高速列車制動系統(tǒng)減速度設(shè)計的綜合分析與研究

楊偉君，李邦國，喬 峰，王鵬飛

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 長春軌道客車股份有限公司 鐵路客車開發(fā)部，吉林長春130062）

世界各國高速列車制動系統(tǒng)均采用電空制動來實現(xiàn)。其常用制動的控制方式多采用減速度控制［1－2］，即制動控制單元根據(jù)速度和手柄級位確定出目標(biāo)減速度，進而計算出應(yīng)施加的制動力。隨著速度的不斷變化，即使司機控制器處于相同級位，目標(biāo)減速度和目標(biāo)制動力也會跟隨速度不同而變化。

減速度和緊急制動距離的確定是高速列車制動系統(tǒng)設(shè)計的首要的、也是最重要的問題。它們是描述列車制動能力和運行安全性的最基本參數(shù)，是鐵路通信信號系統(tǒng)和運輸組織的重要依據(jù)。

緊急制動減速度和制動距離與許多因素有關(guān)，諸如制動方式、系統(tǒng)配置、制動模式、基礎(chǔ)制動裝置的結(jié)構(gòu)、材料等因素。世界上主要高速列車的緊急制動距離和平均減速度見表1。

1 減速度確定方法研究

對于采用再生制動和摩擦制動的CRH380高速列車而言，減速度的設(shè)計取決于列車基礎(chǔ)制動裝置的熱容量和輪軌間黏著利用等制約因素，同時還應(yīng)考慮必要的安全余量，特別是再生制動發(fā)生故障時、僅僅依靠摩擦制動情況下的緊急制動能力。

表1 世界主要高速列車的緊急制動距離和平均減速度［3］

減速度的確定包括減速度的設(shè)計和校核兩個過程，這兩個過程不能簡單的割裂，而是不斷的彼此驗證和修正的過程，具體流程見圖1。

首先根據(jù)黏著系數(shù)曲線、列車要求的制動距離、制動摩擦副允許的熱容量初步確定緊急制動減速度曲線，進而確定整車制動力，根據(jù)列車運行阻力并結(jié)合初定的平均摩擦系數(shù)，求出動、拖車制動缸壓力。這個過程是減速度的設(shè)計過程。

根據(jù)求出的制動缸壓力和1：1制動動力試驗臺獲得的摩擦系數(shù)，采用仿真計算的方法求得減速度曲線（考慮風(fēng)阻），所獲得的制動減速度已經(jīng)相對準(zhǔn)確。通過與目標(biāo)減速度進行比較，將壓力進行微量調(diào)整，直到仿真計算得到的減速度十分貼近設(shè)計減速度、并小于黏著曲線。此時的動、拖車制動缸壓力即為對應(yīng)緊急制動時各車的壓力。然后，進行制動盤熱容量校核計算，并根據(jù)具體項目的線路情況、技術(shù)要求，進行針對性的制動動力試驗臺試驗，以確保摩擦副的能力完全能滿足項目要求。至此，完成了減速度設(shè)計。

緊急制動減速度確定后，將緊急制動減速度曲線和運行阻力曲線之間的區(qū)域根據(jù)手柄級位進行均分，即可得到各級常用減速度曲線。

圖1 減速度確定流程

2 緊急制動減速度的確定

2.1 黏著系數(shù)的確定

CRH380是16輛固定編組的高速列車［4］，制動系統(tǒng)采用TSI要求的黏著系數(shù)進行設(shè)計和校核。TSI規(guī)定的黏著系數(shù)見圖2。需要說明的是：TSI中只規(guī)定了最高速度到350km／h的黏著系數(shù)，而350km／h到380 km／h之間的黏著系數(shù)采用外推法給出。

圖2 TSI黏著系數(shù)曲線

2.2 純空氣緊急制動減速度的設(shè)計

根據(jù)第1節(jié)內(nèi)容可知，減速度的設(shè)計過程要初步確定對應(yīng)的制動缸壓力。求解的方法有多種，這里用系統(tǒng)仿真軟件AMESim進行求解。

首先，確定CRH380制動系統(tǒng)配置和基礎(chǔ)制動裝置的各項參數(shù)，見表2～表4。

基礎(chǔ)制動裝置中每個動車軸安裝2個輪裝鑄鋼制動盤＋粉末冶金閘片；每個拖車軸安裝3個軸裝鑄鋼制動盤＋粉末冶金閘片。另外，對應(yīng)動車軸安裝有撒沙裝置。

阻力公式如下，曲線見圖3。

式中：G為車質(zhì)量，kg；v為速度，km／h；FTR為列車阻力，kN。

表2 車質(zhì)量情況

表3 車輪直徑

圖3 列車阻力

表4 基礎(chǔ)制動參數(shù)

CRH380雖然為16輛編組，但從制動系統(tǒng)配置看，8輛編組的計算完全可以說明16輛編組的問題。CRH380高速列車制動系統(tǒng)仿真模型見圖4。上半部為4輛動車，下半部為4輛拖車，中間采用彈簧、阻尼連接。模型中目標(biāo)減速度、電制力大小均以文件方式導(dǎo)入。

本文只計算純空氣的情況，故電制力以零輸入。采用PID控制器求解符合目標(biāo)減速度的制動缸壓力，進而初步確定減速度［5］。初定減速度曲線見圖5。據(jù)此初步求解動車、拖車的制動缸壓力（見圖6和圖7）。其中速度單位為m／s，制動缸壓力為絕對壓力，單位為kPa。

從圖中可以看出，動、拖車的制動缸壓力相對于減速度變化有良好的跟隨性，分別在200km／h和300 km／h實現(xiàn)切換。考慮到每個中繼閥的壓力比只能切換一次，所以兩個速度點的切換動作分別由拖車和動車各自實現(xiàn)，從而實現(xiàn)整列制動力的兩次切換。

根據(jù)求解的曲線，在動車切換點200km／h，壓力由絕對壓力280kPa提高到380kPa（見圖8）；在拖車切換點300km／h，壓力由絕對壓力300kPa提高到420 kPa（見圖9）。這些值能否滿足要求，還要通過減速度校核過程確認(rèn)。

圖4 CRH380高速列車制動系統(tǒng)仿真模型

圖5 初定的減速度曲線

2.3 純空氣緊急制動減速度的校核

根據(jù)確定的動、拖車制動缸壓力情況，對系統(tǒng)仿真模型重新賦值，并取摩擦系數(shù)為動力試驗臺獲得的實際數(shù)據(jù)（圖10和圖11）進行校核計算。實際求得的減速度曲線見圖12。制動距離7 530.09m（見圖13）。

圖6 動車制動缸壓力曲線

圖7 拖車制動缸壓力曲線

圖8 動車壓力切換點

圖9 拖車壓力切換點

圖10 1∶1高速制動臺架試驗

上述的制動缸壓力不但滿足了制動距離要求，制動盤也是處于允許的熱容量范圍內(nèi)。

因此CRH380高速列車在純空氣緊急制動情況下，動車、拖車制動缸的切換壓力可以根據(jù)上述計算值進行設(shè)置。

圖11 緊急制動的瞬時摩擦系數(shù)曲線

圖12 校核過程求得的減速度

圖13 校核過程中求得的制動距離

2.4 常用制動減速度的確定

常用制動減速度的確定流程與緊急制動相似，首先確定最大常用制動減速度曲線，然后根據(jù)手柄級位在最大常用和列車阻力之間均分，即可得到各級目標(biāo)減速度。將各級目標(biāo)減速度、電制力等數(shù)據(jù)導(dǎo)入仿真模型，通過PID控制器求解出制動缸壓力，BCU根據(jù)這些值進行控制。

3 結(jié)束語

對于采用黏著制動的高速列車，摩擦制動能力成為列車制動能力的關(guān)鍵因素和瓶頸。本文詳細(xì)介紹了高速列車制動系統(tǒng)減速度設(shè)計中要考慮的關(guān)鍵因素和確定方法，并通過CRH380高速列車純空氣緊急制動減速度的設(shè)計確定過程，給出了詳細(xì)的說明。

［1］張曙光.鐵路高速列車應(yīng)用基礎(chǔ)理論研究與工程技術(shù)［M］.北京：科學(xué)出版社，2007.

［2］錢立新.世界高速鐵路技術(shù)［M］.北京：中國鐵道科學(xué)出版社，2003.

［3］董錫明.高速動車組工作原理與結(jié)構(gòu)特點［M］.北京：中國鐵道出版社，2007.

［4］《時速350公里新一代動車組技術(shù)條件》［S］.鐵道部運裝客車［2010］253號文件.

［5］方康玲.過程控制系統(tǒng)［M］.武漢：武漢理工大學(xué)出版社，2010.