淺析我國高速動車組制動系統現狀與發展態勢研究

孟德浩

摘 ?要：制動性能對高速動車組的安全性和可靠性至關重要。筆者從制動方式、制動系統及制動控制的角度闡述了我國高速動車組制動系統的技術現狀，探討了高速動車組制動系統的發展趨勢。編組動拖比優化、有效利用非黏著制動方式、安全和可靠性設計等是未來制動系統發展的幾個關鍵技術問題。

關鍵詞：高速動車組;制動系統;編組動拖比;安全性和可靠性

中圖分類號：U266 ? ? ? ? ? 文獻標志碼：A

現代高速動車組多采用動力分散模式（即high-speed EMU），我國的CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型高速動車組，分別從德國（非加拿大）、日本、意大利（非法國）和德國引進，均為動力分散型電動車組（以下簡稱為電動車組）。自2007年第六次鐵路大提速以來，我國高速動車組快速發展，動車組運營速度不斷提高，目前已達到300 km/h。自2011年溫州事件發生后，安全問題成為限制動車組提速的一大關鍵問題。在滿足旅客舒適性、合理控制運營成本、維修成本等前提下，有效控制車速、縮短制動距離是解決電動車組安全問題的關鍵。該文對我國高速動車組制動系統現狀進行研究并淺析其發展趨勢。

1 高速動車組制動方式

列車制動就是通過人為的方式，依靠制動力使列車減速或停車，達到阻止其運動或加速的過程，其分類標準主要是制動時電動車組采用的動能轉移方式、制動力的獲取方式和制動源動力的來源。

1.1 按電動車組動能轉移方式分類

從能量的觀點來看，制動的實質就是將電動車組動能轉變成別的能量或轉移走。按照動能轉移方式的不同，動車組的制動可以分為2類。1）通過制動閘瓦與車輪摩擦，將動能轉化為熱能然后消散于大氣，被稱為摩擦制動方式。2）把動能通過轉化為電能，然后將電能從車上轉移出去，稱為動力制動方式，見表1。

1.2 按制動力形成方式分類

按電動車組制動力獲取方式，可分為黏著制動與非黏著制動，這是按照制動力形成是否依賴于輪軌之間的黏著關系而劃分的，見表2。

1.3 按制動源動力分類

目前電動車組所采用的制動方式中，制動的原動力主要有壓縮空氣和電力。以壓縮空氣為原動力的制動方式稱為空氣制動方式。如閘瓦制動、盤形制動等。以電為原動力的制動方式稱為電氣制動方式（簡稱電制動），例如動力制動、軌道電磁制動等。

2 高速動車組制動系統特點

2.1 動車組制動系統的組成

動車組的動能與速度的平方成正比，而在一定的制動距離條件下，動車組的制動功率是速度的三次函數。因此，傳統的空氣制動能力遠遠不能滿足需求。我國高速電動車組主要采用再生制動與空氣制動的復合制動模式，其包括多個子系統，主要由電制動系統、空氣制動系統、防滑裝置和制動控制系統等組成。其中制動控制系統是制動系統中由司機或列車自動控制系統ATC控制，產生傳遞制動信號并對制動力進行計算和分配的部分。由此可以看出，制動控制系統主要包括制動信號發生裝置、制動信號傳輸裝置和制動控制裝置3個組成部分。

列車自動控制系統（ATC）被引入高速動車組來輔助制動系統，ATP/LKJ是在我國運營線路上用來輔助司機在規定地點停車，防冒進、冒出、超速的主要系統。但我國目前運營的車輛是基于不同的平臺制造的，在相同的線路上可能存在幾種不同的控制信號，會給司機操作帶來困擾，同時不同信號間可能存在干擾，這些都是不容忽視的問題。對我國高速動車組而言，列車制動裝置是指動車制動裝置、拖車制動裝置的組合，它們共同形成完整的制動系統，強調系統的概念。我國動車組制動系統一般具有制動能力強、響應速度快、制動力計算分配準確性高、故障導向安全、制動沖動小的特點。

動車組是一個復雜精密的組合體，包括牽引系統、制動系統、控制系統等。動車組制動系統的設計需要綜合考慮系統平衡、工程造價、運營成本等問題。頭車帶有牽引電機時，由于電磁兼容問題會對動車組的控制信號產生影響;全部是動車的編組方式（8M0T;16M0T）時，動車組更輕量化，制動效果更好，維修成本更低，但工程造價會大幅度提升。根據實際運行情況得出，基于300 km高速電動車組平臺生產的CRH380A（6M2T）和永磁動車組（4M4T），在制動性能方面，CRH380A（6M2T）明顯優于永磁動車組（4M4T）。

2.2 CRH2型動車組制動系統

2.2.1 制動系統組成

CRH2型動車組的制動系統為電氣制動和空氣制動并用，稱為電氣指令微機控制的電混合制動，即對空氣制動與電氣制動進行復合控制。在CRH2型動車組上采用再生制動作為電制動方式，而空氣制動部分選用電氣指令進行微機控制的直通式電空制動系統。

列車編組中T車采用純空氣制動方式。M車和T車基礎制動裝置均采用帶氣壓—油壓變換的增壓氣缸和油壓卡鉗式盤形制動裝置（M代表動車，T代表拖車）。為減輕閘瓦的磨損，空氣制動采用延遲投入的控制方式。M車除了空氣制動方式，還有再生制動控制裝置（實際上是處于再生制動工況的牽引傳動系統）。制動控制采用1M1T的基本制動力控制單元，在單元內再生制動優先，實行延遲充氣控制。系統對再生制動和空氣制動進行協調控制，當制動控制器檢測到所產生的再生制動力不足時，依靠空電復合控制以空氣制動進行補充。如圖1所示。

2.2.2 制動系統原理

制動系統工作原理如圖2所示。動車組的制動指令是由司機制動控制器發出的，經列車信息監控網絡傳送到每輛車的制動控制裝置，由制動控制裝置的制動控制單元進行運算，按制動控制規律（減速度隨速度的變化而變化）控制EP閥（電空轉換閥）電磁部，并經中繼閥送出壓縮空氣到增壓氣缸，由基礎制動裝置完成制動功能。

CRH2型動車組可進行常用制動，快速制動，緊急制動、輔助制動、耐雪制動等操作，并新增停放制動以簡化原有需要在列車進庫后添加鐵鞋的煩瑣操作。CRH2型動車組制動系統采用具有適應黏著變化規律的速度-黏著控制模式，具有根據載荷自動調整制動的能力;防滑保護控制;充分利用再生制動，減少拖車空氣制動力的使用，有效降低運營及維修成本;具有車載ATP/LKJ的接口，施行安全制動，并具有故障診斷和相關信息保存功能。增加了停放制動模塊后，功能結構更加完善，在實際運營過程中具有較好的制動性能表現。

3 高速動車組制動系統技術的發展趨勢

3.1 非黏著制動

在黏著問題上的主要矛盾是要考慮高速行車和不良軌面狀態下黏著系數會降低。由于接收的反饋速度和位置信號存在誤差。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，非黏著制動作為輔助緊急制動系統是未來新型城市軌道車輛的發展趨勢。目前主要采用的非黏著制動有磁軌制動和軌道渦流制動等。借鑒航空產業，翼板制動（如圖3所示）作為空氣阻力制動的一種，在列車處于中高速范圍時產生的制動力是非常可觀的，可以成為該速度范圍的主要減速手段，使列車在無摩擦、非黏著式的制動作用下減速，在中速及以下速度范圍可以繼續采用常規的制動方式。

須解決3個問題。1）加強車體的減震降噪設計：處于高速擾流下的翼板，會使原有動車組的震動系統產生額外噪聲和震動干擾，提高了車體的減震降噪需求。2）保證輕量化設計：強大的縱向力直接作用于車體頂部，車體強度對應加強，同時需要保證車體的輕量化設計原則。3）提高經濟性：列車在中高速范圍內的巨大能量無法回收利用，影響了運營的經濟性。但翼板制動十分有效，具有豐富的研究價值，需要更好地與經濟性結合。

3.2 動拖比對制動系統設計的影響

隨著交流牽引電機技術的成熟，1992年，日本新干線300系列成為世界上第一個使用交流再生制動技術的車型。在此之前，動車組制動是將動能轉化為熱能。而在新干線300系列動車組上，一個帶有必要制動裝置的拖軸的質量（總重及簧下質量）大于動軸，而且產生更多的熱量并需要更多的維修費用。后來的500系列動車組采取了16M（0T）的編組方式取代了原有的10M（6T）編組方式，以實現動車組輕量化。

在我國CRH380系列高速動車組中，CRH380A及CRH380AL采用的是2頭車為拖車，中間車輛為動車的14M2T編組方式;CRH380B/C/D均采用的是2頭車為動車，中間車輛配以相同數量的動車和拖車：4M4T或8M8T。這2種頭車配置的主要區別在于以下2點。1）從制動控制系統的電磁兼容問題考慮，頭車為動車會對動車組控制信號傳輸產生不良影響。2）從利用黏著的角度考慮，頭車為動車更容易產生滑行。相反，頭車為拖車，中間車輛全部為動車的編組方式，沒有制動力直接作用在頭車的前端轉向架上，不需要復雜的防滑控制裝置，頭車前端轉向架車輪也完全不會產生滑行，因此可將頭車的車輪作為可靠的速度和位置傳感器檢測點，進行信號采集，反饋制動控制裝置。

綜上所述，我國目前正在運營的高速動車組并沒有統一的牽引系統標準，而即將上線的中國標準化動車組是2頭車為拖車的4M4T編組方式，筆者認為在經濟可行性上，更為優化的編組方式是2頭車為拖車，中間車輛盡可能多的配置動車車輛。以380AL為例，如果14M2T相比于CRH380A的6M2T編組成本更高，那么從工程造價角度，12M4T是更好的解決辦法。從運營成本角度考慮仍然是14M2T更為優化，并且制動性能也更好。

3.3 安全及可靠性設計

從高速動車組設計的觀點來看，一套安全、可靠、高效的制動系統是最重要的因素。動車組從時速30 km/h到停車地點的制動操縱都是司機通過制動控制器來進行控制的。向動車組發出制動指令時，人工操縱具有優先權。盡管在低速狀態下考慮到電制動失效，最終停車一定需要依靠機械制動裝置。高速動車組的常用制動和緊急制動方式一定要建立在以再生制動為主的電制動的基礎上，以避免產生大量的熱能。電阻制動雖然會產生大量熱能，但電制動系統仍應輔以電阻制動，特別是在一些電子系統不可靠的情況下，例如接觸網回流的干擾或者分相區邊緣等。

4 結語

我國開行高速動車組以來，取得了舉世矚目的進步。到目前為止，我國高速鐵路客運專線長度排名世界第一，總里程超過排在第二到第五名的西班牙、日本、法國、德國的總和。未來為了使我國高速鐵路能夠進一步提升運營速度，應致力于6個方面的研發工作。1）改善輪軌間的黏著狀態。2）研究一套行之有效的非黏著制動方式，以適應高速狀態下糟糕的黏著狀態。3）高速運行條件下的滑行控制。4）綜合考慮編組動拖比對于制動系統的影響。5）降低制動時盤體與制動閘片間產生的熱影響的對策。6）高速動車組安全性和可靠性設計。

參考文獻

[1]李芾，安琪.國內外高速動車組的發展[J].電力機車與城軌車輛，2007，30（5）：1-5.

[2]陳丹華.普通列車和CRH2型動車組制動力載荷分析[J].交通科技與經濟， 2014，2（4）：1-3，38.

[3]王辛成，周利軍.高速列車制動控制系統研究[J].城市減少理論研究，2014，13（8）：2647-2654.

[4]王俊勇，張昕.動車組制動系統技術分析探討[J].鐵道車輛，2005，43（2）：22-24.

[5]劉建.動車組制動控制系統方案設計及仿真研究[D].四川：西南交通大學，2012.