高速列车制动系统减速度设计的综合分析与研究

杨伟君，李邦国，乔 峰，王鹏飞

（1 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081；2 长春轨道客车股份有限公司 铁路客车开发部，吉林长春130062）

世界各国高速列车制动系统均采用电空制动来实现。其常用制动的控制方式多采用减速度控制［1－2］，即制动控制单元根据速度和手柄级位确定出目标减速度，进而计算出应施加的制动力。随着速度的不断变化，即使司机控制器处于相同级位，目标减速度和目标制动力也会跟随速度不同而变化。

减速度和紧急制动距离的确定是高速列车制动系统设计的首要的、也是最重要的问题。它们是描述列车制动能力和运行安全性的最基本参数，是铁路通信信号系统和运输组织的重要依据。

紧急制动减速度和制动距离与许多因素有关，诸如制动方式、系统配置、制动模式、基础制动装置的结构、材料等因素。世界上主要高速列车的紧急制动距离和平均减速度见表1。

1 减速度确定方法研究

对于采用再生制动和摩擦制动的CRH380高速列车而言，减速度的设计取决于列车基础制动装置的热容量和轮轨间黏着利用等制约因素，同时还应考虑必要的安全余量，特别是再生制动发生故障时、仅仅依靠摩擦制动情况下的紧急制动能力。

表1 世界主要高速列车的紧急制动距离和平均减速度［3］

减速度的确定包括减速度的设计和校核两个过程，这两个过程不能简单的割裂，而是不断的彼此验证和修正的过程，具体流程见图1。

首先根据黏着系数曲线、列车要求的制动距离、制动摩擦副允许的热容量初步确定紧急制动减速度曲线，进而确定整车制动力，根据列车运行阻力并结合初定的平均摩擦系数，求出动、拖车制动缸压力。这个过程是减速度的设计过程。

根据求出的制动缸压力和1：1制动动力试验台获得的摩擦系数，采用仿真计算的方法求得减速度曲线（考虑风阻），所获得的制动减速度已经相对准确。通过与目标减速度进行比较，将压力进行微量调整，直到仿真计算得到的减速度十分贴近设计减速度、并小于黏着曲线。此时的动、拖车制动缸压力即为对应紧急制动时各车的压力。然后，进行制动盘热容量校核计算，并根据具体项目的线路情况、技术要求，进行针对性的制动动力试验台试验，以确保摩擦副的能力完全能满足项目要求。至此，完成了减速度设计。

紧急制动减速度确定后，将紧急制动减速度曲线和运行阻力曲线之间的区域根据手柄级位进行均分，即可得到各级常用减速度曲线。

图1 减速度确定流程

2 紧急制动减速度的确定

2.1 黏着系数的确定

CRH380是16辆固定编组的高速列车［4］，制动系统采用TSI要求的黏着系数进行设计和校核。TSI规定的黏着系数见图2。需要说明的是：TSI中只规定了最高速度到350km／h的黏着系数，而350km／h到380 km／h之间的黏着系数采用外推法给出。

图2 TSI黏着系数曲线

2.2 纯空气紧急制动减速度的设计

根据第1节内容可知，减速度的设计过程要初步确定对应的制动缸压力。求解的方法有多种，这里用系统仿真软件AMESim进行求解。

首先，确定CRH380制动系统配置和基础制动装置的各项参数，见表2～表4。

基础制动装置中每个动车轴安装2个轮装铸钢制动盘＋粉末冶金闸片；每个拖车轴安装3个轴装铸钢制动盘＋粉末冶金闸片。另外，对应动车轴安装有撒沙装置。

阻力公式如下，曲线见图3。

式中：G为车质量，kg；v为速度，km／h；FTR为列车阻力，kN。

表2 车质量情况

表3 车轮直径

图3 列车阻力

表4 基础制动参数

CRH380虽然为16辆编组，但从制动系统配置看，8辆编组的计算完全可以说明16辆编组的问题。CRH380高速列车制动系统仿真模型见图4。上半部为4辆动车，下半部为4辆拖车，中间采用弹簧、阻尼连接。模型中目标减速度、电制力大小均以文件方式导入。

本文只计算纯空气的情况，故电制力以零输入。采用PID控制器求解符合目标减速度的制动缸压力，进而初步确定减速度［5］。初定减速度曲线见图5。据此初步求解动车、拖车的制动缸压力（见图6和图7）。其中速度单位为m／s，制动缸压力为绝对压力，单位为kPa。

从图中可以看出，动、拖车的制动缸压力相对于减速度变化有良好的跟随性，分别在200km／h和300 km／h实现切换。考虑到每个中继阀的压力比只能切换一次，所以两个速度点的切换动作分别由拖车和动车各自实现，从而实现整列制动力的两次切换。

根据求解的曲线，在动车切换点200km／h，压力由绝对压力280kPa提高到380kPa（见图8）；在拖车切换点300km／h，压力由绝对压力300kPa提高到420 kPa（见图9）。这些值能否满足要求，还要通过减速度校核过程确认。

图4 CRH380高速列车制动系统仿真模型

图5 初定的减速度曲线

2.3 纯空气紧急制动减速度的校核

根据确定的动、拖车制动缸压力情况，对系统仿真模型重新赋值，并取摩擦系数为动力试验台获得的实际数据（图10和图11）进行校核计算。实际求得的减速度曲线见图12。制动距离7 530.09m（见图13）。

图6 动车制动缸压力曲线

图7 拖车制动缸压力曲线

图8 动车压力切换点

图9 拖车压力切换点

图10 1∶1高速制动台架试验

上述的制动缸压力不但满足了制动距离要求，制动盘也是处于允许的热容量范围内。

因此CRH380高速列车在纯空气紧急制动情况下，动车、拖车制动缸的切换压力可以根据上述计算值进行设置。

图11 紧急制动的瞬时摩擦系数曲线

图12 校核过程求得的减速度

图13 校核过程中求得的制动距离

2.4 常用制动减速度的确定

常用制动减速度的确定流程与紧急制动相似，首先确定最大常用制动减速度曲线，然后根据手柄级位在最大常用和列车阻力之间均分，即可得到各级目标减速度。将各级目标减速度、电制力等数据导入仿真模型，通过PID控制器求解出制动缸压力，BCU根据这些值进行控制。

3 结束语

对于采用黏着制动的高速列车，摩擦制动能力成为列车制动能力的关键因素和瓶颈。本文详细介绍了高速列车制动系统减速度设计中要考虑的关键因素和确定方法，并通过CRH380高速列车纯空气紧急制动减速度的设计确定过程，给出了详细的说明。

［1］张曙光.铁路高速列车应用基础理论研究与工程技术［M］.北京：科学出版社，2007.

［2］钱立新.世界高速铁路技术［M］.北京：中国铁道科学出版社，2003.

［3］董锡明.高速动车组工作原理与结构特点［M］.北京：中国铁道出版社，2007.

［4］《时速350公里新一代动车组技术条件》［S］.铁道部运装客车［2010］253号文件.

［5］方康玲.过程控制系统［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2010.