時速400 公里動車組緊急制動距離標準設計研究*

邵 林，楊 欣，郭奇宗，宋博洋

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

以速度400 km/h 為下一代動車組的假定目標速度，需要在概念設計階段對各子系統技術指標進行研究與設定。就制動系統而言，其最關鍵指標是確定400 km/h 緊急制動距離標準，該標準要求的制動能力水平直接影響了制動方式配置，在確定其配置后各級常用制動減速度可按一定比例分級設計，從而確定了所有場景下的制動性能。

文中從動車組外部系統及動車組制動系統自身對緊急制動距離指標設計進行前期分析，列舉與其相關的主要外部系統和制動系統自身因素如下：

（1）外部系統影響動車組制動能力的因素：地面列控系統傳輸位置信息容量對動車組制動能力的要求；追蹤間隔與制動距離的關系。

（2）動車組自身因素：空氣制動熱負荷限制、制動黏著限制；考慮速度400 km/h 動車組制動能力提升，考慮非黏著制動（主要考慮高速制動力顯著的軌道渦流制動）；安全電制動應用；新型基礎制動材料，如碳陶制動盤材料等技術的應用。

1 外部系統對動車組制動距離的要求

1.1 列控系統采用的制動參數

列控系統采用最大常用制動減速度曲線控車，但此制動減速度并非動車組真實的制動曲線，主要經由以下2 個修訂環節：

（1）廠家實際提供的為最小/中等/最大常用制動設計減速度、干軌/濕軌緊急制動設計減速度、制動響應時間等參數，設計減速度通常比實測減速度小。

（2）列控系統自身產生的折扣。綜合CTCS3-300T、CTCS3-300S、CTCS3-300H 等 型 號C3 車 載列控設備，對制動曲線的一般計算方法如下：

①制動延時參數：采用車輛方提供的制動延時參數基礎上額外考慮車載系統內部延時1 s；

②制動減速度參數：將車輛的減速度分為6段，各速度段內減速度取車輛減速度（9 折后）的最小值；

③坡度參數：將坡度劃分為7 檔，分別為（0%，-5%，-10%，-20%，-25%，-30%，-35%），預先生成每個坡度下的制動距離，從而生成最終制動曲線。

粗略統計各車型、各型號列控系統的最大常用制動曲線，真實制動距離與列控系統制動距離比例為70%～80%之間，計算中根據已有數據取平均值73%進行設計計算。

緊急制動距離也可通過常用制動距離進行近似推定：動車組常用制動減速度，一般根據緊急制動距離限值要求，綜合考慮乘坐舒適度、基礎制動裝置熱負荷等因素，按一定比例選取。統計不同車型實測緊急制動與常用制動的距離之比，見表1。

表1 各車型初速350 km/h 實測緊急制動距離與常用制動距離之比

由以上統計可見，緊急制動與常用制動之比在0.58～0.75 范圍內，文中計算按0.65 取值。

1.2 C3 列控系統對制動距離的要求

C3 列控系統地面和車載設備已實現350 km/h控車安全，原則上可用于400 km/h 運用，并應深入探討其高速兼容性；C2 列控車載設備作為C3 車載設備的后備系統，可實現300 km/h 控車安全。

C3 列控系統是準移動閉塞系統，地面RBC（無線閉塞中心）根據列車位置、線路速度以及前方線路空閑距離，進行計算形成行車許可（允許列車前行的距離），通過GSM-R 系統發送給車載ATP系統。

地面RBC 對制動距離的限制為：根據RBC 設計限制，C3 系統在發給列控系統車載設備的行車許可中授權距離最長為32 km［1］，即列控系統中該動車組的最大常用制動距離應在32 km 之內。考慮運營線路存在下坡道致使常用制動距離延長，應對400 km/h 初速度以32 km 的制動距離限制進行允許坡道反算。

統計典型高速鐵路線路京滬高鐵坡道長度如下：京滬高鐵全長1 318 km，其中最大坡道20‰為1 km，18‰及以上線路共計（非連續）約6 km，15‰及以上線路共計（非連續）約9 km，13‰及以上線路共計（非連續）約18 km，12‰ 及以上線路共計（非連續）約64 km。由此可見，低至12‰坡度后，距離比例開始陡增，并成為較普遍坡道。在設計不同的制動能力方案后，應對其滿足32 km 制動距離的最大坡道進行校核，并與基于京滬高鐵統計，選擇12‰并有一定余量做為限值進行對比確定其適應性。

另外，若大坡道區段距離較短，適當限速滿足C3 列控系統的信息容量要求的前提下，可僅對運行時分產生微小影響。

1.3 C2 后備列控系統對制動距離的要求

目前高速鐵路設計規范［2］規定，“任意7 個連續閉塞分區長度之和不應小于動車組以CTCS-2級控車模式運行的最大常用制動距離”。由于C2列控系統只參與300 km/h 及以下速度的控車，因此其對7 個閉塞分區長度的要求，不構成對制動初速度400 km/h 時制動距離的限制條件。僅應按照其制動能力，對其300 km/h 的制動距離是否小于7 個閉塞分區進行校核（近似取1 個閉塞分區為2 km，共14 km）。

1.4 追蹤間隔時間與動車組制動能力的關系

動車組牽引和制動能力與追蹤間隔直接相關，更強的牽引制動能力通常可以得到更短的追蹤間隔。其中車站到達、區間追蹤工況下的追蹤間隔與車輛制動能力相關。制動相關的追蹤間隔受列控采用的動車組最大常用制動能力影響，同時跟選取車站及線路的平面布置等因素有關［3］。可通過仿真軟件模擬得出不同追蹤場景的追蹤間隔，不對此展開論述。若400 km/h 的緊急制動距離標準保持與現有350 km/h 的標準（不大于6 500 m）相一致，理論上應不造成對現有運輸效率的影響。

2 基于動車組自身能力的400 km/h 動車組制動設計方案

從動車組自身制動能力出發，對400 km/h 動車組的緊急制動距離標準進行設計。在不同的制動配置方案下，考慮可能發生的制動技術提升，將得出不同的距離標準。此時應考慮熱負荷限制、黏著限制，同時可以結合渦流軌道安全制動、安全電制動、減重等技術進行能力校核。形成制動配置方案待進一步分析，如表2 所示。

表2 400 km/h 不同制動配置方案描述

2.1 方案一：基于速度350 km/h 復興號動車組的配置，按基礎制動裝置熱負荷極限調整設計減速度

設計速度400 km/h 動車組緊急制動時，通過摩擦提供制動力的基礎制動裝置熱負荷成為主要限制。在現有盤形制動數量和材料不變的前提下，制動盤溫度持續高于700 ℃時，材料特性發生顯著下降，以此為限值進行熱負荷校驗及制動力設計。通過有限元手段進行熱負荷仿真計算，車重按CR400BF 定員質量取值，設計緊急制動EB、UB 的減速度曲線如圖1 所示，按此減速度設計，可保證制動盤最高溫度接近并低于700 ℃。為滿足熱負荷要求，制動力較速度350 km/h 復興號動車組有所降低，因此方案下不必校驗黏著。

圖1 緊急制動EB、UB 減速度，按現有基礎制動配置熱負荷極限調整

按以上設計減速度計算，初速度400 km/h 緊急制動UB 距離為9 050 m（文中全部距離計算均考慮阻力，按CR400BF 動車組阻力取值），緊急制動EB 為9 282 m。考慮實際摩擦系數波動和適當余量，上浮10%并取整作為推薦標準，為10 500 m。此方案未考慮任何可能的技術提升及優化，僅對制動軟硬件進行小幅度調整即可實現。按前文所述列控系統容量要求分析，驗算此方案下滿足列控最大常用制動距離32 km 的最大坡道為13‰。

2.2 方案二：速度350 km/h 復興號動車組的制動減速度外延

依據速度350 km/h 復興號動車組減速度外延，如圖2 所示。

圖2 速度350 km/h 復興號動車組設計減速度曲線外延至400 km/h

由圖2 可見，不同速度等級下黏著利用程度不同，實際利用黏著約為TSI 不利黏著的80%～50%。按350 km/h 以下速度黏著利用水平，將減速度外延至400 km/h，從而計算得出制動初速度400 km/h 緊急制動UB 制動距離為8 425 m，緊急制動EB 制動距離為8 350 m，按較大值上浮10%取值，推薦標準為9 270 m。驗算此方案下滿足列控最大常用制動距離32 km 的最大坡道為17‰。此時，基礎制動熱負荷能力不足，可采用如下方法：

（1）動車組減重：設計400 km/h 動車組時，可考慮車體、轉向架碳纖維材料改進等方式來降低車重，動車組制動需要消耗的總動能與質量成正比，動能除阻力外全部由基礎制動耗散，因此減重對降低熱負荷直接有效。

（2）安全電制動：目前國內動車組制動由空氣制動和電制動組成，但在設計時安全制動均只考慮空氣制動作用，因為電制動的安全等級不足，在接觸網斷電、牽引系統故障等場景均無法使用電制動。可考慮采用如永磁同步電機、電阻制動等方式，保證失電場景下的電制動作用，使其做為安全制動補充，降低空氣制動熱負荷壓力。

（3）碳陶制動盤應用：碳陶制動盤具有更好的耐高溫性能，且較現有鑄鋼制動盤更輕量化。其缺點是：制動盤高溫摩擦時，閘片和制動盤周邊部件同樣承受更高的溫度，安全性還需進一步研究。

另外，現有黏著利用較TSI 濕軌黏著尚有較大空間，但應考慮不同氣候條件下可用黏著降低而頻繁觸發滑行的可能性，以及此TSI 黏著對國內軌道條件是否完全兼容尚不確定，不宜對黏著利用進行較大提高，僅可小幅度增加。若按用滿TSI 不利黏著核算，400 km/h 緊急制動距離為5 800 m，將其作為黏著制動的理論制動距離上限，僅用黏著制動時應在此距離上有相當程度的余量。

2.3 方案三：基于方案一基礎制動熱負荷利用現狀+渦流軌道制動

為突破熱負荷限制及制動黏著限制，可配置渦流軌道制動新技術，該技術對400 km/h 動車組緊急制動距離有顯著貢獻。

德國ICE3 動車組實測的制動力與速度關系曲線 如 圖3 所 示［4］，參 照 德 國ICE3 動 車 組 的 渦 流 軌道制動配置，渦流制動配置在拖車，有獨立的供電裝置，仍需探討其作為安全制動的可能性，采用該技術每節拖車增重2.4 t，整車共增重9.6 t。

圖3 ICE3 實測渦流制動力特性曲線

假設空氣制動配置不變，按前文中設計空氣制動減速度，此時黏著在現有350 km/h 復興號能力范圍內，制動能量一部分被渦流軌道制動耗散，基礎制動熱負荷也將有所降低；渦流制動減速度保守取值按18 kN 每拖車轉向架制動力計算，在80 km/h 以下退出，緊急制動EB 距離為6 450 m，緊急制動UB 為6 370 m，按大值上浮10%，為7 200 m。驗算此方案下滿足列控最大常用制動距離32 km的最大坡道為28‰。

2.4 方案四：基于方案二制動減速度外延+渦流軌道制動，目標400 km/h 緊急制動距離達到現有350 km/h 緊急制動距離標準

方案二中，通過減重方案或電制動作為安全制動補充方案，可滿足現有空氣制動熱負荷限制，在此基礎上疊加渦流軌道制動，可將制動能力進一步提升。

國內現有350 km/h 動車組初速度緊急制動標準為6 500 m，在此方案中以400 km/h 動車組初速度緊急制動距離達到此標準為設計目標，此時運輸效率將不突破現有350 km/h 運營狀態，不存在與外部系統（如信號系統、追蹤間隔等）兼容性校核的問題。

參考方案二的黏著利用外延，方案三的渦流軌道制動力，小幅度調整黏著制動力（可由安全電制動、空氣制動構成），緊急制動減速度曲線，如圖4 所示。

圖4 緊急制動UB、EB 減速度曲線，減速度按350 km/h 外延+渦流軌道制動

計算得出緊急制動EB 距離為5 940 m，緊急制動UB 距離為5 890 m，按大值上浮10% 取值為6 500 m。驗算此方案下滿足列控最大常用制動距離32 km 的最大坡道為33‰。

3 結 論

由前文分析，總結各種制動方案實現方式及與列控系統的驗算結果，見表3。

表3 不同制動配置方案總結

400 km/h 動車組緊急制動距離標準設置，應考慮列控系統等外部因素限制，并結合車輛制動系統自身設計的提升來確定。其中方案一的制動能力對外部系統適用能力余量略小；方案二較適宜未配置渦流軌道制動技術的動車組；方案三、四配置了渦流軌道制動，其對高速制動距離的貢獻較顯著，而此技術是否可以應用于400 km/h 動車組尚需進一步研究；方案四將400 km/h 緊急制動距離設計為與現有350 km/h 一致，因此理論上不存在影響現有運輸效率的情況。

渦流軌道制動作為增加的制動方式，主要為了解決緊急制動時黏著不足、熱負荷過大等問題，為減少對軌道電路影響和軌面升溫情況，應僅在緊急制動時施加，常用制動時，可以根據需求手動追加制動力。

運輸效率與常用制動有關系，方案三、方案四的計算校核是在考慮了軌道線性渦流的緊急制動距離基礎上，按照0.65 倍的比值關系推算常用制動距離，未考慮渦流軌道制動在常用制動時不投入的問題，因此方案三、方案四的情況下對常用制動減速度的提高還需要進一步研究。

綜上所述，文中提出了一種400 km/h 高速動車組制動距離標準設計思路，未來工作中，應在確定制動配置技術路線后，再確定400 km/h 緊急制動距離標準，之后向低速推算，得到各制動初速度下緊急制動距離推薦標準。縮短高速制動距離是未來動車組技術的重要研究目標之一，應隨著高速制動新技術的不斷應用，提出與發展水平相適應的標準限值，從而促進標準體系完善，使新技術在合理的體系構架中穩步發展。