高速动车组制动系统设计探讨

刘德强

摘 要：电动车组的最高运行速度与其牵引功率有关，但也受其制动能力的限制。电动车组制动能力是指制动系统使动车组在规定的制动距离内安全停车的能力。为保证行车安全，动车组的制动方式的选择和复合显得尤为重要。

关键词：计

1 制动减速度、制动功率、制动距离

高速动车组运行在铁路快速客运专线或高速铁路上，速度高，固定编挂，一般分为动力集中型与动力分散型两类。根据质点动力学理论，得出了比照300km/h动车组以各种不同匀减速停车时的理论制动时间、停车距离和每吨质量所需的平均制动功率（图1）。

以300km/h动车组为例，经计算，其每吨质量的动能 E为3472kJ，每吨质量在各种不同匀减速度下停车时的最大瞬时制动功率是平均制动功率的2倍。也就是说，如果该动车组每轴14t，那么以1m/s2 的匀减速度停车时所需的平均轴制动功率为583.4kW/轴，最大瞬时制动功率为1166.8kW/轴，纯制动距离为3472m。这些数值提供了一个高速动车组量化的各制动减速度下制动距离和制动功率的概念。当然，实际的制动过程不是一个匀减速运动，而是一个变速运动。

2 轮轨制动粘着利用

作为轮轨关系的高速动车组，在其制动减速过程中，除空气阻力外，首先需要利用的仍是轮轨间的制动粘着力，但轨道车辆钢轮与钢轨之间的粘着系数有限。

从图2、图3可以看出，轮轨间粘着系数随着速度的提高而明显下降，即在高速区段依靠轮轨是不可能得到高的减速度的。因此，在高速动车组粘着利用方面可以达成以下2条共识：⑴高速区段，粘着系数低，减速度只能就低设计，制动距离长；低速区段，粘着系数高些，减速度可以设计得高些，但制动距离差异不大。⑵粘着系数的离散性很大。由于制动防滑器都是被动式校正型的防滑系统，所以制动设计时在粘着利用上只能从最坏的方面考虑，不可期望太高。

3 从“中华之星”动车组的基础制动系统看高速动车组制动能力配置

由于“中华之星”动车组为动力集中型，设计最高速度为270km/h，常用制动主要依靠拖车的制动力。由于拖车只有空气制动，因此主要依靠空气制动，紧急制动的设计不考虑动力制动，全靠空气制动。

根据“中华之星”动车组电机制动功率、传动比、传动效率和轮径可计算出1根动轴的电制动力（表1），据此可得到1辆动车的电制动力曲线（图5）。图5同时给出了该动车按制动缸压力300kPa计算出的空气制动力。

运行试验后，对“中华之星”动车电制动力过大采取了以下措施：电制动力只发挥其定值的40%左右，修改电制动力特性曲线，当速度降到45km/h～35km/h时，电制动力由最大值降到零，即提前取消。

在动力分散型动车组如以2动2拖为2个单元动车组的电制动力设计中，可以充分发挥电制动力的作用，因此希望电机制动特性曲线的恒制动力区段宽一些。然而，对动力集中型的动车组而言，电制动力就显得过大，恒制动力在低速区段发挥不了作用，这就是动力集中型与动力分散型对电制动能力使用的差别。对于高速动车组，要提高速度，节省能耗，希望轴重轻，牵引功率大，这样动力制动的电制动功率也随之加大，所以动力集中型动车组的电制动力必然发挥不了作用。

4 高速动车组制动方式的选择与复合

对传统旅客列车而言，有常用制动工况和紧急制动工况，这是常规的和必须的，高速动车组也是如此。高速动车组在300km/h时以1.0m/s2平均减速度制动，其制动距离要达到4000m左右。所以，对于速度达到某个级别的高速动车组是否要再设立一个“非常紧急”制动工况，使其平均减速度达到更高，这将决定制动方式的选择。

目前国内的高速动车组均动力分散式。它的动力制动在全列占有很大的比例，其他拖车选用空气制动方式。对于依靠轮轨粘着的制动而言，现代技术已使动车车轴的电制动力和拖车车轴的空气盘形制动都可发挥到用尽轮轨粘着力的程度，但空气制动要消耗压缩空气，磨耗闸瓦闸片，即使用尽粘着，制动距离还是太长，为此需要考虑采用非轮轨粘着制动方式，如电磁轨道、电磁涡流轨道、空气阻力等。为利用再生电流、降低闸瓦闸片磨耗或减少更换闸瓦闸片的工作量，还可以采用电磁涡流盘形制动。

[参考文献]

[1]王月明.动车组制动技术.中国铁道出版社.2010.

[2]彭俊彬.动车组牵引与制动.中国铁道出版社.2009.