安装风阻制动装置的高速列车制动距离研究

马 飞，尹崇宏，刘中华，杨 磊，周宇航，王 帅

(1.中车青岛四方车辆研究所有限公司， 山东 青岛 266031;2.中车唐山机车车辆有限公司， 河北 唐山063035)

高速列车的制动能量分别由再生制动、空气制动和少量列车阻力构成。正常工况下，当紧急制动发生时，高速列车应发挥全部的再生制动力，不足部分由空气制动补充。极端工况下，当列车经过无电区间或电制动发生故障时，空气制动仍是最后的安全保障。因此，在纯空气制动工况下高速列车紧急制动距离仍要符合相关要求。

目前，高速列车纯空气制动主要由产生机械摩擦制动的制动盘实现。其主要原理是将列车的动能转换为热能，并将其逸散。纯空气制动的制动力等于轮轨接触点的切向力，这个切向力的上限值称为黏着力。制动黏着系数直接通过轮轨间的黏着状态影响列车“黏着力”。目前，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系数值进行制动力设计。以CRH380AL动车组为例，其紧急制动实际利用黏着系数曲线(图1)已贴近日本新干线干轨黏着系数曲线，超过湿轨黏着系数且没有余量[1-2]，在天气状态较差的条件下增加了滑行和擦轮的危险。

图1 CRH380AL紧急制动实际利用黏着系数

为提升高速列车紧急制动时的安全性，缩短紧急制动距离，不依赖轮轨间黏着的非黏着制动方式越来越受到技术人员的重视。非黏着制动是指不依赖于车辆与钢轨接触产生的黏着力而完成制动的方式，包括磁轨制动、涡流制动和风阻制动等。相对磁轨制动和涡流制动，风阻制动装置质量较轻，结构简单，在高速段制动效果尤其明显。因此，作为高速列车黏着制动的补充，风阻制动是一种非常合理的制动方式。

1 国内外研究现状

日本学者吉春等[3-4]最早介绍了应用于宫崎试验线500 km时速MLU002N型磁浮列车的风阻制动装置，后通过空气动力学计算和机构优化，在山梨试验线上设计了一种新型的风阻制动装置，并评估了500 km/h工况下，6套风阻制动装置全开时可提供的制动减速度。2005 年，JR东日本公司与川崎重工公司共同开发了安装在 E954/E955系列试验电动车上的“猫耳朵”型空气动力制动装置(图2)，该型风阻制动装置在以360 km/h的初速度开始进行高减速度紧急制动试验时，达到了缩短停车距离 300 m的效果[5]。近年来，日本铁道总研(RTRI)高见创[6]又针对传统风阻制动方式开启慢、占用空间大、质量偏大等缺点，开发了基于E954型试验车的小型分散式风阻制动装置。该装置能做到双向开启，根据风洞试验结果的估算表明，在300 km/h运行速度条件下，根据风阻制动装置在车顶不同的布置情况，明线上能够提供0.178～0.286 m/s2的制动减速度。

图2 分布式风阻制动装置安装实例

国内对于风阻制动的技术应用研究由同济大学联合中车青岛四方机车车辆股份有限公司等共同展开。田春、吴萌岭等[7-12]进一步对风阻制动的基本原理、翼型、车顶布置等进行了大量的仿真计算分析。2014年，安装3套该型风阻制动装置的试验列车在沪昆线南昌段完成了时速350 km工况的紧急制动试验，缩短列车紧急制动距离约150 m。

不难发现，国内外目前对于风阻制动技术的研究集中在机构设计、单机阻力特性和风阻制动装置的车顶分布方案等方面，而对于风阻制动装置的布置方案对列车紧急制动距离的影响缺乏直接的计算评估。本文基于中车青岛四方车辆研究所有限公司和西南交通大学联合研发的新型分布式风阻制动装置，依托计算流体力学(CFD)工具和制动力综合模型搭建，直接对不同风阻制动装置布置方案下的列车紧急制动距离进行分析研究，评估风阻制动的适用速度区间和制动效果，并总结出一般性结论。

2 风阻制动装置

风阻制动装置有很多种形式，但其基本原理均是利用列车高速运行时产生的空气阻力提供制动力。本文研究对象为新型分布式风阻制动装置，其基本尺寸由列车限界、列车横截面布置及车内空调风道等因素确定。

本文研究的高速列车用分布式风阻制动装置安装基座沉入车体，参考了既有空调安装接口，最大高度为100 mm，占用空间小，布置灵活。风阻板关闭时两端边缘处有轻微弧度，与车体上表面保持平齐，从而保证正常行驶时车顶安装的风阻制动装置不增加阻力。风阻板尺寸为1 272 mm×378 mm，按照75°角打开时风阻板迎风面高度为365 mm。风阻制动装置有2块对称布置的风阻板和相应内部机构，安装在同一块固定基座上。

图3为风阻制动装置的基本机构，其主要部件包含风阻板、底部框架、风阻板转轴、拉杆、电机驱动单元、液压缓冲器、直线导轨、电插锁及限位开关等。整个机构风阻板起始位置为风阻板与机身贴合位置，极限位置为风阻板张开75°的位置。

图3 风阻制动装置机构示意

3 制动力计算

为准确计算不同的风阻制动装置布置方案对列车制动距离的影响，本文将列车模型简化后，采用1∶1尺度模型对列车制动力进行仿真计算评估。通过直接对多套风阻制动装置布置方案进行制动力计算，可以将风阻板之间的串联干涉作用考虑在内，得到更精确的结果。本文研究的对象为8辆编组的400 km/h高速列车。考虑到车顶的实际空间，本文设计了以下4种不同工况：

(1) 工况1：未安装风阻板；

(2) 工况2：每节车布置1套，共8套；

(3) 工况3：每节车布置2套，共16套；

(4) 工况4：每节车布置3套，共24套。

通过CFD计算分析得到以上4种工况下可提供的风阻制动力如表1所示，风阻制动装置布置方案仿真计算流线及速度云图如图4所示。

表1 不同工况下风阻板提供的制动力 kN

图4 风阻制动装置布置方案仿真计算结果

4 制动距离评估

图5为车辆具体编组形式。除编组形式外，制动距离评估中也考虑了车辆参数和除风阻制动装置以外的基础制动装置参数。列车紧急制动的计算条件为清洁、干燥的平直道。对于时速400 km的高速列车，按照要求在300～ 400 km/h速度区间内，其紧急制动平均减速度a≥0.361 m/s2；在0～300 km/h速度区间内，其紧急制动平均减速度a≥0.933 m/s2。

Tc.带司机室的拖车;M.动车;Tp.带受电弓的拖车。

计算全列车制动力时需加上运行阻力，根据CR400BF列车实测值，拟合得到列车基本阻力公式：F=1.32+0.018 5v+0.000 508v2，其中v是列车运行速度。由于本文研究的分布式风阻制动装置开启时间极短(0.1 s左右)，为便于计算，认为风阻板实时开启且对列车运行阻力系数没有影响。故直接将风阻制动力和运行阻力相加，可得到不同风阻制动装置布置方案下风阻制动的阻力公式(表2)。最后通过积分可得出不同速度区间的制动距离。表3为空车紧急制动距离。表4为列车速度400 km/h时空车风阻制动效果分析。

表2 风阻制动阻力公式

表3 空车紧急制动距离 m

表4 列车速度400 km/h时空车风阻制动效果分析

由表3、表4可知，在设计速度400 km/h紧急制动时，风阻制动装置可以起到较好的制动效果。在工况4下，可缩短紧急制动距离600 m左右；在每节车仅安装1套风阻制动装置的工况2下，亦可有效缩短紧急制动距离约300 m；在速度300 km/h紧急制动时，即使在工况4下减小的紧急制动距离仍不足70 m，说明在速度300 km/h以下时风阻制动基本失效，其有效制动区间集中在350～400 km/h速度段。在每节车安装的风阻制动装置从1套(工况2)逐渐增加至3套(工况4)的过程中，由于各风阻板之间存在气动串联干涉现象，新增的风阻制动装置无法发挥原装置100%的效果，且存在边际效用递减的现象。

5 总结

本文研究了安装风阻制动装置的400 km/h高速列车制动距离，综合加装风阻制动后不同工况下对制动距离的改善情况，得到以下结论：

(1) 在设计速度400 km/h进行紧急制动时，风阻制动装置可以起到较好的制动效果。在每节车布置3套风阻制动装置的工况下，可缩短紧急制动距离600 m左右。

(2) 列车速度超过350 km/h进行紧急制动时，风阻制动效果较为明显，可有效缩短紧急制动距离300 m以上；在300 km/h速度等级以下制动效果不明显。

(3) 当车顶布置多套风阻制动装置时，由于各风阻板之间存在干涉现象，新增加的风阻制动装置无法提供已有装置100%的效果，且随着安装数量增加，边际效用递减。