速度250 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組常用制動減速度曲線設(shè)計

錢 卿

(中國鐵路廣州局集團(tuán)有限公司， 廣州 510030)

傳統(tǒng)直通式空氣制動通過貫穿全列的列車管空氣壓力變化實現(xiàn)制動施加/緩解。列車管內(nèi)壓力由頭車司機(jī)制動手柄(早期機(jī)械式)或制動控制裝置調(diào)節(jié)，動作時從車頭到車尾存在制動壓力波(速度約100 m/s)，各車響應(yīng)存在時間差，列車沖動大，制動減速度控制精度差[1]。當(dāng)前我國動車組主要采用直通電空制動系統(tǒng)，每節(jié)車廂下安裝制動控制裝置，通過列車網(wǎng)絡(luò)傳輸制動指令，具有操作靈活、響應(yīng)快，同步性好，以及與牽引、網(wǎng)絡(luò)和ATP等系統(tǒng)高密配合等特點[2]，同時制動效率和安全性能高，減速度精準(zhǔn)控制實現(xiàn)成為可能。

車輛按照運營速度等級習(xí)慣劃分為城軌/地鐵(<100 km/h)、市域(100～160 km/h)、城際(120～200 km/h)、動車組(≥250 km/h)4個等級。城軌/地鐵運營在人口密集區(qū)域，站間距近、車輛追蹤間隔短，快速啟停，啟動加速度和停車減速度要求都大。城軌/地鐵車輛編組中動車數(shù)量多，僅電制動(簡稱：電制)即可滿足停車需求，且電制特性響應(yīng)速度快，摩擦制動與電制動復(fù)合控制相對簡單，故對減速度曲線設(shè)計要求不高[3]。市域車、城際車和動車組運營線路站間距遠(yuǎn)，車輛追蹤間隔長，制動減速度相對城軌/地鐵偏小，但運營速度高，跨地域環(huán)境多樣、輪軌黏著狀況復(fù)雜，車輛編組動車少，需詳細(xì)設(shè)計控制減速度曲線，才能達(dá)到制動系統(tǒng)性能最優(yōu)發(fā)揮[4]。

以速度250 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組(以下簡稱：CR300動車組)常用制動減速度曲線設(shè)計為例，主要從輪軌黏著、電制力利用、沖動限制3個方面介紹減速度曲線設(shè)計方法，并基于CR300動車組邊界條件，校核最大常用制動不同速度區(qū)間的平均減速度、不同初速度35‰坡道上的制動距離，以保證滿足標(biāo)準(zhǔn)和ATP接口需求。

1 輪軌黏著

1.1 變減速度設(shè)計

輪軌黏著是復(fù)雜的研究課題，控制減速度曲線設(shè)計時要綜合車輛線路特點、氣候環(huán)境，參考標(biāo)準(zhǔn)要求，對比分析車輛運營數(shù)據(jù)設(shè)定，但隨著列車速度增加輪軌黏著特性降低是業(yè)內(nèi)共識。

城軌/地鐵車輛控制減速度相對動車組偏大，但常在地下線路運營，輪軌黏著特性好，且運營速度低、動拖比大，常采用恒減速度控制方式。高速動車組控制減速度曲線為充分利用高速段黏著，采用高速段小減速度，低速段大減速度的變減速度控制方式，規(guī)避高速段滑行風(fēng)險，保證在安全距離內(nèi)停車。

1.2 濕軌黏著

CR300動車組運營范圍廣，跨區(qū)域環(huán)境多樣，尤其雨天或冬季結(jié)霜季節(jié)，輪軌黏著工況差，為減少滑行次數(shù)保證制動距離，降低車輛輪對擦傷風(fēng)險，常用制動控制減速度曲線設(shè)計時，要綜合濕軌黏著條件。減速度曲線盡量貼合充分利用，但不受限于不超過濕軌黏著限制。

業(yè)內(nèi)減速度曲線設(shè)計主要參照TSI標(biāo)準(zhǔn)和日本新干線濕軌黏著參數(shù)。日本環(huán)境潮濕多雨水，輪軌黏著特性較差，基于運營數(shù)據(jù)統(tǒng)計得出的新干線濕軌黏著數(shù)據(jù)對輪軌黏著限制更為嚴(yán)格，與CR300動車組運營環(huán)境多樣需求相符。

圖1 TSI標(biāo)準(zhǔn)和新干線濕軌黏著曲線

1.3 最大常用制動平均減速度

TSI標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定，最大常用制動在不同速度區(qū)間內(nèi)的平均減速度要求如表1所示。

表1 TSI標(biāo)準(zhǔn)對最大常用制動平均減速度要求

1.4 常用制動5～7級減速度曲線趨勢

基于變減速度要求、結(jié)合新干線濕軌黏著曲線及TSI標(biāo)準(zhǔn)對最大常用制動平均減速度要求，繪制動車組最大常用制動7級，及鄰近的5級、6級控制減速度曲線的趨勢如圖2所示。

圖2 新干線濕軌黏著及常用制動5～7級減速度曲線趨勢圖

2 電制力利用

電制特性曲線按電制能力的發(fā)揮分為恒功區(qū)、恒力區(qū)和電制退出區(qū)，CR300動車組電制特性曲線如表2所示。控制減速度曲線設(shè)計要充分利用電制動力。

表2 CR300動車組電制特性曲線

2.1 電制恒功區(qū)切合

電制恒功區(qū)隨列車速度增加，電制能力隨速度按弧線下降。參照350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組制動系統(tǒng)控制減速度曲線設(shè)計，常用制動4級及以下僅使用電制力。常用制動4級減速度曲線高速段，采用二折線使控制減速度與電制特性曲線切合，充分利用高速段恒功區(qū)電制能力，減少基礎(chǔ)制動磨耗。

在電制恒功區(qū)進(jìn)行控制減速度曲線切合時，不能過分追求對電制特性的充分利用，要考慮超載時制動力需求變大，電制力稍不能滿足制動力需求時，將按照最小摩擦制動力(出閘力)進(jìn)行摩擦制動請求。如圖3所示，在速度區(qū)間160～250 km/h速度區(qū)間，補(bǔ)充施加最小的摩擦制動請求，電制力不能充分發(fā)揮。

圖3 電制恒功區(qū)切合過量制動力分配效果示意圖

2.2 電制特性轉(zhuǎn)換點

低速電制恒力區(qū)電制力恒定，可以提高控制減速度，充分利用低速輪軌黏著好的特性。電制特性恒功區(qū)與恒力區(qū)的轉(zhuǎn)換點，相對制動系統(tǒng)控制減速度曲線變減速度的切換點要向低速稍作偏移，避免制動力需求與電制特性曲線轉(zhuǎn)換點重合。

圖4 電制特性轉(zhuǎn)換與減速度切換點

為降低停車沖動，在停車前控制減速度就會逐步降低，該功能與電制退出區(qū)域重合，因此減速度曲線低速退出時要平緩，以達(dá)到電制與摩擦制動的平穩(wěn)切換。

2.3 常用制動1～4級減速度曲線趨勢

綜合控制減速度曲線與電制特性，擬合常用制動1～4級減速度曲線趨勢與電制特性關(guān)系相對趨勢如圖5所示。

圖5 電制特性及常用制動1～4級減速度曲線趨勢圖

3 沖動限制

為保證司乘的舒適度，在制動系統(tǒng)控制減速度曲線設(shè)計時，常用制動需滿足沖動限制標(biāo)準(zhǔn)要求0.72 m/s3，需要在制動控制減速度曲線設(shè)計的高速制動初施加和制動停車瞬間考慮。

3.1 啟動停車

啟動停車時常用制動各級控制減速度設(shè)計，應(yīng)兼顧沖動限制及司機(jī)操作的舒適度，常用制動各級位控制減速度差盡量一致，因此動車組各級位控制減速度曲線盡量平行，且平行間隔基本相等，最終作用的效果是常用制動各級位在相同初速度下的制動距離差值基本一致。

3.2 低速停車

停車控制減速度的設(shè)計，首先確定最大常用制動7級和1級的停車減速度，然后各級位進(jìn)行均分。常用制動7級減速度的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)是小于0.75 m/s2，滿足停車沖動限制要求；常用制動1級減速度的設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)為大于基礎(chǔ)制動的出閘壓力，對應(yīng)單車的制動力約4 kN，否則在列車靜態(tài)測試時，施加1級制動夾鉗將無動作，不抱閘。中間級常用制動零速減速度在1級制動和最大常用制動7級間均分。為保證列車靜態(tài)調(diào)試參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，均分后各級常用制動零速減速對應(yīng)空車的制動缸壓力，壓力差應(yīng)大于20 kPa，大于制動缸壓力輸出±20kPa的誤差。

停車減速度曲線可直接連接零速減速度與電制退出點的減速度，也可在零速前恒減速控制，使停車前制動缸壓力穩(wěn)定。

4 減速度曲線設(shè)計

4.1 車重輸入

CR300AF(四方)和CR300BF(長客) 動車組設(shè)計車重如表3所示，制動系統(tǒng)控制減速設(shè)計車重需要綜合列車轉(zhuǎn)動慣量，取嚴(yán)苛工況車重(CR300BF超員20%含轉(zhuǎn)動質(zhì)量車重：520 t)。

表3 CR300動車組設(shè)計車重 t

4.2 減速度曲線設(shè)計

綜合輪軌黏著、電制利用、沖動限制要求，結(jié)合CR300動車組車重和電制特性輸入?yún)?shù)，設(shè)計CR300動車組常用制動控制減速度曲線如圖6和表4所示。

圖6 CR300動車組常用制動控制減速度曲線

為保證最大常用制動平均減速度滿足TSI標(biāo)準(zhǔn)，控制減速度曲線在高速段略高于新干線濕軌黏著；常用制動4級及以下級位僅電制動可滿足停車需求。

表4 CR300動車組常用制動減速度參數(shù)表 m·s-2

5 減速度曲線校核

5.1 最大常用制動平均減速度校核

CR300動車組最大常用制動減速度在速度區(qū)間的平均值(不含風(fēng)阻)均滿足TSI標(biāo)準(zhǔn)的要求，如表5所示。

表5 CR300與TSI標(biāo)準(zhǔn)最大常用制動平均減速度對比 m·s-2

5.2 35‰坡道制動距離校核

為保證ATP控車接口安全，在最惡劣工況(濕軌、35‰坡道下坡)能使用最大常用制動停車，基于如下各車的黏著系數(shù)及制動力計算取值方法：

(1)頭車，黏著界限按潮濕軌道條件的黏著系數(shù)取值，當(dāng)所需的制動力超過黏著界限而滑行時，實際所發(fā)揮的制動減速度=WET黏著系數(shù)×0.9；

(2)前進(jìn)方向第2輛車，黏著界限按(WET 黏著系數(shù)+DRY黏著系數(shù))/2 取值，當(dāng)所需的制動力超過黏著界限而滑行時，實際所發(fā)揮的制動減速度=(WET 黏著系數(shù)+DRY 黏著系數(shù))/2×0.9；

(3)前進(jìn)方向第3輛及后續(xù)車輛，黏著界限按DRY黏著系數(shù)的0.8 倍取值，當(dāng)所需的制動力超過黏著界限而滑行時，實際所發(fā)揮的減速度=DRY 黏著系數(shù)×0.8×0.9。

其中新干線黏著系數(shù)公式如下：

DRY黏著系數(shù)：μ=27.2/(v+85)

WET黏著系數(shù)：μ=13.6/(v+85)

對比計算CR300動車組與CRH2型動車組在濕軌、35‰坡道最大常用制動的平均減速度和制動距離，如表6所示。

表6 CR300動車組與CRH2型動車組平均減速度與制動距離對比

結(jié)果顯示CR300的最大常用制動性能優(yōu)于CRH2型動車組，惡劣工況下各種初速度平均減速度大，制動距離小，能盡快安全停車。

6 結(jié) 論

從充分利用黏著以保證制動距離的安全性，電制特性曲線分段解析與制動控制減速度曲線關(guān)系，沖動限制要求，分析論證了減速度曲線設(shè)計的關(guān)鍵點?；谝陨显瓌t進(jìn)行CR300動車組制動系統(tǒng)控制減速度曲線設(shè)計，并校核、對比最大常用制動控制減速度曲線，滿足TSI標(biāo)準(zhǔn)要求，制動能力大于CRH2型動車組。

制動系統(tǒng)控制減速度曲線設(shè)計是綜合列車運營環(huán)境、牽引系統(tǒng)、司乘舒適性、基礎(chǔ)制動經(jīng)濟(jì)性等各方平衡的一個綜合結(jié)果，需要結(jié)合項目實際需求精雕細(xì)琢設(shè)計，在應(yīng)用中積累數(shù)據(jù)，確認(rèn)、優(yōu)化控制減速度曲線設(shè)計。