速器存在整備質(zhì)量重、制動扭矩較小、線圈容易老化、運(yùn)維費(fèi)用高等缺點(diǎn)[18-19]。直線渦流制動技術(shù)型式常用于列車的緊急制動工況。未來，水冷散熱的電渦流緩速器制動是解決現(xiàn)有風(fēng)冷電渦流技術(shù)的關(guān)鍵創(chuàng)新突破點(diǎn)，并有望應(yīng)用于350 km/h 時速以上的高速列車中。

2 液力緩速制動技術(shù)

液力緩速制動器的工作原理如圖3 所示，轉(zhuǎn)子（泵輪）與車軸聯(lián)接。工作時，一定量的液體充入定子（渦輪）和轉(zhuǎn)子（泵輪）形成的渦旋工作腔內(nèi)，在轉(zhuǎn)子的帶動下，液體在定子和轉(zhuǎn)子渦旋工作腔內(nèi)形成液流強(qiáng)渦旋的損耗效應(yīng)，將列車行駛的動能通過強(qiáng)渦旋損耗效應(yīng)轉(zhuǎn)化為液體的熱能，以作用于高速旋轉(zhuǎn)的列車車軸形成反向制動力矩的方式而產(chǎn)生緩速制動效果，并通過冷卻系統(tǒng)將液體的熱能散失到大氣中。液力緩速制動器制動力矩的影響因素主要有葉輪尺寸因素、充液率、轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速等，在實(shí)際應(yīng)用中，通過調(diào)節(jié)充液率來實(shí)現(xiàn)制動力矩的動態(tài)輸出調(diào)節(jié)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車減速效果的動態(tài)調(diào)整。

圖3 液力緩速制動器的強(qiáng)渦旋效應(yīng)示意Fig.3 Strong vortex effect of hydraulic retarding brake

德國福伊特公司是世界上最早開展液力緩速制動器研發(fā)的公司，也是當(dāng)今全球最大的液力緩速器生產(chǎn)廠家。福伊特于1961 年將液力緩速制動器成功應(yīng)用在運(yùn)行于美國落基山脈的貨運(yùn)火車上，該車總質(zhì)量約1 萬t。通過實(shí)際的長坡運(yùn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，搭載了福伊特液力緩速制動器的火車可以在坡度為3%、長達(dá)數(shù)千米的坡路上穿山越嶺，實(shí)現(xiàn)了幾乎無空氣制動磨損的安全運(yùn)行[20-21]，如圖4 所示。

圖4 運(yùn)行于美國落基山脈的機(jī)車及配備的液力緩速器Fig.4 Locomotives driving on Rocky Mountains in USA and hydraulic retarder equipped

目前國外液力緩速制動器品牌有德國福伊特、ZF、斯堪尼亞、艾利遜等，國內(nèi)品牌有陜齒法士特、深圳特爾佳、寧波華盛。液力緩速制動器以其質(zhì)量輕、制動扭矩大、無熱衰退、安全性高等性能優(yōu)勢，目前普遍應(yīng)用在重載交通運(yùn)輸中。在軌道交通運(yùn)用方面，近年來以深圳特爾佳為代表的并聯(lián)型液力緩速器已廣泛應(yīng)用于我國金鷹重工的GCD 系列型重型軌道車中，并獲得了較高的制動安全與經(jīng)濟(jì)效益，如圖5 所示。

此外，德國福伊特基于液力緩速制動器衍生出一種無需增設(shè)散熱系統(tǒng)的水介質(zhì)緩速制動器，于1989 年研發(fā)，2012 年在德國漢諾威IAA 上正式獨(dú)家展出，名稱為Aquatarder1450，如圖6 所示。

圖6 德國福伊特水介質(zhì)緩速器Fig.6 Voith aquatarder

該產(chǎn)品的特殊之處是工作介質(zhì)是水，相比于磁介質(zhì)與油介質(zhì)緩速器，其體積小、質(zhì)量輕、成本低、結(jié)構(gòu)簡單。其質(zhì)量是一般液力緩速器的50%，是一般電渦流緩速器的10%，同時它是免維護(hù)的，不需要額外更換工作介質(zhì)，可與常規(guī)制動器智能聯(lián)動實(shí)現(xiàn)載運(yùn)工具的制動減速與定速巡航，減少大約80%的制動粉塵，對環(huán)境非常友好[22-24]。除德國福伊特驅(qū)動技術(shù)公司外，國外開展水介質(zhì)緩速器研制生產(chǎn)的廠商還有瑞典斯堪尼亞驅(qū)動技術(shù)公司等。水介質(zhì)緩速制動器以體積更小、結(jié)構(gòu)更為緊湊等優(yōu)勢[25]，未來在復(fù)雜的列車轉(zhuǎn)向架緊湊空間內(nèi)，具有較高的產(chǎn)品技術(shù)應(yīng)用預(yù)期，開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的水介質(zhì)緩速器已變得較為急迫。

3 結(jié)論

（1）基于對列車常規(guī)接觸式摩擦制動器運(yùn)維成本和環(huán)境保護(hù)的優(yōu)化考量，非接觸式緩速制動技術(shù)得到了一定的應(yīng)用。通過加裝緩速裝置，將列車的常規(guī)接觸式摩擦制動器的負(fù)荷分流，提高其使用壽命的同時有效減少摩擦制動粉塵的排放。當(dāng)前國內(nèi)外市場上應(yīng)用于列車的緩速制動技術(shù)主要有再生緩速制動、電渦流緩速制動（含盤形與直線電渦流）以及液力緩速制動。

（2）再生緩速制動技術(shù)具有制動過程噪音小、舒適度高、能源再生利用、環(huán)保等優(yōu)勢，目前在各國的高速列車中廣泛采用再生緩速制動技術(shù)，如法國的TGV、歐洲的ICE、我國的CRH 系列車型。由于再生緩速制動易引起接觸網(wǎng)的電壓快速升高，引發(fā)接觸網(wǎng)的饋線動作保護(hù)，導(dǎo)致接觸網(wǎng)供電中斷的嚴(yán)重問題，加上制動發(fā)熱電阻的熱量散失能力有限，再生緩速制動在列車綜合制動中的占比將嚴(yán)重下降。未來，配合車載儲能裝置進(jìn)行再生緩速制動和能量回收的工作方式，是解決再生制動應(yīng)用受限的關(guān)鍵創(chuàng)新突破點(diǎn)。

（3）電渦流緩速制動技術(shù)在機(jī)車車輛上的應(yīng)用以盤形電渦流和直線電渦流結(jié)構(gòu)形式為主。電渦流緩速制動技術(shù)在長時間緩速制動時，由于采用散熱效果欠佳的風(fēng)冷技術(shù)，渦流盤溫度急劇升高，導(dǎo)致電磁阻滯力效應(yīng)降低，無法滿足機(jī)車車輛長下坡的輔助制動使用需求，同時存在整備質(zhì)量重、制動扭矩較小、產(chǎn)品運(yùn)維費(fèi)用高等缺點(diǎn)，在列車輔助制動方面推廣應(yīng)用受限，其直線渦流制動形式僅用于列車的緊急制動。未來，水冷散熱的電渦流緩速器制動是解決現(xiàn)有風(fēng)冷電渦流技術(shù)的關(guān)鍵創(chuàng)新突破點(diǎn)，并有望應(yīng)用于350 km/h時速以上的高速列車中。

（4）液力緩速制動器以其整備質(zhì)量輕、制動扭矩大、散熱效果好、無熱衰退、安全性高等性能優(yōu)勢，目前普遍應(yīng)用在重載交通運(yùn)輸中，當(dāng)前在鐵路機(jī)車輔助制動方向的推廣應(yīng)用場景主要聚焦在重型軌道車上，并獲得了較高的制動安全與經(jīng)濟(jì)效益。此外，基于液力緩速制動器衍生出一種無需增設(shè)散熱系統(tǒng)的水介質(zhì)緩速制動器，以體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢，在復(fù)雜的列車轉(zhuǎn)向架緊湊空間內(nèi)，亦具有較高的產(chǎn)品技術(shù)應(yīng)用預(yù)期，目前為歐美國家獨(dú)有的創(chuàng)新技術(shù)產(chǎn)品，開發(fā)具有我國自主知識產(chǎn)權(quán)的水介質(zhì)緩速器已變得較為急迫。

未來，隨著軌道交通運(yùn)行速度的進(jìn)一步提升，列車制動的動能將急劇增大，在安全合規(guī)的制動距離內(nèi)需要耗散強(qiáng)大的動能，單靠現(xiàn)有的制動技術(shù)手段均難以完成，未來對于非接觸式輔助制動裝置的需求將變得更為急迫。