列車減速度控制技術

現代制動系統設計的核心目標是使制動過程具有良好的重復性，減速度控制（DCC）技術朝這個方向邁出了重要的一步。該技術使列車無論在何種速度下、以何種方式制動，都能保持穩定的制動性能，實現精確制動，即使是在制動閘瓦和制動盤之間的摩擦系數發生波動的情況下。克諾爾制動公司鐵路車輛部和波蘭NEWAG公司花費2年多的時間開發出一列3節編組、具有DCC功能的市郊客運列車（Impuls系列），并進行了大量試驗，目前該列車已在波蘭獲得運營許可。

1 制動減速度和制動距離的影響因素

當鐵路車輛觸發緊急制動時，制動系統會向每副輪對提供恒定的緊急制動壓力（其大小取決于負載）。在理想條件下，由于作用在輪對上的制動力恒定，因此制動減速度和制動距離也應該恒定。然而，在車輛的實際運行中，這種理想條件不存在。即使在黏著力滿足要求的情況下，列車所達到的減速度及相應的制動距離也有巨大差異。這主要由閘瓦-制動盤-摩擦副的摩擦系數波動所引起。該摩擦系數取決于制動盤溫度的變化，制動盤溫度由輸入能量決定，而輸入能量受到制動初速度的顯著影響;一些外部變量（如溫度、濕度）也會對摩擦系數產生影響。此外，制動系統的其他公差（如制動執行器效率、車輪直徑）也直接影響作用于輪對的制動力。

為確保列車在最不利工況下也能在最大允許緊急制動距離內停車，在設計制動系統時必須考慮上述各種公差。

2 DCC 技術

DCC技術適用于所有類型的制動系統。該技術以在列車每節車廂中安裝的加速度計為基礎，加速度計用于持續測量列車的實際縱向減速度，測得的數據通過列車總線實時傳輸到集成在制動控制路徑中的中央制動控制單元。中央制動控制單元根據列車實際減速度（即所施加制動力的實際效果）與目標值的偏差，以及列車當前速度、環境條件、線路坡度、各種車輛參數（如負載狀態、摩擦材料性能）等信息，對施加在轉向架或車軸上的制動壓力進行實時調整（圖1）。DCC技術可以使列車實際減速度擺脫車輪直徑變化、摩擦材料偏差等因素的影響，使其實際值與目標值偏差最小化（圖 2），并以此顯著減少最大制動距離的偏差（圖3）。

3 采用 DCC 技術的試驗列車

克諾爾制動公司和波蘭制造商NEWAG公司一直在合作開發采用DCC技術的試驗列車。2016年夏天，DCC技術首次被應用在NEWAG公司型號為Impuls 31 WE的電動車組中。這是一列4節編組的市郊客運列車，最高速度為160 km/h（圖4）。

除原有的電制動控制裝置之外，該車每個轉向架上還安裝了型號為EPCompact的電空制動控制裝置。為進行減速度控制試驗，研發人員還在制動控制路徑中集成了一個用于減速度控制測試的電子控制單元。該電子單元與4個分布于各車廂、用于測量列車縱向減速度的加速度計連接，其功能是根據測得的實際減速度對制動壓力值進行調整，并傳輸給制動控制裝置。這種設置的目的是對采用和未采用DCC技術時的列車制動性能進行直接比較。由于無法修改現有的氣動制動裝置，因此研發人員僅在該試驗列車的行車制動裝置中引進了DCC技術。此外，該列車還裝配了其他速度和加速度傳感器，用于在試驗過程中進行參考測量。

4 首次行車試驗

2016年8月底，上述NEWAG Impuls 31 WE型試驗列車在波蘭鐵道學院的環形試驗線路上（Zmigrod市附近）進行了首次行車試驗。波蘭鐵道學院隸屬于波蘭交通、建筑和海事部，負責波蘭鐵路交通相關的互操作性事務。試驗內容為列車在不同負載條件下和使用不同摩擦材料（原有閘瓦Jurid 878和替代閘瓦Propad P16）時的制動性能測試。

為使試驗結果具有更好的可比性，試驗人員對列車發出相同的制動請求，即將列車從當前速度制動到停止狀態。試驗中，試驗人員對DCC功能開啟和關閉的狀態進行了區分，并在純電空制動模式與電空制動、電子動態制動混合模式之間進行了切換。

該試驗列車在環形試驗線路上行駛了280圈，約2200km，進行了203次制動操作，試驗結果表明，制動過程減速度曲線中的典型“凹痕”得到了完全校正，從相同制動初速度到停止的制動距離波動也明顯減小。圖5展示了純電空制動模式下DCC功能對于列車制動性能的影響。在DCC功能未啟用的情況下，減速度曲線和制動距離主要由制動初速度和摩擦系數決定。在啟用DCC功能時，制動試驗結果表現出良好的重復性，在不同速度下對輪軌黏著力的利用也趨于均衡。

5 具有 DCC 功能動車組的開發和運營許可

在試驗列車取得非常好的測試效果后，克諾爾制動公司和NEWAG公司便開始了下一階段的研發，即將DCC功能應用到列車緊急制動裝置中，并對電空制動控制裝置進行全面改造，再由NEWAG公司負責對該裝置進行常規行車測試。為此，他們選擇了NEWAG公司型號為Impuls 36WEa、最高速度為160 km/h的動車組（圖6），并對其整個制動系統進行了全面改造。除將DCC電子控制單元直接集成到列車原有的電制動控制裝置中之外，開發人員還用改進型新組件替換了所有的EP Compact，以便在緊急制動時進行減速度控制。

為對改造后的列車進行優化，上述2家公司于2018年11月進行了一系列試驗。該列車在環形試驗線路上共運行826圈，總計6 210 km。試驗期間，試驗人員對列車負載情況（空載、輕載和重載）以及制動閘瓦型號（Jurid 878和Propad P16）進行了區分;在各種邊界條件下，對列車行車制動和緊急制動時的制動減速度進行了測量，并模擬了其他故障狀態。圖7展示了輕載車輛在不同制動初速度下、使用2種不同摩擦材料時的緊急制動減速度曲線。試驗結果表明，啟用DCC功能后，緊急制動時的制動距離偏差可減小多達85%，且表現出良好的重復性。測量數據的標準偏差可用于評估DCC的效率。例如，DCC功能關閉時，列車從速度為120km/h緊急制動到停止的制動距離標準偏差為16.4m（相對標準偏差3.6%），而DCC功能啟用時可減小到3.3 m（相對標準偏差0.7%）（圖 8）。列車在其他制動初速度和負載狀態下的試驗數據結果也大致相同。在電空制動和電子動態制動混合模式下，DCC功能關閉時，列車在相同制動初速度下的制動距離標準偏差為12.8 m（相對標準偏差2.3%），DCC功能啟用時為1.6m（相對標準偏差0.3%）（圖9），制動距離偏差減少了約70%。

在上述試驗結束后，NEWAG公司開始辦理該列車的運營許可申請。為此，其根據《國際鐵路聯盟規范》（UIC）和《互操作性技術規范》（TSI）進行了所需的行車試驗，并按照波蘭鐵路局的要求提供了必要的證明文件。2020年初，NEWAG公司具有DCC功能的Impuls 36WEa型市郊客運列車獲得了運營許可，接下來是為期1年的載客試運行。

具有DCC功能的Impuls 36WEa的試驗經驗也為DCC技術在新一代克諾爾制動系統中的應用奠定了基礎。DCC電子控制單元及其必需的傳感器將直接集成到新一代系統中，因此無須安裝額外的組件便可對制動系統功能進行擴展和改進。

6 結語

DCC技術可顯著減小制動距離偏差，改善對輪軌黏著力的利用。目前，氣動制動裝置一般為純壓力控制，這決定了特定類型閘瓦的設計。由于DCC技術在很大程度上使制動距離的精度擺脫了制動系統和轉向架設備公差的影響，因此在設計摩擦材料時，設計人員可以選擇摩擦性能符合要求、具有最佳耐磨性能的閘瓦，以達到降低其生命周期成本（LCC）、改善其熱性能及降低噪聲的效果。隨著研究和試驗的推進，DCC技術定會在將來得到廣泛應用。

參考文獻

[1]Ulf Friesen， Ralf Furtw?ngler， Norman Kreisel. Verz?gerungsgeregeltes Fahrzeug erm?glicht ein stabileres Bremsverhalten in allen Geschwindigkeiten[J]. Zeitschrift für das gesamte System Bahn，2020（1-2）：43-49.

蘇靖棋 編譯

收稿日期 2020-05-17