更高速动车组非黏着制动应用研究*

邵　林， 张　犀， 杨　欣

(1　中国铁道科学研究院　机车车辆研究所， 北京 100081;2　北京纵横机电技术开发公司， 北京 100081)



更高速动车组非黏着制动应用研究*

邵林1， 张犀2， 杨欣1

(1中国铁道科学研究院机车车辆研究所， 北京 100081;2北京纵横机电技术开发公司， 北京 100081)

对于380～400 km/h速度等级的更高速动车组，制动距离、制动热负荷、制动黏着3个参数对现有制动系统的应用有所限制，有必要引入非黏着制动方式；对比若干非黏着制动方式，涡流轨道制动更适于更高速动车组；以中国标准动车组的制动特性为基础，对增加涡流轨道制动系统的动车组制动特性、制动力匹配等问题进行了分析，在一定程度上可以解决以上3个限制条件。

动车组； 非黏着制动； 涡流轨道制动

制动系统是动车组的核心技术之一，制动系统的性能不仅直接决定了列车运行的安全和舒适度，也是提高列车运行速度的重要限制因素。

国外动车组主要采用的是电制动和空气制动组合的微机直通电空制动系统。制动系统通过电气信号传递制动指令，由微机进行处理和控制。

我国铁路通过引进消化吸收再创新，逐步掌握了速度300～350 km/h高速动车组制动技术，全面构建了速度300～350 km/h动车组设计制造与运用维护技术体系，国产CRH380系列动车组实现批量生产，跻身世界一流行列。CRH380系列动车组目前多运用于300 km/h速度级，制动试验的最高速度达到380 km/h。

高速铁路对于运行速度和试验速度的提高有着远期的需求，随着动车组设计速度的提高，高速区制动能力、制动黏着利用、基础制动装置热负荷等问题对制动系统提出了更高的要求，对现行制动系统的应用提出了不同程度的限制。

国外高速动车组在电制动和空气制动结合的基础上，对制动系统也在不断改进并探讨制动新技术。日本、德国、法国等国家研发并应用了空气翼板制动、涡流轨道制动、磁轨制动、涡流盘式制动等制动方式。以上新式制动技术的研究，为我国动车组在更高速度条件下应用提供了新的思路。

以380～400 km/h为更高速动车组目标速度，以CRH380系列动车组的试验结果为基础，从更高速度动车组制动系统的关键参数开始分析，引出应用非黏着制动的必要性；通过对各种非黏着制动方式的比较，提出涡流轨道制动为推荐配置；最后基于速度350 km/h标准动车组的设计性能指标，将涡流轨道制动与现有制动方式的匹配关系进行了分析。

1　更高速度动车组制动系统的关键参数

制动距离(或制动减速度)、制动黏着和制动热负荷作为动车组制动特性的重要参数，在考虑更高速动车组在380～400 km/h速度级运用时是重要的限制条件，讨论更高速度动车组受以上3个参数制约的情况。

1.1制动距离

国内现行动车组紧急制动距离标准，见表1所示。

表1　国内紧急制动距离限值及其对应制动减速度[1-2]

对于380 km/h以上速度级的制动距离标准，暂无适合国内情况的评判值，按照380 km/h及以下速度级外延的方式，推算更高速制动距离的标准值。以400 km/h为目标速度，按照120～380 km/h的制动距离外延的方式，得到制动距离标准拟合值，拟合曲线见图1所示。

由以上拟合曲线得到400 km/h的紧急制动距离标准外延值约为10 500 m，车辆实际的制动距离应小于此标准并保留一定裕量。

以成熟运用的CRH380A动车组、CRH380B动车组为制动距离比较对象，如表2所示[3]。

图1　按标准外延至400 km/h的制动距离标准

制动工况车型制动初速度/(km·h-1)制动距离/m制动距离标准/m复合工况纯空气工况CRH380ACRH380BCRH380ACRH380B3803807499589073837480<8500

仅从减速度角度出发，更高速度动车组的制动减速度设计时应着重考虑高速区段的黏着限制，此外，应保证高速区段减速度变化平稳。以此为原则，对制动减速度曲线进行外延，并对减速度进行积分运算，得到按目前减速度配置模式、初速度400 km/h紧急制动EB的制动距离，见表3所示。

表3　动车组初速度400 km/h紧急制动EB制动距离

由以上制动距离标准和设计值外延的结果来看，按现有制动配置方式，制动力设计满足400 km/h的运用要求，但是由于高速区段产生的制动距离随初速度的提高而急剧增大，而制动能力影响着运行追踪间隔[4]，导致运行速度增加的同时限制了追踪间隔的缩短，失去了提速的意义。建议更高速度动车组通过提升制动配置以提高制动力，尤其在高速区段，以保证合理的制动距离。

1.2制动黏着分析

对于高速动车组，制动黏着是制动能力提高的一个重要限制因素。国内对于速度大于120 km/h的高速轮轨黏着研究尚属空白，各车型分别以国外原型车的黏着取值进行制动力设计。以CRH380AL动车组为例，CRH380AL动车组紧急制动实际利用黏着系数曲线已贴近日本新干线干轨黏着系数曲线，已超过湿轨黏着系数且没有裕量[3，5]，天气状态较差的条件下增加了滑行的机率和擦轮的危险，限制了动车组制动能力的进一步提高。

图2　CRH380AL紧急制动实际利用黏着系数曲线

无论是动力制动还是机械摩擦制动，均是通过轮轨间的黏着状态产生列车的制动力。因此在设计制动装置时，总是要涉及到轮轨黏着问题，而且随着速度的提高，黏着问题就更为突出。高速时黏着系数的低下，恰恰限制了高速所需的制动力的提升。当平均减速度为0.94 m/s2时，黏着系数应该在0.095以上，由于线路状态、自然条件、车辆的运行品质等因素的变化，黏着系数的离散度较大。列车速度越高，制动力需要越大，产生滑行的危险就越大。面对高速列车安全停车制动时黏着系数对传统黏着制动能力的提高的挑战，开发非黏着制动方式有着重大意义。

1.3制动热负荷

高速动车组的制动能量分别由再生制动、空气制动及少量列车阻力组成。正常工况下的紧急制动应发挥几乎全部的再生制动力，不足部分由空气制动补充；在动车组经过无电区段或电制动发生故障时，空气制动作为制动力可靠发挥及最后的安全保障，在纯空气制动工况下仍应保证动车组符合制动距离和制动减速度的要求停车。在研究基础制动部件的热负荷问题时，均应考虑纯空气的紧急制动在最高速度级制动至停车为热负荷情况最恶劣的工况。

以CRH380AL和CRH380BL为代表车型，基础制动配置方式见表4所示。

表4　CRH380AL和CRH380BL动车组基础制动配置方式

CRH380AL与CRH380BL动车组的拖车轴上均配置了轴装制动盘，而动车轴上的空间配置了牵引电机，不具备安装轴装制动盘的条件，因此基于现有车型的车下空间分布情况，不具备提高制动盘数量以分散摩擦制动热能消耗的条件。

根据试验报告，CRH380AL与CRH380BL在热负荷条件最恶劣的紧急空气制动工况下，初速度分别为300，350，380 km/h，基础制动部件(包括制动盘和制动闸片)的温度情况如表5所示[3]。

表5　CRH380AL动车组纯空气工况下紧急制动时制动盘(片)最高温度

表6　CRH380BL动车组纯空气工况下紧急制动时制动盘(片)最高温度

型式试验中对基础制动部件的温度限值为700℃，高于此温度持续工作会导致材料制动力减弱与损坏。由试验结果可见，在试验中两车型在测点位置最高温度均大于700℃，根据试验数据计算，二者高温持续时间均不超过15 s，为短时现象，但是若在更高速度级施加紧急空气制动，随着制动能量增加，摩擦副温度将出现短时更高温度，并在700℃以上温度持续时间加长。

以400 km/h为目标速度级，分别以CRH380AL和CRH380BL的紧急空气制动为例，在考虑列车阻力的条件下，计算需要消耗的制动能量，并与380 km/h的情况进行对比，见表7所示。

表7　CRH380AL和CRH380BL动车组制动380 km/h与400 km/h能量消耗对比统计

由表7可见，400 km/h紧急空气制动较380 km/h相比，阻力消耗能量的增量百分比较空气制动更大，但空气制动仍将增加8%的能量需求。

以CRH380BL动车组为例，统计不同初速度下紧急空气制动的基础制动最高温度，绘制曲线图如图3所示。

图3　制动盘片温度随制动初速度变化曲线

从试验曲线可知，随着制动初速度提高，制动盘(片)温度基本呈直线上升，推断按现有配置，初速度400 km/h的制动盘(片)最高温度应在750℃～800℃之间。

由以上各统计和计算结果可推断，按现有基础制动单元的材料、数量及相关配置不变的基础上，两个车型的基础制动部件热负荷已处于饱和状态，不满足在400 km/h 运用的条件。

2　非黏着制动比较

国内现有的动车组制动系统，由微机控制的直通式空气制动系统和再生制动共同实现制动作用。在对列车施加制动过程中，将优先使用再生制动，剩余不足制动力由空气制动补充；空气制动系统通过电空转换装置控制空气制动，同时配以大功率盘形制动机。应用于350 km/h及以下速度级运营、380 km/h的试验速度时，空气制动和再生制动的协同作用在制动能力、安全性、可靠性方面均可以满足要求。

若以现有动车组的制动配置运行于400 km/h速度级时，制动系统受到制动力提高、黏着利用、制动部件热负荷等方面的限制，需要配置新型的制动方式。

基于以上对更高速动车组的制动现状的分析，建议在更高速动车组上加装非黏着制动功能，可以解决以上3个限制：

(1)由于非黏着制动力的叠加而增加了整车制动力，从而缩短了制动距离；

(2)不受轨面黏着限制的发挥制动力；

(3)在断电再生制动失效时也可以发挥制动力，从而与空气制动一起成为最后的安全保障，可以降低空气制动的热负荷。

选取有代表性的非黏着制动方式：磁轨制动、涡流轨道制动、风阻制动，结合不同制动方式在国内外动车组或城轨车辆的应用情况及特点，见表8所示。

表8　非黏着制动特点对比

由以上特点对比和应用范围可见，涡流轨道制动较适合高速动车组制动能力提升，参照德国ICE3和ICE/V动车组应用线性涡流轨道制动的经验[5]：动车组从动转向架上采用涡流磁轨制动，涡流磁铁距离轨面7 mm，高度可调以适应轮对磨损。每台转向架装有2套涡流制动装置，每块磁铁长1 290 mm，由8个线圈励磁。每辆拖车的4块磁铁串联励磁，由牵引变流器的降压斩波供电，若发生电故障，则需要容量大的镍镉电池供电。8辆编组的列车最大涡流制动功率为800 kW，最大涡流制动力可达200 kN，质量约增加9 600 kg(包括供电系统)，但通过降低传统制动机的质量可以完全补偿。此外，钢轨升温问题已由无砟轨道解决，信号干扰问题也由新型轨道电路LZB解决，德国铁路规定，ICE3型动车组仅可在设LZB轨道电路的无砟轨道运营。

假设与ICE3动车组配置相同的涡流轨道制动系统安装于CRH380BL动车组，按ICE3动车组实测制动力[6]，按增加涡流轨道装置后的车重计算减速度，并与实际配置制动系统产生的减速度进行对比，见图4所示。

图4　CRH380BL实际制动系统与涡流轨道制动系统减速度对比曲线

由图4可见，CRH380B动车组的制动减速度在0.7～1.4 m/s2之间，涡流轨道制动可以提供的制动减速度在0.25～0.4 m/s2之间，是现有制动减速度的1/4～1/3，产生的制动效果较为可观。

3　涡流轨道制动与现有制动方式匹配分析

假设更高速动车组增加涡流轨道制动配置后，动车组的制动力由再生制动、空气制动、涡流轨道制动组成，三者制动力的匹配是否良好关系到动车组制动力是否有效、平稳、可靠。

3种制动方式的应用特点如下：

(1)动车组再生制动是来源于电机工作时发电机状态，将能量回馈电网产生制动力，是清洁无消耗的制动方式，在更高速动车组的应用上仍应做为正常情况下主要的制动力输出，应根据制动级位设定的制动力曲线优先发挥再生制动，制动力不足的部分再由其他制动形式补充，在3～4级以下的小级位制动时，应保证整车几乎全部的制动力均由再生制动承担。

(2)动车组的空气制动是作为最后安全保障的制动方式，在更高速度动车组上仍应发挥重要作用。在再生制动和涡流轨道制动力不能满足制动控制曲线时，应按制动力需求投入不足部分。

(3)涡流轨道制动作为增加的制动方式，主要为了解决紧急制动时黏着不足、热负荷过大等问题，为减少对轨道电路影响和轨面升温情况，应仅在紧急制动时施加，常用制动时，可以根据需求手动追加制动力。当动车组进入无电区时，涡流轨道制动应由大功率电池提供励磁电流，电池容量限制了无电区频繁的涡流制动。

以上3种制动力中，再生制动和空气制动为黏着制动，此二者的制动力发挥应不超过既有车型实际发挥，由此保证了高速区段的制动黏着不超过限值。

以设计概念中的速度350 km/h中国标准动车组为基础，探讨在其现有制动配置之上，增加了涡流轨道制动的制动力匹配关系。以图5所示的速度350 km/h中国标准动车组的紧急制动减速度曲线[7]外延至400 km/h为设计目标，按紧急空气制动、紧急复合制动、涡流轨道制动失效的紧急制动分别进行分析。

图5　速度350 km/h标准动车组紧急制动EB减速度外延至400 km/h曲线(不含风阻)

3.1紧急空气制动制动力匹配关系

紧急空气制动工况下，再生制动失效，若在无电区，假设涡流制动电池足够进行一次制动到停车。此时整车制动力由涡流轨道制动和空气制动组成，应优先发挥全部的涡流轨道制动力，不足部分由空气制动补充。此时制动减速度应与设计值完全一致，考虑阻力的情况下，计算制动距离为7 910 m。

结合前述涡流制动减速度曲线，计算涡流制动和空气制动减速度分配图如图6所示。

图6　紧急空气制动制动减速度分配曲线(不含风阻)

CRH380BL动车组初速度380 km/h的紧急空气制动时，空气制动产生能量接近基础制动部件极限，标准动车组初速度400 km/h条件下空气制动力产生的能量仍小于此状态，计算可得，仅为同速度级下所需能量的52%。

3.2紧急复合制动制动力匹配关系

更高速动车组在紧急复合制动工况时(即正常条件下的紧急制动)，应优先采用再生制动和涡流轨道制动，不足部分由空气制动补充。

若再生制动、涡流轨道制动、空气制动三者均能够完全发挥，制动力将大大高于标准动车组的设计制动力。从增强制动力、充分利用再生制动绿色能源的角度出发，即使高于制动力目标曲线，也应发挥全部的再生制动和涡流轨道制动，而不是限制二者发挥。同时，较少的一部分空气制动力将补充由于投入延时和低速时其他制动方式能力降低带来的不足。

结合涡流轨道制动曲线、按CRH380B动车组的全功率发挥曲线及标准动车组紧急制动减速度曲线，计算紧急复合制动减速度分配曲线，如图7所示。

图7　紧急复合制动制动减速度分配曲线(不含风阻)

由图7可见，在速度大于340 km/h的区间内，完全发挥的再生制动与涡流轨道制动产生的减速度之和已经大于标准动车组设计值，此时应按照完全发挥二者的制动力设计减速度；低于340 km/h的区间内，仍需空气制动补充制动力，空气制动力较纯空气紧急制动时大幅度减小。

调整后的紧急复合制动减速度曲线见图8所示。

图8　再生制动与涡流制动全部发挥的紧急复合制动制动减速度曲线(不含风阻)

由于340 km/h以上速度级提高了制动减速度，在考虑阻力的情况下，重新核算初速度400 km/h的紧急复合制动距离，为7 494 m，较紧急空气制动距离7 910 m缩短400 m。

3.3涡流轨道制动失效的紧急制动

涡流轨道制动系统是由牵引变流器提供的工作电流，在无电区或变流器故障时，可以利用车载大功率电池维持，从而保证制动。受电池容量限制，不应连续频繁使用涡流轨道制动，只应在牵引变流器可以给本系统供电和紧急制动等应急工况下使用。

考虑极端工况下，全部涡流轨道制动系统失效，此时施加紧急复合制动，制动力由空气制动和再生制动承担，若在无电区施加紧急空气制动，制动力全部由空气制动承担。根据前面分析，在初速度400 km/h的紧急空气制动时，按现有车型的基础制动配置，热负荷均不满足条件，在此情况下，判定车辆处于降级模式，应限速运行。若按380 km/h及以下速度级运行，其紧急制动特性与未配备非黏着制动的现有车型一致。

涡流轨道制动方式的配置在一定程度上解决了更高速度下制动能力提高带来的问题：

(1)高速区段制动力不足

以标准动车组制动减速度曲线为设计参考值，在紧急复合制动工况下，再生制动和涡流轨道制动全部发挥，空气制动力不投入，即可使340 km/h以上速度级的减速度大于设计值。而通过进一步增加空气制动力，可以使动车组根据设计需求产生更大的减速度。

(2)制动黏着对制动力提高的限制

制动力设计时仅需保证空气制动和再生制动力不大于黏着限值即可，为降低防滑风险甚至可以降低其发挥，涡流轨道制动为非黏着制动，在保证总体制动力提高的同时使黏着利用更少。

(3)制动热容量的限制

涡流轨道制动一定程度上分担了空气制动力，在紧急复合制动工况下，空气制动较少投入，紧急空气制动工况下，空气制动承担能量较未配置涡流轨道制动系统减少52%。

涡流轨道制动配备大功率电池，在无电区也可以投入使用，但受电池容量限制，不应频繁使用，仅在牵引变流器可以给系统供电或紧急制动工况下投入。若涡流制动失效时，按现有车型基础制动配置，热负荷不满足400 km/h的运行条件，应降级限速运行。

4　结束语

(1)更高速动车组的目标速度为380～400 km/h，对制动系统而言，主要受到制动距离、制动黏着和制动热负荷3个参数的限制：

①按现有紧急制动距离标准外延，400 km/h紧急制动距离标准为10 500 m；按CRH380A、CRH380B动车组的制动力外延至400 km/h，估算紧急制动距离符合此外延标准要求。高速区段产生的制动距离随初速度的提高而急剧增大，建议更高速度动车组应提升制动力，尤其在高速区段，以保证合理的制动距离。

②高速区段的黏着利用是提高制动力的一个重要限制因素，目前国内动车组的动力制动和机械摩擦制动方式均通过轮轨间的黏着产生制动力，引入非黏着制动方式有着迫切需求。

③根据国内CRH380系列动车组在初速度380 km/h紧急空气制动试验结果，基础制动部件温度已接近极限，估算初速度400 km/h紧急空气制动条件下，空气摩擦制动将增加8%的热能消耗，且可能产生750℃～800℃以上的瞬时高温。因此，现有车型基础制动配置方式(包括摩擦材料、制动盘数量等)不适合在400 km/h的速度运用。

(2)在现有CRH380系列动车组的基础上，若要实现更高速度运行，可以通过增加非黏着制动的方式来提高制动力，并解决黏着利用和基础制动装置热负荷的限制。对比国内外非黏着制动的应用经验和特点可见，涡流轨道制动方式是适合于更高速动车组的非黏着制动方式，是未来国内制动技术的发展方向。

(3)以中国标准动车组的制动性能为基础，对增加涡流轨道制动后的制动力匹配方式进行分析，根据分析结果，紧急制动时仅通过涡流轨道制动和空气制动即可以满足目标减速度要求，电制动有效的条件下可以进一步增加制动力，同时进行了涡流制动失效分析。通过空气制动、电制动和涡流轨道制动的协同作用，可在一定程度上提高高速区段的制动力，并可解决黏着利用和基础制动热负荷问题。

[1]中国铁路总公司. 铁路技术管理规程[M]. 北京: 中国铁道出版社，2014.

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[3]中国铁道科学研究院. 京沪高速铁路综合试验研究[R]. 北京: 中国铁道科学研究院，2011.

[4]杨欣，邵林，邵军，杨伟君. 基于列车追踪间隔时间的高速动车组制动能力计算方法[J]. 中国铁道科学，2013，34(6):94-104.

[5]董锡明. 高速动车组工作原理与结构特点[M]. 北京: 中国铁道出版社，2007.

[6]丁福焰，吕宝佳，顾磊磊. 高速列车涡流制动技术综述[J]. 铁道机车车辆，2012，32(6):1-4.

[7]铁总科技[2014]50号. 时速350公里中国标准动车组暂行技术条件[S].

Research of Non-adhesion Braking Application on High-speed EMU

SHAOLin1,ZHANGXi2,YANGXin1

(1Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China;2Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100081, China)

For EMU with speed of 380～400 km/h, braking distance, thermal load and braking adhesion limit available braking system currently, it is necessary to introduce non-adhesion braking type; compare with some non-adhesion braking types, eddy current track brake is better suitable for higher-speed EMU; based on the standard EMU of China, this paper analyzed the characteristic and brake power's joint work of EMU installed eddy current track brake, which could solve the three restrictions above.

EMU; non-adhesion braking; eddy current track brake

1008-7842 (2016) 03-0037-06

男，助理研究员(

2015-09-28)

U266.2.35

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.08

*中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013B001-A-1);铁道科学技术研究发展中心科研项目(J2013J008)