关于高速列车制动距离的研究

　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

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4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。