400 公里动车组制动技术研究

罗飞平， 孙环阳， 王 群， 杨 磊

（南京中车浦镇海泰制动设备有限公司， 江苏 南京 211800）

0 引言

目前，“复兴号”动车组已实现了时速350km 的运营速度，随着技术的发展，下一步将以时速400km 作为运营速度目标。制动系统是动车组的核心技术之一，制动系统的性能不仅直接决定了列车运行的安全和舒适度，也是提高车运行速度的重要限制因素。

动车组提速到时速400km 的运营速度，将延长其制动距离，进而限制列车最小追踪间隔时间，影响线路运行效率。本文通过计算分析，基于现有动车组常用制动配置是否满足当前列车最小追踪间隔时间的要求， 以及列控系统授权距离的要求。

对于动车组制动性能而言， 关键指标是确定初速400km/h 紧急制动距离标准。 本文通过制动黏着限制、基础制动热容量分析、 非黏着制动配置等角度计算分析紧急制动距离标准。

1 列车追踪间隔时间对动车组制动距离的要求

1.1 高速列车追踪间隔时间计算方法

列车追踪间隔时间的计算通常分为区间追踪、 车站通过、车站始发和车站到达4 种计算工况。 其中与动车组制动能力有关的追踪间隔时间计算工况为区间追踪、车站通过和车站到达， 并且由于车站通过和区间追踪工况下对动车组的制动能力要求差异不大， 因此只需得到区间追踪和车站到达间隔时间对动车组制动能力的要求即可[1]。

区间追踪间隔时间T追为：

式中：L制—列控车载设备监控制动距离（m）；L防—安全防护距离（m）；L闭—闭塞分区长度（m）；L列—列车长度（m）；v区间—列车区间运行速度（km/h）；t附加—列车区间追踪运行附加时间， 通常包括信号系统应变时间和司机确认信号的时间等（s）。

车站到达间隔时间T到为：

式中：L咽喉—进站信号机至到发线进站端绝缘节的距离（m）；v咽喉—列车通过咽喉区的速度（km/h）；t作业—进入咽喉区前的时间由办理动车组到达作业时间 （s）；t制—动车组由最高运行速度降至道岔允许速度所需的时间（s）。

1.2 提速400km/h 分析与计算

下述变量由线路条件决定， 取通用参数如下：L防为110m；L闭为1950m；L咽喉为1200m；v区间为350km/h；v咽喉为80km/h（18 号道岔）；t附加为16s；t作业为21s。

假设动车组为16 辆编组，L列为403m。

基于现有动车组常用制动配置，“复兴号” 动车组初速400km/h 最大常用制动距离为11520m，在此基础上除以90%（余量参数）得到L制为12800m。

综合上述数据，得到：T追=153s；T到=290s。列车追踪间隔时间比初速350km/h 延长，但仍满足5min 追踪间隔。

如仍需满足350km/h 列车追踪间隔时间， 可适当提高最大常用制动减速度1.1163 倍， 常用制动距离为9224m，在动车组制动性能范围内，仅增加了基础制动的磨耗，不存在技术制约。 由于基础制动磨耗增加，需要校核采用纯空气制动初速400km/h 线路运营一个往返的基础制动热容量是否满足要求，如不满足要求，可考虑电制动故障时限速运行。

2 列控系统对动车组制动距离的要求

C3 列控系统地面和车载设备已实现350km/h 控车安全，原则上可用于400km/h 运用，并应深入探讨其高速兼容性。 根据RBC 设计限制，C3 系统在发给列控系统车载设备的行车许可中授权距离 （最大常用制动） 最长为32km[2]，考虑运营线路存在下坡道致使常用制动距离延长，对400km/h 初速度以32km 的制动距离限制进行允许坡道反算。

表1 允许坡度计算Tab.1 Calculation of allowable gradient

由表1 计算可见， 基于现有动车组常用制动配置可满足35‰坡度要求， 如果最大常用制动距离缩短到9224m，可满足48‰坡度要求。 当然目前最大常用制动减速度最小值为0.263m/s2，在35‰坡度无法减速，只能满足27‰坡度要求。

京沪高铁全长1318km，其中最大坡道20‰为1km。因此，基于现有动车组常用制动配置，可满足C3 列控系统对初速400km/h 动车组制动距离的要求，具有足够余量。

3 动车组制动性能

动车组在平直干燥轨道上紧急制动距离S 满足如下指标： ①制动初速350km/h 时，S≤6500m； ②制动初速300km/h 时，S≤3800m。

基于现有动车组制动配置， 按照380km/h 及以下速度级外延的方式，推算初速400kmh/h 制动距离的标准值为10500m[3]。

以下分别从黏着限制、热容量限制、增加非黏着制动分析初速400km/h 能达到的制动距离标准。

3.1 黏着限制

根据TSI1302-2014 修订情况，在列车速度0～250km/h区间，轮轨黏着限定值为0.15；250～350km/h 区间，轮轨黏着限定值线性下降至0.1； 但对350km/h 以上速度区域，未作规定，假定按线性下降。

按照TSI 干轨黏着的80%限制， 设计紧急制动减速度，列车初速度400km/h 下，紧急制动距离为6852m。

3.2 热容量限制

按照以下车辆条件对现有制动盘热负荷进行匹配与计算：①车辆采用4M4T 编组或6M2T 编组方式，最大轴重15t；②基础制动配置：拖车配备2 个轴盘、2 个轮盘，动车配备2 个轮盘；③减速度按照如图1 设置（尽可能利用黏着）。

图1 紧急制动减速度Fig.1 Urgency braking deceleration

计算得到，4M4T 列车初速度400km/h 下， 紧急制动距离为7120m；6M2T 列车初速度400km/h 下， 紧急制动距离为7897m。

如仍按照现有动车组轴重计算， 紧急制动距离将达到9389m。

最大热容量如图2 所示，基本接近基础制动温度限制700℃。

图2 基础制动热容量Fig.2 Base brake heat capacity

3.3 非黏着制动配置

应用于动车组的非黏着制动主要有轨道涡流制动和风阻制动。

假定单个涡流制动装置在6mm 气隙下，50km/h 以上能提供紧急制动力为20kN。

假定采用小型分散式风阻装置， 风阻制动能提供的紧急制动减速度为1.176v2/1000000，v 为动车组速度（km/h）。

计算得到初速400km/h 紧急制动距离如表2，3 所示。

表2 初速400km/h 紧急制动距离- 4M4T Tab.2 Urgency braking distance at initial speed of 400km /h 4M4T

表3 初速400km/h 紧急制动距离- 6M2TTab.3 Urgency braking distance at initial speed of 400km /h 6M4T

3.4 推荐制动距离标准

根据以上计算得到的最长制动距离除以90%（余量参数） 得到初速400km/h 推荐紧急制动距离标准如表4所示。

通过动车组减重或采用热容量更高的基础制动，得到初速400km/h 推荐紧急制动距离标准如表5 所示。

制动距离缩短并不制约动车组提速至400km/h，考虑技术指标先进性，为获得更短的制动距离，推荐增加风阻制动+8 套轨道涡流制动方案，达到国际领先水平。

表4 推荐标准Tab.4 Recommended standard

表5 推荐标准- 减重Tab.5 Recommended standard- Weight loss

4 结束语

基于现有动车组常用制动配置， 初速400km/h 列车追踪间隔理论时间为290s，仍满足5min 追踪间隔。 如需保证初速400km/h 列车追踪间隔与初速350km/h 一致，只需提高最大常用制动减速度1.1163 倍即可。

基于现有动车组常用制动配置，可满足C3 列控系统授权距离32km 的要求，并满足35‰坡度，具有足够余量。

缩短高速制动距离是未来动车组技术的重要研究目标之一，是未来国内制动技术的发展方向。 综合考虑黏着限制、热容量限制、增加非黏着制动，提出与发展水平相适应的标准限值，得到了各工况下推荐紧急制动距离标准。