淺析我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)狀與發(fā)展態(tài)勢(shì)研究

孟德浩

摘 ?要：制動(dòng)性能對(duì)高速動(dòng)車(chē)組的安全性和可靠性至關(guān)重要。筆者從制動(dòng)方式、制動(dòng)系統(tǒng)及制動(dòng)控制的角度闡述了我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)現(xiàn)狀，探討了高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。編組動(dòng)拖比優(yōu)化、有效利用非黏著制動(dòng)方式、安全和可靠性設(shè)計(jì)等是未來(lái)制動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：高速動(dòng)車(chē)組;制動(dòng)系統(tǒng);編組動(dòng)拖比;安全性和可靠性

中圖分類(lèi)號(hào)：U266 ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

現(xiàn)代高速動(dòng)車(chē)組多采用動(dòng)力分散模式（即high-speed EMU），我國(guó)的CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型高速動(dòng)車(chē)組，分別從德國(guó)（非加拿大）、日本、意大利（非法國(guó)）和德國(guó)引進(jìn)，均為動(dòng)力分散型電動(dòng)車(chē)組（以下簡(jiǎn)稱(chēng)為電動(dòng)車(chē)組）。自2007年第六次鐵路大提速以來(lái)，我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組快速發(fā)展，動(dòng)車(chē)組運(yùn)營(yíng)速度不斷提高，目前已達(dá)到300 km/h。自2011年溫州事件發(fā)生后，安全問(wèn)題成為限制動(dòng)車(chē)組提速的一大關(guān)鍵問(wèn)題。在滿(mǎn)足旅客舒適性、合理控制運(yùn)營(yíng)成本、維修成本等前提下，有效控制車(chē)速、縮短制動(dòng)距離是解決電動(dòng)車(chē)組安全問(wèn)題的關(guān)鍵。該文對(duì)我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)現(xiàn)狀進(jìn)行研究并淺析其發(fā)展趨勢(shì)。

1 高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)方式

列車(chē)制動(dòng)就是通過(guò)人為的方式，依靠制動(dòng)力使列車(chē)減速或停車(chē)，達(dá)到阻止其運(yùn)動(dòng)或加速的過(guò)程，其分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)主要是制動(dòng)時(shí)電動(dòng)車(chē)組采用的動(dòng)能轉(zhuǎn)移方式、制動(dòng)力的獲取方式和制動(dòng)源動(dòng)力的來(lái)源。

1.1 按電動(dòng)車(chē)組動(dòng)能轉(zhuǎn)移方式分類(lèi)

從能量的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，制動(dòng)的實(shí)質(zhì)就是將電動(dòng)車(chē)組動(dòng)能轉(zhuǎn)變成別的能量或轉(zhuǎn)移走。按照動(dòng)能轉(zhuǎn)移方式的不同，動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)可以分為2類(lèi)。1）通過(guò)制動(dòng)閘瓦與車(chē)輪摩擦，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能然后消散于大氣，被稱(chēng)為摩擦制動(dòng)方式。2）把動(dòng)能通過(guò)轉(zhuǎn)化為電能，然后將電能從車(chē)上轉(zhuǎn)移出去，稱(chēng)為動(dòng)力制動(dòng)方式，見(jiàn)表1。

1.2 按制動(dòng)力形成方式分類(lèi)

按電動(dòng)車(chē)組制動(dòng)力獲取方式，可分為黏著制動(dòng)與非黏著制動(dòng)，這是按照制動(dòng)力形成是否依賴(lài)于輪軌之間的黏著關(guān)系而劃分的，見(jiàn)表2。

1.3 按制動(dòng)源動(dòng)力分類(lèi)

目前電動(dòng)車(chē)組所采用的制動(dòng)方式中，制動(dòng)的原動(dòng)力主要有壓縮空氣和電力。以壓縮空氣為原動(dòng)力的制動(dòng)方式稱(chēng)為空氣制動(dòng)方式。如閘瓦制動(dòng)、盤(pán)形制動(dòng)等。以電為原動(dòng)力的制動(dòng)方式稱(chēng)為電氣制動(dòng)方式（簡(jiǎn)稱(chēng)電制動(dòng)），例如動(dòng)力制動(dòng)、軌道電磁制動(dòng)等。

2 高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)

2.1 動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的組成

動(dòng)車(chē)組的動(dòng)能與速度的平方成正比，而在一定的制動(dòng)距離條件下，動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)功率是速度的三次函數(shù)。因此，傳統(tǒng)的空氣制動(dòng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足需求。我國(guó)高速電動(dòng)車(chē)組主要采用再生制動(dòng)與空氣制動(dòng)的復(fù)合制動(dòng)模式，其包括多個(gè)子系統(tǒng)，主要由電制動(dòng)系統(tǒng)、空氣制動(dòng)系統(tǒng)、防滑裝置和制動(dòng)控制系統(tǒng)等組成。其中制動(dòng)控制系統(tǒng)是制動(dòng)系統(tǒng)中由司機(jī)或列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)ATC控制，產(chǎn)生傳遞制動(dòng)信號(hào)并對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行計(jì)算和分配的部分。由此可以看出，制動(dòng)控制系統(tǒng)主要包括制動(dòng)信號(hào)發(fā)生裝置、制動(dòng)信號(hào)傳輸裝置和制動(dòng)控制裝置3個(gè)組成部分。

列車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)（ATC）被引入高速動(dòng)車(chē)組來(lái)輔助制動(dòng)系統(tǒng)，ATP/LKJ是在我國(guó)運(yùn)營(yíng)線(xiàn)路上用來(lái)輔助司機(jī)在規(guī)定地點(diǎn)停車(chē)，防冒進(jìn)、冒出、超速的主要系統(tǒng)。但我國(guó)目前運(yùn)營(yíng)的車(chē)輛是基于不同的平臺(tái)制造的，在相同的線(xiàn)路上可能存在幾種不同的控制信號(hào)，會(huì)給司機(jī)操作帶來(lái)困擾，同時(shí)不同信號(hào)間可能存在干擾，這些都是不容忽視的問(wèn)題。對(duì)我國(guó)高速動(dòng)車(chē)組而言，列車(chē)制動(dòng)裝置是指動(dòng)車(chē)制動(dòng)裝置、拖車(chē)制動(dòng)裝置的組合，它們共同形成完整的制動(dòng)系統(tǒng)，強(qiáng)調(diào)系統(tǒng)的概念。我國(guó)動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)一般具有制動(dòng)能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快、制動(dòng)力計(jì)算分配準(zhǔn)確性高、故障導(dǎo)向安全、制動(dòng)沖動(dòng)小的特點(diǎn)。

動(dòng)車(chē)組是一個(gè)復(fù)雜精密的組合體，包括牽引系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮系統(tǒng)平衡、工程造價(jià)、運(yùn)營(yíng)成本等問(wèn)題。頭車(chē)帶有牽引電機(jī)時(shí)，由于電磁兼容問(wèn)題會(huì)對(duì)動(dòng)車(chē)組的控制信號(hào)產(chǎn)生影響;全部是動(dòng)車(chē)的編組方式（8M0T;16M0T）時(shí)，動(dòng)車(chē)組更輕量化，制動(dòng)效果更好，維修成本更低，但工程造價(jià)會(huì)大幅度提升。根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況得出，基于300 km高速電動(dòng)車(chē)組平臺(tái)生產(chǎn)的CRH380A（6M2T）和永磁動(dòng)車(chē)組（4M4T），在制動(dòng)性能方面，CRH380A（6M2T）明顯優(yōu)于永磁動(dòng)車(chē)組（4M4T）。

2.2 CRH2型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)

2.2.1 制動(dòng)系統(tǒng)組成

CRH2型動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)系統(tǒng)為電氣制動(dòng)和空氣制動(dòng)并用，稱(chēng)為電氣指令微機(jī)控制的電混合制動(dòng)，即對(duì)空氣制動(dòng)與電氣制動(dòng)進(jìn)行復(fù)合控制。在CRH2型動(dòng)車(chē)組上采用再生制動(dòng)作為電制動(dòng)方式，而空氣制動(dòng)部分選用電氣指令進(jìn)行微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)。

列車(chē)編組中T車(chē)采用純空氣制動(dòng)方式。M車(chē)和T車(chē)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置均采用帶氣壓—油壓變換的增壓氣缸和油壓卡鉗式盤(pán)形制動(dòng)裝置（M代表動(dòng)車(chē)，T代表拖車(chē)）。為減輕閘瓦的磨損，空氣制動(dòng)采用延遲投入的控制方式。M車(chē)除了空氣制動(dòng)方式，還有再生制動(dòng)控制裝置（實(shí)際上是處于再生制動(dòng)工況的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)）。制動(dòng)控制采用1M1T的基本制動(dòng)力控制單元，在單元內(nèi)再生制動(dòng)優(yōu)先，實(shí)行延遲充氣控制。系統(tǒng)對(duì)再生制動(dòng)和空氣制動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，當(dāng)制動(dòng)控制器檢測(cè)到所產(chǎn)生的再生制動(dòng)力不足時(shí)，依靠空電復(fù)合控制以空氣制動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)充。如圖1所示。

2.2.2 制動(dòng)系統(tǒng)原理

制動(dòng)系統(tǒng)工作原理如圖2所示。動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)指令是由司機(jī)制動(dòng)控制器發(fā)出的，經(jīng)列車(chē)信息監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)傳送到每輛車(chē)的制動(dòng)控制裝置，由制動(dòng)控制裝置的制動(dòng)控制單元進(jìn)行運(yùn)算，按制動(dòng)控制規(guī)律（減速度隨速度的變化而變化）控制EP閥（電空轉(zhuǎn)換閥）電磁部，并經(jīng)中繼閥送出壓縮空氣到增壓氣缸，由基礎(chǔ)制動(dòng)裝置完成制動(dòng)功能。

CRH2型動(dòng)車(chē)組可進(jìn)行常用制動(dòng)，快速制動(dòng)，緊急制動(dòng)、輔助制動(dòng)、耐雪制動(dòng)等操作，并新增停放制動(dòng)以簡(jiǎn)化原有需要在列車(chē)進(jìn)庫(kù)后添加鐵鞋的煩瑣操作。CRH2型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)采用具有適應(yīng)黏著變化規(guī)律的速度-黏著控制模式，具有根據(jù)載荷自動(dòng)調(diào)整制動(dòng)的能力;防滑保護(hù)控制;充分利用再生制動(dòng)，減少拖車(chē)空氣制動(dòng)力的使用，有效降低運(yùn)營(yíng)及維修成本;具有車(chē)載ATP/LKJ的接口，施行安全制動(dòng)，并具有故障診斷和相關(guān)信息保存功能。增加了停放制動(dòng)模塊后，功能結(jié)構(gòu)更加完善，在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中具有較好的制動(dòng)性能表現(xiàn)。

3 高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 非黏著制動(dòng)

在黏著問(wèn)題上的主要矛盾是要考慮高速行車(chē)和不良軌面狀態(tài)下黏著系數(shù)會(huì)降低。由于接收的反饋速度和位置信號(hào)存在誤差。即使使用再精密的防滑裝置，在不良的條件下，輕微的滑行都是不可避免的。因此，非黏著制動(dòng)作為輔助緊急制動(dòng)系統(tǒng)是未來(lái)新型城市軌道車(chē)輛的發(fā)展趨勢(shì)。目前主要采用的非黏著制動(dòng)有磁軌制動(dòng)和軌道渦流制動(dòng)等。借鑒航空產(chǎn)業(yè)，翼板制動(dòng)（如圖3所示）作為空氣阻力制動(dòng)的一種，在列車(chē)處于中高速范圍時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)力是非?？捎^(guān)的，可以成為該速度范圍的主要減速手段，使列車(chē)在無(wú)摩擦、非黏著式的制動(dòng)作用下減速，在中速及以下速度范圍可以繼續(xù)采用常規(guī)的制動(dòng)方式。

須解決3個(gè)問(wèn)題。1）加強(qiáng)車(chē)體的減震降噪設(shè)計(jì)：處于高速擾流下的翼板，會(huì)使原有動(dòng)車(chē)組的震動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生額外噪聲和震動(dòng)干擾，提高了車(chē)體的減震降噪需求。2）保證輕量化設(shè)計(jì)：強(qiáng)大的縱向力直接作用于車(chē)體頂部，車(chē)體強(qiáng)度對(duì)應(yīng)加強(qiáng)，同時(shí)需要保證車(chē)體的輕量化設(shè)計(jì)原則。3）提高經(jīng)濟(jì)性：列車(chē)在中高速范圍內(nèi)的巨大能量無(wú)法回收利用，影響了運(yùn)營(yíng)的經(jīng)濟(jì)性。但翼板制動(dòng)十分有效，具有豐富的研究?jī)r(jià)值，需要更好地與經(jīng)濟(jì)性結(jié)合。

3.2 動(dòng)拖比對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

隨著交流牽引電機(jī)技術(shù)的成熟，1992年，日本新干線(xiàn)300系列成為世界上第一個(gè)使用交流再生制動(dòng)技術(shù)的車(chē)型。在此之前，動(dòng)車(chē)組制動(dòng)是將動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能。而在新干線(xiàn)300系列動(dòng)車(chē)組上，一個(gè)帶有必要制動(dòng)裝置的拖軸的質(zhì)量（總重及簧下質(zhì)量）大于動(dòng)軸，而且產(chǎn)生更多的熱量并需要更多的維修費(fèi)用。后來(lái)的500系列動(dòng)車(chē)組采取了16M（0T）的編組方式取代了原有的10M（6T）編組方式，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組輕量化。

在我國(guó)CRH380系列高速動(dòng)車(chē)組中，CRH380A及CRH380AL采用的是2頭車(chē)為拖車(chē)，中間車(chē)輛為動(dòng)車(chē)的14M2T編組方式;CRH380B/C/D均采用的是2頭車(chē)為動(dòng)車(chē)，中間車(chē)輛配以相同數(shù)量的動(dòng)車(chē)和拖車(chē)：4M4T或8M8T。這2種頭車(chē)配置的主要區(qū)別在于以下2點(diǎn)。1）從制動(dòng)控制系統(tǒng)的電磁兼容問(wèn)題考慮，頭車(chē)為動(dòng)車(chē)會(huì)對(duì)動(dòng)車(chē)組控制信號(hào)傳輸產(chǎn)生不良影響。2）從利用黏著的角度考慮，頭車(chē)為動(dòng)車(chē)更容易產(chǎn)生滑行。相反，頭車(chē)為拖車(chē)，中間車(chē)輛全部為動(dòng)車(chē)的編組方式，沒(méi)有制動(dòng)力直接作用在頭車(chē)的前端轉(zhuǎn)向架上，不需要復(fù)雜的防滑控制裝置，頭車(chē)前端轉(zhuǎn)向架車(chē)輪也完全不會(huì)產(chǎn)生滑行，因此可將頭車(chē)的車(chē)輪作為可靠的速度和位置傳感器檢測(cè)點(diǎn)，進(jìn)行信號(hào)采集，反饋制動(dòng)控制裝置。

綜上所述，我國(guó)目前正在運(yùn)營(yíng)的高速動(dòng)車(chē)組并沒(méi)有統(tǒng)一的牽引系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)，而即將上線(xiàn)的中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)化動(dòng)車(chē)組是2頭車(chē)為拖車(chē)的4M4T編組方式，筆者認(rèn)為在經(jīng)濟(jì)可行性上，更為優(yōu)化的編組方式是2頭車(chē)為拖車(chē)，中間車(chē)輛盡可能多的配置動(dòng)車(chē)車(chē)輛。以380AL為例，如果14M2T相比于CRH380A的6M2T編組成本更高，那么從工程造價(jià)角度，12M4T是更好的解決辦法。從運(yùn)營(yíng)成本角度考慮仍然是14M2T更為優(yōu)化，并且制動(dòng)性能也更好。

3.3 安全及可靠性設(shè)計(jì)

從高速動(dòng)車(chē)組設(shè)計(jì)的觀(guān)點(diǎn)來(lái)看，一套安全、可靠、高效的制動(dòng)系統(tǒng)是最重要的因素。動(dòng)車(chē)組從時(shí)速30 km/h到停車(chē)地點(diǎn)的制動(dòng)操縱都是司機(jī)通過(guò)制動(dòng)控制器來(lái)進(jìn)行控制的。向動(dòng)車(chē)組發(fā)出制動(dòng)指令時(shí)，人工操縱具有優(yōu)先權(quán)。盡管在低速狀態(tài)下考慮到電制動(dòng)失效，最終停車(chē)一定需要依靠機(jī)械制動(dòng)裝置。高速動(dòng)車(chē)組的常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)方式一定要建立在以再生制動(dòng)為主的電制動(dòng)的基礎(chǔ)上，以避免產(chǎn)生大量的熱能。電阻制動(dòng)雖然會(huì)產(chǎn)生大量熱能，但電制動(dòng)系統(tǒng)仍應(yīng)輔以電阻制動(dòng)，特別是在一些電子系統(tǒng)不可靠的情況下，例如接觸網(wǎng)回流的干擾或者分相區(qū)邊緣等。

4 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)開(kāi)行高速動(dòng)車(chē)組以來(lái)，取得了舉世矚目的進(jìn)步。到目前為止，我國(guó)高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)長(zhǎng)度排名世界第一，總里程超過(guò)排在第二到第五名的西班牙、日本、法國(guó)、德國(guó)的總和。未來(lái)為了使我國(guó)高速鐵路能夠進(jìn)一步提升運(yùn)營(yíng)速度，應(yīng)致力于6個(gè)方面的研發(fā)工作。1）改善輪軌間的黏著狀態(tài)。2）研究一套行之有效的非黏著制動(dòng)方式，以適應(yīng)高速狀態(tài)下糟糕的黏著狀態(tài)。3）高速運(yùn)行條件下的滑行控制。4）綜合考慮編組動(dòng)拖比對(duì)于制動(dòng)系統(tǒng)的影響。5）降低制動(dòng)時(shí)盤(pán)體與制動(dòng)閘片間產(chǎn)生的熱影響的對(duì)策。6）高速動(dòng)車(chē)組安全性和可靠性設(shè)計(jì)。

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