70年來我國鐵路機(jī)車車輛制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展歷程(續(xù))

李和平， 嚴(yán)霄蕙

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京電子科技職業(yè)學(xué)院 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院, 北京 100176)

(二)

4 重載貨運(yùn)制動(dòng)技術(shù)

我國鐵路重載運(yùn)輸開始于上世紀(jì)80年代初。改革開放以后，國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，鐵路貨運(yùn)量猛增，運(yùn)量與運(yùn)能的矛盾日益突出，發(fā)展重載運(yùn)輸成為不二選擇。

1980年鐵科院機(jī)輛所首次向國家計(jì)委、國家經(jīng)委和鐵道部建議實(shí)施重載運(yùn)輸。國家經(jīng)委和鐵道部采納了該建議，并安排鐵科院開展相關(guān)科研課題。1981年由國家科委、國家計(jì)委、國家經(jīng)委及國家建委下達(dá)的交通系統(tǒng)主要技術(shù)政策研究中，鐵科院承擔(dān)了“鐵路牽引動(dòng)力發(fā)展方向和發(fā)展步驟”、“提高旅客運(yùn)輸能力及客車發(fā)展方向”、“鐵路大型貨車發(fā)展方向”等課題。鐵科院機(jī)輛所在1983～1984年期間，首次完成了4 000～5 000 t重載列車制動(dòng)配套技術(shù)的試驗(yàn)研究，并第一次在環(huán)行線進(jìn)行了雙機(jī)牽引7 000～10 000 t貨運(yùn)列車的探索性制動(dòng)試驗(yàn)。1984年，機(jī)輛所與北京鐵路局合作，在環(huán)形線和豐沙大線首次進(jìn)行了5 000 t列車縱向動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)，基本上摸清了長大重載列車的縱向力分布規(guī)律。

在此期間，為了適應(yīng)貨車制動(dòng)技術(shù)研究和發(fā)展需要，鐵科院將建于1964年的100輛編組貨車制動(dòng)試驗(yàn)臺，擴(kuò)展為150輛編組。本世紀(jì)初為了適用于長大貨運(yùn)列車制動(dòng)試驗(yàn)的需要，又將試驗(yàn)臺擴(kuò)展到200輛編組。

發(fā)展鐵路重載貨運(yùn)的核心問題之一是制動(dòng)問題。在開展重載列車研究初期，機(jī)輛所與南京摩擦材料廠合作，研制成功了407G型高摩合成閘瓦；與齊齊哈爾車輛廠等合作，研制了ST1-600型雙向閘瓦間隙自動(dòng)調(diào)整器；研制了400A/B型貨車制動(dòng)機(jī)空重車自動(dòng)調(diào)整器。這些新技術(shù)與103制動(dòng)閥、新型制動(dòng)缸等配套，運(yùn)用于重載C62A敞車。與此同時(shí)，鐵科院機(jī)輛所與齊廠合作，成功研制了用于大秦線單元運(yùn)煤列車的縮短型專用C63A敞車，為開行重載組合列車而研制了組合列車空氣同步制動(dòng)裝置和列車尾部主管壓力遙測裝置。

空氣同步制動(dòng)的基本原理是將組合列車(見圖19)前部列車尾部車輛的列車管與第2列車的機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)閥連接，利用前部列車的列車管壓力變化控制后部列車的機(jī)車自動(dòng)制動(dòng)閥，代替了后部列車機(jī)車的司機(jī)操縱。列車制動(dòng)時(shí)由本務(wù)機(jī)車操縱，第2列車的機(jī)車也參與列車的充風(fēng)、制動(dòng)和緩解作用，使組合列車制動(dòng)和緩解過程加快。當(dāng)時(shí)我國鐵路貨車主要是GK型制動(dòng)機(jī)，在長大列車后部制動(dòng)和緩解性能遲緩，再充風(fēng)時(shí)間長，調(diào)速緩解沖動(dòng)大，造成組合列車操縱困難，影響列車運(yùn)行速度和通過能力。采用空氣同步制動(dòng)裝置的8 000 t左右組合列車試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，制動(dòng)時(shí)間縮短了31～41%,緩解時(shí)間縮短了41～48%，再充風(fēng)時(shí)間縮短了60%?？諝馔街苿?dòng)裝置為開行重載組合列車創(chuàng)造了條件，但是在試驗(yàn)中出現(xiàn)的列車縱向沖動(dòng)大的問題并沒有徹底解決。1984年在環(huán)行線進(jìn)行的5 000 t103閥專列縱向動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)中，20 km/h低速緩解試驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)列車中部車鉤鉤銷拉斷現(xiàn)象。在運(yùn)行試驗(yàn)時(shí)也曾經(jīng)發(fā)生多次低速緩解斷鉤事故。造成斷鉤事故的原因，除了因

圖19 重載組合列車示意圖

為當(dāng)時(shí)使用的2號車鉤強(qiáng)度低以外，制動(dòng)機(jī)性能引起的列車沖動(dòng)也是重要原因。試驗(yàn)時(shí)還發(fā)現(xiàn)由于中部有機(jī)車，其質(zhì)量大、制動(dòng)率高，列車制動(dòng)時(shí)中部的沖動(dòng)更為明顯。

4.1 120型貨車制動(dòng)機(jī)研制

在開展重載列車研究的初期，對于重載列車制動(dòng)技術(shù)是進(jìn)行自主研制還是直接采用國外技術(shù)，存在著很大的爭議。1983年國務(wù)院決定新建大秦鐵路運(yùn)煤專線，計(jì)劃開行重載列車，初步考慮列車牽引質(zhì)量要達(dá)到1萬t。1983～1984年國家經(jīng)委、國家計(jì)委和鐵道部對已經(jīng)開行重載列車的澳大利亞和美國進(jìn)行考察，鑒于103閥和原有的鉤緩裝置不能滿足要求，因此制動(dòng)裝置、車鉤、緩沖裝置成為考察的重點(diǎn)。經(jīng)過考察初步?jīng)Q定引進(jìn)美國的ABDW型制動(dòng)控制閥等以解決我國萬噸重載列車縱向力問題。

1988年3月對引進(jìn)美國的ABDW制動(dòng)閥與我國的GK制動(dòng)閥專列和混編列車進(jìn)行了制動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)3個(gè)問題：

(1)用既有機(jī)車制動(dòng)機(jī)操縱ABDW制動(dòng)閥列車時(shí)，施加常用減壓后，保壓期間ABDW制動(dòng)閥中的常用制動(dòng)加速部排風(fēng)不止，列車主管與副風(fēng)缸壓力達(dá)到平衡才能停止,導(dǎo)致無法實(shí)現(xiàn)階段制動(dòng)；

(2)ABDW制動(dòng)閥在-40 ℃時(shí)無法正常工作；

(3)緊急制動(dòng)后，第一次實(shí)施常用制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)波速與GK閥相當(dāng)。

基于上述試驗(yàn)結(jié)果，鐵道部決定停止引進(jìn)ABDW制動(dòng)閥。后續(xù)又購買了德國BD-60制動(dòng)閥進(jìn)行試驗(yàn)，也出現(xiàn)上述前兩個(gè)問題。鐵道部決定自主研制重載列車制動(dòng)裝置，并把新型貨車制動(dòng)閥的研制任務(wù)交給了鐵科院機(jī)輛所和眉山車輛廠，目標(biāo)為滿足萬噸重載列車制動(dòng)要求。

1989年鐵道部下達(dá)了設(shè)計(jì)任務(wù)書，要求新型制動(dòng)閥的緊急制動(dòng)波速>250 m/s、常用制動(dòng)波速不小于180 m/s、緩解波速不小于150 m/s；采用直接作用方式，與既有貨車制動(dòng)閥能夠無條件混編使用，可以與直徑φ254 mm和φ356 mm制動(dòng)缸配套使用；與既有JZ-7、DK-1等型號機(jī)車制動(dòng)機(jī)匹配，滿足最高速度80 km/h、長度1 500 m、質(zhì)量10 000 t的重載貨運(yùn)列車及最高速度100 km/h的快運(yùn)列車在規(guī)定距離內(nèi)停車的要求等。

在鐵路行業(yè)制動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，普遍遵循如圖20所示的列車管減壓曲線。從圖中可以看出，當(dāng)列車管壓力空氣的漏泄或減壓速度小于40 kPa/min 時(shí)，制動(dòng)機(jī)不應(yīng)發(fā)生制動(dòng)作用，這是對制動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定性要求；當(dāng)減壓速度為10～40 kPa/s時(shí)，制動(dòng)機(jī)應(yīng)產(chǎn)生制動(dòng)作用，這是對制動(dòng)機(jī)的靈敏度要求；當(dāng)減壓速度為70～80 kPa/s時(shí)，制動(dòng)機(jī)應(yīng)產(chǎn)生緊急制動(dòng)作用，這是對制動(dòng)機(jī)的緊急制動(dòng)靈敏度要求。滿足了這些要求才能保證新制動(dòng)閥與既有制動(dòng)閥動(dòng)作協(xié)調(diào)一致。

圖20 列車管減壓曲線

新制動(dòng)閥設(shè)計(jì)中保留了103閥原有優(yōu)點(diǎn)，吸取了國外制動(dòng)機(jī)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，全面調(diào)整了參數(shù)。采用直接控制方式，減小了風(fēng)缸容積，更適應(yīng)重載列車要求。新設(shè)置加速緩解閥和11 dm3加速緩解風(fēng)缸，采用排風(fēng)口壓力來控制加速部動(dòng)作，由加速緩解風(fēng)缸向列車管逆流從而達(dá)到加速緩解的目的，提高了緩解波速。在原103閥緊急閥中增設(shè)小尺寸的先導(dǎo)閥，提高了緊急制動(dòng)波速。主閥的作用部滑閥上增設(shè)一個(gè)φ0.2 mm的呼吸孔,在常用制動(dòng)后保壓時(shí)，可溝通列車管與制動(dòng)缸，以平衡主活塞兩側(cè)壓力，以適應(yīng)機(jī)車壓力保持操縱。新制動(dòng)閥設(shè)計(jì)圖號為120，因此該閥被命名為120閥。120型空氣制動(dòng)機(jī)組成如圖21所示。

圖21 120型空氣制動(dòng)機(jī)組成

在室內(nèi)試驗(yàn)、大秦線萬噸運(yùn)用試驗(yàn)、耐寒運(yùn)用考核、耐濕熱運(yùn)用考核、高坡地區(qū)混編和壓力保持操縱試驗(yàn)、低溫試驗(yàn)等一系列試驗(yàn)中，均取得良好的試驗(yàn)結(jié)果。緊急制動(dòng)波速達(dá)到270～280 m/s常用制動(dòng)波速為225～255 m/s、緩解波速為180～200 m/s, 各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到了同時(shí)代國外先進(jìn)制動(dòng)機(jī)水平(見表1)。120閥的研制成功，為大秦線開行萬噸重載貨運(yùn)列車創(chuàng)造了條件。1994年起在全路推廣，迄今在全路已經(jīng)有超過80%的貨車安裝了120閥。120閥的研制成功也使1954年制動(dòng)會(huì)議制定的目標(biāo)得以全部實(shí)現(xiàn)。

表1 貨車制動(dòng)機(jī)的制動(dòng)波速對比

120閥在設(shè)計(jì)之初，考慮到與GK閥混編運(yùn)用的要求，暫時(shí)舍棄了常用制動(dòng)加速功能。2002年大秦鐵路已經(jīng)開行萬噸重載列車，年運(yùn)量實(shí)現(xiàn)1億t。2003年鐵道部決定在大秦鐵路開行2萬t組合列車。隨著列車長度增加，制動(dòng)系統(tǒng)的充排風(fēng)時(shí)間越來越長，而常用制動(dòng)的排風(fēng)時(shí)間直接關(guān)系到常用制動(dòng)距離，影響列車的安全與效率。在2003年3月鐵道部的重載會(huì)議上提出在120閥上增加常用加速制動(dòng)功能，滿足萬噸以上重載運(yùn)輸要求，并能與ECP、Locotrol等裝置配套使用。該項(xiàng)工作由鐵科院機(jī)輛所承擔(dān)，并列入2004年鐵道部科研項(xiàng)目。

美國制動(dòng)機(jī)在常用加速制動(dòng)功能上也是走了一段彎路的。1975年，為了適應(yīng)長大貨運(yùn)列車進(jìn)一步發(fā)展的需要，美國威斯汀豪斯公司在ABD閥基礎(chǔ)上增設(shè)了常用制動(dòng)加速閥，以改善常用制動(dòng)性能，縮短常用制動(dòng)距離，這就是ABDW型閥。其常用制動(dòng)加速閥采用脈沖式排風(fēng)方式，運(yùn)用中發(fā)現(xiàn)這種排風(fēng)方式效果較差。在我國進(jìn)行的ABDW閥與GK閥混編試驗(yàn)時(shí)，正是這種排風(fēng)方式導(dǎo)致振蕩不止而無法與GK閥混編使用。1994年美國威斯汀豪斯公司將ABDW閥的脈沖式排風(fēng)改為連續(xù)排風(fēng)，這就是后來的ABDX閥。ABDX閥改善了加速常用制動(dòng)性能且比較穩(wěn)定(試驗(yàn)曲線如圖22所示)。

120閥在改進(jìn)時(shí)借鑒了ABDX閥的成功經(jīng)驗(yàn)，增加了加速常用制動(dòng)功能。適用在壓力保持條件(補(bǔ)風(fēng))下運(yùn)用的同時(shí)，又能在沒有壓力保持條件下與GK閥、120閥混編使用。改進(jìn)后的120閥定型為120-1閥。試驗(yàn)表明，從制動(dòng)缸升壓開始至制動(dòng)管再減壓130 kPa，120-1閥制動(dòng)管減壓時(shí)間比120閥縮短了17%(見圖23)。在大秦線進(jìn)行的2萬t編組列車靜置試驗(yàn)中，常用全制動(dòng)時(shí)120-1閥排風(fēng)時(shí)間比120閥縮短了28%。而且隨著列車編組增加，常用制動(dòng)減壓時(shí)間縮短越多。

圖22 美國150輛編組列車ABDW閥與ABDX閥常用全制動(dòng)試驗(yàn)曲線

圖23 120-1閥與120閥單車對比試驗(yàn)曲線

2005年120-1閥開始在大秦鐵路進(jìn)行運(yùn)用考核，并與Locotrol技術(shù)配套，進(jìn)行了一系列不同編組的2萬t組合列車試驗(yàn)。在1+2+1編組2萬t列車試驗(yàn)中，各測試斷面中最大車鉤力比安裝120型制動(dòng)機(jī)的敞車減小了41%～59%，平均值減小了30%～52%。4×5 000 t編組2萬t列車試驗(yàn)中，各測試斷面中最大車鉤力比安裝120型制動(dòng)機(jī)的敞車減小了37%～58%，平均值減小了21%～48%。說明采用120-1型制動(dòng)機(jī)等設(shè)備后能明顯減小列車制動(dòng)時(shí)的車鉤力。目前120-1型制動(dòng)機(jī)已廣泛應(yīng)用于我國鐵路重載列車及貨車。

4.2 CCBⅡ電空制動(dòng)機(jī)和Locotrol無線同步操縱技術(shù)

2萬t重載列車除了貨車采用120-1制動(dòng)機(jī)，機(jī)車還采用了CCBⅡ電空制動(dòng)機(jī)和Locotrol無線同步操縱技術(shù)。

為了開行2萬t重載列車，2003年鐵道部組織考察組對美國、南非鐵路重載運(yùn)輸技術(shù)進(jìn)行研究及考察，對Locotrol技術(shù)和ECP(Electronically Controlled Pneumatic，電控空氣制動(dòng)系統(tǒng))技術(shù)等進(jìn)行對比分析。通過考察認(rèn)為Locotrol由于采用技術(shù)無線同步控制方式，牽引動(dòng)力分布在列車的不同位置(見圖24)，有利于列車按不同目的地解編。而且Locotrol裝置結(jié)構(gòu)簡單，只需對機(jī)車加裝改造，成本較低，有利于維護(hù)管理。在保障無線通信可靠性的前提下，采用Locotrol技術(shù)更適合中國國情和大秦線實(shí)際情況。因此決定引進(jìn)Locotrol技術(shù)，并對CCBⅡ電空制動(dòng)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

CCBⅡ電空制動(dòng)機(jī)是NYAB公司(New York Air Brake，后來被Knorr公司收購)開發(fā)的基于LonWorks網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、為滿足干線貨運(yùn)和客運(yùn)機(jī)車需要而設(shè)計(jì)的采用微機(jī)控制的電空制動(dòng)系統(tǒng)?？赏ㄟ^網(wǎng)絡(luò)連接每個(gè)可替換單元(LRU)，對制動(dòng)系統(tǒng)的功能進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

CCBⅡ制動(dòng)系統(tǒng)主要由電子制動(dòng)閥EBV、電空控制單元EPCU、繼電器接口模塊RIM、集成處理器模塊IPM、協(xié)議轉(zhuǎn)換器等組成(如圖25所示)。電子制動(dòng)閥EBV是一個(gè)雙手柄控制器，司機(jī)可在機(jī)車上施加自動(dòng)制動(dòng)和單獨(dú)制動(dòng)，還能夠快速緩解或單獨(dú)緩解機(jī)車控制系統(tǒng)施加的自動(dòng)制動(dòng)。電空控制單元EPCU集成了空氣制動(dòng)系統(tǒng)的大部分電子和氣動(dòng)部件。繼電器接口模塊RIM為機(jī)車系統(tǒng)和常用列車線信號提供接口，繼電器的動(dòng)作由不同的空氣制動(dòng)系統(tǒng)部件控制。集成處理器模塊IPM是控制系統(tǒng)的主處理器，并與機(jī)車進(jìn)行通信。協(xié)議轉(zhuǎn)換器通過一個(gè)共用通信總線把制動(dòng)系統(tǒng)與機(jī)車其他電子部件和系統(tǒng)相連接。

圖24 Locotrol控制方式中牽引動(dòng)力分布示意圖

圖25 CCBⅡ電空制動(dòng)機(jī)的組成示意圖

CCBⅡ制動(dòng)系統(tǒng)具有自動(dòng)制動(dòng)、單獨(dú)制動(dòng)、緊急制動(dòng)、后備空氣制動(dòng)、列車管流量檢測、空電聯(lián)合制動(dòng)、防滑控制、停放制動(dòng)控制等功能。還具有自檢、校準(zhǔn)以及故障和事件記錄功能。

在2004年10～12月鐵科院承擔(dān)的大秦線2萬t重載組合列車試驗(yàn)中，試驗(yàn)用機(jī)車為SS4電力機(jī)車，機(jī)車上安裝了CCBⅡ電空制動(dòng)機(jī)和Locotrol裝置。試驗(yàn)前期敞車配置了120型制動(dòng)機(jī)，后期安裝了120-1型制動(dòng)機(jī)。試驗(yàn)列車由4臺SS4電力機(jī)車和204輛C80運(yùn)煤專用敞車按分散動(dòng)力方式組成組合列車，另外加掛了試驗(yàn)車。列車制動(dòng)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。從表中可以看出，兩種組合列車制動(dòng)性能基本一致，組合列車減壓時(shí)間比單編2萬t列車縮短70%以上、比單編1萬t縮短35%以上。兩種組合列車開始制動(dòng)、緩解時(shí)間比單編2萬t列車縮短50%，與單編1萬t列車相當(dāng)。說明采用Locotrol裝置可以大大縮短超長列車的減壓時(shí)間和再充風(fēng)時(shí)間，全列車的制動(dòng)、緩解作用更趨一致，使列車操縱更加靈活，有利于減小制動(dòng)時(shí)的縱向車鉤力。試驗(yàn)證明采用Locotrol技術(shù)和CCBⅡ電空制動(dòng)機(jī)的技術(shù)方案是可行的。目前CCBⅡ電空制動(dòng)機(jī)和Locotrol裝置已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我國鐵路重載運(yùn)輸。

表2 不同編組方式列車制動(dòng)性能試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比

2014年4月在大秦線進(jìn)行了3萬t重載組合列車試驗(yàn)，試驗(yàn)列車由4臺電力機(jī)車動(dòng)力分散牽引,采用1主3從控制方式。其中3臺為HXD1機(jī)車,尾部加掛1臺SS4機(jī)車；每個(gè)單元105輛C80重載貨車，共315輛，外掛1輛試驗(yàn)車。列車總編組320輛、總牽引質(zhì)量31 550 t，編組形式如圖26所示。

圖26 3萬t組合列車編組示意圖

試驗(yàn)表明，在通信正常情況下，3萬t組合列車主從機(jī)車之間空氣制動(dòng)、緩解同步時(shí)間均在4 s之內(nèi)、牽引級位調(diào)整同步時(shí)間基本在6 s之內(nèi)，同步時(shí)間與1+1編組2萬t列車基本相當(dāng)，列車編組長度及從控機(jī)車數(shù)量的增加對Locotrol同步作用時(shí)間沒有明顯影響。列車再充風(fēng)時(shí)間比1+1編組2萬t列車縮短了50%～66%，尾部加掛SS4機(jī)車改善了列車制動(dòng)、緩解同步性。電空配合循環(huán)制動(dòng)調(diào)速區(qū)段出現(xiàn)的車鉤力大值與空氣制動(dòng)的施加、保壓、緩解過程沒有明顯的對應(yīng)關(guān)系，而與線路縱斷面、牽引/電制動(dòng)施加及退出、機(jī)車過分相操縱方式等關(guān)聯(lián)性較強(qiáng)。

4.3 ECP電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)

目前長大重載組合列車基本是采用了動(dòng)力分散同步控制技術(shù)，提高了列車牽引和制動(dòng)的同步性，減小了列車縱向沖動(dòng)。但在組合列車各單元內(nèi)的制動(dòng)、緩解作用仍然是依靠空氣制動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的。由于受到空氣制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)波速和泄漏等因素的影響，運(yùn)行中由于列車前后部制動(dòng)作用不同步造成的縱向沖動(dòng)難以避免。大秦線的2萬t重載組合列車試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)(見圖27，最大車鉤力出現(xiàn)在中部機(jī)車前后)。另外，列車在長大坡道運(yùn)行時(shí)，由于貨車空氣制動(dòng)機(jī)沒有階段緩解功能，長大編組重載列車制動(dòng)后再充風(fēng)時(shí)間比較長，再充風(fēng)不足可能導(dǎo)致制動(dòng)力衰減，存在列車速度失控的安全隱患。

圖27 大秦線2萬t重載組合列車緊急制動(dòng)工況縱向力波形圖

針對這些問題，美國從1995年開始研制列車電控空氣制動(dòng)系統(tǒng) (ECP)，1997年開始在北美裝車試驗(yàn)。目前，美國、加拿大、澳大利亞、南非等國已在重載鐵路上采用了該項(xiàng)技術(shù)。

ECP制動(dòng)技術(shù)分為有線和無線2種方式。由于無線 ECP 方式受到諸多因素的約束, 其技術(shù)尚未成熟，目前ECP 制動(dòng)技術(shù)以有線方式為主，有線方式采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。ECP電控空氣制動(dòng)系統(tǒng)由機(jī)車和各車輛上的控制單元及列車網(wǎng)絡(luò)組成，通過貫穿列車的總線電纜將機(jī)車及車輛設(shè)備連接成一個(gè)系統(tǒng)，在尾部車輛設(shè)有尾車裝置，形成列車通訊的首尾呼應(yīng)。

2013年開始鐵科院機(jī)輛所陸續(xù)承擔(dān)了鐵路總公司和科技部多項(xiàng)ECP科研項(xiàng)目。鐵科院ECP技術(shù)方案如圖28所示，列車根據(jù)機(jī)車發(fā)出的制動(dòng)、緩解電氣指令實(shí)現(xiàn)制動(dòng)、緩解作用。在ECP故障或在傳統(tǒng)編組列車的空氣制動(dòng)方式下，可以根據(jù)列車管壓力的變化實(shí)現(xiàn)車輛制動(dòng)和緩解作用。車輛的電空制動(dòng)裝置采取與120-1型制動(dòng)閥疊加的方案，因此車輛不需要任何改動(dòng)就可與既有貨車混編運(yùn)用。

圖28 ECP技術(shù)方案示意圖

ECP制動(dòng)系統(tǒng)利用傳統(tǒng)的制動(dòng)缸和副風(fēng)缸，列車管相當(dāng)于總風(fēng)管，始終向副風(fēng)管充風(fēng)。機(jī)車制動(dòng)控制器通過電纜將指令發(fā)送給各車的控制單元，車輛控制單元控制電磁閥使副風(fēng)缸向制動(dòng)缸充風(fēng)，或使制動(dòng)缸排風(fēng)，實(shí)現(xiàn)列車的制動(dòng)、緩解。ECP狀態(tài)下制動(dòng)缸充、排風(fēng)如圖29所示。

圖29 ECP狀態(tài)下制動(dòng)缸充、排風(fēng)示意圖

由于是電氣指令，各車幾乎同時(shí)接收到制動(dòng)命令，能夠?qū)崿F(xiàn)全列車同步制動(dòng)、緩解和再制動(dòng)。從ECP與空氣制動(dòng)的對比試驗(yàn)?zāi)軌蚩闯龆叩拿黠@差異(如圖30所示)。ECP系統(tǒng)還具有接受車輛狀態(tài)信息、對列車狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控、向司機(jī)提供相關(guān)信息等功能。

2014年7月至2015年1月在瓦日線的重載列車試驗(yàn)中對空氣制動(dòng)系統(tǒng)和ECP系統(tǒng)進(jìn)行了對比試驗(yàn)。試驗(yàn)機(jī)車和車輛均安裝了鐵科院機(jī)輛所研制的ECP制動(dòng)裝置。試驗(yàn)列車編組包括5 000 t、8 000 t、10 000 t和12 000 t 4種形式，其中12 000 t列車編組為：2臺機(jī)車+1輛試驗(yàn)車+100輛C96敞車+2臺機(jī)車。

試驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的空氣制動(dòng)系統(tǒng)相比，由于ECP具有階段緩解功能，使列車操縱更加靈活。ECP制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)指令傳輸快、同步性好(如表3、表4所示)，制動(dòng)后再充風(fēng)時(shí)間明顯小于空氣制動(dòng)(如圖31所示)。列車的緩解速度顯著提高，使得列車的制動(dòng)緩解更具有操作性。尤其是在長大坡道循環(huán)制動(dòng)時(shí)，列車再制動(dòng)能力可靠，可提高列車在長大坡道上的平均運(yùn)行速度。由于制動(dòng)空走時(shí)間短，常用制動(dòng)距離及緊急制動(dòng)距離比空氣制動(dòng)縮短了8%～14%(如表5所示)。列車的制動(dòng)、緩解同步性好，減小了各車輛間的縱向力，最大壓鉤力比空氣制動(dòng)減小約50%，縱向加速度最大值4.7 m/s2，遠(yuǎn)小于空氣制動(dòng)最大值17.6 m/s2，(如表6、表7所示)。采用ECP制動(dòng)系統(tǒng)的縱向動(dòng)力學(xué)性能明顯優(yōu)于空氣制動(dòng)。

表3 12 000 t編組列車制動(dòng)和緩解時(shí)間對比

表4 不同編組列車制動(dòng)升壓時(shí)間對比(定壓600 kPa)

圖31 8 000 t編組再充風(fēng)時(shí)間對比曲線

表5 制動(dòng)初速度100 km/h平直道緊急制動(dòng)距離對比(平均值) m

表6 壓鉤力最大值及對應(yīng)位置

表7 縱向加速度最大值

5 高速列車制動(dòng)技術(shù)

5.1 早期研制工作

早在1978年鐵科院就立項(xiàng)《交流電動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的研究》、《高速旅客列車電空制動(dòng)機(jī)的研制》，開展動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)的研制工作。1990年鐵道部在鐵路科學(xué)技術(shù)發(fā)展計(jì)劃中，立項(xiàng)開展“中國高速鐵路發(fā)展模式和規(guī)劃的研究”項(xiàng)目，鐵科院承擔(dān)并完成了《我國發(fā)展高速鐵路的戰(zhàn)略設(shè)想》報(bào)告，同年年底完成了《京滬高速鐵路線路方案構(gòu)想》報(bào)告。1991年 《高速鐵路運(yùn)輸新技術(shù)研究》等列為國家“八五”重點(diǎn)攻關(guān)計(jì)劃，此后鐵道部組織開展了一系列高速客車的研究課題。鐵科院機(jī)輛所承擔(dān)了一系列與動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)相關(guān)的研究課題，如《高速列車制動(dòng)技術(shù)的研究》、《高速客車主要部件的研究》、《高速列車制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部件的研制》等，對高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)條件、關(guān)鍵零部件等進(jìn)行了研究和研制。

“九五”期間《200 km/h電動(dòng)旅客列車組和動(dòng)力分散交流傳動(dòng)電動(dòng)車組研究》等列入國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目，鐵科院機(jī)輛所承擔(dān)了鐵道部科研項(xiàng)目《200 km/h電動(dòng)車組總體技術(shù)條件研究》、《200 km/h電動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架預(yù)研究》、《200 km/h電動(dòng)車組非動(dòng)力轉(zhuǎn)向架的研究》、《300 km/h高速列車制動(dòng)系統(tǒng)總體》、《200 km/h動(dòng)力分散電動(dòng)車組綜合測試技術(shù)前期研究》、《動(dòng)力車動(dòng)力學(xué)制動(dòng)、受電弓等技術(shù)研究》、《高速列車電空制動(dòng)控制系統(tǒng)的研究》等。

我國早期自主研制的高速動(dòng)車組中，最具有代表性的是“先鋒號”動(dòng)車組和“中華之星”動(dòng)車組。

《200 km/h動(dòng)力分散交流傳動(dòng)電動(dòng)車組》(即“先鋒號”)項(xiàng)目是由浦鎮(zhèn)廠、鐵科院、同濟(jì)大學(xué)、株洲所等多家單位聯(lián)合研制的第一列動(dòng)力分散交直交傳動(dòng)電動(dòng)車組，其運(yùn)營速度200 km/h、最高試驗(yàn)速度250 km/h。該動(dòng)車組由兩個(gè)單元共6輛車組成,每個(gè)單元包括2輛動(dòng)車和1輛拖車。該動(dòng)車組的制動(dòng)控制系統(tǒng)由同濟(jì)大學(xué)研制、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置由鐵科院機(jī)輛所研制?！跋蠕h號”動(dòng)車組在國內(nèi)率先研制成功微機(jī)控制直通電空制動(dòng)系統(tǒng)，其基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用了合金鍛鋼制動(dòng)盤(動(dòng)力車采用輪裝制動(dòng)盤、拖車采用軸裝制動(dòng)盤)，這是國內(nèi)首次研制成功高速列車鍛鋼制動(dòng)盤。2002年9月10日該動(dòng)車組在秦沈線最高試驗(yàn)速度達(dá)到292 km/h，創(chuàng)造了的當(dāng)時(shí)我國鐵路列車的最高速度記錄。

2000年國家計(jì)委將270 km/h高速列車正式列入國家高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目，并將列車命名為“中華之星”，2001年鐵道部下達(dá)《270 km/h高速列車設(shè)計(jì)任務(wù)書》。該項(xiàng)目由株洲廠、大同機(jī)車廠、長客廠、四方廠、鐵科院、西南交通大學(xué)等多家單位共同參與，鐵科院機(jī)輛所負(fù)責(zé)制動(dòng)系統(tǒng)。

“中華之星”動(dòng)車組屬于交流傳動(dòng)動(dòng)力集中型電動(dòng)車組，由2節(jié)動(dòng)力車和9輛拖車組成，兩個(gè)動(dòng)力車分別編組在列車頭部和尾部，以推挽方式運(yùn)行,運(yùn)營速度270 km/h、最高速度300 km/h。該動(dòng)車組采用鐵科院自主研制的微機(jī)控制直通電空制動(dòng)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、防滑裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置及備用空氣制動(dòng)等組成。電空制動(dòng)具有1～7級常用制動(dòng)和電空緊急制動(dòng)，并能與動(dòng)力車的再生制動(dòng)自動(dòng)復(fù)合。各車輛的制動(dòng)控制單元根據(jù)制動(dòng)指令、空氣彈簧的荷重信號，計(jì)算出相應(yīng)制動(dòng)等級下的目標(biāo)制動(dòng)力，并通過E-P電磁閥的閉環(huán)控制實(shí)現(xiàn)制動(dòng)缸壓力的自動(dòng)調(diào)整，從而產(chǎn)生再生制動(dòng)與電空制動(dòng)復(fù)合的空電聯(lián)合制動(dòng)，實(shí)現(xiàn)基本恒減速度控制。各車輛的BCU接受直通電空制動(dòng)的制動(dòng)總線指令(硬線指令)及網(wǎng)絡(luò)控制指令的冗余控制，以硬線指令為主(見圖32)，具有多種故障導(dǎo)向安全的保護(hù)措施。

圖32 “中華之星”動(dòng)車組制動(dòng)控制原理圖

“中華之星”的備用制動(dòng)機(jī)采用F8型自動(dòng)空氣制動(dòng)機(jī)，由直通電空和F8所產(chǎn)生的控制壓力同時(shí)進(jìn)入空/電轉(zhuǎn)換電磁閥，并由空/電轉(zhuǎn)換閥的得電狀態(tài)進(jìn)行切換。采用相對獨(dú)立的TFX2型電子防滑裝置實(shí)現(xiàn)防滑檢測和控制?；A(chǔ)制動(dòng)裝置采用合金鍛鋼制動(dòng)盤、粉末冶金閘片和具有自動(dòng)調(diào)整閘片間隙的制動(dòng)夾鉗單元。制動(dòng)盤及閘片具有良好的抗熱裂、摩擦性能穩(wěn)定性及耐磨性，使列車的制動(dòng)能力得到很大提高，確保了制動(dòng)距離目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。2002年11月27日“中華之星”動(dòng)車組在秦沈線試驗(yàn)中最高速度達(dá)到321.5 km/h，又一次改寫了“中國鐵路第一速”。

在“先鋒號”、“中華之星”等動(dòng)車組研制過程中，開展了大量研究、試制、試驗(yàn)、驗(yàn)證工作，積累了豐富的歷史資料，培養(yǎng)鍛煉了一批研發(fā)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、運(yùn)用維護(hù)人才，初步建立了動(dòng)車組技術(shù)研發(fā)平臺和試驗(yàn)檢驗(yàn)手段，提高了我國高速列車自主創(chuàng)新的能力，為后來我國高速列車技術(shù)的持續(xù)深入研究創(chuàng)造了條件。

5.2 技術(shù)引進(jìn)消化吸收和高速列車制動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)平臺研發(fā)

2003年鐵道部實(shí)施鐵路跨越式發(fā)展的戰(zhàn)略。提出鐵路技術(shù)裝備“引進(jìn)先進(jìn)技術(shù)，聯(lián)合設(shè)計(jì)生產(chǎn)，打造中國品牌”的總體要求和引進(jìn)“先進(jìn)、成熟、經(jīng)濟(jì)、適用、可靠”技術(shù)的基本方針，進(jìn)行國外先進(jìn)技術(shù)裝備的引進(jìn)、消化和吸收，加快國產(chǎn)化進(jìn)程。從2004年10月開始，鐵道部通過招標(biāo)方式，引進(jìn)了龐巴迪、川崎、西門子、阿爾斯通的動(dòng)車組技術(shù)，對應(yīng)的是和諧號CRH1、CRH2、CRH3、CRH5動(dòng)車組技術(shù)平臺。

和諧號動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)引進(jìn)、消化和吸收工作分別由鐵科院機(jī)輛所、南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動(dòng)設(shè)備有限公司(主要負(fù)責(zé)CRH2平臺的制動(dòng)控制部分)、中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司(主要負(fù)責(zé)CRH2平臺的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置)等單位承擔(dān)。鐵科院機(jī)輛所負(fù)責(zé)消化和吸收從KNORR公司引進(jìn)的高速動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)，主要用于CRH1、 CRH3、CRH5動(dòng)車組。

根據(jù)技術(shù)引進(jìn)時(shí)中方的要求，和諧號動(dòng)車組均采用微機(jī)控制直通電空制動(dòng)系統(tǒng)(見圖33)、空電聯(lián)合復(fù)合制動(dòng)模式。制動(dòng)系統(tǒng)具有常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)、停放制動(dòng)、防滑控制、故障診斷等功能。為了提高制動(dòng)時(shí)的乘坐舒適度，常用制動(dòng)沖動(dòng)限制的極限值為0.75 m/s3?；A(chǔ)制動(dòng)裝置均采用盤形制動(dòng)，對于不同的車型，分別采用了軸裝制動(dòng)盤、輪裝制動(dòng)盤，制動(dòng)盤的材質(zhì)有鑄鋼、鑄鐵、鍛鋼。制動(dòng)缸夾鉗單元有帶停放制動(dòng)和不帶停放制動(dòng)兩種形式。除了早期的CRH1的閘片為合成材料外，其余閘片均為粉末冶金材料。

圖33 和諧號動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)基本組成

技術(shù)引進(jìn)只是手段，消化吸收后的自主創(chuàng)新才是最終目的。在對引進(jìn)技術(shù)消化吸收的同時(shí)，我國鐵路動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)的自主研發(fā)工作始終沒有停止。在此期間，科技部、鐵道部組織了一系列動(dòng)車組技術(shù)自主研發(fā)項(xiàng)目，如鐵科院主持、參與的科技部“十一五”科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目《高速輪軌鐵路引進(jìn)消化與創(chuàng)新》(其中包括課題《350 km/h動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)研究、試制及試驗(yàn)》)、科技部和鐵道部針對高速鐵路核心技術(shù)體系的自主創(chuàng)新制定的《中國高速列車自主創(chuàng)新聯(lián)合行動(dòng)計(jì)劃》、國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目《中國高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制》(其中包括《高速列車牽引傳動(dòng)與制動(dòng)系統(tǒng)》)、鐵道部科技研究開發(fā)計(jì)劃《高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范的研究》、《動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)控制模式優(yōu)化的研究》、動(dòng)車組關(guān)鍵技術(shù)自主創(chuàng)新深化研究(包括CRH3C型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)自主化替代研究)等。同時(shí)，鐵科院機(jī)輛所還在國家相關(guān)部門、鐵道部和鐵科院的支持下，開展高速列車制動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)平臺建設(shè)工作。

2007年國家發(fā)改委下發(fā)了《關(guān)于高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國家工程實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的復(fù)函》， 2008年鐵道部下發(fā)了《關(guān)于中國鐵道科學(xué)研究院高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國家工程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目建議書的批復(fù)》。結(jié)合“兩部聯(lián)合計(jì)劃”等科研項(xiàng)目，鐵科院機(jī)輛所設(shè)計(jì)和建設(shè)了高速列車制動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)平臺。該平臺主要由高速鐵路系統(tǒng)試驗(yàn)國家工程實(shí)驗(yàn)室高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)室和高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真開發(fā)平臺組成(見圖34)。

高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)室包括高速動(dòng)車組電空制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(見圖35)、最高試驗(yàn)速度500 km/h的1∶1基礎(chǔ)制動(dòng)試驗(yàn)臺(見圖36～圖38)、最高試驗(yàn)速度500 km/h的1∶1渦流制動(dòng)和磁軌制動(dòng)試驗(yàn)臺(見圖39)、高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵零部件試驗(yàn)臺。該試驗(yàn)室可進(jìn)行高速動(dòng)車組控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、關(guān)鍵零部件的性能、可靠性試驗(yàn)分析和驗(yàn)證，低溫和冰雪等環(huán)境條件下制動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)研究。渦流制動(dòng)和磁軌制動(dòng)試驗(yàn)臺用于高速列車渦流制動(dòng)等新技術(shù)研究和產(chǎn)品試驗(yàn)。1∶1基礎(chǔ)制動(dòng)試驗(yàn)臺在2018年通過了國際鐵路聯(lián)盟(UIC)的國際認(rèn)證并取得證書，這是迄今為止歐洲以外唯一一臺通過UIC認(rèn)證的1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺，標(biāo)志著我們的試驗(yàn)技術(shù)得到了國際同行的認(rèn)可。

高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)仿真開發(fā)平臺包括制動(dòng)電子控制仿真設(shè)計(jì)平臺、制動(dòng)氣動(dòng)系統(tǒng)仿真設(shè)計(jì)平臺、制動(dòng)摩擦副仿真設(shè)計(jì)平臺和關(guān)鍵零部件流體力學(xué)仿真設(shè)計(jì)平臺?？蓮氖轮苿?dòng)系統(tǒng)機(jī)械、氣動(dòng)、電氣電子等多學(xué)科系統(tǒng)工程的建模和仿真(見圖40、圖41)，進(jìn)行列車制動(dòng)系統(tǒng)元件級、部件級和列車級制動(dòng)系統(tǒng)仿真分析，以及制動(dòng)控制策略與算法，包括制動(dòng)控制、防滑控制、供風(fēng)控制、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及故障保護(hù)與診斷等功能、性能的研究和控制系統(tǒng)軟件校驗(yàn)測試，制動(dòng)摩擦副結(jié)構(gòu)、溫度場及應(yīng)力場仿真分析。

圖34 高速列車制動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)平臺組成

圖35 高速動(dòng)車組電空制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺

圖36 高速1∶1基礎(chǔ)制動(dòng)試驗(yàn)臺

通過引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，全面掌握了高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，并在多年動(dòng)車組運(yùn)維技術(shù)研究中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)。與此同時(shí)，高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)平臺和制造平臺的構(gòu)筑，大大提高了我國高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)實(shí)力、試驗(yàn)檢驗(yàn)水平和生產(chǎn)制造行列，使我國高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的研發(fā)設(shè)計(jì)、制造手段進(jìn)入世界先進(jìn)行列，為自主化高速列車制動(dòng)系統(tǒng)的研制及產(chǎn)業(yè)化奠定了重要的基礎(chǔ)。

圖37 制動(dòng)速度420 km/h制動(dòng)盤試驗(yàn)

圖38 低溫冰雪試驗(yàn)

圖39 渦流制動(dòng)試驗(yàn)臺局部

圖40 電子制動(dòng)控制裝置快速控制原型構(gòu)建

圖41 限壓閥的建模及測試

5.3 高速動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)的深入研究

通過引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了裝備現(xiàn)代化的重大跨越。但部分關(guān)鍵技術(shù)和系統(tǒng)還沒有完全掌握；另一方面，我國既有動(dòng)車組型號多、標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)用維護(hù)界面差異大，同一速度不同供貨商生產(chǎn)的動(dòng)車組無法重聯(lián)運(yùn)行，影響了運(yùn)用效率，加大了維修難度和運(yùn)用成本。

為解決上述問題，2012年原鐵道部(中國鐵路總公司)決定從我國鐵路運(yùn)輸需求出發(fā)，采用正向設(shè)計(jì)的技術(shù)路線，針對未掌握的關(guān)鍵技術(shù)，以全面擁有核心技術(shù)和源代碼、實(shí)現(xiàn)自主知識產(chǎn)權(quán)為目標(biāo)，研制自主化的速度350 km/h動(dòng)車組技術(shù)平臺，并形成批量生產(chǎn)制造能力。力求根據(jù)中國鐵路特點(diǎn)制定中國標(biāo)準(zhǔn)，建立具有中國鐵路特色和完全自主研制的動(dòng)車組技術(shù)平臺，在關(guān)鍵技術(shù)上實(shí)現(xiàn)中國鐵路特有的自主創(chuàng)新。通過中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的研制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組的互聯(lián)互通及統(tǒng)型需求，實(shí)現(xiàn)同一速度等級動(dòng)車組可重聯(lián)運(yùn)營，不同速度等級動(dòng)車組可相互救援等基本目標(biāo)。同時(shí)，進(jìn)一步提高我國機(jī)車車輛裝備制造業(yè)整體科研軟實(shí)力。

中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組項(xiàng)目由中國鐵路總公司主導(dǎo)組織實(shí)施，中國鐵道科學(xué)研究院技術(shù)牽頭，中車集團(tuán)及其相關(guān)企業(yè)設(shè)計(jì)制造、大學(xué)和科研院所等單位技術(shù)支持，產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新。

速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組為動(dòng)力分散型電動(dòng)車組，其中8輛編組列車為4動(dòng)4拖兩個(gè)牽引單元(Tc+M+Tp+M)組成(見圖42)，最高運(yùn)營速度為350 km/h，兩列中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組可互聯(lián)互通、實(shí)現(xiàn)重聯(lián)運(yùn)行。

圖42 速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組(8輛編組)示意圖

復(fù)興號動(dòng)車組研制是國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)示范工程，鐵科院機(jī)輛所和北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司(現(xiàn)更名為北京縱橫機(jī)電科技有限公司，簡稱縱橫機(jī)電)承擔(dān)了中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的自主研制工作。研制過程中以系統(tǒng)工程理論為依據(jù)，開展了從需求分析、功能分解、仿真設(shè)計(jì)、樣機(jī)試制、系統(tǒng)集成、試驗(yàn)驗(yàn)證等一系列設(shè)計(jì)創(chuàng)新活動(dòng)。起草編制了速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組技術(shù)條件、互換統(tǒng)型部件技術(shù)要求和技術(shù)條件、涉及制動(dòng)系統(tǒng)的互聯(lián)互通接口技術(shù)規(guī)范。進(jìn)行了自主化制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)方案研究和設(shè)計(jì)，攻克了制動(dòng)控制邏輯、高熱負(fù)荷摩擦副、高速防滑策略、智能診斷和互聯(lián)互通等關(guān)鍵技術(shù)難題，突破國外公司的技術(shù)封鎖，填補(bǔ)了國內(nèi)的技術(shù)空白。全面掌握了制動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵核心技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、試驗(yàn)驗(yàn)證技術(shù)和運(yùn)用維護(hù)技術(shù)等，自主建立了研發(fā)、產(chǎn)品、試驗(yàn)、制造和維護(hù)平臺，主持編制了相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)條件30余項(xiàng)，形成了比較完整的高速列車制動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)體系和從部件級到系統(tǒng)級完整的產(chǎn)品群。

中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)是智能化制動(dòng)系統(tǒng)，按照“故障導(dǎo)向安全”的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)，制動(dòng)系統(tǒng)為車控方式，按列車級進(jìn)行空電復(fù)合制動(dòng)控制，控制策略考慮動(dòng)力制動(dòng)優(yōu)先，只有當(dāng)動(dòng)力制動(dòng)能力不足時(shí)，才使用空氣制動(dòng)。系統(tǒng)按模式曲線控制列車減速或停車。具有MVB車輛總線接口并能與列車控制系統(tǒng)等進(jìn)行通訊。司機(jī)控制器的7級制動(dòng)指令通過列車硬線傳送到各車的制動(dòng)控制單元，主控端車的列車控制系統(tǒng)檢測硬線制動(dòng)指令后發(fā)送到各車。

制動(dòng)系統(tǒng)主要由制動(dòng)控制系統(tǒng)(司機(jī)制動(dòng)指令設(shè)備、制動(dòng)控制設(shè)備)、空氣防滑裝置、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置、風(fēng)源裝置、空氣懸掛裝置、停放制動(dòng)控制系統(tǒng)、撒沙裝置、升弓裝置、救援回送裝置、風(fēng)笛控制裝置等組成(見圖43)。

制動(dòng)系統(tǒng)的列車級主控功能可實(shí)現(xiàn)全列車制動(dòng)力管理、分配和計(jì)算。列車中的每個(gè)MVB網(wǎng)絡(luò)單元(2動(dòng)2拖)內(nèi)具有單元主控功能的EBCU，進(jìn)行MVB網(wǎng)絡(luò)單元內(nèi)的制動(dòng)力管理、分配和計(jì)算。列車級和單元主控功能均滿足冗余要求(見圖44)。

圖43 速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)組成

圖44 速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)力管理示意圖

動(dòng)車組設(shè)救援轉(zhuǎn)換裝置，在救援和回送時(shí)可由采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)的既有機(jī)車操縱控制。不同速度等級的動(dòng)車組可以互相救援。

系統(tǒng)具有常用制動(dòng)、緊急制動(dòng)EB、緊急制動(dòng)UB、停放制動(dòng)、保持制動(dòng)、清潔制動(dòng)、乘客緊急制動(dòng)、WSP、DNRA、制動(dòng)力分級控制、撒沙、升弓供風(fēng)控制、主空壓機(jī)控制、制動(dòng)系統(tǒng)監(jiān)測、診斷和故障記錄、制動(dòng)試驗(yàn)、回送和救援等功能。

2015年6月兩列速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組樣車制造完成下線， 2016年10月動(dòng)車組完成試驗(yàn)和運(yùn)用考核。試驗(yàn)期間，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組單列最高試驗(yàn)速度達(dá)到了428.6 km/h，交會(huì)和重聯(lián)試驗(yàn)速度達(dá)到了420 km/h，這是世界上首次實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組列車420 km/h交會(huì)和重聯(lián)運(yùn)行，進(jìn)一步驗(yàn)證了中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組整體技術(shù)性能。2017年6月25日中國鐵路總公司黨組書記陸東福代表總公司黨組宣布中國標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組命名“復(fù)興號”的決定， 6月26日開始“復(fù)興號”動(dòng)車組在京滬高鐵投入運(yùn)營。

目前，采用縱橫機(jī)電制動(dòng)系統(tǒng)的“復(fù)興號”動(dòng)車組已經(jīng)奔馳在祖國廣袤的大地上。截止到2019年3月底，“復(fù)興號”動(dòng)車組累計(jì)運(yùn)營里程超過1.5億km，縱橫機(jī)電的制動(dòng)系統(tǒng)為“復(fù)興號”動(dòng)車組安全運(yùn)行發(fā)揮了非常重要的作用。也標(biāo)志著我國鐵路機(jī)車車輛制動(dòng)技術(shù)已經(jīng)躋身世界先進(jìn)行列。

6 參與國際鐵路標(biāo)準(zhǔn)制訂

6.1 主持參與UIC標(biāo)準(zhǔn)制訂

中國高速鐵路和重載運(yùn)輸技術(shù)的發(fā)展得到國際社會(huì)的高度重視并大大提升了中國在國際高速鐵路和重載運(yùn)輸行業(yè)的地位。近年來，國際標(biāo)準(zhǔn)化組織主動(dòng)邀請我國參與國際鐵路標(biāo)準(zhǔn)的制訂，中國鐵路的一些技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)已逐步融入國際標(biāo)準(zhǔn)。鐵科院主持參與了多項(xiàng)國際標(biāo)準(zhǔn)的編制工作，其中包括機(jī)車車輛制動(dòng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

國際鐵路聯(lián)盟(UIC)成立于1922年，是鐵路行業(yè)歷史最悠久、最具影響力的國際組織，我國作為其活躍成員，已于2010年加入U(xiǎn)IC鐵路系統(tǒng)委員會(huì)指導(dǎo)委員會(huì)，并于2012年加入U(xiǎn)IC標(biāo)準(zhǔn)化平臺核心小組。

鐵科院參與UIC制動(dòng)技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制訂工作始于2010年，該工作組由中國鐵道科學(xué)研究院(CARS)、德國鐵路公司(DB)、法國鐵路公司(SNCF)、意大利國營鐵路公司(FS)、比利時(shí)鐵路公司(SNCB)五個(gè)成員組成，主要職責(zé)是討論修訂標(biāo)準(zhǔn)UIC541-03《 制動(dòng)-各種制動(dòng)部件的構(gòu)造規(guī)范-司機(jī)制動(dòng)閥/司機(jī)制動(dòng)控制器》。在修訂標(biāo)準(zhǔn)UIC 541-03過程中，中國高速列車直通電空制動(dòng)技術(shù)寫入了新版的UIC 541-03 標(biāo)準(zhǔn), 并成為強(qiáng)制執(zhí)行的內(nèi)容，使得中國高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)有了國際標(biāo)準(zhǔn)的支撐。

根據(jù)中方的建議，國際鐵路聯(lián)盟UIC/SET7制動(dòng)專業(yè)委員會(huì)第228次工作會(huì)議于2014年6月23至27日在北京展開。這是UIC/ SET7制動(dòng)專業(yè)委員會(huì)首次在歐洲以外的地區(qū)舉辦會(huì)議，體現(xiàn)了中國鐵路制動(dòng)技術(shù)的影響力。

在這次會(huì)議上，中方代表提出了制訂《直通電空制動(dòng)系統(tǒng)》標(biāo)準(zhǔn)的建議。鑒于直通電空制動(dòng)技術(shù)在中國高速動(dòng)車組的成功應(yīng)用及豐富的研究成果，具備制定該標(biāo)準(zhǔn)的條件。2017年在UIC機(jī)車車輛分委會(huì)正式立項(xiàng)并專門成立了UIC B126.25工作組，該工作組由中國、德國、瑞士、意大利、比利時(shí)、荷蘭等國代表組成。這是第一個(gè)由我國提出并主持編制的國際鐵路制動(dòng)專業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。我國動(dòng)車組和地鐵均采用直通電空制動(dòng)系統(tǒng)，該標(biāo)準(zhǔn)的制訂對中國鐵路及城市軌道交通具有重要意義，也彌補(bǔ)了UIC標(biāo)準(zhǔn)體系的不足。截止2018年底已完成標(biāo)準(zhǔn)初稿的編寫(見圖45)，并提交UIC/Set7制動(dòng)委員會(huì)征求意見。

除了上述標(biāo)準(zhǔn)外，鐵科院機(jī)輛所還代表中方參與了UIC 541-01《制動(dòng)-空氣制動(dòng)缸/制動(dòng)單元(包括踏面和夾鉗單元)-制動(dòng)缸和制動(dòng)單元認(rèn)證通用技術(shù)條件》、UIC 541-03《制動(dòng)-各種制動(dòng)部件的構(gòu)造規(guī)范-司機(jī)制動(dòng)閥/司機(jī)制動(dòng)控制器》、UIC 541-04《制動(dòng)機(jī)-制動(dòng)機(jī)部件制造規(guī)程-根據(jù)載重率自動(dòng)調(diào)整的制動(dòng)系統(tǒng)及空重車制動(dòng)位自動(dòng)控制器》、UIC 541-06 《制動(dòng)-磁軌制動(dòng)裝置技術(shù)條件》、UIC 541-3《制動(dòng)-盤形制動(dòng)及其應(yīng)用-閘片批準(zhǔn)使用的通用條件》、UIC548《制動(dòng)-摩擦試驗(yàn)臺的國際認(rèn)證要求》等UIC標(biāo)準(zhǔn)的修改制訂工作。

6.2 主持參與ISO標(biāo)準(zhǔn)制訂

在參與UIC標(biāo)準(zhǔn)制訂工作的同時(shí)，鐵科院還代表中國鐵路總公司參與ISO標(biāo)準(zhǔn)制訂工作。

ISO/TC 269“鐵路應(yīng)用”是ISO在鐵路應(yīng)用領(lǐng)域設(shè)立的唯一專門技術(shù)委員會(huì)，成立于2012年。在此之前，ISO中沒有專門針對鐵路行業(yè)的技術(shù)委員會(huì)，也沒有專門針對鐵路行業(yè)的 ISO 標(biāo)準(zhǔn)。 2012年10月30～31日ISO /TC269技術(shù)委員會(huì)在德國柏林舉辦了第1屆年會(huì)，正式啟動(dòng)了鐵路領(lǐng)域ISO標(biāo)準(zhǔn)的制定工作，此次年會(huì)上確定了首批鐵路領(lǐng)域擬制訂的3個(gè)ISO 標(biāo)準(zhǔn)，其中包括“制動(dòng)性能計(jì)算”。

ISO/TC 269中國技術(shù)對口單位設(shè)在中國鐵道科學(xué)研究院。鐵科院機(jī)輛所代表中方從2013年開始參加ISO鐵路制動(dòng)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的編制工作。2013年4月開始，由中國、英國等8個(gè)國家的制動(dòng)專家組成“WG01制動(dòng)計(jì)算”工作組，開始ISO“制動(dòng)計(jì)算”新項(xiàng)目提案NWIP(new Work Item proposal)的制定及其他相關(guān)工作。

2014年ISO將AHG04特別工作組升級成為ISO/TC 269/SC2/WG01“鐵路制動(dòng)”工作組，工作范疇從單一的制動(dòng)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)制訂擴(kuò)展為涵蓋軌道交通制動(dòng)領(lǐng)域ISO標(biāo)準(zhǔn)框架的規(guī)劃并負(fù)責(zé)所有制動(dòng)領(lǐng)域ISO標(biāo)準(zhǔn)的制訂、修訂和管理。

圖45 UIC直通電空制動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)框架

2014年WG01鐵路制動(dòng)工作組開始“制動(dòng)計(jì)算”標(biāo)準(zhǔn)ISO 20138的編制工作。該標(biāo)準(zhǔn)由兩部分組成,ISO 20138-1《鐵路應(yīng)用-制動(dòng)性能計(jì)算(停車制動(dòng)、減速制動(dòng)和駐車制動(dòng))-第1部分：采用均值計(jì)算的通用算法》、ISO 20138-2《鐵路應(yīng)用-制動(dòng)性能計(jì)算(停車制動(dòng)、減速制動(dòng)和駐車制動(dòng))-第2部分：采用逐步計(jì)算的通用算法》。該標(biāo)準(zhǔn)梳理了各個(gè)國家制動(dòng)計(jì)算方法，形成一個(gè)統(tǒng)一的制動(dòng)計(jì)算方法平臺，縮小了各國家計(jì)算方法的差異，消除了國際間的技術(shù)壁壘，有助于我國鐵路機(jī)車車輛行業(yè)向國外的業(yè)務(wù)擴(kuò)展。目前，該標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)發(fā)布FIDS 稿(國際標(biāo)準(zhǔn)草案終稿)。該標(biāo)準(zhǔn)將是ISO鐵路應(yīng)用委員會(huì)成立后第一個(gè)正式發(fā)布的鐵路標(biāo)準(zhǔn)。鐵科院機(jī)輛所自主開發(fā)的制動(dòng)計(jì)算軟件不僅可實(shí)現(xiàn)ISO制動(dòng)計(jì)算國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的計(jì)算內(nèi)容，還可根據(jù)列車不同制動(dòng)控制策略及遇到的故障工況進(jìn)行理論計(jì)算，計(jì)算結(jié)果可自動(dòng)生成報(bào)告，軟件各項(xiàng)功能與歐洲開發(fā)的制動(dòng)計(jì)算軟件基本一致。

2014年ISO/TC 269鐵路應(yīng)用技術(shù)委員會(huì)年會(huì)上，鐵科院機(jī)輛所提出“直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)”NWIP提案，工作組提議建立一個(gè)調(diào)研組調(diào)研直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)的接口、功能、需求等任務(wù)，以便于了解直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)當(dāng)前發(fā)展?fàn)顟B(tài)。2015年10月WG01工作組在北京(鐵科院機(jī)輛所)召開了工作組會(huì)議，經(jīng)過各國與會(huì)專家多輪商討，最終一致同意將“直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)”NWIP提案升級成為“制動(dòng)系統(tǒng)通用要求”NWIP提案。2018年3月的工作組會(huì)議上由各國參會(huì)專家共同對NWIP草稿進(jìn)行了修改和確認(rèn)。

并明確該標(biāo)準(zhǔn)的負(fù)責(zé)人是機(jī)輛所李邦國博士。在2018年11月ISO/TC269/CAG會(huì)議上，同意就該提案發(fā)起立項(xiàng)投票，2019年6月10日立項(xiàng)投票完成，獲得通過。目前NWIP草稿已經(jīng)提交ISO/TC269/SC2 技術(shù)委員會(huì)。

“制動(dòng)系統(tǒng)通用要求”屬于制動(dòng)系統(tǒng)頂層標(biāo)準(zhǔn)，級別明顯高于“直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)”。該標(biāo)準(zhǔn)將為ISO框架內(nèi)所有機(jī)車車輛制動(dòng)系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)、部件標(biāo)準(zhǔn)的編制奠定基礎(chǔ)。新標(biāo)準(zhǔn)一旦發(fā)布，將為列車生產(chǎn)廠家、制動(dòng)系統(tǒng)供應(yīng)廠家、鐵路運(yùn)營商以及鐵路管理機(jī)構(gòu)相互討論溝通打下基礎(chǔ)。

7 結(jié)束語

新中國成立70年來，通過幾代人的不懈努力和自主研發(fā)，我國鐵路機(jī)車車輛制動(dòng)技術(shù)，尤其是重載列車和高速列車制動(dòng)技術(shù)取得了令人矚目的成績，已經(jīng)躋身世界先進(jìn)行列。