浅析我国高速动车组制动系统现状与发展态势研究

孟德浩

摘  要：制动性能对高速动车组的安全性和可靠性至关重要。笔者从制动方式、制动系统及制动控制的角度阐述了我国高速动车组制动系统的技术现状，探讨了高速动车组制动系统的发展趋势。编组动拖比优化、有效利用非黏着制动方式、安全和可靠性设计等是未来制动系统发展的几个关键技术问题。

关键词：高速动车组;制动系统;编组动拖比;安全性和可靠性

中图分类号：U266           文献标志码：A

现代高速动车组多采用动力分散模式（即high-speed EMU），我国的CRH1、CRH2、CRH3、CRH5型高速动车组，分别从德国（非加拿大）、日本、意大利（非法国）和德国引进，均为动力分散型电动车组（以下简称为电动车组）。自2007年第六次铁路大提速以来，我国高速动车组快速发展，动车组运营速度不断提高，目前已达到300 km/h。自2011年温州事件发生后，安全问题成为限制动车组提速的一大关键问题。在满足旅客舒适性、合理控制运营成本、维修成本等前提下，有效控制车速、缩短制动距离是解决电动车组安全问题的关键。该文对我国高速动车组制动系统现状进行研究并浅析其发展趋势。

1 高速动车组制动方式

列车制动就是通过人为的方式，依靠制动力使列车减速或停车，达到阻止其运动或加速的过程，其分类标准主要是制动时电动车组采用的动能转移方式、制动力的获取方式和制动源动力的来源。

1.1 按电动车组动能转移方式分类

从能量的观点来看，制动的实质就是将电动车组动能转变成别的能量或转移走。按照动能转移方式的不同，动车组的制动可以分为2类。1）通过制动闸瓦与车轮摩擦，将动能转化为热能然后消散于大气，被称为摩擦制动方式。2）把动能通过转化为电能，然后将电能从车上转移出去，称为动力制动方式，见表1。

1.2 按制动力形成方式分类

按电动车组制动力获取方式，可分为黏着制动与非黏着制动，这是按照制动力形成是否依赖于轮轨之间的黏着关系而划分的，见表2。

1.3 按制动源动力分类

目前电动车组所采用的制动方式中，制动的原动力主要有压缩空气和电力。以压缩空气为原动力的制动方式称为空气制动方式。如闸瓦制动、盘形制动等。以电为原动力的制动方式称为电气制动方式（简称电制动），例如动力制动、轨道电磁制动等。

2 高速动车组制动系统特点

2.1 动车组制动系统的组成

动车组的动能与速度的平方成正比，而在一定的制动距离条件下，动车组的制动功率是速度的三次函数。因此，传统的空气制动能力远远不能满足需求。我国高速电动车组主要采用再生制动与空气制动的复合制动模式，其包括多个子系统，主要由电制动系统、空气制动系统、防滑装置和制动控制系统等组成。其中制动控制系统是制动系统中由司机或列车自动控制系统ATC控制，产生传递制动信号并对制动力进行计算和分配的部分。由此可以看出，制动控制系统主要包括制动信号发生装置、制动信号传输装置和制动控制装置3个组成部分。

列车自动控制系统（ATC）被引入高速动车组来辅助制动系统，ATP/LKJ是在我国运营线路上用来辅助司机在规定地点停车，防冒进、冒出、超速的主要系统。但我国目前运营的车辆是基于不同的平台制造的，在相同的线路上可能存在几种不同的控制信号，会给司机操作带来困扰，同时不同信号间可能存在干扰，这些都是不容忽视的问题。对我国高速动车组而言，列车制动装置是指动车制动装置、拖车制动装置的组合，它们共同形成完整的制动系统，强调系统的概念。我国动车组制动系统一般具有制动能力强、响应速度快、制动力计算分配准确性高、故障导向安全、制动冲动小的特点。

动车组是一个复杂精密的组合体，包括牵引系统、制动系统、控制系统等。动车组制动系统的设计需要综合考虑系统平衡、工程造价、运营成本等问题。头车带有牵引电机时，由于电磁兼容问题会对动车组的控制信号产生影响;全部是动车的编组方式（8M0T;16M0T）时，动车组更轻量化，制动效果更好，维修成本更低，但工程造价会大幅度提升。根据实际运行情况得出，基于300 km高速电动车组平台生产的CRH380A（6M2T）和永磁动车组（4M4T），在制动性能方面，CRH380A（6M2T）明显优于永磁动车组（4M4T）。

2.2 CRH2型动车组制动系统

2.2.1 制动系统组成

CRH2型动车组的制动系统为电气制动和空气制动并用，称为电气指令微机控制的电混合制动，即对空气制动与电气制动进行复合控制。在CRH2型动车组上采用再生制动作为电制动方式，而空气制动部分选用电气指令进行微机控制的直通式电空制动系统。

列车编组中T车采用纯空气制动方式。M车和T车基础制动装置均采用带气压—油压变换的增压气缸和油压卡钳式盘形制动装置（M代表动车，T代表拖车）。为减轻闸瓦的磨损，空气制动采用延迟投入的控制方式。M车除了空气制动方式，还有再生制动控制装置（实际上是处于再生制动工况的牵引传动系统）。制动控制采用1M1T的基本制动力控制单元，在单元内再生制动优先，實行延迟充气控制。系统对再生制动和空气制动进行协调控制，当制动控制器检测到所产生的再生制动力不足时，依靠空电复合控制以空气制动进行补充。如图1所示。

2.2.2 制动系统原理

制动系统工作原理如图2所示。动车组的制动指令是由司机制动控制器发出的，经列车信息监控网络传送到每辆车的制动控制装置，由制动控制装置的制动控制单元进行运算，按制动控制规律（减速度随速度的变化而变化）控制EP阀（电空转换阀）电磁部，并经中继阀送出压缩空气到增压气缸，由基础制动装置完成制动功能。

CRH2型动车组可进行常用制动，快速制动，紧急制动、辅助制动、耐雪制动等操作，并新增停放制动以简化原有需要在列车进库后添加铁鞋的烦琐操作。CRH2型动车组制动系统采用具有适应黏着变化规律的速度-黏着控制模式，具有根据载荷自动调整制动的能力;防滑保护控制;充分利用再生制动，减少拖车空气制动力的使用，有效降低运营及维修成本;具有车载ATP/LKJ的接口，施行安全制动，并具有故障诊断和相关信息保存功能。增加了停放制动模块后，功能结构更加完善，在实际运营过程中具有较好的制动性能表现。

3 高速动车组制动系统技术的发展趋势

3.1 非黏着制动

在黏着问题上的主要矛盾是要考虑高速行车和不良轨面状态下黏着系数会降低。由于接收的反馈速度和位置信号存在误差。即使使用再精密的防滑装置，在不良的条件下，轻微的滑行都是不可避免的。因此，非黏着制动作为辅助紧急制动系统是未来新型城市轨道车辆的发展趋势。目前主要采用的非黏着制动有磁轨制动和轨道涡流制动等。借鉴航空产业，翼板制动（如图3所示）作为空气阻力制动的一种，在列车处于中高速范围时产生的制动力是非常可观的，可以成为该速度范围的主要减速手段，使列车在无摩擦、非黏着式的制动作用下减速，在中速及以下速度范围可以继续采用常规的制动方式。

须解决3个问题。1）加强车体的减震降噪设计：处于高速扰流下的翼板，会使原有动车组的震动系统产生额外噪声和震动干扰，提高了车体的减震降噪需求。2）保证轻量化设计：强大的纵向力直接作用于车体顶部，车体强度对应加强，同时需要保证车体的轻量化设计原则。3）提高经济性：列车在中高速范围内的巨大能量无法回收利用，影响了运营的经济性。但翼板制动十分有效，具有丰富的研究价值，需要更好地与经济性结合。

3.2 动拖比对制动系统设计的影响

随着交流牵引电机技术的成熟，1992年，日本新干线300系列成为世界上第一個使用交流再生制动技术的车型。在此之前，动车组制动是将动能转化为热能。而在新干线300系列动车组上，一个带有必要制动装置的拖轴的质量（总重及簧下质量）大于动轴，而且产生更多的热量并需要更多的维修费用。后来的500系列动车组采取了16M（0T）的编组方式取代了原有的10M（6T）编组方式，以实现动车组轻量化。

在我国CRH380系列高速动车组中，CRH380A及CRH380AL采用的是2头车为拖车，中间车辆为动车的14M2T编组方式;CRH380B/C/D均采用的是2头车为动车，中间车辆配以相同数量的动车和拖车：4M4T或8M8T。这2种头车配置的主要区别在于以下2点。1）从制动控制系统的电磁兼容问题考虑，头车为动车会对动车组控制信号传输产生不良影响。2）从利用黏着的角度考虑，头车为动车更容易产生滑行。相反，头车为拖车，中间车辆全部为动车的编组方式，没有制动力直接作用在头车的前端转向架上，不需要复杂的防滑控制装置，头车前端转向架车轮也完全不会产生滑行，因此可将头车的车轮作为可靠的速度和位置传感器检测点，进行信号采集，反馈制动控制装置。

综上所述，我国目前正在运营的高速动车组并没有统一的牵引系统标准，而即将上线的中国标准化动车组是2头车为拖车的4M4T编组方式，笔者认为在经济可行性上，更为优化的编组方式是2头车为拖车，中间车辆尽可能多的配置动车车辆。以380AL为例，如果14M2T相比于CRH380A的6M2T编组成本更高，那么从工程造价角度，12M4T是更好的解决办法。从运营成本角度考虑仍然是14M2T更为优化，并且制动性能也更好。

3.3 安全及可靠性设计

从高速动车组设计的观点来看，一套安全、可靠、高效的制动系统是最重要的因素。动车组从时速30 km/h到停车地点的制动操纵都是司机通过制动控制器来进行控制的。向动车组发出制动指令时，人工操纵具有优先权。尽管在低速状态下考虑到电制动失效，最终停车一定需要依靠机械制动装置。高速动车组的常用制动和紧急制动方式一定要建立在以再生制动为主的电制动的基础上，以避免产生大量的热能。电阻制动虽然会产生大量热能，但电制动系统仍应辅以电阻制动，特别是在一些电子系统不可靠的情况下，例如接触网回流的干扰或者分相区边缘等。

4 结语

我国开行高速动车组以来，取得了举世瞩目的进步。到目前为止，我国高速铁路客运专线长度排名世界第一，总里程超过排在第二到第五名的西班牙、日本、法国、德国的总和。未来为了使我国高速铁路能够进一步提升运营速度，应致力于6个方面的研发工作。1）改善轮轨间的黏着状态。2）研究一套行之有效的非黏着制动方式，以适应高速状态下糟糕的黏着状态。3）高速运行条件下的滑行控制。4）综合考虑编组动拖比对于制动系统的影响。5）降低制动时盘体与制动闸片间产生的热影响的对策。6）高速动车组安全性和可靠性设计。

参考文献

[1]李芾，安琪.国内外高速动车组的发展[J].电力机车与城轨车辆，2007，30（5）：1-5.

[2]陈丹华.普通列车和CRH2型动车组制动力载荷分析[J].交通科技与经济， 2014，2（4）：1-3，38.

[3]王辛成，周利军.高速列车制动控制系统研究[J].城市减少理论研究，2014，13（8）：2647-2654.

[4]王俊勇，张昕.动车组制动系统技术分析探讨[J].铁道车辆，2005，43（2）：22-24.

[5]刘建.动车组制动控制系统方案设计及仿真研究[D].四川：西南交通大学，2012.