列车制动讲义

为达到纵向舒适性的高要求，高速列车制动系统必须采用下述关键技术：
1.采用微机控制的电气指令制动系统以实现制动过程的优化控制，并在提高平均减速度的同时尽量减少减
速度的变化率；
2.对复合制动的模式进行合理设计，使不同型式的制动力达到较佳的组合作用；
3.减少同编组列车中不同车辆制动力的差别，以缓和车辆之间的纵向动力作用；
表3.3.3旅客列车的纯空气制动作用制动距离限制 m
初速/km·h-1
紧急制动
常用全制动
减压 130 kPa (0.8 倍全值)
120
800
140
1 100
1 400
1 750
160
1 400
1 750
2 200
200
1 800
2 100
2 500
300
4 500
4 800
5 300
注：200,300 km/h列车为在纯空气制动条件下的仿真计算结果。
计算机网络控制并传递全列车各车辆的制动信息。当该控制系统发生故障时能自动转为电空制动作用。在电气
故障或电空制动故障时，能依靠空气制动的列车管减压实现系统的纯空气制动作用，并保证在不良状态下的制
动距离。
此外，在高速列车微机控制的制动控制过程中需要有大量的信息输人、数字运算和输出指令，为防止故障，
在该指令系统的设计中也需要考虑相应的可靠性措施。
3 000(磁轨)
4 000
3 500
1.2
<1.0
1.0
按 UIC 规定限速 250 km/h
-5960 坡道：3 450 m
-12.5‰坡道：3 860 m
常 用
平均减速度使用范围 制 动
0.3～O.75 m/s2 (300 系 0.6)
按 UIC 建议：≤0.7 km/s2 小于 5‰坡道：0.5 m/s2 小于 12.5%0 坡道：0.44 m/s2
发展，网侧变流器能迅速、平滑、无接点地实现牵引与再生制动的转换，即实现能量双向流动的功能，使三相
异步电机由牵引电机变为发电机，在动轴上传递动力矩，从而产生制动作用。图3.3.2为直流电机产生的再生制
动回路原理图。
图3.3.2 直流电动机的再生制动回路 由此可见动力制动的特性主要取决于牵引电机的特性，其功率亦与牵引电机的功率相当，所以具有多个牵 引电机的动力分散方式往往具有更强大的动力制动能力。 2.空气盘形制动 高速列车的空气制动系统普遍采用盘形制动方式取代踏面制动，后者即使被使用也仅仅是作为踏面清扫装 置的作用。盘形制动具有较好的摩擦性能和更大的制动能力，后者不仅取决于盘形制动的制动盘数，也取决于 其散热性能和耐磨性。这些性能需要通过设计合理的制动盘结构形式和制动闸片材料才能取得。目前在高速列 车上有二类制动盘的基本结构型式
表3.3.3)。因此高速列车必须采用能提供强大制动力并更好利用粘着的复合制动系统。该复合制动系统通常由
制动控制系统、动力制动、空气制动(包括盘形制动和踏面制动)系统、微机控制的防滑器和非粘着制动装置等
组成。
(一)各种制动装置及工作原理
复合制动力的产生分别来自电气(动力制动)、机械(盘形制动)和非粘着力(磁轨或涡流制动)，要求合理设
2.下坡道停车的可靠性设计
高速列车必须随时保证有必要的停车制动能力，为此应具有足够的弹簧制动装置能力。
3.制动能力的冗余量设计
在正常条件下复合制动系统的各种制动方式应合理分担制动能量。但如果其中的某种制动方式发生故障
时，其他制动方式应能提供补充，例如空气制动和动力制动的互为补充。当制动能力不足时，应限速运行。此
例如磁轨制动装置在紧急制动时的可靠性，通常该制动能量设计为全部制动能量的10%左右。
二、复合制动系统
如前所述，高速列车的制动能量和速度的平方成正比，因此传统的纯空气制动能力已不能满足需要，不仅
受到有制动热容量和机械制动部件磨耗寿命的限制，还有摩擦材料性能对粘着利用的局限性和对旅客乘坐舒适
性的不利影响。即使在考虑故障情况的纯空气作用紧急制动条件下，其制动距离也不免要有所延长(表3.3.2、
计复合作用。国外高速列车的复合制动方式及紧急制动距离列于表3.3.5。
表3.3.5 高速列车的制动方式和紧急制动距离限制
列车型号
最高速度/km·h-1
制动方式
拖车制动盘数/轴 标准距离/m 不良状态距离/m
300 系(日本)
300
动力+盘形
2
4 000
4 960
ICE(德国)
300
动力、盘形+磁轨
减压 80 kPa (0.5 倍全值)
2 600 3 200 3 900 8 8∞
图3.3.1 高速列车空气制动特性曲线 此外，影响制动距离的因素还有列车组成和线路条件，应按不同机车车辆的运行阻力和坡道、曲线阻力进 行具体计算，为保证满足紧急制动距离即列车运行安全性的基本要求，在设计高速列车的制动能力时应留有充 分的安全裕量。 (二)舒适性 从列车动力学的观点出发，旅客的乘坐舒适性包括横向、垂向和纵向三方面的指标，高速列车纵向运动的 特点除起动加速度较快以外，主要是制动作用的时间和减速度远大于普通旅客列车，因此必需有相应措施来控 制旅客纵向舒适性的指标，包括对制动平均减速度、最大减速度和纵向冲动的要求，均应高于普通旅客列车。 根据我国现有客车纵向舒适性的指标和国外高速列车的经验，目前我国高速列车纵向舒适性的评定指标如表 3.3.4 所示。
外，在空气制动能力设计时，应充分考虑失电情况下空走时间延长和盘形制动摩擦系数下偏差对制动距离延长
的影响，例如表中所示的不良状态距离。在我国高速试验列车的紧急制动距离设计中，亦将300 km/h时的纯空
气制动距离由4 100 m增加10%左右后为4 500 m，以保证有充分的安全裕量。
4.非粘着制动的保安作用
由表3.3.1可见，国外300 km/h高速列车的紧急制动距离均在3 000～4 000 m之间，根据制动粘着利用和
热负荷等理论计算的结果，我国高速列车在初速300 km/h条件下的复合紧急制动距离可保证在3 700 m以内；按
最不利条件考虑，即在动力制动完全失效(例如接触网供电中断等故障)的不良状态下，纯空气紧急制动距离应
表3.3.4 旅客列车纵向舒适性的评定指标
指标 紧急制动时的最大减速度/m·s-1
*高速列车 ≤1.4
**TB/T2370—93 ≤1.4
常用制动时的平均减速度/m·s-1
≤O.6
≤1.2
最大纵向冲动
≤0.6g
≤1.0～1.2g
注：*高速试验列车制动系统技术条件(95J01-E)(报批稿)；
**客车纵向动力学试验方法及评定指标。图3.3Βιβλιοθήκη 5 欧洲高速列车用轴盘式和轮盘式制动盘
图3.3.6 日本新干线用粉末冶金闸片的摩擦特性(试验台) 制动盘材料在国外高速列车上的使用概况如表3.3.6所示。国内目前自行开发的制动盘主要是高强度和抗 热裂性能良好的锻钢盘，对200 km/h以上高速车辆使用的闸片材料也正在研究开发之中。 3.液压制动装置 (1)系统组成 液压制动装置的目的是适用于高速列车的小型轻量化，提高粘着系数利用，减轻成本和维修费用，提高可 靠性，其系统组成如图3.3.7所示。
在4 500 m以内。按照京沪高速铁路自动闭塞分区间长度为1 500 m的原设计标准，在上述制动能力下，正好可
满足紧急制动在3个闭塞分区(4 500 m)内和常用制动系数0.8时在4个闭塞分区(6 000 m)内停车的要求。当自动
闭塞分区的区间长度改变时，闭塞分区的数目应根据制动能力作相应的调整。
根据上述制动能力要求，计算我国300 km/h高速列车在复合制动和平道条件下的紧急制动平均减速度为
0.96 m/s2，常用制动平均减速度为0.6～0.7 m/s2，由此得到高速列车在各种制动初速度下的制动距离推荐值如
表3.3.2所示。
表3.3.2 我国高速列车复合紧急制动及常用制动距离推荐值(平道条件)
初速/km·h-1
300 270 250 220 200
0.8常用制动系数制动距离/m 5100 4100 3500 2700 2300
第三节 高速列车制动系统
一、高速列车制动系统的基本要求 高速列车必须装备高效率和高安全性的制动系统，为列车正常运行提供调速和停车制动的手段；并在意外 故障或其他必要情况下具有尽可能短的紧急制动距离。由于列车的制动能量和速度成平方关系，时速200 km以 上至300 km高速列车的制动能量是普通列车的4～9倍，从而在制动系统的性能要求和组成方面，均完全不同于 目前的普通旅客列车，因此是发展高速列车所必需解决的关键技术问题。 (一)制动能力和安全性 高速列车的制动作用包括调速制动和停车制动，其制动能力首先表现为停车制动作用时对制动距离的控 制。根据列车制动系统的结构特点和司机操纵作用(自动或人工制动控制作用)，停车制动有各种不同的方式， 在同样的制动装置、操纵方式和线路条件下，其制动距离基本上与列车制动初速度的平方成正比关系，所以随 着列车速度的提高，必须相应改进其制动装置和制动控制方式才能满足缩短制动距离的要求，在各种不同的制 动方式中，又以紧急制动距离为最短，是检验列车制动能力和运行安全性的基本技术条件，也是通信信号系统 设计和运输组织的重要依据。 紧急制动距离的设计值主要基于轮轨间制动粘着的利用、基础制动装置的热容量以及制动控制性能等各种 制约因素所容许的最大紧急制动能力。此外还应该考虑必要的安全裕量，特别是在动力制动作用不良状态下的 紧急制动能力。以目前最高运行速度300 km/h的高速列车为例，如表3.3.1所示为主要国家高速列车制动能力的 比较。
表3.3.6 制动盘材料分类
分类
材料
强度/MPa 体积质量/g·cm-3 应 用
国家
普通铸铁
250