高速列车制动系统的基本要求

高速列车制动系统的基本要求

近年来，在我国客货列车的提速研究中已经充分反映了制动问题的重要性，特别是盘形制动装置和防滑器作为旅客列车提速的关键技术发挥了重要的作用。但随着我国铁路向高速化发展，制动问题将更为突出，制动距离随列车速度非线性增长的问题暂且不论，仅现有的空气制动装置从制动能量和舒适性方面考虑也远远不能满足300 km/h高速列车的运用要求。因此，对于高速列车的制动系统，必须彻底改变过去对于制动系统的陈旧观念和思考模式，根据国外经验以及我国发展高速列车的具体条件，从提高高速列车的安全性、可靠性和舒适性这3项基本要求出发，采用各种新技术，并综合考虑机车车辆制动性能和运输、通信、线桥建筑有关的系统工程问题。

1 高速列车制动系统的基本要求

1.1 安全性

紧急制动距离是检验列车制动性能和安全性的最基本条件。我国已研究制定了各种高速列车的基本技术条件，在考虑了必要的安全裕量的情况下，对紧急制动距离的要求如表1所示。

表1 高速列车的制动装置和紧急制动距离

为此，高速列车制动系统必须具有高速停车时足够的制动功率，以保证尽可能短

的制动距离。

1.2可靠性

高速列车必须随时保证有必要的停车制动能力。包括计算机网络或电空制动故障、

供电网络失电(无动力制动)、下坡道停车时的可靠性设计，表1所示的不良状态距离就

是考虑了可靠性的纯空气制动作用距离。

在该距离设计中，考虑了失电情况下空走时间延长和盘形制动摩擦因数误差对延

长制动距离的影响，例如京沪300 km/h高速列车按计算距离4 100 m增加10%左右后

为4 500 m，可以保证在失电情况下制动停车的可靠性。为此，高速列车必须采用多种

制动装置的复合制动模式。

1.3舒适性

高速列车的制动作用时间和制动减速度远大于普通旅客列车，而这些参数是判断

旅客舒适性的重要指标之一。由于高速列车制动系统采用微机控制的电气指令制动方

式和盘形制动装置，故其纵向舒适性指标较高，如表2所示。

表2 旅客列车纵向舒适性的评定指标比较

列车类型高速列车TB/T2370-93

紧急制动时的最大减速度/(m.s-2)≤1.4≤1.4

常用制动时的平均减速度/(m.s-2)≤0.6≤1.2

最大纵向冲动/g≤0.6 ≤1.0～1.2

达到上述技术指标的关键技术问题是：采用电气指令控制方式；合理设计复合制动的模式；尽量减少列车中各车辆制动率的差别；采用摩擦特性良好的盘形制动装置等。

2 复合制动模式

2.1 不同方式的能量分配

高速列车的复合制动系统包括空气制动、动力制动和非粘着制动，其基本作用方式是：在正常情况下以动力制动为主，不足部分再以空气制动作为补偿。在该制动模式中，动力制动能力主要取决于动车的数量和各动车的动力制动功率。所以，动力制动所占比例与列车编组方式有关。在动力分散式高速列车中，动力制动的能量占50%以上。对于动力集中式高速列车，在调速制动时，动力制动也占有较大的比例；但在常用全制动和紧急制动时，空气制动就占有较大的比例(如图1、图2所示)，此时动力制动力已达到最大值，可调的是空气制动力，而且在低速及停车时必须依靠空气制动作用。

图1 TGV10辆编组列车常用制动力分配特性

图2 TGV10辆编组列车紧急制动力分配特性

2.2 不同车辆的制动能量分配

空气制动能力主要受到盘形制动结构(制动盘数量)和热容量的限制，并依赖于粘着利用。例如按我国高速试验列车粘着利用设计的制动率约为32.5%，拖车可按此限值设计，动车则受到制动盘数量的限制，其空气制动达不到粘着利用，而需依赖于再生制动的复合制动能力。因此，复合制动模式在广义上还包括高速列车中不同车辆的制动能量分配关系，其中动车的动力制动按最大设计功率考虑，在常用制动时还可以分担拖车的部分制动负荷。关键是紧急制动时空气制动能量的分配，要根据粘着和制动盘的热容量限制，分别计算每辆车的空气制动力，我国高速试验列车空气制动力的分配见表3。

表3 我国高速试验列车空气制动力分配

车型空心轴

动力车

方向轴

动力车

独立式

拖车

铰接式

三轴车

铰接式

二轴车

换算闸瓦压力/kN131.5131.5178.5152.4108.4

制动力/kN41.341.35647.934

换算制动率/%17.218.132.532.532.5

2.3 非粘着制动的制动能量

为保证紧急制动的安全性，高速列车的紧急制动能力应有10%左右的安全裕量。为此采用非粘着制动装置，在高速紧急制动时可以产生比较稳定的附加制动力，其制动减速度应在0.1 m/s2左右，以满足使用要求。

非粘着制动通常分为磁轨制动和轨道涡流制动2种方式。前者结构较简单，具有耗电量少、成本较低的优点，主要缺点是无可调性和对轨道有破坏作用；后者对轨道没有直接破坏作用并可实现无级调整，但对结构精度要求较高、耗电量大、重量较大，还会对信号产生影响。因此我国高速试验列车设计采用磁轨制动。在高速试验列车编组条件下，紧急制动时的磁轨制动能量分配如表4所示。

表4 我国高速试验列车300 km/h紧急制动时各种制动方式所转移的动能的

分配

%

3 微机应用技术

3.1 电气指令式的制动控制系统

该系统由列车管减压的控制方式变为高灵敏度电指令的控制方式，不仅仅是缩短列车制动空走时间和实现阶段缓解的简单的电空制动作用，其核心是应用微机进行智能化的列车制动控制，包括空重车计算、制动曲线计算、复合制动减速度控制、冲动控制、监控信息处理、数据显示和输出等功能，从而适应于ATP、ATC列车自动控制甚至最新的列车控制信息管理装置(TIS)。

3.2 自动监测和诊断系统

制动系统的监测与诊断是车载微机及信息传输网络系统中最重要的组成部分。该系统的主要功能是进行列车发车前的系统性能试验，指示试验项目并显示试验结果。在行车过程中，该系统能接收列车管、制动缸压力和空重车信号等，并监视制动机的故障状况。例如在发现缓解不良时，可对制动缸进行遥控排风，对保证高速列车的安全运行具有重要作用。

为便于监测和维修，高速列车制动装置的各个部件应最大限度地采用模块化和标准化设计。

3.3 高速列车运行仿真和制动计算

高速列车的运行涉及列车编组条件、司机操纵方式、速度、线路和列车牵引制动装置的性能等多种因素，利用多质点系统的列车运动模型和电算程序可以详细模拟各种条件进行高速列车的运行仿真研究，特别是对非稳态工况的制动计算有重要意义，也可应用于高速列车制动系统的辅助设计。目前，国内已研究了这方面的电算程序并在设计单位得到了广泛的应用。

京沪高速列车运行仿真的结果表明：最高时速为300 km/h的列车的直达运行时间约为4 h50 min，旅行速度可达到270 km/h；如在所有主要车站停车，则运行时间约为6 h7 min，旅行速度为195 km/h左右。可以计算研究线路限速、曲线、坡道、轴重、列车起停附加时分、司机操纵方式等对于高速列车运行时分和能耗的影响。在制动计算方面，则可以模拟计算在各种不同制动工况下的制动时间、距离、减速度以及线路条件对于制动操纵的影响。表5为北京—上海直达运行的区间数据结果。

表5 北京—上海300 km/h列车直达运行(无停站)结果