高速列车制动系统的基本要求

高速列车制动系统的基本要求近年来，在我国客货列车的提速研究中已经充分反映了制动问题的重要性，特别是盘形制动装置和防滑器作为旅客列车提速的关键技术发挥了重要的作用。但随着我国铁路向高速化发展，制动问题将更为突出，制动距离随列车速度非线性增长的问题暂且不论，仅现有的空气制动装置从制动能量和舒适性方面考虑也远远不能满足 300 km/h 高速列车的运用要求。因此，对于高速列车的制动系统，必须彻底改变过去对于制动系统的陈旧观念和思考模式，根据国外经验以及我国发展高速列车的具体条件，从提高高速列车的安全性、可靠性和舒适性这 3 项基本要求出发，采用各种新技术，并综合考虑机车车辆制动性能和运输、通信、线桥建筑有关的系统工程问题。 1 高速列车制动系统的基本要求1.1 安全性紧急制动距离是检验列车制动性能和安全性的最基本条件。我国已研究制定了各种高速列车的基本技术条件，在考虑了必要的安全裕量的情况下，对紧急制动距离的要求如表 1 所示。表 1 高速列车的制动装置和紧急制动距离列车型号 最高速度 /(km.h-1) 制动方式拖车每根轴制动盘数/个标准距离/m不良状态距离/m300 系 (日本) 300 动力+盘形 2 4 960 ICE(德国) 300 动力、盘形+磁轨 4 3 450 TGV-A(法国) 300 动力、盘形 4 3 500 4 500TGV-PSE(法国) 270 动力、盘形、踏面 4 3 200 京沪 300 km/h 300 动力、盘形+磁轨 4 3 700 4 500京沪 200 km/h 200 动力、盘形 3 1 800 2 000为此，高速列车制动系统必须具有高速停车时足够的制动功率，以保证尽可能短的制动距离。1.2 可靠性高速列车必须随时保证有必要的停车制动能力。包括计算机网络或电空制动故障、供电网络失电(无动力制动)、下坡道停车时的可靠性设计，表 1 所示的不良状态距离就是考虑了可靠性的纯空气制动作用距离。在该距离设计中，考虑了失电情况下空走时间延长和盘形制动摩擦因数误差对延长制动距离的影响，例如京沪 300 km/h 高速列车按计算距离 4 100 m 增加 10%左右后为 4 500 m，可以保证在失电情况下制动停车的可靠性。为此，高速列车必须采用多种制动装置的复合制动模式。1.3 舒适性高速列车的制动作用时间和制动减速度远大于普通旅客列车，而这些参数是判断旅客舒适性的重要指标之一。由于高速列车制动系统采用微机控制的电气指令制动方式和盘形制动装置，故其纵向舒适性指标较高，如表 2 所示。 表 2 旅客列车纵向舒适性的评定指标比较列车类型 高速列车 TB/T2370-93紧急制动时的最大减速度/(m .s-2) 1.4 1.4 常用制动时的平均减速度/(m .s-2) 0.6 1.2最大纵向冲动 /g 0.6 1.01.2达到上述技术指标的关键技术问题是：采用电气指令控制方式；合理设计复合制动的模式；尽量减少列车中各车辆制动率的差别；采用摩擦特性良好的盘形制动装置等。 2 复合制动模式2.1 不同方式的能量分配高速列车的复合制动系统包括空气制动、动力制动和非粘着制动，其基本作用方式是：在正常情况下以动力制动为主，不足部分再以空气制动作为补偿。在该制动模式中，动力制动能力主要取决于动车的数量和各动车的动力制动功率。所以，动力制动所占比例与列车编组方式有关。在动力分散式高速列车中，动力制动的能量占 50%以上。对于动力集中式高速列车，在调速制动时，动力制动也占有较大的比例；但在常用全制动和紧急制动时，空气制动就占有较大的比例(如图 1、图 2 所示)，此时动力制动力已达到最大值，可调的是空气制动力，而且在低速及停车时必须依靠空气制动作用。图 1 TGV10 辆编组列车常用制动力分配特性图 2 TGV10 辆编组列车紧急制动力分配特性2.2 不同车辆的制动能量分配空气制动能力主要受到盘形制动结构(制动盘数量)和热容量的限制，并依赖于粘着利用。例如按我国高速试验列车粘着利用设计的制动率约为 32.5%，拖车可按此限值设计，动车则受到制动盘数量的限制，其空气制动达不到粘着利用，而需依赖于再生制动的复合制动能力。因此，复合制动模式在广义上还包括高速列车中不同车辆的制动能量分配关系，其中动车的动力制动按最大设计功率考虑，在常用制动时还可以分担拖车的部分制动负荷。关键是紧急制动时空气制动能量的分配，要根据粘着和制动盘的热容量限制，分别计算每辆车的空气制动力，我国高速试验列车空气制动力的分配见表 3。表 3 我国高速试验列车空气制动力分配车 型 空心轴动力车 方向轴动力车 独立式 拖车 铰接式三轴车 铰接式二轴车换算闸瓦压力/kN 131.5 131.5 178.5 152.4 108.4制动力/kN 41.3 41.3 56 47.9 34换算制动率/% 17.2 18.1 32.5 32.5 32.52.3 非粘着制动的制动能量为保证紧急制动的安全性，高速列车的紧急制动能力应有 10%左右的安全裕量。为此采用非粘着制动装置，在高速紧急制动时可以产生比较稳定的附加制动力，其制动减速度应在 0.1 m/s2左右，以满足使用要求。非粘着制动通常分为磁轨制动和轨道涡流制动 2 种方式。前者结构较简单，具有耗电量少、成本较低的优点，主要缺点是无可调性和对轨道有破坏作用；后者对轨道没有直接破坏作用并可实现无级调整，但对结构精度要求较高、耗电量大、重量较大，还会对信号产生影响。因此我国高速试验列车设计采用磁轨制动。在高速试验列车编组条件下，紧急制动时的磁轨制动能量分配如表 4 所示。表 4 我国高速试验列车 300 km/h 紧急制动时各种制动方式所转移的动能的分配%制动方式 盘形制动 运行阻力 动力制动 磁轨制动纯空气制动 93 7 空气制动与磁轨制动复合 82 6 12空气制动与动力制动复合 54 6 40 空气制动、动力制动与磁轨制动复合 48.5 5.4 36 10.13 微机应用技术3.1 电气指令式的制动控制系统该系统由列车管减压的控制方式变为高灵敏度电指令的控制方式，不仅仅是缩短列车制动空走时间和实现阶段缓解的简单的电空制动作用，其核心是应用微机进行智能化的列车制动控制，包括空重车计算、制动曲线计算、复合制动减速度控制、冲动控制、监控信息处理、数据显示和输出等功能，从而适应于 ATP、ATC 列车自动控制甚至最新的列车控制信息管理装置(TIS)。3.2 自动监测和诊断系统制动系统的监测与诊断是车载微机及信息传输网络系统中最重要的组成部分。该系统的主要功能是进行列车发车前的系统性能试验，指示试验项目并显示试验结果。在行车过程中，该系统能接收列车管、制动缸压力和空重车信号等，并监视制动机的故障状况。例如在发现缓解不良时，可对制动缸进行遥控排风，对保证高速列车的安全运行具有重要作用。为便于监测和维修，高速列车制动装置的各个部件应最大限度地采用模块化和标准化设计。3.3 高速列车运行仿真和制动计算高速列车的运行涉及列车编组条件、司机操纵方式、速度、线路和列车牵引制动装置的性能等多种因素，利用多质点系统的列车运动模型和电算程序可以详细模拟各种条件进行高速列车的运行仿真研究，特别是对非稳态工况的制动计算有重要意义，也可应用于高速列车制动系统的辅助设计。目前，国内已研究了这方面的电算程序并在设计单位得到了广泛的应用。 京沪高速列车运行仿真的结果表明：最高时速为 300 km/h 的列车的直达运行时间约为 4 h50 min，旅行速度可达到 270 km/h；如在所有主要车站停车，则运行时间约为 6 h7 min，旅行速度为 195 km/h 左右。可以计算研究线路限速、曲线、坡道、轴重、列车起停附加时分、司机操纵方式等对于高速列车运行时分和能耗的影响。在制动计算方面，则可以模拟计算在各种不同制动工况下的制动时间、距离、减速度以及线路条件对于制动操纵的影响。表 5 为北京上海直达运行的区间数据结果。表 5 北京上海 300 km/h 列车直达运行(无停站)结果区间名 区间长度 /km 运行时间 /min 运行速度 /(km.h-1) 牵引时间 /h 惰行时间 /h北京天津西 113.821 29.2 234 0.40 0.07天津西济南 285.678 61.7 278 0.92 0.11济南泰安西 62.664 16.2 232 0.27 0.00泰安西曲阜东 66.397 13.6 293 0.18 0.05曲阜东新徐州 157.444 32.1 294 0.50 0.04新徐州新蚌埠 155.564 31.5 296 0.49 0.04新蚌埠南京 165.513 36.3 274 0.49 0.11南京新镇江 68.466 15.0 274 0.25 0.00新镇江常州 61.314 13.0 283 0.17 0.05常州无锡 39.888 9.2 260 0.15 0.00无锡苏州 42.13 9.1 278 0.13 0.02苏州上海 83.999 22.3 226 0.27 0.10总 计 1 302.878 289.2 270 4.22 0.594 粘着利用4.1 粘着制动和防滑控制普通列车的制动方式都是粘着制动，其最大制动力受到轮轨制动粘着系数的限制，如表 6 所示，其取值由试验决定，并与钢轨表面状况有密切关系。表 6 粘着系数计算国别 轨面状态 计算公式 0干燥 0.062 4+45.6/(260+v) 0.238中国 潮湿 0.040 5+13.55/(120+v) 0.153干燥 27.5/(v+85) 0.32新干线潮湿 13.6/(v+85) 0.16日本旧线 0.24(1-0.007 8 v)/(1-0.024 v) 0.24干燥 0.214美国 潮湿 0.137干燥 0.116+9/(v+42) 0.33德国 潮湿 0.70.116+9/(v+42) 0.23法国 0.19注：表中 0 为制动停车时的最大粘着系数。 根据普通列车的制动率计算结果，其粘着利用率均较低，特别是在速度较高时，由于踏面制动的摩擦因数随速度增加而下降，因而远未能达到粘着限制。对粘着系数的充分利用是高速列车的新课题，也是 ATP 或 ATC 控制用制动模式曲线的依据。由于制动粘着系数受到运行速度、轮轨表面状态和气候条件的影响，当制动力超过粘着力时就会引起车轮滑行以至擦伤。因此，在提高列车制动力的同时，要求采用能有效利用粘着力的高性能滑行再粘着控制装置，即所谓防滑装置，其效果是可将粘着利用提高 20%30%，以达到提高制动率设计、缩短制动距离的目的。高速列车的防滑装置应采用微机控制，随着列车的高速化，应由宏观滑行的防滑控制发展为能在微小滑行区(即高蠕滑区)实现高精度控制的新一代防滑器。4.2 增加粘着和非粘着制动由于轮轨粘着系数的限制，为进一步缩短高速列车的制动距离，可采取增加粘着或采用非粘着制动方式的方法。前者实际上是改善轮轨或车轮表面的接触状态，例如撒沙、喷增粘剂和踏面制动方式的提高踏面粗糙度等，该种方式主要是改善不良粘着状态的粘着系数，例如日本通过增加粘着试验将湿态的轮轨粘着利用提高了 1 倍左右。后者使用较为普遍的是磁轨制动。我国高速试验列车制动系统的设计，有 5 辆拖车装有磁轨制动装置，全列车的磁轨制动力为 58.4 kN，约能产生 123 N/t 的单位制动力和相应的制动减速度。表 7 为在失电故障情况下，考虑了空走时间为 2 s 时，纯空气制动加磁轨制动的紧急制动距离比较。表 7 紧急制动距离比较纯空气制动 空气制动+磁轨制动制动率 /% 制动距离/m平均减速度/(m.s-2)制动距离/m平均减速度/(m.s-2)24.6 4 587.7 0.785 4 003.4 0.90527.7 4 131.6 0.876 3 652.8 0.99630.7 3 777.3 0.962 3 381.7 1.08由表 7 可见，磁轨制动可使纯空气紧急制动的制动距离缩短10%13%，符合技术条件的设计要求。 5 有关列车制动性能的高速铁路系统工程问题5.1 高速列车制动作用对线路和桥梁的影响(1) 对线路坡道设计的影响。在线路设计中，不仅要考虑上坡道的牵引起动能力，还要考虑下坡道的制动问题。高速列车的制动能量几乎与速度平方成正比，制动距离也比普通列车长得多，因此需要设计下坡道的制动距离和限速。在车站附近的坡道大小及其长度更对司机停车制动的操纵方式有直接影响。(2) 为缩短列车停车附加时间，保证追踪间隔时间，高速列车应使用较高的进站速度和制动减速度实现停车。例如在 ATC 停车模式中的制动初速度高达 100 km/h 以上，因此要求要有比普通列车更高的控制精度，其制动距离是设计列车到发线长度的主要依据之一。(3) 对线路上部建筑的影响。由于高速列车具有巨大的制动能量，且其制动作用时间长，因此对线桥上部建筑有一定的影响，特别在铁路桥梁设计中，必须考虑作用于轨面的制动力，还有制动热负荷对温度附加应力的影响。此外，紧急制动时的磁轨制动对钢轨有一定的磨耗破坏作用。5.2 通信信号关系制动能力是决定信号方式和信号闭塞区间长度、数目的主要因素。列车的各种运行控制方式无论超速防护、ATP 或 ATC 方式的信号系统设计均必须符合列车的制动模式曲线，闭塞区间长度和信号显示方式更取决于列车的制动能力。表 8 为高速列车和既有提速旅客列车的制动能力之比较。表 8 旅客列车的制动距离限制m制动初速/(km.h-1)紧急制动常用全制动减压 130 kPa(0.8 倍全值)减压 80 kPa(0.5 倍全值)140 1 100 1 400 1 750 2 600160 1 400 1 750 2 200 3 200200 2 000 2 200 2 500 3 700300 4 500 4 800 5 200 7 700注：200 km/h300 km/h 列车为在纯空气制动条件下的仿真计算结果。 由表 8 可见，在我国既有线路闭塞区间长度为 1 000 m 的条件下，对于160 km/h 的提速客车，紧急制动、0.8 倍常用制动系数和 0.5 倍常用制动系数的进站停车分别需 2、3、4 个闭塞区间，追踪运行间隔至少需要 5 个闭塞区间。与此相比，300 km/h 的高速列车紧急制动、0.8 倍常用制动系数和0.5 倍常用制动系数停车分别需要长 1 500 m 的闭塞区间 3、4、6 个，为将追踪运行间隔的闭塞区间控制在 5 个以内，应该采用 ATP 或 ATC 方式缩短常用制动的进站停车距离，而不宜采用普通列车 0.5 倍常用制动系数的停车方式。5.3 运输组织关系列车追踪间隔时间是行车密度的基础，该时间又取决于列车的起动和停车附加时间。为缩短列车间隔时间，势必要求高速列车有较高的起动加速和制