第19卷第1期(总第43期) 中国铁道科学1998年3月　关于高速列车制动距离的研究马大炜 林台平(铁道部科学研究院) 摘　要:根据高速列车的运行特点和制动性能要求,概述高速列车的制动课题,从而说明高速试验列车制动系统技术条件编制的主要依据和设计原则,特别对纯摩擦制动和复合制动两种不同工况的紧急制动距离进行分析比较,并提出高速列车制动能量分配的设计建议,以供高速试验列车的应用。

关键词:高速列车　制动系统　紧急制动距离　制动能量1　前 言 高速列车必须装备高效率和高安全性的制动装置,为高速列车提供正常运行中的调速和停车手段,在需要的情况或意外故障下,要保证列车具有尽可能短的紧急制动距离,而当最高时速达到250km以上,以至300km时,这个要求是非常高的。

在制动系统的组成、制动操纵和控制系统、基础制动装置等方面的技术要求和设计原则,均完全不同于目前的普通旅客列车。

本文主要说明编制高速试验列车制动系统技术条件的若干关键技术问题。

2　高速列车制动系统的主要课题211　复合制动方式的高速列车制动系统最高时速达300km的高速列车,所需要的制动能量是十分巨大的,无论是正常调速停车,司机施行紧急制动和系统意外故障的自动强迫紧急,制动系统都要承受极大的制动能量。

为了保证高速列车的运行安全,高速列车制动过程中应具有相当高的制动减速度,因此制动装置发挥的制动功率很高。

而目前几乎所有的制动装置均不可能单独承担。

这就要求高速列车无一例外地具有先进的强大制动能力的复合制动系统。

在这个系统中仍然以摩擦制动为基体,组合动力制动(电阻制动,再生制动等)和非粘着制动方式(电磁轨道制动,轨道型电磁涡流制动装置等)。

当然各国在复合制动的组合上是有差异的。

在动力集中方式的高速列车上,以摩擦制动为主,动力制动配合,在列车中制动力分配难以均匀。

动力分散方式则能够充分发挥动力制动作用与摩擦制动均匀分配的优点。

因此各种制动方式制动能量的合理分配是系统设计的重要课题。

　收稿日期:1997206223　马大炜　副研究员　铁道部科学研究院机车车辆研究所　100081北京212　电气指令制动控制系统就此系统的名称来看,目前各国运营的旅客列车和各种动车及地铁动车几乎均属于此种控制系统。

而我们所要叙述的高速列车的电气指令控制系统则是技术水平更高,甚至可以说是一个崭新的系统。

以往的电气制动控制一般只是对应于各运行级,各车都将单纯的制动缸压力作为控制制动力的基础,尽管也包括了动力制动的运算,这种制动控制运算仍是粗糙的,性能是不完善的。

其原因在于长期以来列车制动装置的设计与计算基于“静态分析方法”,主要由和传统的车辆制动率要求几乎一致的制动缸压力来设计计算。

而实际运用过程中的动态参数,诸如粘着系数、摩擦系数、传动效率和列车的减速度等均采用平均值的概念,为此综合不同的基础制动装置、不同材质的摩擦副、粘着力的有效利用和动力制动力的充分发挥,以确保高舒适度和运行平稳的制动控制是比较困难的。

高速列车的制动控制系统设计基于新的制动模式,似乎应倾向于“动态控制”,在实际运行中不但要解决各车的制动装置的差异,还应加上天气条件、摩擦材料、轴重转移的变化、曲线通过的横向力等诸多因素对制动力的影响,要引入新的运算模式,这就是在复合制动系统有机协调配合制动力的模式中,加入减速度运算、冲动控制、有效利用粘着等动态参数的运算控制。

才能使高速列车制动控制系统成为一个非常完善的控制系统。

213　防滑控制系统时速达300km 的高速列车,要求在尽可能短的制动距离内安全停车,制动减速度势必较大,而制动力的发挥又主要依赖于轮轨的粘着,因此粘着系数就成了提高列车减速度的一大制约因素。

高速列车中必须设置的微机控制的防滑控制装置,一方面要防止在高速制动时由于粘着随外界因素变化而发生滑行的危险,同时在粘着系数较低的状态下,可充分利用粘着(动态过程)缩短停车制动距离。

214　基础制动装置高速列车制动能量的转换环节中,基础制动首当其冲。

它们承担强大的制动功率是保证高速安全的首要条件,而其本身的承受能力和安全可靠则是需要解决的极重要的课题。

根据国外的经验,伴随着列车速度不断提高的铁路技术进步,研究试验开发高性能的基础制动装置一直是重头戏,至今尚无已经完全解决了高速列车所要求的安全可靠的摩擦制动装置的结论。

应该说在这方面我国和先进国家的差距是相当大的,应予以极大的重视。

215　非粘着制动装置粘着制动制约了制动力的提高,从而迫使人们开发新型的不依赖于轮轨粘着的非粘着制动方式,早在高速列车出现之前已经开始了该课题的研究。

例如联邦德国过去曾要求在时速140km 以上的旅客列车上装备与轮轨粘着系数无关的制动装置。

非粘着制动装置目前主要有电磁轨道制动装置和轨道型电磁涡流制动装置,关于这两种制动装置的优缺点,国内外的分析文章已有不少,此处不再叙述,就成熟的程度、使用的独立性和国内已有的经验而言,电磁轨道制动更合适。

216　自动监测和诊断系统高速列车上应设置车载微机及信息传输系统,这是非常重要的措施,它可以协助和监督司机安全行车,以及对列车的关键环节进行实时地监测和诊断。

制动系统的监测和诊断则是该14第1期 关于高速列车制动距离的研究24中　国　铁　道　科　学 第19卷系统中最重要的部分。

3　高速列车制动系统技术条件的主要依据和设计原则 根据京沪高速铁路的运营条件、国外经验以及国内相关的技术条件,对高速列车制动系统的设计原则如下。

11鉴于传统的纯空气制动系统和踏面制动方式已远远不能满足高速列车制动的要求,高速列车制动系统采用包括动力制动,空气作用的摩擦制动和电磁轨道制动的复合制动方式。

21为适应高速列车的自动控制和旅客舒适度及安全性的要求,必须采用先进的微机控制的电气指令控制系统。

31动力制动要求发挥可能达到的最大的动力制动。

为达到此目的在设计高速列车的模式时,应充分考虑动力制动的配置和功能的发挥。

41作为制动主体的空气作用摩擦制动应该是高性能大容量的盘形制动装置。

无论是动力轴的轮盘式或非动力轴的轴盘式,其材质、结构、闸片形式和材质、装备的数量均应以发挥巨大的制动能力为依据进行研究设计。

51高性能的防滑控制系统。

61作为非粘着制动的电磁轨道制动装置是300km h-1高速时所必须的辅助制动装置。

其作用是缩短紧急制动距离,特别是在动力制动失效的情况下,保障高速列车的安全停车。

4　高速列车紧急制动距离411　紧急制动距离高速列车与过去所有的列车相似,当速度提高一个较大的台阶时,首先遇到的原始技术条件就是紧急制动距离。

而当一列高速列车研制开发出来之后,紧急制动距离又是其性能检验的最重的技术参数。

紧急制动距离内含着列车制动指令系统的性能、制动控制模式、制动装置的结构特点、机械性能和材料等诸多内容,同时又与列车运行条件如粘着状态和线路信号系统相关联。

对于我国未来的京沪高速列车,初步确定当初速为300km h-1时,紧急制动距离为3700m,这个数字已标志了当今世界最先进的水平。

这个数值在国外先进国家是建立在一系列先进技术、尖端工艺、优质材料和丰富的高速运用经验的基础上。

但对我国则应该说尚有一系列有待攻克的课题。

412　紧急制动的分级由于高速列车制动系统复合作用的特点,在编制设计和实际运用中,高速制动系统有以下几种工况和条件。

11在动力制动完全失效的情况下,而列车又不设置非粘着制动装置的电磁轨道制动机时,紧急制动完全由摩擦制动来承担。

21在动力制动完全失效时,列车有电磁轨道制动机与摩擦制动共同承担制动作用。

31动力制动与摩擦制动共同承担制动。

41由动力制动、摩擦制动和电磁轨道制动共同承担。

正常情况下,高速列车的调速、停车和司机操纵或非列车制动系统故障的意外紧急时,应由几种制动装置共同发挥其优良性能,应该达到规定紧急制动距离的安全要求。

像上述工况中的4和3应该问题不大。

但是当动力制动失效,或者由于网压的原因,再生制动突然失效,仅靠摩擦制动来满足极短的紧急制动距离则是困难的,甚至是达不到的。

413　与紧急制动距离相关的设计概念制动系统是列车高速运行的首要保证措施,这就要求设计高速列车制动系统在合理可行的制约因素范围内,科学而实际地设计和计算。

41311　可借鉴的国外经验法国T GV 高速列车的紧急制动距离要求见表1。

表1　列车紧急制动距离列车型号最高速度 km h -1标准制动距离 m不良状态下的制动距离 mT GV 2PSE 27030003700T GV 2PSE 20015001870T GV 2A B 30035004500T GV 2A R20017002200 德国的I CE 高速列车所要求的最大平均减速度为110m s -2,当初速为300km h -1时,紧急制动距离为3450m 。

但在不良的气候条件下,要求保持这样的紧急制动距离必须付出极高的代价,因此德国不坚持如此苛刻的距离要求。

同时德国提出由于I CE 列车动力制动为再生制动,因此在制动计算时,两端动车的再生制动力在停车制动时不计在内,这又增加了制动系统设计计算的麻烦。

欧洲U I C 委员会鉴于高速列车的紧急制动距离规定的很短而给实际运行带来的困难,建议紧急制动距离的推荐值比设计值大10%以上。

图1　直径 610mm 的铸铁轴盘式制动盘停车制动时的温升41312　粘着利用为缩短紧急制动距离,不可避免地要受到粘着的制约。

德国I CE 所要求的最大平均减速度为1m s -2,但当轮轨粘着恶化时,最大减速度仅为017m s -2,超越了实际粘着极限的紧急制动距离,在粘着制动条件下是可靠的。

41313　盘形制动机的热负荷极限采用高强度的高合金铸钢盘和粉末冶金闸瓦,每轴配备两套复式盘的盘形制动机,无非是大大增强摩擦制动的负荷能力。

以满足高速的需要,但是应注意的是过大的热负荷会造成制动盘热损伤和寿命的缩34第1期 关于高速列车制动距离的研究44中　国　铁　道　科　学 第19卷短,制动盘本身失去了高的可靠性,也就无法保证列车制动的安全性。

德国建议在意外负荷下制动盘的允许温度,对于铸钢盘和粉末冶金闸瓦为不超过500°K,要达到这个条件已是十分困难了。

图1所示的曲线为U I C利用铸铁轴盘式制动盘所做的停车制动试验的结果,可供参考。

41314　非粘着制动作为紧急制动的辅助制动装置,承担10%以上的制动能量。

41315　制动力的均匀性尽可能平均配置复合制动方式的制动力,减少动车与拖车间制动率的差别,以降低紧急制动时的列车纵向冲动。

5 11高速列车编组条件2动27拖,总重为48516t,分配如表2所示。

表2　高速试验列车组成车型空心轴动车方向轴动车独立式拖车铰接二轴车铰接三轴车轴重 103kg19151914171514　17车重 103kg787656471834 21盘形制动摩擦系数 Υ=010418(2v+150) (3v+150) 31列车运行阻力(平直道) Ξi=01608+01008v+01000136v2(N kN-1) 41空走时间(电控制动) t0=1s 51紧急制动距离 s=v0t0 316+∑4117(v21-v22) (1000ΥΗ+Ξi)(m)式中:v0——初速 km h-1v1,v2——分段计算的初速和未速;Η——列车制动率;Υ——闸片摩擦系数。