70年來我國鐵路機車車輛制動技術的發展歷程(續)

李和平， 嚴霄蕙

(1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京電子科技職業學院 經濟管理學院, 北京 100176)

(二)

4 重載貨運制動技術

我國鐵路重載運輸開始于上世紀80年代初。改革開放以后，國民經濟快速發展，鐵路貨運量猛增，運量與運能的矛盾日益突出，發展重載運輸成為不二選擇。

1980年鐵科院機輛所首次向國家計委、國家經委和鐵道部建議實施重載運輸。國家經委和鐵道部采納了該建議，并安排鐵科院開展相關科研課題。1981年由國家科委、國家計委、國家經委及國家建委下達的交通系統主要技術政策研究中，鐵科院承擔了“鐵路牽引動力發展方向和發展步驟”、“提高旅客運輸能力及客車發展方向”、“鐵路大型貨車發展方向”等課題。鐵科院機輛所在1983～1984年期間，首次完成了4 000～5 000 t重載列車制動配套技術的試驗研究，并第一次在環行線進行了雙機牽引7 000～10 000 t貨運列車的探索性制動試驗。1984年，機輛所與北京鐵路局合作，在環形線和豐沙大線首次進行了5 000 t列車縱向動力學試驗，基本上摸清了長大重載列車的縱向力分布規律。

在此期間，為了適應貨車制動技術研究和發展需要，鐵科院將建于1964年的100輛編組貨車制動試驗臺，擴展為150輛編組。本世紀初為了適用于長大貨運列車制動試驗的需要，又將試驗臺擴展到200輛編組。

發展鐵路重載貨運的核心問題之一是制動問題。在開展重載列車研究初期，機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調整器；研制了400A/B型貨車制動機空重車自動調整器。這些新技術與103制動閥、新型制動缸等配套，運用于重載C62A敞車。與此同時，鐵科院機輛所與齊廠合作，成功研制了用于大秦線單元運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裝置和列車尾部主管壓力遙測裝置。

空氣同步制動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列車的機車自動制動閥連接，利用前部列車的列車管壓力變化控制后部列車的機車自動制動閥，代替了后部列車機車的司機操縱。列車制動時由本務機車操縱，第2列車的機車也參與列車的充風、制動和緩解作用，使組合列車制動和緩解過程加快。當時我國鐵路貨車主要是GK型制動機，在長大列車后部制動和緩解性能遲緩，再充風時間長，調速緩解沖動大，造成組合列車操縱困難，影響列車運行速度和通過能力。采用空氣同步制動裝置的8 000 t左右組合列車試驗數據表明，制動時間縮短了31～41%,緩解時間縮短了41～48%，再充風時間縮短了60%。空氣同步制動裝置為開行重載組合列車創造了條件，但是在試驗中出現的列車縱向沖動大的問題并沒有徹底解決。1984年在環行線進行的5 000 t103閥專列縱向動力學試驗中，20 km/h低速緩解試驗時出現列車中部車鉤鉤銷拉斷現象。在運行試驗時也曾經發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

為當時使用的2號車鉤強度低以外，制動機性能引起的列車沖動也是重要原因。試驗時還發現由于中部有機車，其質量大、制動率高，列車制動時中部的沖動更為明顯。

4.1 120型貨車制動機研制

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

1988年3月對引進美國的ABDW制動閥與我國的GK制動閥專列和混編列車進行了制動試驗，試驗中發現3個問題：

(1)用既有機車制動機操縱ABDW制動閥列車時，施加常用減壓后，保壓期間ABDW制動閥中的常用制動加速部排風不止，列車主管與副風缸壓力達到平衡才能停止,導致無法實現階段制動；

(2)ABDW制動閥在-40 ℃時無法正常工作；

(3)緊急制動后，第一次實施常用制動時，制動波速與GK閥相當。

基于上述試驗結果，鐵道部決定停止引進ABDW制動閥。后續又購買了德國BD-60制動閥進行試驗，也出現上述前兩個問題。鐵道部決定自主研制重載列車制動裝置，并把新型貨車制動閥的研制任務交給了鐵科院機輛所和眉山車輛廠，目標為滿足萬噸重載列車制動要求。

1989年鐵道部下達了設計任務書，要求新型制動閥的緊急制動波速>250 m/s、常用制動波速不小于180 m/s、緩解波速不小于150 m/s；采用直接作用方式，與既有貨車制動閥能夠無條件混編使用，可以與直徑φ254 mm和φ356 mm制動缸配套使用；與既有JZ-7、DK-1等型號機車制動機匹配，滿足最高速度80 km/h、長度1 500 m、質量10 000 t的重載貨運列車及最高速度100 km/h的快運列車在規定距離內停車的要求等。

在鐵路行業制動機設計時，普遍遵循如圖20所示的列車管減壓曲線。從圖中可以看出，當列車管壓力空氣的漏泄或減壓速度小于40 kPa/min 時，制動機不應發生制動作用，這是對制動機的穩定性要求；當減壓速度為10～40 kPa/s時，制動機應產生制動作用，這是對制動機的靈敏度要求；當減壓速度為70～80 kPa/s時，制動機應產生緊急制動作用，這是對制動機的緊急制動靈敏度要求。滿足了這些要求才能保證新制動閥與既有制動閥動作協調一致。

圖20 列車管減壓曲線

新制動閥設計中保留了103閥原有優點，吸取了國外制動機的先進經驗，全面調整了參數。采用直接控制方式，減小了風缸容積，更適應重載列車要求。新設置加速緩解閥和11 dm3加速緩解風缸，采用排風口壓力來控制加速部動作，由加速緩解風缸向列車管逆流從而達到加速緩解的目的，提高了緩解波速。在原103閥緊急閥中增設小尺寸的先導閥，提高了緊急制動波速。主閥的作用部滑閥上增設一個φ0.2 mm的呼吸孔,在常用制動后保壓時，可溝通列車管與制動缸，以平衡主活塞兩側壓力，以適應機車壓力保持操縱。新制動閥設計圖號為120，因此該閥被命名為120閥。120型空氣制動機組成如圖21所示。

圖21 120型空氣制動機組成

在室內試驗、大秦線萬噸運用試驗、耐寒運用考核、耐濕熱運用考核、高坡地區混編和壓力保持操縱試驗、低溫試驗等一系列試驗中，均取得良好的試驗結果。緊急制動波速達到270～280 m/s常用制動波速為225～255 m/s、緩解波速為180～200 m/s, 各項指標達到了同時代國外先進制動機水平(見表1)。120閥的研制成功，為大秦線開行萬噸重載貨運列車創造了條件。1994年起在全路推廣，迄今在全路已經有超過80%的貨車安裝了120閥。120閥的研制成功也使1954年制動會議制定的目標得以全部實現。

表1 貨車制動機的制動波速對比

120閥在設計之初，考慮到與GK閥混編運用的要求，暫時舍棄了常用制動加速功能。2002年大秦鐵路已經開行萬噸重載列車，年運量實現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，制動系統的充排風時間越來越長，而常用制動的排風時間直接關系到常用制動距離，影響列車的安全與效率。在2003年3月鐵道部的重載會議上提出在120閥上增加常用加速制動功能，滿足萬噸以上重載運輸要求，并能與ECP、Locotrol等裝置配套使用。該項工作由鐵科院機輛所承擔，并列入2004年鐵道部科研項目。

美國制動機在常用加速制動功能上也是走了一段彎路的。1975年，為了適應長大貨運列車進一步發展的需要，美國威斯汀豪斯公司在ABD閥基礎上增設了常用制動加速閥，以改善常用制動性能，縮短常用制動距離，這就是ABDW型閥。其常用制動加速閥采用脈沖式排風方式，運用中發現這種排風方式效果較差。在我國進行的ABDW閥與GK閥混編試驗時，正是這種排風方式導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閥的脈沖式排風改為連續排風，這就是后來的ABDX閥。ABDX閥改善了加速常用制動性能且比較穩定(試驗曲線如圖22所示)。

120閥在改進時借鑒了ABDX閥的成功經驗，增加了加速常用制動功能。適用在壓力保持條件(補風)下運用的同時，又能在沒有壓力保持條件下與GK閥、120閥混編使用。改進后的120閥定型為120-1閥。試驗表明，從制動缸升壓開始至制動管再減壓130 kPa，120-1閥制動管減壓時間比120閥縮短了17%(見圖23)。在大秦線進行的2萬t編組列車靜置試驗中，常用全制動時120-1閥排風時間比120閥縮短了28%。而且隨著列車編組增加，常用制動減壓時間縮短越多。

圖22 美國150輛編組列車ABDW閥與ABDX閥常用全制動試驗曲線

圖23 120-1閥與120閥單車對比試驗曲線

2005年120-1閥開始在大秦鐵路進行運用考核，并與Locotrol技術配套，進行了一系列不同編組的2萬t組合列車試驗。在1+2+1編組2萬t列車試驗中，各測試斷面中最大車鉤力比安裝120型制動機的敞車減小了41%～59%，平均值減小了30%～52%。4×5 000 t編組2萬t列車試驗中，各測試斷面中最大車鉤力比安裝120型制動機的敞車減小了37%～58%，平均值減小了21%～48%。說明采用120-1型制動機等設備后能明顯減小列車制動時的車鉤力。目前120-1型制動機已廣泛應用于我國鐵路重載列車及貨車。

4.2 CCBⅡ電空制動機和Locotrol無線同步操縱技術

2萬t重載列車除了貨車采用120-1制動機，機車還采用了CCBⅡ電空制動機和Locotrol無線同步操縱技術。

為了開行2萬t重載列車，2003年鐵道部組織考察組對美國、南非鐵路重載運輸技術進行研究及考察，對Locotrol技術和ECP(Electronically Controlled Pneumatic，電控空氣制動系統)技術等進行對比分析。通過考察認為Locotrol由于采用技術無線同步控制方式，牽引動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裝置結構簡單，只需對機車加裝改造，成本較低，有利于維護管理。在保障無線通信可靠性的前提下，采用Locotrol技術更適合中國國情和大秦線實際情況。因此決定引進Locotrol技術，并對CCBⅡ電空制動機進行試驗驗證。

CCBⅡ電空制動機是NYAB公司(New York Air Brake，后來被Knorr公司收購)開發的基于LonWorks網絡技術、為滿足干線貨運和客運機車需要而設計的采用微機控制的電空制動系統。可通過網絡連接每個可替換單元(LRU)，對制動系統的功能進行實時控制。

CCBⅡ制動系統主要由電子制動閥EBV、電空控制單元EPCU、繼電器接口模塊RIM、集成處理器模塊IPM、協議轉換器等組成(如圖25所示)。電子制動閥EBV是一個雙手柄控制器，司機可在機車上施加自動制動和單獨制動，還能夠快速緩解或單獨緩解機車控制系統施加的自動制動。電空控制單元EPCU集成了空氣制動系統的大部分電子和氣動部件。繼電器接口模塊RIM為機車系統和常用列車線信號提供接口，繼電器的動作由不同的空氣制動系統部件控制。集成處理器模塊IPM是控制系統的主處理器，并與機車進行通信。協議轉換器通過一個共用通信總線把制動系統與機車其他電子部件和系統相連接。

圖24 Locotrol控制方式中牽引動力分布示意圖

圖25 CCBⅡ電空制動機的組成示意圖

CCBⅡ制動系統具有自動制動、單獨制動、緊急制動、后備空氣制動、列車管流量檢測、空電聯合制動、防滑控制、停放制動控制等功能。還具有自檢、校準以及故障和事件記錄功能。

在2004年10～12月鐵科院承擔的大秦線2萬t重載組合列車試驗中，試驗用機車為SS4電力機車，機車上安裝了CCBⅡ電空制動機和Locotrol裝置。試驗前期敞車配置了120型制動機，后期安裝了120-1型制動機。試驗列車由4臺SS4電力機車和204輛C80運煤專用敞車按分散動力方式組成組合列車，另外加掛了試驗車。列車制動性能試驗數據如表2所示。從表中可以看出，兩種組合列車制動性能基本一致，組合列車減壓時間比單編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、緩解時間比單編2萬t列車縮短50%，與單編1萬t列車相當。說明采用Locotrol裝置可以大大縮短超長列車的減壓時間和再充風時間，全列車的制動、緩解作用更趨一致，使列車操縱更加靈活，有利于減小制動時的縱向車鉤力。試驗證明采用Locotrol技術和CCBⅡ電空制動機的技術方案是可行的。目前CCBⅡ電空制動機和Locotrol裝置已經廣泛應用于我國鐵路重載運輸。

表2 不同編組方式列車制動性能試驗數據對比

2014年4月在大秦線進行了3萬t重載組合列車試驗，試驗列車由4臺電力機車動力分散牽引,采用1主3從控制方式。其中3臺為HXD1機車,尾部加掛1臺SS4機車；每個單元105輛C80重載貨車，共315輛，外掛1輛試驗車。列車總編組320輛、總牽引質量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

試驗表明，在通信正常情況下，3萬t組合列車主從機車之間空氣制動、緩解同步時間均在4 s之內、牽引級位調整同步時間基本在6 s之內，同步時間與1+1編組2萬t列車基本相當，列車編組長度及從控機車數量的增加對Locotrol同步作用時間沒有明顯影響。列車再充風時間比1+1編組2萬t列車縮短了50%～66%，尾部加掛SS4機車改善了列車制動、緩解同步性。電空配合循環制動調速區段出現的車鉤力大值與空氣制動的施加、保壓、緩解過程沒有明顯的對應關系，而與線路縱斷面、牽引/電制動施加及退出、機車過分相操縱方式等關聯性較強。

4.3 ECP電控空氣制動系統

目前長大重載組合列車基本是采用了動力分散同步控制技術，提高了列車牽引和制動的同步性，減小了列車縱向沖動。但在組合列車各單元內的制動、緩解作用仍然是依靠空氣制動機實現的。由于受到空氣制動系統制動波速和泄漏等因素的影響，運行中由于列車前后部制動作用不同步造成的縱向沖動難以避免。大秦線的2萬t重載組合列車試驗也證明了這一點(見圖27，最大車鉤力出現在中部機車前后)。另外，列車在長大坡道運行時，由于貨車空氣制動機沒有階段緩解功能，長大編組重載列車制動后再充風時間比較長，再充風不足可能導致制動力衰減，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系統 (ECP)，1997年開始在北美裝車試驗。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技術。

ECP制動技術分為有線和無線2種方式。由于無線 ECP 方式受到諸多因素的約束, 其技術尚未成熟，目前ECP 制動技術以有線方式為主，有線方式采用網絡控制技術。ECP電控空氣制動系統由機車和各車輛上的控制單元及列車網絡組成，通過貫穿列車的總線電纜將機車及車輛設備連接成一個系統，在尾部車輛設有尾車裝置，形成列車通訊的首尾呼應。

2013年開始鐵科院機輛所陸續承擔了鐵路總公司和科技部多項ECP科研項目。鐵科院ECP技術方案如圖28所示，列車根據機車發出的制動、緩解電氣指令實現制動、緩解作用。在ECP故障或在傳統編組列車的空氣制動方式下，可以根據列車管壓力的變化實現車輛制動和緩解作用。車輛的電空制動裝置采取與120-1型制動閥疊加的方案，因此車輛不需要任何改動就可與既有貨車混編運用。

圖28 ECP技術方案示意圖

ECP制動系統利用傳統的制動缸和副風缸，列車管相當于總風管，始終向副風管充風。機車制動控制器通過電纜將指令發送給各車的控制單元，車輛控制單元控制電磁閥使副風缸向制動缸充風，或使制動缸排風，實現列車的制動、緩解。ECP狀態下制動缸充、排風如圖29所示。

圖29 ECP狀態下制動缸充、排風示意圖

由于是電氣指令，各車幾乎同時接收到制動命令，能夠實現全列車同步制動、緩解和再制動。從ECP與空氣制動的對比試驗能夠看出二者的明顯差異(如圖30所示)。ECP系統還具有接受車輛狀態信息、對列車狀態進行監控、向司機提供相關信息等功能。

2014年7月至2015年1月在瓦日線的重載列車試驗中對空氣制動系統和ECP系統進行了對比試驗。試驗機車和車輛均安裝了鐵科院機輛所研制的ECP制動裝置。試驗列車編組包括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臺機車+1輛試驗車+100輛C96敞車+2臺機車。

試驗結果表明，與傳統的空氣制動系統相比，由于ECP具有階段緩解功能，使列車操縱更加靈活。ECP制動系統制動指令傳輸快、同步性好(如表3、表4所示)，制動后再充風時間明顯小于空氣制動(如圖31所示)。列車的緩解速度顯著提高，使得列車的制動緩解更具有操作性。尤其是在長大坡道循環制動時，列車再制動能力可靠，可提高列車在長大坡道上的平均運行速度。由于制動空走時間短，常用制動距離及緊急制動距離比空氣制動縮短了8%～14%(如表5所示)。列車的制動、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減小約50%，縱向加速度最大值4.7 m/s2，遠小于空氣制動最大值17.6 m/s2，(如表6、表7所示)。采用ECP制動系統的縱向動力學性能明顯優于空氣制動。

表3 12 000 t編組列車制動和緩解時間對比

表4 不同編組列車制動升壓時間對比(定壓600 kPa)

圖31 8 000 t編組再充風時間對比曲線

表5 制動初速度100 km/h平直道緊急制動距離對比(平均值) m

表6 壓鉤力最大值及對應位置

表7 縱向加速度最大值

5 高速列車制動技術

5.1 早期研制工作

早在1978年鐵科院就立項《交流電動車組制動系統的研究》、《高速旅客列車電空制動機的研制》，開展動車組制動技術的研制工作。1990年鐵道部在鐵路科學技術發展計劃中，立項開展“中國高速鐵路發展模式和規劃的研究”項目，鐵科院承擔并完成了《我國發展高速鐵路的戰略設想》報告，同年年底完成了《京滬高速鐵路線路方案構想》報告。1991年 《高速鐵路運輸新技術研究》等列為國家“八五”重點攻關計劃，此后鐵道部組織開展了一系列高速客車的研究課題。鐵科院機輛所承擔了一系列與動車組制動技術相關的研究課題，如《高速列車制動技術的研究》、《高速客車主要部件的研究》、《高速列車制動系統關鍵部件的研制》等，對高速動車組制動系統技術條件、關鍵零部件等進行了研究和研制。

“九五”期間《200 km/h電動旅客列車組和動力分散交流傳動電動車組研究》等列入國家重點科技攻關項目，鐵科院機輛所承擔了鐵道部科研項目《200 km/h電動車組總體技術條件研究》、《200 km/h電動車組轉向架預研究》、《200 km/h電動車組非動力轉向架的研究》、《300 km/h高速列車制動系統總體》、《200 km/h動力分散電動車組綜合測試技術前期研究》、《動力車動力學制動、受電弓等技術研究》、《高速列車電空制動控制系統的研究》等。

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

《200 km/h動力分散交流傳動電動車組》(即“先鋒號”)項目是由浦鎮廠、鐵科院、同濟大學、株洲所等多家單位聯合研制的第一列動力分散交直交傳動電動車組，其運營速度200 km/h、最高試驗速度250 km/h。該動車組由兩個單元共6輛車組成,每個單元包括2輛動車和1輛拖車。該動車組的制動控制系統由同濟大學研制、基礎制動裝置由鐵科院機輛所研制。“先鋒號”動車組在國內率先研制成功微機控制直通電空制動系統，其基礎制動裝置采用了合金鍛鋼制動盤(動力車采用輪裝制動盤、拖車采用軸裝制動盤)，這是國內首次研制成功高速列車鍛鋼制動盤。2002年9月10日該動車組在秦沈線最高試驗速度達到292 km/h，創造了的當時我國鐵路列車的最高速度記錄。

2000年國家計委將270 km/h高速列車正式列入國家高新技術產業化發展計劃項目，并將列車命名為“中華之星”，2001年鐵道部下達《270 km/h高速列車設計任務書》。該項目由株洲廠、大同機車廠、長客廠、四方廠、鐵科院、西南交通大學等多家單位共同參與，鐵科院機輛所負責制動系統。

“中華之星”動車組屬于交流傳動動力集中型電動車組，由2節動力車和9輛拖車組成，兩個動力車分別編組在列車頭部和尾部，以推挽方式運行,運營速度270 km/h、最高速度300 km/h。該動車組采用鐵科院自主研制的微機控制直通電空制動系統，該系統由控制系統、防滑裝置、基礎制動裝置及備用空氣制動等組成。電空制動具有1～7級常用制動和電空緊急制動，并能與動力車的再生制動自動復合。各車輛的制動控制單元根據制動指令、空氣彈簧的荷重信號，計算出相應制動等級下的目標制動力，并通過E-P電磁閥的閉環控制實現制動缸壓力的自動調整，從而產生再生制動與電空制動復合的空電聯合制動，實現基本恒減速度控制。各車輛的BCU接受直通電空制動的制動總線指令(硬線指令)及網絡控制指令的冗余控制，以硬線指令為主(見圖32)，具有多種故障導向安全的保護措施。

圖32 “中華之星”動車組制動控制原理圖

“中華之星”的備用制動機采用F8型自動空氣制動機，由直通電空和F8所產生的控制壓力同時進入空/電轉換電磁閥，并由空/電轉換閥的得電狀態進行切換。采用相對獨立的TFX2型電子防滑裝置實現防滑檢測和控制。基礎制動裝置采用合金鍛鋼制動盤、粉末冶金閘片和具有自動調整閘片間隙的制動夾鉗單元。制動盤及閘片具有良好的抗熱裂、摩擦性能穩定性及耐磨性，使列車的制動能力得到很大提高，確保了制動距離目標的實現。2002年11月27日“中華之星”動車組在秦沈線試驗中最高速度達到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”等動車組研制過程中，開展了大量研究、試制、試驗、驗證工作，積累了豐富的歷史資料，培養鍛煉了一批研發設計、生產制造、運用維護人才，初步建立了動車組技術研發平臺和試驗檢驗手段，提高了我國高速列車自主創新的能力，為后來我國高速列車技術的持續深入研究創造了條件。

5.2 技術引進消化吸收和高速列車制動系統研發設計平臺研發

2003年鐵道部實施鐵路跨越式發展的戰略。提出鐵路技術裝備“引進先進技術，聯合設計生產，打造中國品牌”的總體要求和引進“先進、成熟、經濟、適用、可靠”技術的基本方針，進行國外先進技術裝備的引進、消化和吸收，加快國產化進程。從2004年10月開始，鐵道部通過招標方式，引進了龐巴迪、川崎、西門子、阿爾斯通的動車組技術，對應的是和諧號CRH1、CRH2、CRH3、CRH5動車組技術平臺。

和諧號動車組制動技術引進、消化和吸收工作分別由鐵科院機輛所、南京中車浦鎮海泰制動設備有限公司(主要負責CRH2平臺的制動控制部分)、中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司(主要負責CRH2平臺的基礎制動裝置)等單位承擔。鐵科院機輛所負責消化和吸收從KNORR公司引進的高速動車組制動技術，主要用于CRH1、 CRH3、CRH5動車組。

根據技術引進時中方的要求，和諧號動車組均采用微機控制直通電空制動系統(見圖33)、空電聯合復合制動模式。制動系統具有常用制動、緊急制動、停放制動、防滑控制、故障診斷等功能。為了提高制動時的乘坐舒適度，常用制動沖動限制的極限值為0.75 m/s3。基礎制動裝置均采用盤形制動，對于不同的車型，分別采用了軸裝制動盤、輪裝制動盤，制動盤的材質有鑄鋼、鑄鐵、鍛鋼。制動缸夾鉗單元有帶停放制動和不帶停放制動兩種形式。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 和諧號動車組制動系統基本組成

技術引進只是手段，消化吸收后的自主創新才是最終目的。在對引進技術消化吸收的同時，我國鐵路動車組制動技術的自主研發工作始終沒有停止。在此期間，科技部、鐵道部組織了一系列動車組技術自主研發項目，如鐵科院主持、參與的科技部“十一五”科技支撐計劃項目《高速輪軌鐵路引進消化與創新》(其中包括課題《350 km/h動車組制動系統技術研究、試制及試驗》)、科技部和鐵道部針對高速鐵路核心技術體系的自主創新制定的《中國高速列車自主創新聯合行動計劃》、國家科技支撐計劃項目《中國高速列車關鍵技術研究及裝備研制》(其中包括《高速列車牽引傳動與制動系統》)、鐵道部科技研究開發計劃《高速動車組制動系統技術規范的研究》、《動車組制動系統控制模式優化的研究》、動車組關鍵技術自主創新深化研究(包括CRH3C型動車組制動系統自主化替代研究)等。同時，鐵科院機輛所還在國家相關部門、鐵道部和鐵科院的支持下，開展高速列車制動系統研發設計平臺建設工作。

2007年國家發改委下發了《關于高速鐵路系統試驗國家工程實驗室項目的復函》， 2008年鐵道部下發了《關于中國鐵道科學研究院高速鐵路系統試驗國家工程實驗室建設項目建議書的批復》。結合“兩部聯合計劃”等科研項目，鐵科院機輛所設計和建設了高速列車制動系統研發設計平臺。該平臺主要由高速鐵路系統試驗國家工程實驗室高速動車組制動系統試驗室和高速動車組制動系統設計仿真開發平臺組成(見圖34)。

高速動車組制動系統試驗室包括高速動車組電空制動系統試驗臺(見圖35)、最高試驗速度500 km/h的1∶1基礎制動試驗臺(見圖36～圖38)、最高試驗速度500 km/h的1∶1渦流制動和磁軌制動試驗臺(見圖39)、高速動車組制動系統關鍵零部件試驗臺。該試驗室可進行高速動車組控制系統、基礎制動裝置、關鍵零部件的性能、可靠性試驗分析和驗證，低溫和冰雪等環境條件下制動系統的試驗研究。渦流制動和磁軌制動試驗臺用于高速列車渦流制動等新技術研究和產品試驗。1∶1基礎制動試驗臺在2018年通過了國際鐵路聯盟(UIC)的國際認證并取得證書，這是迄今為止歐洲以外唯一一臺通過UIC認證的1∶1制動動力試驗臺，標志著我們的試驗技術得到了國際同行的認可。

高速動車組制動系統設計仿真開發平臺包括制動電子控制仿真設計平臺、制動氣動系統仿真設計平臺、制動摩擦副仿真設計平臺和關鍵零部件流體力學仿真設計平臺。可從事制動系統機械、氣動、電氣電子等多學科系統工程的建模和仿真(見圖40、圖41)，進行列車制動系統元件級、部件級和列車級制動系統仿真分析，以及制動控制策略與算法，包括制動控制、防滑控制、供風控制、網絡技術及故障保護與診斷等功能、性能的研究和控制系統軟件校驗測試，制動摩擦副結構、溫度場及應力場仿真分析。

圖34 高速列車制動系統研發設計平臺組成

圖35 高速動車組電空制動系統試驗臺

圖36 高速1∶1基礎制動試驗臺

通過引進消化吸收再創新，全面掌握了高速動車組制動系統的關鍵技術，并在多年動車組運維技術研究中積累了大量的經驗和數據。與此同時，高速動車組制動系統研發設計平臺和制造平臺的構筑，大大提高了我國高速列車制動系統的研發實力、試驗檢驗水平和生產制造行列，使我國高速列車制動系統的研發設計、制造手段進入世界先進行列，為自主化高速列車制動系統的研制及產業化奠定了重要的基礎。

圖37 制動速度420 km/h制動盤試驗

圖38 低溫冰雪試驗

圖39 渦流制動試驗臺局部

圖40 電子制動控制裝置快速控制原型構建

圖41 限壓閥的建模及測試

5.3 高速動車組制動技術的深入研究

通過引進消化吸收再創新，實現了裝備現代化的重大跨越。但部分關鍵技術和系統還沒有完全掌握；另一方面，我國既有動車組型號多、標準和運用維護界面差異大，同一速度不同供貨商生產的動車組無法重聯運行，影響了運用效率，加大了維修難度和運用成本。

為解決上述問題，2012年原鐵道部(中國鐵路總公司)決定從我國鐵路運輸需求出發，采用正向設計的技術路線，針對未掌握的關鍵技術，以全面擁有核心技術和源代碼、實現自主知識產權為目標，研制自主化的速度350 km/h動車組技術平臺，并形成批量生產制造能力。力求根據中國鐵路特點制定中國標準，建立具有中國鐵路特色和完全自主研制的動車組技術平臺，在關鍵技術上實現中國鐵路特有的自主創新。通過中國標準動車組的研制，實現動車組的互聯互通及統型需求，實現同一速度等級動車組可重聯運營，不同速度等級動車組可相互救援等基本目標。同時，進一步提高我國機車車輛裝備制造業整體科研軟實力。

中國標準動車組項目由中國鐵路總公司主導組織實施，中國鐵道科學研究院技術牽頭，中車集團及其相關企業設計制造、大學和科研院所等單位技術支持，產學研用協同創新。

速度350 km/h中國標準動車組為動力分散型電動車組，其中8輛編組列車為4動4拖兩個牽引單元(Tc+M+Tp+M)組成(見圖42)，最高運營速度為350 km/h，兩列中國標準動車組可互聯互通、實現重聯運行。

圖42 速度350 km/h中國標準動車組(8輛編組)示意圖

復興號動車組研制是國家戰略性新興產業示范工程，鐵科院機輛所和北京縱橫機電技術開發公司(現更名為北京縱橫機電科技有限公司，簡稱縱橫機電)承擔了中國標準動車組制動系統的自主研制工作。研制過程中以系統工程理論為依據，開展了從需求分析、功能分解、仿真設計、樣機試制、系統集成、試驗驗證等一系列設計創新活動。起草編制了速度350 km/h中國標準動車組技術條件、互換統型部件技術要求和技術條件、涉及制動系統的互聯互通接口技術規范。進行了自主化制動系統技術方案研究和設計，攻克了制動控制邏輯、高熱負荷摩擦副、高速防滑策略、智能診斷和互聯互通等關鍵技術難題，突破國外公司的技術封鎖，填補了國內的技術空白。全面掌握了制動系統關鍵核心技術、系統集成技術、試驗驗證技術和運用維護技術等，自主建立了研發、產品、試驗、制造和維護平臺，主持編制了相關技術標準和技術條件30余項，形成了比較完整的高速列車制動系統標準體系和從部件級到系統級完整的產品群。

中國標準動車組制動系統是智能化制動系統，按照“故障導向安全”的原則進行設計，制動系統為車控方式，按列車級進行空電復合制動控制，控制策略考慮動力制動優先，只有當動力制動能力不足時，才使用空氣制動。系統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等進行通訊。司機控制器的7級制動指令通過列車硬線傳送到各車的制動控制單元，主控端車的列車控制系統檢測硬線制動指令后發送到各車。

制動系統主要由制動控制系統(司機制動指令設備、制動控制設備)、空氣防滑裝置、基礎制動裝置、風源裝置、空氣懸掛裝置、停放制動控制系統、撒沙裝置、升弓裝置、救援回送裝置、風笛控制裝置等組成(見圖43)。

制動系統的列車級主控功能可實現全列車制動力管理、分配和計算。列車中的每個MVB網絡單元(2動2拖)內具有單元主控功能的EBCU，進行MVB網絡單元內的制動力管理、分配和計算。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中國標準動車組制動系統組成

圖44 速度350 km/h中國標準動車組制動力管理示意圖

動車組設救援轉換裝置，在救援和回送時可由采用自動式空氣制動系統的既有機車操縱控制。不同速度等級的動車組可以互相救援。

系統具有常用制動、緊急制動EB、緊急制動UB、停放制動、保持制動、清潔制動、乘客緊急制動、WSP、DNRA、制動力分級控制、撒沙、升弓供風控制、主空壓機控制、制動系統監測、診斷和故障記錄、制動試驗、回送和救援等功能。

2015年6月兩列速度350 km/h中國標準動車組樣車制造完成下線， 2016年10月動車組完成試驗和運用考核。試驗期間，標準動車組單列最高試驗速度達到了428.6 km/h，交會和重聯試驗速度達到了420 km/h，這是世界上首次實現動車組列車420 km/h交會和重聯運行，進一步驗證了中國標準動車組整體技術性能。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準動車組命名“復興號”的決定， 6月26日開始“復興號”動車組在京滬高鐵投入運營。

目前，采用縱橫機電制動系統的“復興號”動車組已經奔馳在祖國廣袤的大地上。截止到2019年3月底，“復興號”動車組累計運營里程超過1.5億km，縱橫機電的制動系統為“復興號”動車組安全運行發揮了非常重要的作用。也標志著我國鐵路機車車輛制動技術已經躋身世界先進行列。

6 參與國際鐵路標準制訂

6.1 主持參與UIC標準制訂

中國高速鐵路和重載運輸技術的發展得到國際社會的高度重視并大大提升了中國在國際高速鐵路和重載運輸行業的地位。近年來，國際標準化組織主動邀請我國參與國際鐵路標準的制訂，中國鐵路的一些技術標準已逐步融入國際標準。鐵科院主持參與了多項國際標準的編制工作，其中包括機車車輛制動技術標準。

國際鐵路聯盟(UIC)成立于1922年，是鐵路行業歷史最悠久、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UIC鐵路系統委員會指導委員會，并于2012年加入UIC標準化平臺核心小組。

鐵科院參與UIC制動技術相關標準制訂工作始于2010年，該工作組由中國鐵道科學研究院(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)、比利時鐵路公司(SNCB)五個成員組成，主要職責是討論修訂標準UIC541-03《 制動-各種制動部件的構造規范-司機制動閥/司機制動控制器》。在修訂標準UIC 541-03過程中，中國高速列車直通電空制動技術寫入了新版的UIC 541-03 標準, 并成為強制執行的內容，使得中國高速動車組制動系統有了國際標準的支撐。

根據中方的建議，國際鐵路聯盟UIC/SET7制動專業委員會第228次工作會議于2014年6月23至27日在北京展開。這是UIC/ SET7制動專業委員會首次在歐洲以外的地區舉辦會議，體現了中國鐵路制動技術的影響力。

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

除了上述標準外，鐵科院機輛所還代表中方參與了UIC 541-01《制動-空氣制動缸/制動單元(包括踏面和夾鉗單元)-制動缸和制動單元認證通用技術條件》、UIC 541-03《制動-各種制動部件的構造規范-司機制動閥/司機制動控制器》、UIC 541-04《制動機-制動機部件制造規程-根據載重率自動調整的制動系統及空重車制動位自動控制器》、UIC 541-06 《制動-磁軌制動裝置技術條件》、UIC 541-3《制動-盤形制動及其應用-閘片批準使用的通用條件》、UIC548《制動-摩擦試驗臺的國際認證要求》等UIC標準的修改制訂工作。

6.2 主持參與ISO標準制訂

在參與UIC標準制訂工作的同時，鐵科院還代表中國鐵路總公司參與ISO標準制訂工作。

ISO/TC 269“鐵路應用”是ISO在鐵路應用領域設立的唯一專門技術委員會，成立于2012年。在此之前，ISO中沒有專門針對鐵路行業的技術委員會，也沒有專門針對鐵路行業的 ISO 標準。 2012年10月30～31日ISO /TC269技術委員會在德國柏林舉辦了第1屆年會，正式啟動了鐵路領域ISO標準的制定工作，此次年會上確定了首批鐵路領域擬制訂的3個ISO 標準，其中包括“制動性能計算”。

ISO/TC 269中國技術對口單位設在中國鐵道科學研究院。鐵科院機輛所代表中方從2013年開始參加ISO鐵路制動專業標準的編制工作。2013年4月開始，由中國、英國等8個國家的制動專家組成“WG01制動計算”工作組，開始ISO“制動計算”新項目提案NWIP(new Work Item proposal)的制定及其他相關工作。

2014年ISO將AHG04特別工作組升級成為ISO/TC 269/SC2/WG01“鐵路制動”工作組，工作范疇從單一的制動計算標準制訂擴展為涵蓋軌道交通制動領域ISO標準框架的規劃并負責所有制動領域ISO標準的制訂、修訂和管理。

圖45 UIC直通電空制動系統標準框架

2014年WG01鐵路制動工作組開始“制動計算”標準ISO 20138的編制工作。該標準由兩部分組成,ISO 20138-1《鐵路應用-制動性能計算(停車制動、減速制動和駐車制動)-第1部分：采用均值計算的通用算法》、ISO 20138-2《鐵路應用-制動性能計算(停車制動、減速制動和駐車制動)-第2部分：采用逐步計算的通用算法》。該標準梳理了各個國家制動計算方法，形成一個統一的制動計算方法平臺，縮小了各國家計算方法的差異，消除了國際間的技術壁壘，有助于我國鐵路機車車輛行業向國外的業務擴展。目前，該標準已經發布FIDS 稿(國際標準草案終稿)。該標準將是ISO鐵路應用委員會成立后第一個正式發布的鐵路標準。鐵科院機輛所自主開發的制動計算軟件不僅可實現ISO制動計算國際標準規定的計算內容，還可根據列車不同制動控制策略及遇到的故障工況進行理論計算，計算結果可自動生成報告，軟件各項功能與歐洲開發的制動計算軟件基本一致。

2014年ISO/TC 269鐵路應用技術委員會年會上，鐵科院機輛所提出“直通式電空制動系統”NWIP提案，工作組提議建立一個調研組調研直通式電空制動系統的接口、功能、需求等任務，以便于了解直通式電空制動系統當前發展狀態。2015年10月WG01工作組在北京(鐵科院機輛所)召開了工作組會議，經過各國與會專家多輪商討，最終一致同意將“直通式電空制動系統”NWIP提案升級成為“制動系統通用要求”NWIP提案。2018年3月的工作組會議上由各國參會專家共同對NWIP草稿進行了修改和確認。

并明確該標準的負責人是機輛所李邦國博士。在2018年11月ISO/TC269/CAG會議上，同意就該提案發起立項投票，2019年6月10日立項投票完成，獲得通過。目前NWIP草稿已經提交ISO/TC269/SC2 技術委員會。

“制動系統通用要求”屬于制動系統頂層標準，級別明顯高于“直通式電空制動系統”。該標準將為ISO框架內所有機車車輛制動系統標準、部件標準的編制奠定基礎。新標準一旦發布，將為列車生產廠家、制動系統供應廠家、鐵路運營商以及鐵路管理機構相互討論溝通打下基礎。

7 結束語

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