关于高速动车组制动系统的研究
作者：郭超
来源：《中国科技博览》2018年第04期
[摘要]作为高速动车组的重要核心部件，制动系统性能的优劣直接影响着其运行状态。
本文从基本的参数计算、设计要求、制动方式等方面对高速动车组制动系统设计的相关理论知识进行了概括，并从制动控制、防滑控制、安全防护等方面分析了高速动车组制动系统的构成。
[关键词]高速动车组；制动系统；防滑控制
中图分类号：S188 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）04-0345-01
引言
在城镇建设和发展过程中，交通体系得到完善和发展，动车组成为城市轨道交通的重要组成部分。
随着技术的进步和经济的发展，动车组的速度越来越高，使用次数越来越频繁，每日行驶的里程也越来越多，这都对动车组的制动系统提出了更高的要求：既要保证行车安全，又要在尽量短的距离内停车，而且还要尽量减小制动过程中产生的纵向冲击力，传统的列车制动系统已经不能满足此要求。
这就需要铁路有关科研单位加强高速动车组制动系统的控制方式、系统配置的优化设计，积极借鉴国内外高速列车制动技术的先进经验，并进行了自主创新。
1 高速动车组制动系统设计要点
1.1 基本参数计算原理
高速动车组运行在铁路快速客运专线或高速铁路上，速度高，固定编挂，一般分为动力集中型与动力分散型两类。
根据质点动力学理论，得出了比照300km/h动车组以各种不同匀减速停车时的理论制动时间、停车距离和每吨质量所需的平均制动功率（如图1）。
以300km/h动车组为例，经计算，其每吨质量的动能E为3472kJ，每吨质量在各种不同匀减速度下停车时的最大瞬时制动功率是平均制动功率的2倍。
也就是说，如果该动车组每轴14t，那么以1m/s 的匀减速度停车时所需的平均轴制动功率为583.4kw轴，最大瞬时制动功率为1166.8kw轴，纯制动距离为3472m。
这些数值提供了一个高速动车组量化的各制动减速度下制动距离和制动功率的概念。
当然，实际的制动过程不是一个匀减速运动，而是一个变速运动。
1.2 基本设计要求
第一，尽可能缩短制动距离以保障行车安全，高速列车必须尽可能缩短制动距离，因为自动闭塞的信号区间长度完全由列车允许的制动距离来决定，当制动距离一经确定后，不间断的
机车信号装置中就将保存这些制动曲线，因而高速列车的制动系统必须保证在大雪、大雾、结冰、粘着下降，甚至系统部分失灵的情况下，也不能超过允许的制动距离，避免安全事故发生；第二，保证高速制动时车轮不滑行，在高速时轮轨之间的粘着系数急剧下降，特别在轨面潮湿时粘着系数更低，这就需要按速度控制制动力的大小以充分利用粘着，同时采用高性能的防滑装置和非粘着制动方式。
1.3 制动方式分类
目前应用的高速动车组施行制动减速的方式包括：第一，盘形制动，有轴盘、轮盘等形式，包括液压力或气液增压，可以大大减轻车轮踏面的热负荷和磨耗，可按制动要求选择最佳摩擦副，制动平稳，噪声小；第二，电阻制动，将牵引主电机作发电机，利用动能发电并将电能通过车辆的制动电阻转变为热能，从而获得制动力的方法；第三，旋转涡流制动，在车轴上装金属盘，制动时金属盘在电磁铁形成的磁场中旋转，盘表面感应出涡流，产生电磁力并发热消散于大气中，从而产生制动力；第四，线性涡流制动，利用电磁铁和钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力。
此外，高速动车组制动方式还有电磁轨道制动、增粘制动等方式，要根据实际情况进行具体分析和选择。
2 高速动车组制动系统
2.1 制动模块设计
第一，电制动系统，动车组通过受电弓接收接触网的电力，经牵引变流器整流逆变后，提供给牵引电机，而在列车需要制动时，牵引变流器控制牵引电机切断电源，转变为发电机使用。
制动时牵引电机将列车动能变为三相交流电，由牵引变流器将此三相交流电转换为单相交流电，再由主变压器升压后回馈到电网，将列车运行的动能转变为电能；第二，空气制动系统，空气制动系统主要由制动控制装置、风源装置和基础制动装置等组成，制动控制装置是制动系统的中枢，负责接收制动指令，进行制动控制，担负着制动力的计算和分配任务，风源装置为制动系统提供制动的源动力，高速动车组上通常由主空压机和辅助空压机构成，基础制动装置为制动系统的执行机构，将制动压力作用在车轮上，产生轮轨摩擦力，从而进行列车制动。
电制动力的发挥及其与空气制动力的匹配都与制动控制系统的设计、元器件的品质密切相关。
对于高速动车组来说，各种制动方式的匹配一定要处理好。
2.2 防滑控制设计
防滑控制是在制动力即将超过黏着力时（此时防滑器判断为“滑行”），降低制动力，使车轮继续处于滚动（或滚滑）状态，避免车轮滑行。
防滑系统通过车辆速度传感器检测出此时的速度差和减速度，然后把检测到的信号传输到防滑控制器，通过微处理器的比较判断，发出防滑控制信号，从而迅速降低滑行车轮的制动缸压力，使滑行车轮所受的制动力快速降低。
防滑控制系统主要由集成在制动控制单元中的防滑控制器、轴速度传感器及防滑排风阀组成的一个
闭环控制结构。
防滑控制器对轴速度脉冲信号进行处理，得到相应的轴速、轴加减速度和参考速度，对已经发生滑行的情况发出防滑控制指令，操纵防滑电磁阀，控制制动缸的压力。
防滑系统能最佳利用有效黏着，以保证最短的制动距离。
2.3 安全防护设计
为了确保列车运行安全，尽管设置了准确可靠的地面信号装置，但在浓雾、风雪等气候条件下难以确认信号。
另外，由于司机打磕睡或误看信号等原因，很有可能发生列车冲撞等重大事故。
因此，在列车没按信号运行时需要报警引起司机注意，同时自动施行制动停车，以保证列车安全。
高速列车的安全防护装置有以下几种：第一，自动停车装置，当列车接近停车信号机时，进行车内报警的装置，该装置报警后，如果司机仍不确认操作或没按规定减速度进行操纵时，便自动实施制动使列车自动停车；第二，自动控制装置，控制列车的运行速度低于地面速度信号的装置，例如，当信号速度下降时，ATC装置便自动实施制动以降低列车速度；第三，自动驾驶装置，根据多级速度信号及速度条件，对列车自动进行加速、减速的控制装置，保证列车正点运行和改善旅客的乘坐舒适度。
同时，在防止列车冲撞和超速运行方面起到作用。
结束语
总而言之，高速动车组制动系统是一个集多种学科为一体的综合系统工程，整个系统的成功，需要零部件的成熟，需要互相匹配和协调。
所以，相关科研单位要加强分层设计和模块化设计，科学选用合适的制动方式，提高各种参数计算精确度，保障系统的制动效果，为高速动车组发展提供可靠技术支持。
参考文献
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