高速动车组制动系统设计探讨

!’ 高速动车组基础制动能力的设计
! + !’ 制动减速度、 制动功率、 制动距离 高速动车组运行在铁路快速客运专线或城际客运 线路上， 速度高， 固定编挂， 一般分为动力集中型与动 力分散型两类。笔者根据质点动力学理论， 得出了比 照 ,** ./ 0 1 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 （ 图 #） 。从图 # 可以明显地看出动车组在制动初速 ,** ./ 0 1 时以 *3 % / 0 4’ 2 #3 5 / 0 4’ 等不同匀减速度停 车的情况。 以 ,** ./ 0 1 动车组为例， 经计算， 其每吨质量的 动能 ! 为 , 5)’ .6， 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 ’ 倍。 也就是说， 如果该动车组每轴 #5 7， 那么以 # / 0 4’ 的匀 减速度停车时所需的平均轴制动功率为 "$,3 5 .8 0 轴， 最大瞬时制动功率为 # #%%3 $ .8 0 轴， 纯制动距离为 , 5)’ /。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。
图 $" “ 中华之星” 动车组基础制动设计方案
# " $ " #" 电制动能力 根据 “ 中华之星” 动车组电机制动功率、 传动比、 传动效率和轮径可计算出 # 根动轴的 电 制 动 力 （表 #） ， 据此可得到 # 辆动车的电制动力曲线 （ 图 &） 。图 & 同时给出了该动车按制动缸压力 $,, -12 计算出的 空气制动力。此外， 为便于参照， 将轨面的粘着力也用 虚线表示在图 & 中。从图 & 可以看出， 电制动力已大
表 "$ “ 中华之星” 动车组动车和拖车每盘功率负荷
制动缸压力 每盘制动力 每盘制动功 每盘平均制 每盘最大制 ’ %-. ’ %0 ’ 12 动功率 ’ %3 动功率 ’ %3 动车 ,$$ ,/$ 拖车 +7$ +4 $5 /4 $ #4 "7 )/4 5 )54 56 ))4 6, ))4 ") )6,4 6 ,$#4 $ ""64 $ "#,4 " +6$4 $ 6+/4 +
( &*0 2 9 . （ ’)6 ） ’) 9 . （ 2.6 ） 25 9 . （ *.6 ）
“ 中华之星” 动车轴重为 &.0 * 1， 拖车轴重为 &20 * 1， 计入转动惯量， 动车每吨分摊到的电制动力最大可 达 &0 +. "-， 空气制动力为 (0 ++ "（ ’+( "34 ） ； 拖车每 吨分摊到的空气制动力为 &0 (/ "（ 25( "34 ） 和 (0 .’ "（ 2)( "34） 。 运行试验后， 对 “ 中华之星” 动车电制动力过大采 取了以下措施： 电制动力只发挥其定值的 2(6 左右， 修改电 制 动 力 特 性 曲 线， 当 速 度 降 到 2* "# ! $ , ’* "# ! $ 时， 电制动力由最大值降到零， 即提前取消。 在动力分散型动车组如以 ) 动 & 拖为 & 个单元动 车组的电制动力设计中， 可以充分发挥电制动力的作 用， 因此希望电机制动特性曲线的恒制动力区段宽一 些。然而， 对动力集中型的动车组而言， 电制动力就显 得过大， 恒制动力在低速区段发挥不了作用， 这就是动 力集中型与动力分散型对电制动能力使用的差别。对 于高速动车组， 要提高速度， 节省能耗， 希望轴重轻， 牵 引功率大， 这样动力制动的电制动功率也随之加大， 所 以动力集中型动车组的电制动力必然发挥不了作用。 ! 7 $ 7 %" 电制动力与空气制动力的匹配 在现代城市轻轨地铁动车组的制动设计中有电制 动优先的说法。优先就是最大限度的使用， 最早期的 使用。动力分散型高速动车组理应如此， 可是对动力 集中型的 “ 中华之星” 动车组就不得不打些折扣。 在不考虑空气阻力的情况下， “ 中华之星” 动车组 以几种不同减速度 （ (0 2 # ! 8) , &0 ( # ! 8) ） 在平直道上 制动停车时所需制动力见表 ) 。 万方数据
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如果能最大限度地使用电制动力， 即假定轨面粘 着条件极佳， 原设计的电制动力能充分发挥， 也就是在 整个制动减速过程中， 让电制动力按其特性曲线走， 到 &(+ "# ! $ 时使每辆动车电制动力达到 &*( "-， 保持到 速度降为 &( "# ! $ 时然后消失， 此时不足的电制动力 由动车的空气制动力补充， 而拖车提供的制动力按全 列不足补上， 则可计算出 “ 中华之星” 动车组制动力分 配情况 （ 表 ’） 。
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从表 ’ 可以看出， ) 节动车电制动力所占比例确 实是优先了。但是， 动车的粘着力不够， 其实若按每辆 动车计算， 粘着系数接近 (0 ) ， 即每转向架电制动力为 ’( "-， 该值与法国 :;< =>?@AB 动车组 （ 轴重 &/ 1 ） 相 同。:;< =>?@AB 动车组是将原每转向架电制动力 )2 "- 提高至 ’( "-， 比较切合实际， “ 中华之星” 动车组 则是减下去。按修改后的方案， 得到 “ 中华之星” 动车 组制动力分配图 （ 图 +） 。
& & 我国 正 在 发 展 ’** ./ 0 1 2 ,** ./ 0 1 的 高 速 动 车组， 因 此 对 其 制 动 系 统 应 有 一 个 最 基 本 的 认 识。 本文通过对高速动车组制动减速度、 制动功率、 制动 粘着利用和各种制动方式的分析， 和对 “ 中华之星” 动车组电动 力 制 动 与 空 气 制 动 的 比 较， 以及对微机 直通电空 和 微 机 自 动 电 空 ’ 种 制 动 控 制 方 式 的 选 择， 提出了对 我 国 高 速 动 车 组 制 动 系 统 设 计 的 看 法 和建议。
图 !" 新干线动车组开通时车辆的设计减速度与粘着系数
设计得高些， 但制动距离差异不大。 （ ! ）粘着系数的离散性很大。由于制动防滑器都 是被动式校正型的防滑系统， 所以制动设计时在粘着 利用上只能从最坏的方面考虑， 不可期望太高。 日本新干线的研究表明， 在制动粘着利用方面， 同 一列车中的车辆位置不同， 发生滑行的概率就不同， 从 而制定了对新干线头车施行较小的制动力、 而对以后 的车辆施行较大的制动力的减速度模式。 此外， 人为的增粘、 传统的撒沙、 研制新的增粘材 料和喷射装置都是高速动车组提高制动能力的课题。 # " !" 高速动车组制动方式 目前应用的高速动车组施行制动减速的方式包括： （ # ）盘形制动， 有轴盘、 轮盘等形式， 包括液压力 或气液增压； （ ! ）空气踏面制动； （ $ ）动力制动， 包括液力制动， 电牵引动力制动 （ 电阻制动、 再生制动） ； （ % ）电磁涡流轨道制动， 属于非轮轨粘着制动， 不 接触钢轨； （ & ）电磁轨道制动， 属于非轮轨粘着制动， 但摩擦 钢轨； （ ’ ）电磁涡流盘形制动， 装于车轴， 属轮轨粘着制 万 方数据 ・ "! ・
图 ’" “ 中华之星” 动车组制动力分配图
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铁道车辆< 第 ++ 卷第 )) 期 "$$/ 年 )) 月<
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。如果电 制动响应慢于空气制动， 则空气制动力先上去， 等电制 动力上来后， 空气制动又退下去； 如果电制动响应快于 空气制动， 则电制动先上去， 不足的部分由空气制动追 补上去； 如果中途电制动力突然丧失， 则空气制动要立 即补上。所以， 电制动优先原则， 对设计者来说是优先 的， 但如果响应慢或突然丧失或过早丧失， 那么优先就 是一句空话， 反而更不利。但是， 衡量一套制动系统的 水平， 这一条又很重要。对于高速动车组来说， 各种制 动方式的匹配一定要处理好。 ! ! " ! #$ 制动功率 按 “ 中华之星” 动车组的制动设计要求， "#$ %& ’ ( 时的紧急制动减速度必须达到 ) & ’ *" 。按此要求计算 出的动车和拖车每盘功率负荷见表 + 。表中拖车的每 盘制动功， 上方数字是按动车缸压力为 ,$$ %-. 计算 得出的， 下方数字是按动车缸压力为 ,/$ %-. 计算得 出的。
万方数据
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铁道车辆* 第 %% 卷第 ## 期 !,,’ 年 ## 月*
动范畴； （ ( ）空气阻力制动； （ ) ）增粘制动。 上述 ) 种制动方式在轨道车辆上有不同程度的应 用， 问题是如何选择、 搭配和有机地复合。 # " $" 从 “ 中华之星” 动车组的基础制动系统看高速动 车组制动能力配置 * * 由于 “ 中华之星” 动车组 （ ! 动 + 拖） 为动力集中 型， 设计最高速度为 !(, -. / 0， 常用制动主要依靠拖 车的制动力。由于拖车只有空气制动， 因此主要依靠 空气制动， 紧急制动的设计不考虑动力制动， 全靠空气 制动。 图% 是 “ 中华之星” 动车组动车轴和拖车轴的基 础制动设计方案。动车每轴 ! 个 !(&, .. 制动盘， # 个单元制动缸； 拖车每轴 % 个 !’%, .. 制动盘， % 个单 元制动缸； 无踏面制动， 但配有靠弹簧力作用的停放制 动。