400 公里動車組制動技術(shù)研究

羅飛平， 孫環(huán)陽， 王 群， 楊 磊

（南京中車浦鎮(zhèn)海泰制動設(shè)備有限公司， 江蘇 南京 211800）

0 引言

目前，“復(fù)興號”動車組已實現(xiàn)了時速350km 的運營速度，隨著技術(shù)的發(fā)展，下一步將以時速400km 作為運營速度目標(biāo)。制動系統(tǒng)是動車組的核心技術(shù)之一，制動系統(tǒng)的性能不僅直接決定了列車運行的安全和舒適度，也是提高車運行速度的重要限制因素。

動車組提速到時速400km 的運營速度，將延長其制動距離，進(jìn)而限制列車最小追蹤間隔時間，影響線路運行效率。本文通過計算分析，基于現(xiàn)有動車組常用制動配置是否滿足當(dāng)前列車最小追蹤間隔時間的要求， 以及列控系統(tǒng)授權(quán)距離的要求。

對于動車組制動性能而言， 關(guān)鍵指標(biāo)是確定初速400km/h 緊急制動距離標(biāo)準(zhǔn)。 本文通過制動黏著限制、基礎(chǔ)制動熱容量分析、 非黏著制動配置等角度計算分析緊急制動距離標(biāo)準(zhǔn)。

1 列車追蹤間隔時間對動車組制動距離的要求

1.1 高速列車追蹤間隔時間計算方法

列車追蹤間隔時間的計算通常分為區(qū)間追蹤、 車站通過、車站始發(fā)和車站到達(dá)4 種計算工況。 其中與動車組制動能力有關(guān)的追蹤間隔時間計算工況為區(qū)間追蹤、車站通過和車站到達(dá)， 并且由于車站通過和區(qū)間追蹤工況下對動車組的制動能力要求差異不大， 因此只需得到區(qū)間追蹤和車站到達(dá)間隔時間對動車組制動能力的要求即可[1]。

區(qū)間追蹤間隔時間T追為：

式中：L制—列控車載設(shè)備監(jiān)控制動距離（m）；L防—安全防護(hù)距離（m）；L閉—閉塞分區(qū)長度（m）；L列—列車長度（m）；v區(qū)間—列車區(qū)間運行速度（km/h）；t附加—列車區(qū)間追蹤運行附加時間， 通常包括信號系統(tǒng)應(yīng)變時間和司機(jī)確認(rèn)信號的時間等（s）。

車站到達(dá)間隔時間T到為：

式中：L咽喉—進(jìn)站信號機(jī)至到發(fā)線進(jìn)站端絕緣節(jié)的距離（m）；v咽喉—列車通過咽喉區(qū)的速度（km/h）；t作業(yè)—進(jìn)入咽喉區(qū)前的時間由辦理動車組到達(dá)作業(yè)時間 （s）；t制—動車組由最高運行速度降至道岔允許速度所需的時間（s）。

1.2 提速400km/h 分析與計算

下述變量由線路條件決定， 取通用參數(shù)如下：L防為110m；L閉為1950m；L咽喉為1200m；v區(qū)間為350km/h；v咽喉為80km/h（18 號道岔）；t附加為16s；t作業(yè)為21s。

假設(shè)動車組為16 輛編組，L列為403m。

基于現(xiàn)有動車組常用制動配置，“復(fù)興號” 動車組初速400km/h 最大常用制動距離為11520m，在此基礎(chǔ)上除以90%（余量參數(shù)）得到L制為12800m。

綜合上述數(shù)據(jù)，得到：T追=153s；T到=290s。列車追蹤間隔時間比初速350km/h 延長，但仍滿足5min 追蹤間隔。

如仍需滿足350km/h 列車追蹤間隔時間， 可適當(dāng)提高最大常用制動減速度1.1163 倍， 常用制動距離為9224m，在動車組制動性能范圍內(nèi)，僅增加了基礎(chǔ)制動的磨耗，不存在技術(shù)制約。 由于基礎(chǔ)制動磨耗增加，需要校核采用純空氣制動初速400km/h 線路運營一個往返的基礎(chǔ)制動熱容量是否滿足要求，如不滿足要求，可考慮電制動故障時限速運行。

2 列控系統(tǒng)對動車組制動距離的要求

C3 列控系統(tǒng)地面和車載設(shè)備已實現(xiàn)350km/h 控車安全，原則上可用于400km/h 運用，并應(yīng)深入探討其高速兼容性。 根據(jù)RBC 設(shè)計限制，C3 系統(tǒng)在發(fā)給列控系統(tǒng)車載設(shè)備的行車許可中授權(quán)距離 （最大常用制動） 最長為32km[2]，考慮運營線路存在下坡道致使常用制動距離延長，對400km/h 初速度以32km 的制動距離限制進(jìn)行允許坡道反算。

表1 允許坡度計算Tab.1 Calculation of allowable gradient

由表1 計算可見， 基于現(xiàn)有動車組常用制動配置可滿足35‰坡度要求， 如果最大常用制動距離縮短到9224m，可滿足48‰坡度要求。 當(dāng)然目前最大常用制動減速度最小值為0.263m/s2，在35‰坡度無法減速，只能滿足27‰坡度要求。

京滬高鐵全長1318km，其中最大坡道20‰為1km。因此，基于現(xiàn)有動車組常用制動配置，可滿足C3 列控系統(tǒng)對初速400km/h 動車組制動距離的要求，具有足夠余量。

3 動車組制動性能

動車組在平直干燥軌道上緊急制動距離S 滿足如下指標(biāo)： ①制動初速350km/h 時，S≤6500m； ②制動初速300km/h 時，S≤3800m。

基于現(xiàn)有動車組制動配置， 按照380km/h 及以下速度級外延的方式，推算初速400kmh/h 制動距離的標(biāo)準(zhǔn)值為10500m[3]。

以下分別從黏著限制、熱容量限制、增加非黏著制動分析初速400km/h 能達(dá)到的制動距離標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 黏著限制

根據(jù)TSI1302-2014 修訂情況，在列車速度0～250km/h區(qū)間，輪軌黏著限定值為0.15；250～350km/h 區(qū)間，輪軌黏著限定值線性下降至0.1； 但對350km/h 以上速度區(qū)域，未作規(guī)定，假定按線性下降。

按照TSI 干軌黏著的80%限制， 設(shè)計緊急制動減速度，列車初速度400km/h 下，緊急制動距離為6852m。

3.2 熱容量限制

按照以下車輛條件對現(xiàn)有制動盤熱負(fù)荷進(jìn)行匹配與計算：①車輛采用4M4T 編組或6M2T 編組方式，最大軸重15t；②基礎(chǔ)制動配置：拖車配備2 個軸盤、2 個輪盤，動車配備2 個輪盤；③減速度按照如圖1 設(shè)置（盡可能利用黏著）。

圖1 緊急制動減速度Fig.1 Urgency braking deceleration

計算得到，4M4T 列車初速度400km/h 下， 緊急制動距離為7120m；6M2T 列車初速度400km/h 下， 緊急制動距離為7897m。

如仍按照現(xiàn)有動車組軸重計算， 緊急制動距離將達(dá)到9389m。

最大熱容量如圖2 所示，基本接近基礎(chǔ)制動溫度限制700℃。

圖2 基礎(chǔ)制動熱容量Fig.2 Base brake heat capacity

3.3 非黏著制動配置

應(yīng)用于動車組的非黏著制動主要有軌道渦流制動和風(fēng)阻制動。

假定單個渦流制動裝置在6mm 氣隙下，50km/h 以上能提供緊急制動力為20kN。

假定采用小型分散式風(fēng)阻裝置， 風(fēng)阻制動能提供的緊急制動減速度為1.176v2/1000000，v 為動車組速度（km/h）。

計算得到初速400km/h 緊急制動距離如表2，3 所示。

表2 初速400km/h 緊急制動距離- 4M4T Tab.2 Urgency braking distance at initial speed of 400km /h 4M4T

表3 初速400km/h 緊急制動距離- 6M2TTab.3 Urgency braking distance at initial speed of 400km /h 6M4T

3.4 推薦制動距離標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)以上計算得到的最長制動距離除以90%（余量參數(shù)） 得到初速400km/h 推薦緊急制動距離標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。

通過動車組減重或采用熱容量更高的基礎(chǔ)制動，得到初速400km/h 推薦緊急制動距離標(biāo)準(zhǔn)如表5 所示。

制動距離縮短并不制約動車組提速至400km/h，考慮技術(shù)指標(biāo)先進(jìn)性，為獲得更短的制動距離，推薦增加風(fēng)阻制動+8 套軌道渦流制動方案，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。

表4 推薦標(biāo)準(zhǔn)Tab.4 Recommended standard

表5 推薦標(biāo)準(zhǔn)- 減重Tab.5 Recommended standard- Weight loss

4 結(jié)束語

基于現(xiàn)有動車組常用制動配置， 初速400km/h 列車追蹤間隔理論時間為290s，仍滿足5min 追蹤間隔。 如需保證初速400km/h 列車追蹤間隔與初速350km/h 一致，只需提高最大常用制動減速度1.1163 倍即可。

基于現(xiàn)有動車組常用制動配置，可滿足C3 列控系統(tǒng)授權(quán)距離32km 的要求，并滿足35‰坡度，具有足夠余量。

縮短高速制動距離是未來動車組技術(shù)的重要研究目標(biāo)之一，是未來國內(nèi)制動技術(shù)的發(fā)展方向。 綜合考慮黏著限制、熱容量限制、增加非黏著制動，提出與發(fā)展水平相適應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)限值，得到了各工況下推薦緊急制動距離標(biāo)準(zhǔn)。