高速動車組制動系統設計探討

劉德強

摘 要：電動車組的最高運行速度與其牽引功率有關，但也受其制動能力的限制。電動車組制動能力是指制動系統使動車組在規定的制動距離內安全停車的能力。為保證行車安全，動車組的制動方式的選擇和復合顯得尤為重要。

關鍵詞：計

1 制動減速度、制動功率、制動距離

高速動車組運行在鐵路快速客運專線或高速鐵路上，速度高，固定編掛，一般分為動力集中型與動力分散型兩類。根據質點動力學理論，得出了比照300km/h動車組以各種不同勻減速停車時的理論制動時間、停車距離和每噸質量所需的平均制動功率（圖1）。

以300km/h動車組為例，經計算，其每噸質量的動能 E為3472kJ，每噸質量在各種不同勻減速度下停車時的最大瞬時制動功率是平均制動功率的2倍。也就是說，如果該動車組每軸14t，那么以1m/s2 的勻減速度停車時所需的平均軸制動功率為583.4kW/軸，最大瞬時制動功率為1166.8kW/軸，純制動距離為3472m。這些數值提供了一個高速動車組量化的各制動減速度下制動距離和制動功率的概念。當然，實際的制動過程不是一個勻減速運動，而是一個變速運動。

2 輪軌制動粘著利用

作為輪軌關系的高速動車組，在其制動減速過程中，除空氣阻力外，首先需要利用的仍是輪軌間的制動粘著力，但軌道車輛鋼輪與鋼軌之間的粘著系數有限。

從圖2、圖3可以看出，輪軌間粘著系數隨著速度的提高而明顯下降，即在高速區段依靠輪軌是不可能得到高的減速度的。因此，在高速動車組粘著利用方面可以達成以下2條共識：⑴高速區段，粘著系數低，減速度只能就低設計，制動距離長；低速區段，粘著系數高些，減速度可以設計得高些，但制動距離差異不大。⑵粘著系數的離散性很大。由于制動防滑器都是被動式校正型的防滑系統，所以制動設計時在粘著利用上只能從最壞的方面考慮，不可期望太高。

3 從“中華之星”動車組的基礎制動系統看高速動車組制動能力配置

由于“中華之星”動車組為動力集中型，設計最高速度為270km/h，常用制動主要依靠拖車的制動力。由于拖車只有空氣制動，因此主要依靠空氣制動，緊急制動的設計不考慮動力制動，全靠空氣制動。

根據“中華之星”動車組電機制動功率、傳動比、傳動效率和輪徑可計算出1根動軸的電制動力（表1），據此可得到1輛動車的電制動力曲線（圖5）。圖5同時給出了該動車按制動缸壓力300kPa計算出的空氣制動力。

運行試驗后，對“中華之星”動車電制動力過大采取了以下措施：電制動力只發揮其定值的40%左右，修改電制動力特性曲線，當速度降到45km/h～35km/h時，電制動力由最大值降到零，即提前取消。

在動力分散型動車組如以2動2拖為2個單元動車組的電制動力設計中，可以充分發揮電制動力的作用，因此希望電機制動特性曲線的恒制動力區段寬一些。然而，對動力集中型的動車組而言，電制動力就顯得過大，恒制動力在低速區段發揮不了作用，這就是動力集中型與動力分散型對電制動能力使用的差別。對于高速動車組，要提高速度，節省能耗，希望軸重輕，牽引功率大，這樣動力制動的電制動功率也隨之加大，所以動力集中型動車組的電制動力必然發揮不了作用。

4 高速動車組制動方式的選擇與復合

對傳統旅客列車而言，有常用制動工況和緊急制動工況，這是常規的和必須的，高速動車組也是如此。高速動車組在300km/h時以1.0m/s2平均減速度制動，其制動距離要達到4000m左右。所以，對于速度達到某個級別的高速動車組是否要再設立一個“非常緊急”制動工況，使其平均減速度達到更高，這將決定制動方式的選擇。

目前國內的高速動車組均動力分散式。它的動力制動在全列占有很大的比例，其他拖車選用空氣制動方式。對于依靠輪軌粘著的制動而言，現代技術已使動車車軸的電制動力和拖車車軸的空氣盤形制動都可發揮到用盡輪軌粘著力的程度，但空氣制動要消耗壓縮空氣，磨耗閘瓦閘片，即使用盡粘著，制動距離還是太長，為此需要考慮采用非輪軌粘著制動方式，如電磁軌道、電磁渦流軌道、空氣阻力等。為利用再生電流、降低閘瓦閘片磨耗或減少更換閘瓦閘片的工作量，還可以采用電磁渦流盤形制動。

[參考文獻]

[1]王月明.動車組制動技術.中國鐵道出版社.2010.

[2]彭俊彬.動車組牽引與制動.中國鐵道出版社.2009.