國內(nèi)外動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)分析*

曹宏發(fā)

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

目前世界上的主要高速鐵路國家，包括中國、日本、德國、法國等，制動系統(tǒng)原理均不相同。德國和法國等歐洲干線動車組制動系統(tǒng)由于UIC 541-5等標準要求和原TSI法規(guī)的強制要求，普遍采用自動式空氣制動系統(tǒng)。歐洲市域動車組和地鐵、日本新干線動車組等制動系統(tǒng)，不受TSI法規(guī)的強制要求和UIC 541-5等標準要求，通常采用直通式電空制動系統(tǒng)。中國高速動車組自研發(fā)及投入運營以來，一直采用直通式電空制動系統(tǒng)。

為保證動車組能夠被機車或者動車組高效救援，各國高速動車組通過配置自動式空氣制動機、設(shè)置制動指令傳輸或轉(zhuǎn)換裝置、列車供電管理、外部供電等各種方式，來保證動車組能夠被機車或者動車組高效救援。CRH1平臺的原型動車組Regina C2008設(shè)有救援轉(zhuǎn)換裝置，將救援動車組或機車的BP管減壓量轉(zhuǎn)化為電氣制動指令，并可由救援動車組或機車向被救援動車組輸出3 AC 380 V/50 Hz交流電來滿足被救援動車組的用電需求。CRH2A平臺的原型動車組E2-1000系在頭車前端部設(shè)有32芯連接器，用于向被救援動車組傳輸制動指令，并可向被救援動車組進行外部供電來滿足被救援動車組的用電需求。CRH3平臺的原型動車組Velaro-E和以CRH5平臺的原型動車組Pendolino均采用自動式空氣制動系統(tǒng)的動車組，可在被救援動車組無電時直接采用自動式空氣制動機進行救援。中國高速動車組受限于引進動車組平臺的技術(shù)限制，動車組之間相互救援和動車組被機車救援時嚴重制約了救援效率。為此，中國鐵路總公司采取了一系列技術(shù)措施和管理措施，來保證動車組的高效救援，并在復(fù)興號動車組通過采用一系列措施解決了互聯(lián)互通問題。

1 國外動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

歐洲干線動車組制動系統(tǒng)由于UIC 541-5等標準要求和原TSI法規(guī)的強制要求，普遍采用自動式空氣制動系統(tǒng)。歐洲市域動車組和地鐵、日本新干線動車組等制動系統(tǒng)，不受TSI法規(guī)的強制要求和UIC 541-5等標準要求，通常采用直通式電空制動系統(tǒng)。

1.1 德國動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

德國在1985年就開始研制高速動車組,目前為止已研制出ICE系列的多款車型。ICE動車組從1985年的ICE/V試驗型動車組、1990年的ICE1到1992年的ICE2均為動力集中型的動車組,1997年的ICE3為動力分散型動車組，2017年12月正式運營的ICE4是德國第一個采用直通電空技術(shù)的動力分散型動車組。ICE系列動車組均采用自動式空氣制動機用于救援。

表1 德國高速動車組制動系統(tǒng)

1.2 法國動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

法國TGV系列高速動車組的第1代TGV-PSE型動車組采用電氣指令式自動電空制動系統(tǒng)，第2代TGV-A、第3代TGV-Duplex、第4代AGV型動車組均采用自動式電空制動系統(tǒng)。TGV系列動車組均采用自動式空氣制動機用于救援。

表2 法國高速動車組制動系統(tǒng)

1.3 日本動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

日本自1964年新干線開通以來，共研制了0系、100系、300系、500系、700系，以及E1、E2、E3、E4、E5、E6系等多款高速動車組，均采用直通電空制動系統(tǒng)，均無自動式空氣制動機。采用動車組或?qū)Ｓ脵C車救援，可利用車前端連接器供電和傳遞制動指令。

表3 日本高速動車組制動系統(tǒng)1

表4 日本高速動車組制動系統(tǒng)2

1.4 其他國家動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

龐巴迪公司于2009年開始研制的Zefiro 250(CRH1E原型動車組)、Zefiro 300(主要面向歐洲市場)以及Zefiro380(CRH380D原型動車組)動車組均采用微機控制直通式電空制動系統(tǒng)，均無自動式空氣制動機。動車組設(shè)有救援轉(zhuǎn)換裝置，可在機車救援時將機車的列車管減壓量轉(zhuǎn)換為電氣制動指令。

美國Acela Express動車組是龐巴迪和阿爾斯通聯(lián)合為全美鐵路客運公司(Amtrak)研制的高速擺式動力集中動車組，2000年12月投入運營，使用了第3代TGV的牽引系統(tǒng)和微機控制自動式電空制動系統(tǒng)。

捷克鐵路有4種動車組裝備了直通電空制動系統(tǒng)，英國干線高速動車組采用直通電空制動系統(tǒng)，救援均采用自動式空氣制動機。

2 CRH平臺原型動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH平臺各原型動車組在繼承電空制動系統(tǒng)原理和設(shè)計的基礎(chǔ)上，針對動車組被救援工況均從整車定位和制動系統(tǒng)原理等角度出發(fā)，通過配置自動式空氣制動機、或相互傳輸制動指令、或完善列車供電管理、或采用外部供電等多個方面，進行系統(tǒng)化的設(shè)計，來保證動車組能夠被機車或者動車組高效救援。

2.1 CRH1原型動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH1型不銹鋼車體動車組以瑞典Regina C2008型動車組為原型動車組進行研制。Regina動車組由兩節(jié)帶司機室的動車或兩個司機室動車中間加一輛拖車構(gòu)成，可重聯(lián)運行，1998年首次投入使用，應(yīng)用于瑞典的區(qū)域通勤線路。

Regina動車組采用微機控制的直通電空制動系統(tǒng)，設(shè)有救援轉(zhuǎn)換裝置，可將救援動車組或機車的BP管減壓量轉(zhuǎn)化為電氣制動指令。救援動車組時，救援轉(zhuǎn)換裝置可通過排空BP管壓力輸出緊急制動指令，無常用制動指令輸出。此外，動車組頭車前端部設(shè)有外供電連接器，可由救援動車組或機車向被救援動車組輸出3 AC 380 V/50 Hz交流電。被救援動車組在外供電模式下自動減載運行，應(yīng)急通風(fēng)、應(yīng)急照明等正常工作，制動系統(tǒng)等所有低壓系統(tǒng)均可正常工作。

2.2 CRH2原型動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH2A型動車組的原型動車組為日本新干線E2-1000系動車組。E2-1000系動車組采用微機控制的直通電空制動系統(tǒng)，無自動式空氣制動機及救援轉(zhuǎn)換裝置。E2-1000系動車組頭車前端部設(shè)有32芯連接器，用于被動車組或機車救援時進行DC 100 V供電、傳遞常用制動和緊急制動指令，并可連接與制動系統(tǒng)相關(guān)的列車安全環(huán)路。

用于救援動車組的內(nèi)燃機車，除設(shè)有常規(guī)的自動式電空制動機外，還設(shè)有對應(yīng)高速列車的直通式電空制動機，可向被救援動車組供電和輸出制動指令。

2.3 CRH3原型動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH3型動車組的原型動車組是西門子公司的Velaro-E型動車組，該動車組是西門子為西班牙馬德里-巴塞羅那高速鐵路研發(fā)的動車組，采用微機控制的自動式空氣制動機，可在無電工況下被動車組或機車救援。

2.4 CRH5原型動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH5型動車組的原型車是阿爾斯通公司以Pendolino平臺為芬蘭鐵路開發(fā)的SM3型動車組，該動車組采用微機控制的自動式空氣制動機，可在無電工況下被動車組或機車救援。

3 CRH平臺動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

國內(nèi)CRH平臺動車組引進之初，針對中國采用微機控制的直通式電空制動系統(tǒng)、動車組能夠被機車救援的頂層要求，進行了相關(guān)的設(shè)計改進和優(yōu)化。

3.1 CRH1型動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH1A型動車組采用與原型車一致的微機控制直通式電空制動系統(tǒng)，未配備自動式空氣制動機，在頭車配置有BP救援轉(zhuǎn)換裝置。針對救援動車組時僅能輸出緊急制動指令的問題，統(tǒng)型動車組采用了BP救援轉(zhuǎn)換裝置，可輸出各級常用制動指令對應(yīng)的列車BP減壓量。

3.2 CRH2型動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH2A型動車組采用與原型車一致的微機控制的直通式電空制動系統(tǒng)，未配備自動式空氣制動機。但在頭車配置救援轉(zhuǎn)換裝置，可將救援機車或動車組的BP管減壓量變換為電氣制動指令，控制被救援動車組常用制動施加及緩解。統(tǒng)型動車組采用的BP救援轉(zhuǎn)換裝置，可輸出各級常用制動指令對應(yīng)的列車管減壓量。

3.3 CRH3/CRH5型動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH3型動車組采用微機控制的直通式電空制動系統(tǒng)，同時設(shè)置自動式空氣制動機。自動式空氣制動機可由機車或設(shè)置列車管的動車組操縱控制，列車管的額定壓力為600 kPa。

此外，直通電空制動發(fā)生故障時，動車組可啟動自動式空氣制動機繼續(xù)運行，這時需要操縱司機制動閥進行制動施加和緩解控制，限速80 km/h。司機制動閥共有3個位置：全制動位、中立位、緩解位；可以產(chǎn)生純空氣常用制動和緊急制動。

4 動車組救援及回送作業(yè)辦法

在中國高速動車組大面積推廣應(yīng)用的情況下，為實現(xiàn)動車組之間相互救援以提升運用效率、減少動車組故障對線路運營秩序的影響，綜合考慮各型CRH動車組之間的差異，中國鐵路總公司制定了動車組救援及回送作業(yè)管理辦法。

4.1 動車組救援作業(yè)辦法

中國鐵路總公司印發(fā)的《CRH系列動車組相互救援暫行作業(yè)辦法》(鐵總運〔2016〕37號)中規(guī)定，救援動車組能夠控制被救援動車組常用制動時，整列救援列車無空氣制動切除時救援限速120 km/h，有空氣制動切除時救援限速60 km/h；救援動車組不能控制被救援動車組常用制動時，救援限速60 km/h。蓄電池電壓限制如下：CRH1應(yīng)在97 V以上、CRH2應(yīng)在84 V以上、CRH3應(yīng)在96 V以上、CRH5應(yīng)在20 V以上，否則需停車充電，若不具備充電條件則切除空氣制動。

4.2 動車組回送作業(yè)辦法

對于無動力回送，中國鐵路總公司印發(fā)的《動車組回送作業(yè)辦法》(鐵總運〔2014〕157號)中規(guī)定，制動可用時限速120 km/h，制動不可用時限速5 km/h。CRH3型動車組使用非統(tǒng)型過渡車鉤無動力回送時，重聯(lián)無動力回送限速80 km/h。CRH2型動車組無動力回送時間在2 h以內(nèi)時，可使用機車直接連掛動車組的方式回送；無動力回送時間超過2 h，必須加掛能向蓄電池供電的回送過渡車。

5 復(fù)興號動車組制動系統(tǒng)及救援技術(shù)

復(fù)興號動車組采用微機控制的直通式電空制動系統(tǒng)，按互聯(lián)互通要求滿足相同速度等級的動車組可以實現(xiàn)重聯(lián)運營、不同速度等級的動車組可以實現(xiàn)相互救援，未配備自動式空氣制動機。為實現(xiàn)將救援機車或動車組的BP管減壓量變換為電氣制動指令，并將被救援動車組的電氣制動指令轉(zhuǎn)化為BP管減壓量，在頭車配置有統(tǒng)型BP救援轉(zhuǎn)換裝置。統(tǒng)型BP救援轉(zhuǎn)換裝置具有兩種工作模式：氣轉(zhuǎn)電模式，可將救援動車組或機車BP管減壓量轉(zhuǎn)換為電氣制動指令；電轉(zhuǎn)氣模式，可將救援動車組的電氣制動指令轉(zhuǎn)換為BP管減壓量。

5.1 無自動式空氣制動機動車組相互救援

兩列動車組BP管連接，救援動車組的BP救援轉(zhuǎn)換裝置工作在電轉(zhuǎn)氣模式，被救援車輛的BP救援轉(zhuǎn)換裝置工作在氣轉(zhuǎn)電模式。

5.2 無自動式空氣制動機動車組救援有自動式空氣制動機動車組

兩列動車組BP管連接，救援動車組BP救援轉(zhuǎn)換裝置工作在電轉(zhuǎn)氣模式，被救援動車組采用自動式空氣制動機。

5.3 有自動式空氣制動機動車組救援無自動式空氣制動機動車組

兩列動車組BP管連接，被救援動車組BP救援轉(zhuǎn)換裝置工作在氣轉(zhuǎn)電模式，救援動車組采用自動式空氣制動機。

5.4 機車救援無自動式空氣制動機動車組

機車與動車組BP管連接，被救援動車組BP救援轉(zhuǎn)換裝置工作在氣轉(zhuǎn)電模式。

6 國內(nèi)動車組救援優(yōu)化措施

目前國內(nèi)各型動車組均采用微機控制的直通式電空制動系統(tǒng)，當動車組在救援過程中無電時空氣制動不可用或系統(tǒng)功能降級，導(dǎo)致救援限速運行。為保證被救援動車組空氣制動可用以提升救援效率，前提是BP救援轉(zhuǎn)換裝置和制動系統(tǒng)正常供電。

6.1 優(yōu)化動車組供電管理策略

目前各型動車組供電管理策略差異較大，無法滿足救援處置過程中的制動系統(tǒng)供電需求。新研制的動車組增加了蓄電池容量并完善了動車組蓄電池分級管理策略，以保證動車組被救援時空氣制動可用為目標，合理設(shè)置最小負載并將救援用電設(shè)備連接動車組BD供電。

6.2 優(yōu)化動車組自發(fā)電負載管理

動車組自發(fā)電功能主要在動車組回送、無高壓供電等工況下，動車組被拖拽時為動車組交流輔助負載供電，并在輔助變流器和充電機工作后為動車組直流負載供電。新研制的動車組對與自發(fā)電相關(guān)的負載進行了單獨分級管理，以保證被救援動車組自發(fā)電功能的可用性。

6.3 優(yōu)化動車組外部供電管理

國內(nèi)各型動車組外部供電的電壓制式不統(tǒng)一，各型動車組外部供電的電壓制式與機車供電的電壓制式不統(tǒng)一，外部供電連接器形式及容量不統(tǒng)一，被救援動車組最小負載容量不統(tǒng)一，導(dǎo)致動車組之間相互救援時無法通過救援動車組向被救援動車組供電，動車組被機車救援時無法直接通過機車向被救援動車組供電。新研制動車組在外部供電情況下以保證動車組被救援時空氣制動可用為目標，合理配置動車組負載容量，實現(xiàn)了動車組被救援時能夠通過外部供電滿足用電設(shè)備需求。

7 總 結(jié)

歐洲干線動車組制動系統(tǒng)普遍采用自動式空氣制動系統(tǒng)，歐洲市域動車組和地鐵、日本新干線動車組等制動系統(tǒng)普遍采用直通式電空制動系統(tǒng)，我國各型動車組均采用微機控制的直通式電空制動系統(tǒng)。針對既有動車組之間相互救援采取了一系列有效措施，新研制動車組在頂層設(shè)計時對救援相關(guān)要求一體化規(guī)劃，有效的提升了國內(nèi)各型動車組之間相互救援和回送效率。