动车组制动技术综述

动车组制动技术综述
列车制动的一般概念是指对行进中的列车施行减速或使在规定的距离内停车。

制动的重要性不仅在于它直接关系到运输安全，还在于它是进一步提高列车运行速度的决定因素。

列车速度越高，对制动的要求也就越高。

因而，动车组的制动技术成为其高速运行的关键技术之一。

一、动车组制动方式分类
1.按动能消耗方式分：
（1）摩擦制动：闸瓦制动、盘形制动、磁轨制动等；
（2）动力制动：电阻制动、再生制动、轨道涡流制动、旋转涡流制动等。

2.按制动形成方式分：
（1）粘着制动：闸瓦制动、盘形制动、电阻制动、再生制动、旋转涡流制动等；
（2）非粘着制动：磁轨制动、轨道涡流制动等；
3.按动力的操作控制方式分：空气制动、电空制动、电磁制动。

二、高速动车组制动系统的基本要求
1．制动能力的要求
制动能力表现为停车制动时对制动距离的控制。

在同样的制动装置、操纵方式和线路条件下，其制动距离基本上与列车制动初速度的平方成正比关系，所以随着列车速度的提高，必须相应地改进其制动装置和制动控制方式才能满足缩短制动距离的要求。

通过国外主要国家高速列车制动能力比较得知：国外300km/h高速列车的紧急制动距离均在3000～4000m之间。

根据制动粘着利用和热负荷等理论计算的结果，我国动车组在初速300km/h条件下的复合紧急制动距离可保证在
3700m以内。

2．舒适性的要求
从列车动力学的观点出发，旅客的乘坐舒适性包括横向、垂向和纵向三方面的指标，高速动车组纵向运动的特点除起动加速度较快以外，主要是制动作用的时间和减速度远大于普通旅客列车，因此必需有相应措施来控制旅客纵向舒适性的指标，包括对制动平均减速度、最大减速度和纵向冲动的要求，均应高于普通旅客列车。

为满足纵向舒适性的高要求，动车组制动系统必须采用下述关键技术：（1）采用微机控制的电气指令制动系统以实现制动过程的优化控制，并在提高平均减速度的同时尽量减少减速度的变化率；
（2）对复合制动的模式进行合理设计，使不同型式的制动力达到较佳的组合作用；
（3）减少同编组列车中不同车辆制动力的差别，以缓和车辆之间的纵向动力作用；
（4）采用摩擦性能良好的盘型制动装置和强有力的动力制动装置，以提供足够的制动力。

3．安全可靠性
制动系统作用的可靠性是列车行车安全的基本保证。

特别是高速运行时制动系统失灵的后果将不堪设想。

为此，动车组制动系统的安全可靠性设计涉及有下列四个方面：
(1) 制动控制方式设计。

动车组一般设有空气制动、微机控制的电空制动和计算机网络三种制动控制方式。

在正常运行状况下由计算机网络控制并传递全列车各车辆的制动信息。

当该控制系统发生故障时能自动转换为电空制动作用。

在电气故障或电空制动故障时，能依靠空气制动的列车管减压实现系统的纯空气制动作用，并保证在不良状态下的制动距离。

此外，在动车组微机控制的制动控制过程中需要有大量的信息输入、数字运算和输出指令，为防止故障，在该指令系统的设计中也需要考虑相应的可靠性措施。

(2) 下坡道停车的可靠性设计。

动车组必须随时保证有必要的停车制动能力，为此应具有足够的弹簧制动装置能力。

(3) 制动能力的冗余量设计。

在正常条件下复合制动系统的各种制动方式应合理分担制动能量。

一旦其中的某种制动方式发生故障时，其他制动方式应能提供补充。

例如空气制动和动力制动的互为补充。

当制动能力不足时，应限速运行。

此外，在空气制动能力设计时，应充分考虑失电情况下空走时间延长和盘型制动摩擦系数下偏差对制动距离延长的影响
(4) 粘着制动的保安作用。

例如磁轨制动装置在紧急制动时的可靠性，通常该制动能量设计为全部制动能量的10%左右。

4.控制准确
（1）制动作用采用微机控制，可为保证列车正点运行精确提供所需制动力；（2）对复合制动的模式进行合理设计，使不同型式的制动力达到最佳的组合效果。

5.维修方便
（1）具有在故障时能够进行自检的自诊断功能；
（2）减少磨耗件，大大减少维修工作量。

6.制动装置轻量化
（1）采用模块化设计；
（2）将空气制动的电-空气-液压方式变换为电－液压直接变换方式
三、制动控制系统的组成与分类
1.制动控制系统的组成
（1）电气部分：制动控制器、微机控制系统、安全联锁装置。

（2）气路阀类部分：制动电磁阀和缓解阀、紧急制动电磁阀、强迫缓解电磁阀和切换阀、荷重传感器和EP传感器、重空车压力平衡阀、紧急限压阀、制动缸压力中继阀、总风缸及电空制动压力开关、空电转换电磁阀等。

2. 控制系统操纵的两种制动装置
（1）正常情况下使用的采用微机控制的直通式电空制动装置。

这是一种以动力制动为优先的动力制动、空气制动、磁轨制动的复合制动方式。

（2）在电空制动失效的情况下使用的处于热备用状态下的自动空气制动装置3. 整个制动系统分成三级控制：
（1）网络控制：以网络来传输控制指令、实现ATP列车控制（安全级别低，指挥级别最高）
（2）电空制动控制：以贯穿全列车的电空制动电缆为介质来传输控制指令及电制动力的模拟指令（安全级别中，指挥级别中）
（3）空气制动控制：以贯穿全列车的列车管压力为介质来传输控制指令（安全级别最高，指挥级别最低）
4. 制动控制系统原理
由列车管减压方式变为电气指令式的控制装置，不仅缩短列车制动空走时间，还包括有复合制动控制、空重车调整、制动模式控制、监控信息处理和显示等功能。

从而可适应于ATP、ATC列车自动控制甚至最新的列车控制信息管理(TIS)
装置的运用要求。

四、防滑器控制
防滑装置的作用首先是对宏观打滑的检测，即通过对轮对滚动线速度的连续监测，以速度差、减速度及其变化率为评价指标，在发现打滑后利用降低制动缸压力的方法来恢复粘着。

由于高速列车强大的复合制动力矩在高速时更容易超过粘着力矩而可能造成车轴的抱死和车轮擦伤；
制动缸压力的下降对动车组制动距离的影响也更大，因此普通列车的防滑器已不能满足动车组制动作用的需要。

近年来在国外例如日本已采用了高精度控制的新一代防滑器，其主要特点是检测精度高、微机处理时间短、排风阀灵敏度高并采用新型的模糊控制方法，因此能减少防滑过程中的制动力损失，提高粘着利用和防止高速时的车轮打滑。

下面以日本高速列车例，介绍一下动车组制动技术的运用情况：
1．制动系统的操作
新干线部分高速列车制动系统见下表。

表
制动系统按司机的操纵和整列车控制可分为3种。

（1）自动列车控制系统ATC（Automatic Train Control）
该系统对列车自动进行速度控制，如果列车的速度比信号规定的速度快时，将会自动进行控制；当列车的速度降至信号的速度时，制动就会自动缓解。

在两列互相接近和在车站停车前，ATC会根据特性曲线自动施行制动。

ATC制动时可使用常用制动和紧急制动来实现，具体原则是当使用常用制动而在规定的距离内，列车的速度还不能降到要求的数值就使用紧急制动。

（2）根据操作手柄控制列车制动。

对列车的发车、加速、时间调整及30km/h 到停车地点的制动操作是司机通过手柄来实现的。

（3）紧急制动的操纵。

当出现意外事故时，司机操作紧急制动开关UBS，从而实现列车的紧急制动。

2．机械制动和电气制动能力的分配
图5-15为300系动力车制动力分配曲线图
上图可以看到，7级常用制动以电制动为主，30km/h以下机械制动参与，紧急制动是根据电制动与机械制动相加而得出的。

3．紧急制动距离
《新干线构造规则》中规定，在直线上紧急制动的减速度及常用制动的减速度必须符合表5-6的规定。

日本在高速区段（200～300km/h）制动粘着系数利用值较低，干燥时0.07～0.097，潮湿时仅为0.035～0.048。

新干线部分高速列车紧急制动距离如表5-7所示。

由以上综述不难看出，动车组的制动与常速列车的制动原理相同，但由于动车的速度很高，动能很大，要在规定的时间和距离内将这些动能消耗或吸收，用常速列车的单一闸瓦制动方式是无法达到的。

因此，动车组的制动必需采用综合方式，即多种制动协调使用，方能获得较好的效果。