列车减速度控制技术

现代制动系统设计的核心目标是使制动过程具有良好的重复性，减速度控制（DCC）技术朝这个方向迈出了重要的一步。该技术使列车无论在何种速度下、以何种方式制动，都能保持稳定的制动性能，实现精确制动，即使是在制动闸瓦和制动盘之间的摩擦系数发生波动的情况下。克诺尔制动公司铁路车辆部和波兰NEWAG公司花费2年多的时间开发出一列3节编组、具有DCC功能的市郊客运列车（Impuls系列），并进行了大量试验，目前该列车已在波兰获得运营许可。

1 制动减速度和制动距离的影响因素

当铁路车辆触发紧急制动时，制动系统会向每副轮对提供恒定的紧急制动压力（其大小取决于负载）。在理想条件下，由于作用在轮对上的制动力恒定，因此制动减速度和制动距离也应该恒定。然而，在车辆的实际运行中，这种理想條件不存在。即使在黏着力满足要求的情况下，列车所达到的减速度及相应的制动距离也有巨大差异。这主要由闸瓦-制动盘-摩擦副的摩擦系数波动所引起。该摩擦系数取决于制动盘温度的变化，制动盘温度由输入能量决定，而输入能量受到制动初速度的显著影响;一些外部变量（如温度、湿度）也会对摩擦系数产生影响。此外，制动系统的其他公差（如制动执行器效率、车轮直径）也直接影响作用于轮对的制动力。

为确保列车在最不利工况下也能在最大允许紧急制动距离内停车，在设计制动系统时必须考虑上述各种公差。

2 DCC 技术

DCC技术适用于所有类型的制动系统。该技术以在列车每节车厢中安装的加速度计为基础，加速度计用于持续测量列车的实际纵向减速度，测得的数据通过列车总线实时传输到集成在制动控制路径中的中央制动控制单元。中央制动控制单元根据列车实际减速度（即所施加制动力的实际效果）与目标值的偏差，以及列车当前速度、环境条件、线路坡度、各种车辆参数（如负载状态、摩擦材料性能）等信息，对施加在转向架或车轴上的制动压力进行实时调整（图1）。DCC技术可以使列车实际减速度摆脱车轮直径变化、摩擦材料偏差等因素的影响，使其实际值与目标值偏差最小化（图 2），并以此显著减少最大制动距离的偏差（图3）。

3 采用 DCC 技术的试验列车

克诺尔制动公司和波兰制造商NEWAG公司一直在合作开发采用DCC技术的试验列车。2016年夏天，DCC技术首次被应用在NEWAG公司型号为Impuls 31 WE的电动车组中。这是一列4节编组的市郊客运列车，最高速度为160 km/h（图4）。

除原有的电制动控制装置之外，该车每个转向架上还安装了型号为EPCompact的电空制动控制装置。为进行减速度控制试验，研发人员还在制动控制路径中集成了一个用于减速度控制测试的电子控制单元。该电子单元与4个分布于各车厢、用于测量列车纵向减速度的加速度计连接，其功能是根据测得的实际减速度对制动压力值进行调整，并传输给制动控制装置。这种设置的目的是对采用和未采用DCC技术时的列车制动性能进行直接比较。由于无法修改现有的气动制动装置，因此研发人员仅在该试验列车的行车制动装置中引进了DCC技术。此外，该列车还装配了其他速度和加速度传感器，用于在试验过程中进行参考测量。

4 首次行车试验

2016年8月底，上述NEWAG Impuls 31 WE型试验列车在波兰铁道学院的环形试验线路上（Zmigrod市附近）进行了首次行车试验。波兰铁道学院隶属于波兰交通、建筑和海事部，负责波兰铁路交通相关的互操作性事务。试验内容为列车在不同负载条件下和使用不同摩擦材料（原有闸瓦Jurid 878和替代闸瓦Propad P16）时的制动性能测试。

为使试验结果具有更好的可比性，试验人员对列车发出相同的制动请求，即将列车从当前速度制动到停止状态。试验中，试验人员对DCC功能开启和关闭的状态进行了区分，并在纯电空制动模式与电空制动、电子动态制动混合模式之间进行了切换。

该试验列车在环形试验线路上行驶了280圈，约2200km，进行了203次制动操作，试验结果表明，制动过程减速度曲线中的典型“凹痕”得到了完全校正，从相同制动初速度到停止的制动距离波动也明显减小。图5展示了纯电空制动模式下DCC功能对于列车制动性能的影响。在DCC功能未启用的情况下，减速度曲线和制动距离主要由制动初速度和摩擦系数决定。在启用DCC功能时，制动试验结果表现出良好的重复性，在不同速度下对轮轨黏着力的利用也趋于均衡。

5 具有 DCC 功能动车组的开发和运营许可

在试验列车取得非常好的测试效果后，克诺尔制动公司和NEWAG公司便开始了下一阶段的研发，即将DCC功能应用到列车紧急制动装置中，并对电空制动控制装置进行全面改造，再由NEWAG公司负责对该装置进行常规行车测试。为此，他们选择了NEWAG公司型号为Impuls 36WEa、最高速度为160 km/h的动车组（图6），并对其整个制动系统进行了全面改造。除将DCC电子控制单元直接集成到列车原有的电制动控制装置中之外，开发人员还用改进型新组件替换了所有的EP Compact，以便在紧急制动时进行减速度控制。

为对改造后的列车进行优化，上述2家公司于2018年11月进行了一系列试验。该列车在环形试验线路上共运行826圈，总计6 210 km。试验期间，试验人员对列车负载情况（空载、轻载和重载）以及制动闸瓦型号（Jurid 878和Propad P16）进行了区分;在各种边界条件下，对列车行车制动和紧急制动时的制动减速度进行了测量，并模拟了其他故障状态。图7展示了轻载车辆在不同制动初速度下、使用2种不同摩擦材料时的紧急制动减速度曲线。试验结果表明，启用DCC功能后，紧急制动时的制动距离偏差可减小多达85%，且表现出良好的重复性。测量数据的标准偏差可用于评估DCC的效率。例如，DCC功能关闭时，列车从速度为120km/h紧急制动到停止的制动距离标准偏差为16.4m（相对标准偏差3.6%），而DCC功能启用时可减小到3.3 m（相对标准偏差0.7%）（图 8）。列车在其他制动初速度和负载状态下的试验数据结果也大致相同。在电空制动和电子动态制动混合模式下，DCC功能关闭时，列车在相同制动初速度下的制动距离标准偏差为12.8 m（相对标准偏差2.3%），DCC功能启用时为1.6m（相对标准偏差0.3%）（图9），制动距离偏差减少了约70%。

在上述试验结束后，NEWAG公司开始办理该列车的运营许可申请。为此，其根据《国际铁路联盟规范》（UIC）和《互操作性技术规范》（TSI）进行了所需的行车试验，并按照波兰铁路局的要求提供了必要的证明文件。2020年初，NEWAG公司具有DCC功能的Impuls 36WEa型市郊客运列车获得了运营许可，接下来是为期1年的载客试运行。

具有DCC功能的Impuls 36WEa的试验经验也为DCC技术在新一代克诺尔制动系统中的应用奠定了基础。DCC电子控制单元及其必需的传感器将直接集成到新一代系统中，因此无须安装额外的组件便可对制动系统功能进行扩展和改进。

6 结语

DCC技术可显著减小制动距离偏差，改善对轮轨黏着力的利用。目前，气动制动装置一般为纯压力控制，这决定了特定类型闸瓦的设计。由于DCC技术在很大程度上使制动距离的精度摆脱了制动系统和转向架设备公差的影响，因此在设计摩擦材料时，设计人员可以选择摩擦性能符合要求、具有最佳耐磨性能的闸瓦，以达到降低其生命周期成本（LCC）、改善其热性能及降低噪声的效果。随着研究和试验的推进，DCC技术定会在将来得到广泛应用。

参考文献

[1]Ulf Friesen， Ralf Furtw?ngler， Norman Kreisel. Verz?gerungsgeregeltes Fahrzeug erm?glicht ein stabileres Bremsverhalten in allen Geschwindigkeiten[J]. Zeitschrift für das gesamte System Bahn，2020（1-2）：43-49.

苏靖棋 编译

收稿日期 2020-05-17