我國高速動車組非黏著制動必要性分析

李志龍

我國高速動車組非黏著制動必要性分析

李志龍

李志龍

南車青島四方機車車輛股份有限公司

本文闡述了輪軌黏著對制動距離的影響，分析對比了我國和其他國家高速列車制動形式的不同，總結了改善制動距離和減小摩擦副磨損的幾種措施，提出了我國高速動車組應適當增加非黏著制動技術的建議。

1 引言

我國CRH系列高速動車組普遍采用的是再生制動+盤形制動的電空聯(lián)合制動，這種制動方式的制動力最終靠車輪與軌道之間的黏著力提供車輛的制動力，屬于傳統(tǒng)的黏著制動?？墒丘ぶ禂?shù)隨著列車速度的升高而減小，且受軌道表面的狀態(tài)影響較大。在高速區(qū)域和軌道濕滑的條件下，車輛制動可以利用的黏著系數(shù)會大幅下降，輪軌黏著處于邊緣，將造成制動距離的加長和摩擦副的過度磨損甚至產(chǎn)生車輪“抱死”的故障工況。歐洲和日本的研發(fā)的高速動車組普遍采用非黏著制動與黏著制動相互配合的制動形式，以突破黏著極限對列車制動能力的突破。因此我國在今后動車組發(fā)展和統(tǒng)型的過程中，應該考慮增加非黏著制動裝置。

2 黏著與制動距離

下圖給出了各國干濕軌的黏著曲線，由圖中可以看出我國干軌與濕軌的黏著系數(shù)在同一速度等級，相差很多。在低速區(qū)段，黏著利用率高，但隨著速度的提高，黏著利用率呈下降的趨勢；新干線列車完全采用黏著制動方式，德國采用磁軌制動作為輔助制動形式，同樣濕軌的情況下，黏著利用率要大于新干線，會提高制動減速度，縮短制動距離。

日本新干線500系的制動速度從120km/h增加到300km/h，制動距離從660m增加到5km；當速度從300 km/h降低到275km/h，所需要的制動距離為900m。即隨著速度的提高，高速區(qū)段的制動距離占整個制動距離的比重將進一步增大。對比可以看出，非黏著制動可以使列車在速度情況下仍保持較高的減速度，應是未來更高速度等級動車組制動形式的發(fā)展方向。

3 磁軌制動

磁軌制動是通過將車輛轉向架上的磁鐵吸附在軌道上并使磁鐵在軌道上滑行才產(chǎn)生摩擦制動力的制動。磁軌制動分為電磁型制動和永磁型制動，其最大的優(yōu)點是產(chǎn)生的制動力不受輪軌間的黏著條件限制，其主要區(qū)別在于選用的磁鐵不同，前者采用的是電磁鐵，后者為永久性磁鐵。

磁軌制動的制動力取決于磁鐵長度、磁鐵對鋼軌的吸引力、軌道與極靴間的摩擦系數(shù)。在速度為250km/h時，每組磁鐵制動力的制動力可以達到3～3.5kN，每輛車若裝4組電磁鐵，在高速下可實現(xiàn)0.25m/s2的制動減速度。

磁軌制動時，由于電磁鐵對鋼軌的打磨作用，使得輪軌間的黏著系數(shù)明顯增加，改善了輪軌間的黏著狀態(tài)，加強了盤型制動和再生制動所產(chǎn)生的制動力。試驗表明，當制動初速度為210km/h時，若僅用盤形制動，制動距離為2500m；而增加了磁軌制動，制動距離最多可以縮短30％。

由于磁軌制動對鋼軌磨耗大，主要作為一種輔助制動方式，用于黏著力不夠的高速度時的緊急制動。國外采用磁軌制動方式設定：120 km/h以下時，不采用磁軌制動；140km/h及其以上時，應采用磁軌制動；在200km/h以上時，必須采用磁軌制動。

磁軌制動的不足之處是，其制動力的產(chǎn)生和消失都很突然，這種制動和緩解作用的突發(fā)性使其適合作為輔助性緊急制動裝置。另一個缺點采用磁軌制動，每個轉向架的質(zhì)量增加，每輛車附加約1t重量，所以在其他部件的設計時必須注意輕量化。

4 渦流制動

渦流制動分為盤式渦流制動和軌道渦流制動，只有軌道渦流制動才屬于非黏著制動。軌道渦流制動是將電磁鐵落至距軌面7～10mm處，電磁鐵與鋼軌間的相對運動引起電渦流作用形成制動力。制動時鋼軌感應出電流，由于鋼軌感應出的電流和磁場也是交變的，所以能產(chǎn)生制動力，列車動能轉換成軌道內(nèi)部的熱能。

德國ICE3型動車組首先采用了軌道渦流制動，試驗時列車從300km/h時渦流制動開始起作用，速度降低到大約230km/h時，渦流制動起到主導作用，低速的50km/h時，渦流制動仍然起作用。當70年代法國國營鐵路在型試驗中進行了大量渦流制動開發(fā)工作試驗結果表明：在300km/h～200km/h制動初速度下保持制動距離不變，可獲得0.9m/s2的減速度。渦流制動對電磁鐵與鋼軌間的間隙很敏感，氣隙每變化1mm，制動力就變化10％，隨著速度的增加，電磁鐵與鋼軌垂直力增加。整個制動機構通常處于提升位，制動時，電磁鐵下降，高度必須可調(diào)，以適應車輪磨耗。

渦流制動的能耗很高，即使短時的制動也會使勵磁線圈達到很高的溫度，Z70001型車在試驗時僅施行100s制動溫度溫度就高達210℃。施加渦流制動的列車連續(xù)通過一段軌道式，鋼軌亦會發(fā)熱，因此散熱是渦流制動的核心技術。

5 翼板制動

翼板制動是風阻制動的一種形式，是目前較為前衛(wèi)的制動模式。在制動時，利用車體伸出的減速板來增加風阻，產(chǎn)生制動力。日本Fastech360采用的翼板制動，可使空氣阻力增加3～4倍，可使制動初速度為360km/h列車獲得未使用翼板制動275km/h列車相同的制動距離。由于空氣的動力和速度成正比，改制動在高速時使列車獲得較大的制動力，是一種“綠色”的制動模式。

隨著我國高速列車走向世界，制動技術的發(fā)展趨勢必然是安全、環(huán)保、節(jié)能、便于檢修保養(yǎng)。電空聯(lián)合的黏著制動技術使摩擦副磨耗嚴重，對輪軌黏著依賴大，受環(huán)境因素的影響較大，且現(xiàn)有速度和制動裝置匹配下，黏著率的利用已接近飽和。為了進一步實現(xiàn)“走出去”戰(zhàn)略，應大力發(fā)展非黏著制動技術，搶占制動技術的制高點。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.004