高速列车制动系统综述
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高速列车制动系统综述
戚壮
摘要： 本文介绍了高速列车制动系统的制动方式及研究现状。 根据目前制动系统的研究进展， 今后的研究应主要集中在黏着、控制和设备三个方面，以进一步提升高速列车的制动性能。 0 引言 铁路自 1825 年 9 月 27 日诞生以来，发生了翻天覆地的变化。特别是自 1964 年 10 月 1 日日本“东海道新干线”开通后，铁路步入了高速时代，列车速度由当初的 24km/h 提升到 现在的 574.8km/h。铁路由 20 世纪中叶的“夕阳产业”转变为目前高新技术的集大成者。 随着运行速度的提高， 对列车的制动系统也提出了越来越高的要求。 制动方式由原来的真空 制动发展为空气制动， 又由电阻制动发展为现在的再生制动。 目前高速列车上基本都是空气 制动与电制动配合使用，以尽可能提升高速列车的制动性能。 载重大、速度高、运行密是我国铁路运输的特点。这些特点使得我国对列车的制动系统 有着更高的要求。首先，客运量大导致列车的载重提高，惯性增加，制动困难；其次，速度 与动能为 2 次方关系，速度提高一倍，动能增加 4 倍，这使得制动消耗的能量激增，导致制 动装置的热疲劳；最后，我国铁路高效率的运营方式，要求车间距离较短，这就对制动距离 提出了更加严格的限制。 由此观之， 提高列车的制动性能， 是发展我国高速列车技术的关键。 本文以日本新干线高速列车制动系统为基础， 对高速列车制动系统的发展及研究方向作一综 述。 1 制动方式 高速列车的制动方式总体可分为两种： 利用轮轨间黏着力的黏着方式和不依靠黏着力的 非黏着方式。就目前高速列车制动系统的运用情况来说，黏着制动为当今主流，非黏着制动 仍处于研究发展阶段，但有广阔的应用前景。黏着制动主要分为摩擦制动和电制动两种：摩 擦制动包括盘形制动（轮盘式或轴盘式）和踏面制动；电制动包括电阻制动、再生制动和圆 盘涡流制动。对非黏着制动来说，可按制动力的性质对其分为三类：利用电磁力，如涡流式 轨道电磁制动；利用摩擦力，如摩擦式轨道电磁制动；利用空气阻力，如翼板制动。制动方 式的具体分类可参见图 1。
图 2 黏着曲线 2.2 防滑控制 如果施加的制动力超过黏着极限就会发生滑行问题。一旦发生轮轨滑行，不但不能提
供足够的制动力，而且还会擦伤踏面和轨面。为此，高速列车普遍安装防滑器来抑制轮轨 滑行。防滑器由速度传感器、滑行检测器以及防滑电磁阀构成，一般的制动控制方法是制 动控制装置接收到制动指令后，制动风缸就会产生与指令相应的空气压力并将其送到增压 缸，增压缸输入空气压力后产生放大到一定倍数的液压，液压压紧闸片和制动盘产生制动 力。在液压装置与增压缸之间装有防滑电磁阀。如果轮轨之间的黏着力比基础制动装置产 生的制动力小，车轮的转速会迅速降低，滑行检测器根据速度传感器送来的转动脉冲信号 进行计算、分析和判断，如果判断滑行的大小超过规定值，就使防滑电磁阀动作，降低液 压使车轮回复转动，起到防止滑行的作用。 2.3 摩擦材料 利用摩擦力制动是高速列车制动系统中不可或缺的制动方式， 而摩擦材料的摩擦系数、 耐热性、抗磨耗性等性质，对摩擦制动系统的性能起着至关重要的作用。对于闸瓦（闸片） 的研究试验表明，其摩擦系数随速度上升的变化具有如下趋势：合成闸瓦的摩擦系数随速 度升高而缓慢降低；铁系粉末冶金闸瓦的摩擦系数随速度升高而急剧减小；铜系粉末冶金 闸瓦的摩擦系数几乎不随速度的变化而变化。此外，对于各种闸瓦（闸片）材料的磨耗量 情况如下：对于合成闸瓦，当温度上升到 150°C 以上时磨耗激增；对于铁系粉末冶金闸 瓦，磨耗随速度的上升而增加，当速度在 160km/h 左右是合成闸瓦的 6 倍；对于铜系粉末 冶金闸瓦，不随速度的变化而变化。对于制动盘材料的研究，主要有如下结论：铸铁盘比 钢盘的摩擦性能好；摩擦面材料应为球光体来提高耐磨性；铁素体是产生波状磨耗及附着 的主要原因；单体化合物导致不均匀磨耗；含磷量高会产生条痕，故因降低其含量。 目前对于制动系统的研究还有许多其他方面的进展，比如在电制动中如何使电机工作 稳定，在磁轨制动中如何增加涡流制动的效果等等，但受篇幅所限，在此不再一一介绍。 3 结论与展望 对于高速列车的制动系统来说，通过对电力再生、响应性改善、部件轻量化、维修简 便化、制动力及滑行控制的计算机化、摩擦材料的性能改善和耐磨性等的研究和开发，使 高速列车的制动性能获得了极大的提高。 对于今后制动系统的研究，可主要集中在三个方面：其一，黏着方面，如增黏方法的 开发（撒砂） ，非黏方式的开发（轨道制动） ；其二，控制方面，优化制动力控制率，更有 效地利用电制动；其三，设备方面，制动装置小型轻量化，摩擦材料高性能化。对以上三 个方面进行深入研究，可进一步提升高速列车的制动性能，从而对我国高速铁路的发展产 生重要意义。 参考文献： [1] 内田清五（日） 。日本新干线列车制动系统[M]。北京：中国铁道出版社。 [2] 钱立新。图解国外高速铁路[M]。北京：中国铁道出版社。 [3] Polach O. Creep Forces in Simulations of Traction Vehicles Running on Adhesion Limit [J]. Wear, 2005, 258: 992-1000.
Βιβλιοθήκη Baidu
图 1 列车制动方式分类 踏面制动是铁路车辆最早的制动方式，但由于踏面制动的闸瓦耐热性差、磨耗高、制动 效率低， 目前在高速列车上除了清理踏面的作用之外， 已经很少用这种制动方式提供制动力。 盘形制动作为主要的空气制动装置， 目前广泛应用于高速列车上， 拖车轮对一般同时装配轮
盘制动和轴盘制动；对于动车轮对，由于受到电机安装空间的限制，一般只安装轮盘制动。 电阻制动在制动时使动能转变为电能并通过回路中的电阻装置将电能转变为热能消耗掉； 而 再生制动则是将转变后的电能回馈给接触网， 使能量循环利用。 由于再生制动可实现对能量 的循环利用， 满足当今节能环保的要求， 因此其目前已广泛应用于高速列车并成为主要的发 展方向。 磁轨制动包括通过电磁力将摩擦板吸附于钢轨表面的摩擦式磁轨制动和利用涡流磁 场产生制动力的涡流式磁轨制动。 翼板制动利用高速下的空气阻力提供制动力， 但由于其受 车辆限界和风速的限制，目前在高速列车上应用不多。 由于高速列车需要极高的制动性能， 高速列车一般以黏着制动的电制动和摩擦制动联合 使用作为制动系统的基础。但是，由于黏着制动的制动力受到黏着极限的限制，按以往速度 范围内的实测值来分析，其黏着极限制动力随速度的提高而降低，但对时速超过 200km/h 的黏着变化还不太清楚。因此，对于时速超过 200km/h 的高速列车来说，有必要使用非黏 着制动的翼板制动和磁轨制动。 但无论采用何种方式， 高速列车的制动系统必须具有把列车 运行的动能转换为电能或势能，并将其消耗或转移的能力。 2 研究进展 2.1 轮轨黏着 对于目前广泛应用于高速列车上的黏着制动，制动力归根结底是由轮轨的黏着力提供 的。因此，对轮轨黏着极限的利用也就成为了高速列车提高制动性能的关键。根据目前最新 的 Polach 轮轨黏降理论，计算轮轨黏着系数的公式为： k A 2 f [ arctan(k S )] (1) 1 ( k A ) 2 其中，f 为黏着系数；kA、 kS 分别为黏着区和滑动区的黏着缩减因子；ε 为黏着区切应力的 梯度；μ 为轮轨摩擦系数，其计算公式为：
0 [(1 A)e Bw A]
(2)
此处，μ0 为 0 滑动速度下的最大摩擦系数；A 为大滑动速度下的摩擦系数与 0 滑动速度下 最大摩擦系数的比值 µ ∞/µ 0；B 为摩擦力指数衰减系数；w 为总蠕滑速度。根据轮轨的特定 条件，可以得到黏着系数关于蠕滑率的曲线如图 2 所示。由该曲线可知，黏着系数在一定 的蠕滑率下达到饱和，并且过大的蠕滑率使黏着系数有下降的趋势。因此，如何在黏着系 数达到饱和的区间内提供制动力，正是提高制动性能的关键。
戚壮
摘要： 本文介绍了高速列车制动系统的制动方式及研究现状。 根据目前制动系统的研究进展， 今后的研究应主要集中在黏着、控制和设备三个方面，以进一步提升高速列车的制动性能。 0 引言 铁路自 1825 年 9 月 27 日诞生以来，发生了翻天覆地的变化。特别是自 1964 年 10 月 1 日日本“东海道新干线”开通后，铁路步入了高速时代，列车速度由当初的 24km/h 提升到 现在的 574.8km/h。铁路由 20 世纪中叶的“夕阳产业”转变为目前高新技术的集大成者。 随着运行速度的提高， 对列车的制动系统也提出了越来越高的要求。 制动方式由原来的真空 制动发展为空气制动， 又由电阻制动发展为现在的再生制动。 目前高速列车上基本都是空气 制动与电制动配合使用，以尽可能提升高速列车的制动性能。 载重大、速度高、运行密是我国铁路运输的特点。这些特点使得我国对列车的制动系统 有着更高的要求。首先，客运量大导致列车的载重提高，惯性增加，制动困难；其次，速度 与动能为 2 次方关系，速度提高一倍，动能增加 4 倍，这使得制动消耗的能量激增，导致制 动装置的热疲劳；最后，我国铁路高效率的运营方式，要求车间距离较短，这就对制动距离 提出了更加严格的限制。 由此观之， 提高列车的制动性能， 是发展我国高速列车技术的关键。 本文以日本新干线高速列车制动系统为基础， 对高速列车制动系统的发展及研究方向作一综 述。 1 制动方式 高速列车的制动方式总体可分为两种： 利用轮轨间黏着力的黏着方式和不依靠黏着力的 非黏着方式。就目前高速列车制动系统的运用情况来说，黏着制动为当今主流，非黏着制动 仍处于研究发展阶段，但有广阔的应用前景。黏着制动主要分为摩擦制动和电制动两种：摩 擦制动包括盘形制动（轮盘式或轴盘式）和踏面制动；电制动包括电阻制动、再生制动和圆 盘涡流制动。对非黏着制动来说，可按制动力的性质对其分为三类：利用电磁力，如涡流式 轨道电磁制动；利用摩擦力，如摩擦式轨道电磁制动；利用空气阻力，如翼板制动。制动方 式的具体分类可参见图 1。
图 2 黏着曲线 2.2 防滑控制 如果施加的制动力超过黏着极限就会发生滑行问题。一旦发生轮轨滑行，不但不能提
供足够的制动力，而且还会擦伤踏面和轨面。为此，高速列车普遍安装防滑器来抑制轮轨 滑行。防滑器由速度传感器、滑行检测器以及防滑电磁阀构成，一般的制动控制方法是制 动控制装置接收到制动指令后，制动风缸就会产生与指令相应的空气压力并将其送到增压 缸，增压缸输入空气压力后产生放大到一定倍数的液压，液压压紧闸片和制动盘产生制动 力。在液压装置与增压缸之间装有防滑电磁阀。如果轮轨之间的黏着力比基础制动装置产 生的制动力小，车轮的转速会迅速降低，滑行检测器根据速度传感器送来的转动脉冲信号 进行计算、分析和判断，如果判断滑行的大小超过规定值，就使防滑电磁阀动作，降低液 压使车轮回复转动，起到防止滑行的作用。 2.3 摩擦材料 利用摩擦力制动是高速列车制动系统中不可或缺的制动方式， 而摩擦材料的摩擦系数、 耐热性、抗磨耗性等性质，对摩擦制动系统的性能起着至关重要的作用。对于闸瓦（闸片） 的研究试验表明，其摩擦系数随速度上升的变化具有如下趋势：合成闸瓦的摩擦系数随速 度升高而缓慢降低；铁系粉末冶金闸瓦的摩擦系数随速度升高而急剧减小；铜系粉末冶金 闸瓦的摩擦系数几乎不随速度的变化而变化。此外，对于各种闸瓦（闸片）材料的磨耗量 情况如下：对于合成闸瓦，当温度上升到 150°C 以上时磨耗激增；对于铁系粉末冶金闸 瓦，磨耗随速度的上升而增加，当速度在 160km/h 左右是合成闸瓦的 6 倍；对于铜系粉末 冶金闸瓦，不随速度的变化而变化。对于制动盘材料的研究，主要有如下结论：铸铁盘比 钢盘的摩擦性能好；摩擦面材料应为球光体来提高耐磨性；铁素体是产生波状磨耗及附着 的主要原因；单体化合物导致不均匀磨耗；含磷量高会产生条痕，故因降低其含量。 目前对于制动系统的研究还有许多其他方面的进展，比如在电制动中如何使电机工作 稳定，在磁轨制动中如何增加涡流制动的效果等等，但受篇幅所限，在此不再一一介绍。 3 结论与展望 对于高速列车的制动系统来说，通过对电力再生、响应性改善、部件轻量化、维修简 便化、制动力及滑行控制的计算机化、摩擦材料的性能改善和耐磨性等的研究和开发，使 高速列车的制动性能获得了极大的提高。 对于今后制动系统的研究，可主要集中在三个方面：其一，黏着方面，如增黏方法的 开发（撒砂） ，非黏方式的开发（轨道制动） ；其二，控制方面，优化制动力控制率，更有 效地利用电制动；其三，设备方面，制动装置小型轻量化，摩擦材料高性能化。对以上三 个方面进行深入研究，可进一步提升高速列车的制动性能，从而对我国高速铁路的发展产 生重要意义。 参考文献： [1] 内田清五（日） 。日本新干线列车制动系统[M]。北京：中国铁道出版社。 [2] 钱立新。图解国外高速铁路[M]。北京：中国铁道出版社。 [3] Polach O. Creep Forces in Simulations of Traction Vehicles Running on Adhesion Limit [J]. Wear, 2005, 258: 992-1000.
Βιβλιοθήκη Baidu
图 1 列车制动方式分类 踏面制动是铁路车辆最早的制动方式，但由于踏面制动的闸瓦耐热性差、磨耗高、制动 效率低， 目前在高速列车上除了清理踏面的作用之外， 已经很少用这种制动方式提供制动力。 盘形制动作为主要的空气制动装置， 目前广泛应用于高速列车上， 拖车轮对一般同时装配轮
盘制动和轴盘制动；对于动车轮对，由于受到电机安装空间的限制，一般只安装轮盘制动。 电阻制动在制动时使动能转变为电能并通过回路中的电阻装置将电能转变为热能消耗掉； 而 再生制动则是将转变后的电能回馈给接触网， 使能量循环利用。 由于再生制动可实现对能量 的循环利用， 满足当今节能环保的要求， 因此其目前已广泛应用于高速列车并成为主要的发 展方向。 磁轨制动包括通过电磁力将摩擦板吸附于钢轨表面的摩擦式磁轨制动和利用涡流磁 场产生制动力的涡流式磁轨制动。 翼板制动利用高速下的空气阻力提供制动力， 但由于其受 车辆限界和风速的限制，目前在高速列车上应用不多。 由于高速列车需要极高的制动性能， 高速列车一般以黏着制动的电制动和摩擦制动联合 使用作为制动系统的基础。但是，由于黏着制动的制动力受到黏着极限的限制，按以往速度 范围内的实测值来分析，其黏着极限制动力随速度的提高而降低，但对时速超过 200km/h 的黏着变化还不太清楚。因此，对于时速超过 200km/h 的高速列车来说，有必要使用非黏 着制动的翼板制动和磁轨制动。 但无论采用何种方式， 高速列车的制动系统必须具有把列车 运行的动能转换为电能或势能，并将其消耗或转移的能力。 2 研究进展 2.1 轮轨黏着 对于目前广泛应用于高速列车上的黏着制动，制动力归根结底是由轮轨的黏着力提供 的。因此，对轮轨黏着极限的利用也就成为了高速列车提高制动性能的关键。根据目前最新 的 Polach 轮轨黏降理论，计算轮轨黏着系数的公式为： k A 2 f [ arctan(k S )] (1) 1 ( k A ) 2 其中，f 为黏着系数；kA、 kS 分别为黏着区和滑动区的黏着缩减因子；ε 为黏着区切应力的 梯度；μ 为轮轨摩擦系数，其计算公式为：
0 [(1 A)e Bw A]
(2)
此处，μ0 为 0 滑动速度下的最大摩擦系数；A 为大滑动速度下的摩擦系数与 0 滑动速度下 最大摩擦系数的比值 µ ∞/µ 0；B 为摩擦力指数衰减系数；w 为总蠕滑速度。根据轮轨的特定 条件，可以得到黏着系数关于蠕滑率的曲线如图 2 所示。由该曲线可知，黏着系数在一定 的蠕滑率下达到饱和，并且过大的蠕滑率使黏着系数有下降的趋势。因此，如何在黏着系 数达到饱和的区间内提供制动力，正是提高制动性能的关键。