时速400 公里动车组紧急制动距离标准设计研究*

邵 林，杨 欣，郭奇宗，宋博洋

（中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所，北京 100081）

以速度400 km/h 为下一代动车组的假定目标速度，需要在概念设计阶段对各子系统技术指标进行研究与设定。就制动系统而言，其最关键指标是确定400 km/h 紧急制动距离标准，该标准要求的制动能力水平直接影响了制动方式配置，在确定其配置后各级常用制动减速度可按一定比例分级设计，从而确定了所有场景下的制动性能。

文中从动车组外部系统及动车组制动系统自身对紧急制动距离指标设计进行前期分析，列举与其相关的主要外部系统和制动系统自身因素如下：

（1）外部系统影响动车组制动能力的因素：地面列控系统传输位置信息容量对动车组制动能力的要求；追踪间隔与制动距离的关系。

（2）动车组自身因素：空气制动热负荷限制、制动黏着限制；考虑速度400 km/h 动车组制动能力提升，考虑非黏着制动（主要考虑高速制动力显著的轨道涡流制动）；安全电制动应用；新型基础制动材料，如碳陶制动盘材料等技术的应用。

1 外部系统对动车组制动距离的要求

1.1 列控系统采用的制动参数

列控系统采用最大常用制动减速度曲线控车，但此制动减速度并非动车组真实的制动曲线，主要经由以下2 个修订环节：

（1）厂家实际提供的为最小/中等/最大常用制动设计减速度、干轨/湿轨紧急制动设计减速度、制动响应时间等参数，设计减速度通常比实测减速度小。

（2）列控系统自身产生的折扣。综合CTCS3-300T、CTCS3-300S、CTCS3-300H 等 型 号C3 车 载列控设备，对制动曲线的一般计算方法如下：

①制动延时参数：采用车辆方提供的制动延时参数基础上额外考虑车载系统内部延时1 s；

②制动减速度参数：将车辆的减速度分为6段，各速度段内减速度取车辆减速度（9 折后）的最小值；

③坡度参数：将坡度划分为7 档，分别为（0%，-5%，-10%，-20%，-25%，-30%，-35%），预先生成每个坡度下的制动距离，从而生成最终制动曲线。

粗略统计各车型、各型号列控系统的最大常用制动曲线，真实制动距离与列控系统制动距离比例为70%～80%之间，计算中根据已有数据取平均值73%进行设计计算。

紧急制动距离也可通过常用制动距离进行近似推定：动车组常用制动减速度，一般根据紧急制动距离限值要求，综合考虑乘坐舒适度、基础制动装置热负荷等因素，按一定比例选取。统计不同车型实测紧急制动与常用制动的距离之比，见表1。

表1 各车型初速350 km/h 实测紧急制动距离与常用制动距离之比

由以上统计可见，紧急制动与常用制动之比在0.58～0.75 范围内，文中计算按0.65 取值。

1.2 C3 列控系统对制动距离的要求

C3 列控系统地面和车载设备已实现350 km/h控车安全，原则上可用于400 km/h 运用，并应深入探讨其高速兼容性；C2 列控车载设备作为C3 车载设备的后备系统，可实现300 km/h 控车安全。

C3 列控系统是准移动闭塞系统，地面RBC（无线闭塞中心）根据列车位置、线路速度以及前方线路空闲距离，进行计算形成行车许可（允许列车前行的距离），通过GSM-R 系统发送给车载ATP系统。

地面RBC 对制动距离的限制为：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长为32 km［1］，即列控系统中该动车组的最大常用制动距离应在32 km 之内。考虑运营线路存在下坡道致使常用制动距离延长，应对400 km/h 初速度以32 km 的制动距离限制进行允许坡道反算。

统计典型高速铁路线路京沪高铁坡道长度如下：京沪高铁全长1 318 km，其中最大坡道20‰为1 km，18‰及以上线路共计（非连续）约6 km，15‰及以上线路共计（非连续）约9 km，13‰及以上线路共计（非连续）约18 km，12‰ 及以上线路共计（非连续）约64 km。由此可见，低至12‰坡度后，距离比例开始陡增，并成为较普遍坡道。在设计不同的制动能力方案后，应对其满足32 km 制动距离的最大坡道进行校核，并与基于京沪高铁统计，选择12‰并有一定余量做为限值进行对比确定其适应性。

另外，若大坡道区段距离较短，适当限速满足C3 列控系统的信息容量要求的前提下，可仅对运行时分产生微小影响。

1.3 C2 后备列控系统对制动距离的要求

目前高速铁路设计规范［2］规定，“任意7 个连续闭塞分区长度之和不应小于动车组以CTCS-2级控车模式运行的最大常用制动距离”。由于C2列控系统只参与300 km/h 及以下速度的控车，因此其对7 个闭塞分区长度的要求，不构成对制动初速度400 km/h 时制动距离的限制条件。仅应按照其制动能力，对其300 km/h 的制动距离是否小于7 个闭塞分区进行校核（近似取1 个闭塞分区为2 km，共14 km）。

1.4 追踪间隔时间与动车组制动能力的关系

动车组牵引和制动能力与追踪间隔直接相关，更强的牵引制动能力通常可以得到更短的追踪间隔。其中车站到达、区间追踪工况下的追踪间隔与车辆制动能力相关。制动相关的追踪间隔受列控采用的动车组最大常用制动能力影响，同时跟选取车站及线路的平面布置等因素有关［3］。可通过仿真软件模拟得出不同追踪场景的追踪间隔，不对此展开论述。若400 km/h 的紧急制动距离标准保持与现有350 km/h 的标准（不大于6 500 m）相一致，理论上应不造成对现有运输效率的影响。

2 基于动车组自身能力的400 km/h 动车组制动设计方案

从动车组自身制动能力出发，对400 km/h 动车组的紧急制动距离标准进行设计。在不同的制动配置方案下，考虑可能发生的制动技术提升，将得出不同的距离标准。此时应考虑热负荷限制、黏着限制，同时可以结合涡流轨道安全制动、安全电制动、减重等技术进行能力校核。形成制动配置方案待进一步分析，如表2 所示。

表2 400 km/h 不同制动配置方案描述

2.1 方案一：基于速度350 km/h 复兴号动车组的配置，按基础制动装置热负荷极限调整设计减速度

设计速度400 km/h 动车组紧急制动时，通过摩擦提供制动力的基础制动装置热负荷成为主要限制。在现有盘形制动数量和材料不变的前提下，制动盘温度持续高于700 ℃时，材料特性发生显著下降，以此为限值进行热负荷校验及制动力设计。通过有限元手段进行热负荷仿真计算，车重按CR400BF 定员质量取值，设计紧急制动EB、UB 的减速度曲线如图1 所示，按此减速度设计，可保证制动盘最高温度接近并低于700 ℃。为满足热负荷要求，制动力较速度350 km/h 复兴号动车组有所降低，因此方案下不必校验黏着。

图1 紧急制动EB、UB 减速度，按现有基础制动配置热负荷极限调整

按以上设计减速度计算，初速度400 km/h 紧急制动UB 距离为9 050 m（文中全部距离计算均考虑阻力，按CR400BF 动车组阻力取值），紧急制动EB 为9 282 m。考虑实际摩擦系数波动和适当余量，上浮10%并取整作为推荐标准，为10 500 m。此方案未考虑任何可能的技术提升及优化，仅对制动软硬件进行小幅度调整即可实现。按前文所述列控系统容量要求分析，验算此方案下满足列控最大常用制动距离32 km 的最大坡道为13‰。

2.2 方案二：速度350 km/h 复兴号动车组的制动减速度外延

依据速度350 km/h 复兴号动车组减速度外延，如图2 所示。

图2 速度350 km/h 复兴号动车组设计减速度曲线外延至400 km/h

由图2 可见，不同速度等级下黏着利用程度不同，实际利用黏着约为TSI 不利黏着的80%～50%。按350 km/h 以下速度黏着利用水平，将减速度外延至400 km/h，从而计算得出制动初速度400 km/h 紧急制动UB 制动距离为8 425 m，紧急制动EB 制动距离为8 350 m，按较大值上浮10%取值，推荐标准为9 270 m。验算此方案下满足列控最大常用制动距离32 km 的最大坡道为17‰。此时，基础制动热负荷能力不足，可采用如下方法：

（1）动车组减重：设计400 km/h 动车组时，可考虑车体、转向架碳纤维材料改进等方式来降低车重，动车组制动需要消耗的总动能与质量成正比，动能除阻力外全部由基础制动耗散，因此减重对降低热负荷直接有效。

（2）安全电制动：目前国内动车组制动由空气制动和电制动组成，但在设计时安全制动均只考虑空气制动作用，因为电制动的安全等级不足，在接触网断电、牵引系统故障等场景均无法使用电制动。可考虑采用如永磁同步电机、电阻制动等方式，保证失电场景下的电制动作用，使其做为安全制动补充，降低空气制动热负荷压力。

（3）碳陶制动盘应用：碳陶制动盘具有更好的耐高温性能，且较现有铸钢制动盘更轻量化。其缺点是：制动盘高温摩擦时，闸片和制动盘周边部件同样承受更高的温度，安全性还需进一步研究。

另外，现有黏着利用较TSI 湿轨黏着尚有较大空间，但应考虑不同气候条件下可用黏着降低而频繁触发滑行的可能性，以及此TSI 黏着对国内轨道条件是否完全兼容尚不确定，不宜对黏着利用进行较大提高，仅可小幅度增加。若按用满TSI 不利黏着核算，400 km/h 紧急制动距离为5 800 m，将其作为黏着制动的理论制动距离上限，仅用黏着制动时应在此距离上有相当程度的余量。

2.3 方案三：基于方案一基础制动热负荷利用现状+涡流轨道制动

为突破热负荷限制及制动黏着限制，可配置涡流轨道制动新技术，该技术对400 km/h 动车组紧急制动距离有显著贡献。

德国ICE3 动车组实测的制动力与速度关系曲线 如 图3 所 示［4］，参 照 德 国ICE3 动 车 组 的 涡 流 轨道制动配置，涡流制动配置在拖车，有独立的供电装置，仍需探讨其作为安全制动的可能性，采用该技术每节拖车增重2.4 t，整车共增重9.6 t。

图3 ICE3 实测涡流制动力特性曲线

假设空气制动配置不变，按前文中设计空气制动减速度，此时黏着在现有350 km/h 复兴号能力范围内，制动能量一部分被涡流轨道制动耗散，基础制动热负荷也将有所降低；涡流制动减速度保守取值按18 kN 每拖车转向架制动力计算，在80 km/h 以下退出，紧急制动EB 距离为6 450 m，紧急制动UB 为6 370 m，按大值上浮10%，为7 200 m。验算此方案下满足列控最大常用制动距离32 km的最大坡道为28‰。

2.4 方案四：基于方案二制动减速度外延+涡流轨道制动，目标400 km/h 紧急制动距离达到现有350 km/h 紧急制动距离标准

方案二中，通过减重方案或电制动作为安全制动补充方案，可满足现有空气制动热负荷限制，在此基础上叠加涡流轨道制动，可将制动能力进一步提升。

国内现有350 km/h 动车组初速度紧急制动标准为6 500 m，在此方案中以400 km/h 动车组初速度紧急制动距离达到此标准为设计目标，此时运输效率将不突破现有350 km/h 运营状态，不存在与外部系统（如信号系统、追踪间隔等）兼容性校核的问题。

参考方案二的黏着利用外延，方案三的涡流轨道制动力，小幅度调整黏着制动力（可由安全电制动、空气制动构成），紧急制动减速度曲线，如图4 所示。

图4 紧急制动UB、EB 减速度曲线，减速度按350 km/h 外延+涡流轨道制动

计算得出紧急制动EB 距离为5 940 m，紧急制动UB 距离为5 890 m，按大值上浮10% 取值为6 500 m。验算此方案下满足列控最大常用制动距离32 km 的最大坡道为33‰。

3 结 论

由前文分析，总结各种制动方案实现方式及与列控系统的验算结果，见表3。

表3 不同制动配置方案总结

400 km/h 动车组紧急制动距离标准设置，应考虑列控系统等外部因素限制，并结合车辆制动系统自身设计的提升来确定。其中方案一的制动能力对外部系统适用能力余量略小；方案二较适宜未配置涡流轨道制动技术的动车组；方案三、四配置了涡流轨道制动，其对高速制动距离的贡献较显著，而此技术是否可以应用于400 km/h 动车组尚需进一步研究；方案四将400 km/h 紧急制动距离设计为与现有350 km/h 一致，因此理论上不存在影响现有运输效率的情况。

涡流轨道制动作为增加的制动方式，主要为了解决紧急制动时黏着不足、热负荷过大等问题，为减少对轨道电路影响和轨面升温情况，应仅在紧急制动时施加，常用制动时，可以根据需求手动追加制动力。

运输效率与常用制动有关系，方案三、方案四的计算校核是在考虑了轨道线性涡流的紧急制动距离基础上，按照0.65 倍的比值关系推算常用制动距离，未考虑涡流轨道制动在常用制动时不投入的问题，因此方案三、方案四的情况下对常用制动减速度的提高还需要进一步研究。

综上所述，文中提出了一种400 km/h 高速动车组制动距离标准设计思路，未来工作中，应在确定制动配置技术路线后，再确定400 km/h 紧急制动距离标准，之后向低速推算，得到各制动初速度下紧急制动距离推荐标准。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，应随着高速制动新技术的不断应用，提出与发展水平相适应的标准限值，从而促进标准体系完善，使新技术在合理的体系构架中稳步发展。