邵　林， 張　犀， 楊　欣

(1　中國(guó)鐵道科學(xué)研究院　機(jī)車車輛研究所， 北京 100081;2　北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100081)

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更高速動(dòng)車組非黏著制動(dòng)應(yīng)用研究*

邵林1， 張犀2， 楊欣1

(1中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所， 北京 100081;2北京縱橫機(jī)電技術(shù)開發(fā)公司， 北京 100081)

對(duì)于380～400 km/h速度等級(jí)的更高速動(dòng)車組，制動(dòng)距離、制動(dòng)熱負(fù)荷、制動(dòng)黏著3個(gè)參數(shù)對(duì)現(xiàn)有制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用有所限制，有必要引入非黏著制動(dòng)方式；對(duì)比若干非黏著制動(dòng)方式，渦流軌道制動(dòng)更適于更高速動(dòng)車組；以中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的制動(dòng)特性為基礎(chǔ)，對(duì)增加渦流軌道制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)車組制動(dòng)特性、制動(dòng)力匹配等問(wèn)題進(jìn)行了分析，在一定程度上可以解決以上3個(gè)限制條件。

動(dòng)車組； 非黏著制動(dòng)； 渦流軌道制動(dòng)

制動(dòng)系統(tǒng)是動(dòng)車組的核心技術(shù)之一，制動(dòng)系統(tǒng)的性能不僅直接決定了列車運(yùn)行的安全和舒適度，也是提高列車運(yùn)行速度的重要限制因素。

國(guó)外動(dòng)車組主要采用的是電制動(dòng)和空氣制動(dòng)組合的微機(jī)直通電空制動(dòng)系統(tǒng)。制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)電氣信號(hào)傳遞制動(dòng)指令，由微機(jī)進(jìn)行處理和控制。

我國(guó)鐵路通過(guò)引進(jìn)消化吸收再創(chuàng)新，逐步掌握了速度300～350 km/h高速動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)，全面構(gòu)建了速度300～350 km/h動(dòng)車組設(shè)計(jì)制造與運(yùn)用維護(hù)技術(shù)體系，國(guó)產(chǎn)CRH380系列動(dòng)車組實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)，躋身世界一流行列。CRH380系列動(dòng)車組目前多運(yùn)用于300 km/h速度級(jí)，制動(dòng)試驗(yàn)的最高速度達(dá)到380 km/h。

高速鐵路對(duì)于運(yùn)行速度和試驗(yàn)速度的提高有著遠(yuǎn)期的需求，隨著動(dòng)車組設(shè)計(jì)速度的提高，高速區(qū)制動(dòng)能力、制動(dòng)黏著利用、基礎(chǔ)制動(dòng)裝置熱負(fù)荷等問(wèn)題對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)提出了更高的要求，對(duì)現(xiàn)行制動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用提出了不同程度的限制。

國(guó)外高速動(dòng)車組在電制動(dòng)和空氣制動(dòng)結(jié)合的基礎(chǔ)上，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)也在不斷改進(jìn)并探討制動(dòng)新技術(shù)。日本、德國(guó)、法國(guó)等國(guó)家研發(fā)并應(yīng)用了空氣翼板制動(dòng)、渦流軌道制動(dòng)、磁軌制動(dòng)、渦流盤式制動(dòng)等制動(dòng)方式。以上新式制動(dòng)技術(shù)的研究，為我國(guó)動(dòng)車組在更高速度條件下應(yīng)用提供了新的思路。

以380～400 km/h為更高速動(dòng)車組目標(biāo)速度，以CRH380系列動(dòng)車組的試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)，從更高速度動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)開始分析，引出應(yīng)用非黏著制動(dòng)的必要性；通過(guò)對(duì)各種非黏著制動(dòng)方式的比較，提出渦流軌道制動(dòng)為推薦配置；最后基于速度350 km/h標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的設(shè)計(jì)性能指標(biāo)，將渦流軌道制動(dòng)與現(xiàn)有制動(dòng)方式的匹配關(guān)系進(jìn)行了分析。

1　更高速度動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)

制動(dòng)距離(或制動(dòng)減速度)、制動(dòng)黏著和制動(dòng)熱負(fù)荷作為動(dòng)車組制動(dòng)特性的重要參數(shù)，在考慮更高速動(dòng)車組在380～400 km/h速度級(jí)運(yùn)用時(shí)是重要的限制條件，討論更高速度動(dòng)車組受以上3個(gè)參數(shù)制約的情況。

1.1制動(dòng)距離

國(guó)內(nèi)現(xiàn)行動(dòng)車組緊急制動(dòng)距離標(biāo)準(zhǔn)，見表1所示。

表1　國(guó)內(nèi)緊急制動(dòng)距離限值及其對(duì)應(yīng)制動(dòng)減速度[1-2]

對(duì)于380 km/h以上速度級(jí)的制動(dòng)距離標(biāo)準(zhǔn)，暫無(wú)適合國(guó)內(nèi)情況的評(píng)判值，按照380 km/h及以下速度級(jí)外延的方式，推算更高速制動(dòng)距離的標(biāo)準(zhǔn)值。以400 km/h為目標(biāo)速度，按照120～380 km/h的制動(dòng)距離外延的方式，得到制動(dòng)距離標(biāo)準(zhǔn)擬合值，擬合曲線見圖1所示。

由以上擬合曲線得到400 km/h的緊急制動(dòng)距離標(biāo)準(zhǔn)外延值約為10 500 m，車輛實(shí)際的制動(dòng)距離應(yīng)小于此標(biāo)準(zhǔn)并保留一定裕量。

以成熟運(yùn)用的CRH380A動(dòng)車組、CRH380B動(dòng)車組為制動(dòng)距離比較對(duì)象，如表2所示[3]。

圖1　按標(biāo)準(zhǔn)外延至400 km/h的制動(dòng)距離標(biāo)準(zhǔn)

制動(dòng)工況車型制動(dòng)初速度/(km·h-1)制動(dòng)距離/m制動(dòng)距離標(biāo)準(zhǔn)/m復(fù)合工況純空氣工況CRH380ACRH380BCRH380ACRH380B3803807499589073837480<8500

僅從減速度角度出發(fā)，更高速度動(dòng)車組的制動(dòng)減速度設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮高速區(qū)段的黏著限制，此外，應(yīng)保證高速區(qū)段減速度變化平穩(wěn)。以此為原則，對(duì)制動(dòng)減速度曲線進(jìn)行外延，并對(duì)減速度進(jìn)行積分運(yùn)算，得到按目前減速度配置模式、初速度400 km/h緊急制動(dòng)EB的制動(dòng)距離，見表3所示。

表3　動(dòng)車組初速度400 km/h緊急制動(dòng)EB制動(dòng)距離

由以上制動(dòng)距離標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)值外延的結(jié)果來(lái)看，按現(xiàn)有制動(dòng)配置方式，制動(dòng)力設(shè)計(jì)滿足400 km/h的運(yùn)用要求，但是由于高速區(qū)段產(chǎn)生的制動(dòng)距離隨初速度的提高而急劇增大，而制動(dòng)能力影響著運(yùn)行追蹤間隔[4]，導(dǎo)致運(yùn)行速度增加的同時(shí)限制了追蹤間隔的縮短，失去了提速的意義。建議更高速度動(dòng)車組通過(guò)提升制動(dòng)配置以提高制動(dòng)力，尤其在高速區(qū)段，以保證合理的制動(dòng)距離。

1.2制動(dòng)黏著分析

對(duì)于高速動(dòng)車組，制動(dòng)黏著是制動(dòng)能力提高的一個(gè)重要限制因素。國(guó)內(nèi)對(duì)于速度大于120 km/h的高速輪軌黏著研究尚屬空白，各車型分別以國(guó)外原型車的黏著取值進(jìn)行制動(dòng)力設(shè)計(jì)。以CRH380AL動(dòng)車組為例，CRH380AL動(dòng)車組緊急制動(dòng)實(shí)際利用黏著系數(shù)曲線已貼近日本新干線干軌黏著系數(shù)曲線，已超過(guò)濕軌黏著系數(shù)且沒(méi)有裕量[3，5]，天氣狀態(tài)較差的條件下增加了滑行的機(jī)率和擦輪的危險(xiǎn)，限制了動(dòng)車組制動(dòng)能力的進(jìn)一步提高。

圖2　CRH380AL緊急制動(dòng)實(shí)際利用黏著系數(shù)曲線

無(wú)論是動(dòng)力制動(dòng)還是機(jī)械摩擦制動(dòng)，均是通過(guò)輪軌間的黏著狀態(tài)產(chǎn)生列車的制動(dòng)力。因此在設(shè)計(jì)制動(dòng)裝置時(shí)，總是要涉及到輪軌黏著問(wèn)題，而且隨著速度的提高，黏著問(wèn)題就更為突出。高速時(shí)黏著系數(shù)的低下，恰恰限制了高速所需的制動(dòng)力的提升。當(dāng)平均減速度為0.94 m/s2時(shí)，黏著系數(shù)應(yīng)該在0.095以上，由于線路狀態(tài)、自然條件、車輛的運(yùn)行品質(zhì)等因素的變化，黏著系數(shù)的離散度較大。列車速度越高，制動(dòng)力需要越大，產(chǎn)生滑行的危險(xiǎn)就越大。面對(duì)高速列車安全停車制動(dòng)時(shí)黏著系數(shù)對(duì)傳統(tǒng)黏著制動(dòng)能力的提高的挑戰(zhàn)，開發(fā)非黏著制動(dòng)方式有著重大意義。

1.3制動(dòng)熱負(fù)荷

高速動(dòng)車組的制動(dòng)能量分別由再生制動(dòng)、空氣制動(dòng)及少量列車阻力組成。正常工況下的緊急制動(dòng)應(yīng)發(fā)揮幾乎全部的再生制動(dòng)力，不足部分由空氣制動(dòng)補(bǔ)充；在動(dòng)車組經(jīng)過(guò)無(wú)電區(qū)段或電制動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，空氣制動(dòng)作為制動(dòng)力可靠發(fā)揮及最后的安全保障，在純空氣制動(dòng)工況下仍應(yīng)保證動(dòng)車組符合制動(dòng)距離和制動(dòng)減速度的要求停車。在研究基礎(chǔ)制動(dòng)部件的熱負(fù)荷問(wèn)題時(shí)，均應(yīng)考慮純空氣的緊急制動(dòng)在最高速度級(jí)制動(dòng)至停車為熱負(fù)荷情況最惡劣的工況。

以CRH380AL和CRH380BL為代表車型，基礎(chǔ)制動(dòng)配置方式見表4所示。

表4　CRH380AL和CRH380BL動(dòng)車組基礎(chǔ)制動(dòng)配置方式

CRH380AL與CRH380BL動(dòng)車組的拖車軸上均配置了軸裝制動(dòng)盤，而動(dòng)車軸上的空間配置了牽引電機(jī)，不具備安裝軸裝制動(dòng)盤的條件，因此基于現(xiàn)有車型的車下空間分布情況，不具備提高制動(dòng)盤數(shù)量以分散摩擦制動(dòng)熱能消耗的條件。

根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告，CRH380AL與CRH380BL在熱負(fù)荷條件最惡劣的緊急空氣制動(dòng)工況下，初速度分別為300，350，380 km/h，基礎(chǔ)制動(dòng)部件(包括制動(dòng)盤和制動(dòng)閘片)的溫度情況如表5所示[3]。

表5　CRH380AL動(dòng)車組純空氣工況下緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤(片)最高溫度

表6　CRH380BL動(dòng)車組純空氣工況下緊急制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤(片)最高溫度

型式試驗(yàn)中對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)部件的溫度限值為700℃，高于此溫度持續(xù)工作會(huì)導(dǎo)致材料制動(dòng)力減弱與損壞。由試驗(yàn)結(jié)果可見，在試驗(yàn)中兩車型在測(cè)點(diǎn)位置最高溫度均大于700℃，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)計(jì)算，二者高溫持續(xù)時(shí)間均不超過(guò)15 s，為短時(shí)現(xiàn)象，但是若在更高速度級(jí)施加緊急空氣制動(dòng)，隨著制動(dòng)能量增加，摩擦副溫度將出現(xiàn)短時(shí)更高溫度，并在700℃以上溫度持續(xù)時(shí)間加長(zhǎng)。

以400 km/h為目標(biāo)速度級(jí)，分別以CRH380AL和CRH380BL的緊急空氣制動(dòng)為例，在考慮列車阻力的條件下，計(jì)算需要消耗的制動(dòng)能量，并與380 km/h的情況進(jìn)行對(duì)比，見表7所示。

表7　CRH380AL和CRH380BL動(dòng)車組制動(dòng)380 km/h與400 km/h能量消耗對(duì)比統(tǒng)計(jì)

由表7可見，400 km/h緊急空氣制動(dòng)較380 km/h相比，阻力消耗能量的增量百分比較空氣制動(dòng)更大，但空氣制動(dòng)仍將增加8%的能量需求。

以CRH380BL動(dòng)車組為例，統(tǒng)計(jì)不同初速度下緊急空氣制動(dòng)的基礎(chǔ)制動(dòng)最高溫度，繪制曲線圖如圖3所示。

圖3　制動(dòng)盤片溫度隨制動(dòng)初速度變化曲線

從試驗(yàn)曲線可知，隨著制動(dòng)初速度提高，制動(dòng)盤(片)溫度基本呈直線上升，推斷按現(xiàn)有配置，初速度400 km/h的制動(dòng)盤(片)最高溫度應(yīng)在750℃～800℃之間。

由以上各統(tǒng)計(jì)和計(jì)算結(jié)果可推斷，按現(xiàn)有基礎(chǔ)制動(dòng)單元的材料、數(shù)量及相關(guān)配置不變的基礎(chǔ)上，兩個(gè)車型的基礎(chǔ)制動(dòng)部件熱負(fù)荷已處于飽和狀態(tài)，不滿足在400 km/h 運(yùn)用的條件。

2　非黏著制動(dòng)比較

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)，由微機(jī)控制的直通式空氣制動(dòng)系統(tǒng)和再生制動(dòng)共同實(shí)現(xiàn)制動(dòng)作用。在對(duì)列車施加制動(dòng)過(guò)程中，將優(yōu)先使用再生制動(dòng)，剩余不足制動(dòng)力由空氣制動(dòng)補(bǔ)充；空氣制動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)電空轉(zhuǎn)換裝置控制空氣制動(dòng)，同時(shí)配以大功率盤形制動(dòng)機(jī)。應(yīng)用于350 km/h及以下速度級(jí)運(yùn)營(yíng)、380 km/h的試驗(yàn)速度時(shí)，空氣制動(dòng)和再生制動(dòng)的協(xié)同作用在制動(dòng)能力、安全性、可靠性方面均可以滿足要求。

若以現(xiàn)有動(dòng)車組的制動(dòng)配置運(yùn)行于400 km/h速度級(jí)時(shí)，制動(dòng)系統(tǒng)受到制動(dòng)力提高、黏著利用、制動(dòng)部件熱負(fù)荷等方面的限制，需要配置新型的制動(dòng)方式。

基于以上對(duì)更高速動(dòng)車組的制動(dòng)現(xiàn)狀的分析，建議在更高速動(dòng)車組上加裝非黏著制動(dòng)功能，可以解決以上3個(gè)限制：

(1)由于非黏著制動(dòng)力的疊加而增加了整車制動(dòng)力，從而縮短了制動(dòng)距離；

(2)不受軌面黏著限制的發(fā)揮制動(dòng)力；

(3)在斷電再生制動(dòng)失效時(shí)也可以發(fā)揮制動(dòng)力，從而與空氣制動(dòng)一起成為最后的安全保障，可以降低空氣制動(dòng)的熱負(fù)荷。

選取有代表性的非黏著制動(dòng)方式：磁軌制動(dòng)、渦流軌道制動(dòng)、風(fēng)阻制動(dòng)，結(jié)合不同制動(dòng)方式在國(guó)內(nèi)外動(dòng)車組或城軌車輛的應(yīng)用情況及特點(diǎn)，見表8所示。

表8　非黏著制動(dòng)特點(diǎn)對(duì)比

由以上特點(diǎn)對(duì)比和應(yīng)用范圍可見，渦流軌道制動(dòng)較適合高速動(dòng)車組制動(dòng)能力提升，參照德國(guó)ICE3和ICE/V動(dòng)車組應(yīng)用線性渦流軌道制動(dòng)的經(jīng)驗(yàn)[5]：動(dòng)車組從動(dòng)轉(zhuǎn)向架上采用渦流磁軌制動(dòng)，渦流磁鐵距離軌面7 mm，高度可調(diào)以適應(yīng)輪對(duì)磨損。每臺(tái)轉(zhuǎn)向架裝有2套渦流制動(dòng)裝置，每塊磁鐵長(zhǎng)1 290 mm，由8個(gè)線圈勵(lì)磁。每輛拖車的4塊磁鐵串聯(lián)勵(lì)磁，由牽引變流器的降壓斬波供電，若發(fā)生電故障，則需要容量大的鎳鎘電池供電。8輛編組的列車最大渦流制動(dòng)功率為800 kW，最大渦流制動(dòng)力可達(dá)200 kN，質(zhì)量約增加9 600 kg(包括供電系統(tǒng))，但通過(guò)降低傳統(tǒng)制動(dòng)機(jī)的質(zhì)量可以完全補(bǔ)償。此外，鋼軌升溫問(wèn)題已由無(wú)砟軌道解決，信號(hào)干擾問(wèn)題也由新型軌道電路LZB解決，德國(guó)鐵路規(guī)定，ICE3型動(dòng)車組僅可在設(shè)LZB軌道電路的無(wú)砟軌道運(yùn)營(yíng)。

假設(shè)與ICE3動(dòng)車組配置相同的渦流軌道制動(dòng)系統(tǒng)安裝于CRH380BL動(dòng)車組，按ICE3動(dòng)車組實(shí)測(cè)制動(dòng)力[6]，按增加渦流軌道裝置后的車重計(jì)算減速度，并與實(shí)際配置制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的減速度進(jìn)行對(duì)比，見圖4所示。

圖4　CRH380BL實(shí)際制動(dòng)系統(tǒng)與渦流軌道制動(dòng)系統(tǒng)減速度對(duì)比曲線

由圖4可見，CRH380B動(dòng)車組的制動(dòng)減速度在0.7～1.4 m/s2之間，渦流軌道制動(dòng)可以提供的制動(dòng)減速度在0.25～0.4 m/s2之間，是現(xiàn)有制動(dòng)減速度的1/4～1/3，產(chǎn)生的制動(dòng)效果較為可觀。

3　渦流軌道制動(dòng)與現(xiàn)有制動(dòng)方式匹配分析

假設(shè)更高速動(dòng)車組增加渦流軌道制動(dòng)配置后，動(dòng)車組的制動(dòng)力由再生制動(dòng)、空氣制動(dòng)、渦流軌道制動(dòng)組成，三者制動(dòng)力的匹配是否良好關(guān)系到動(dòng)車組制動(dòng)力是否有效、平穩(wěn)、可靠。

3種制動(dòng)方式的應(yīng)用特點(diǎn)如下：

(1)動(dòng)車組再生制動(dòng)是來(lái)源于電機(jī)工作時(shí)發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將能量回饋電網(wǎng)產(chǎn)生制動(dòng)力，是清潔無(wú)消耗的制動(dòng)方式，在更高速動(dòng)車組的應(yīng)用上仍應(yīng)做為正常情況下主要的制動(dòng)力輸出，應(yīng)根據(jù)制動(dòng)級(jí)位設(shè)定的制動(dòng)力曲線優(yōu)先發(fā)揮再生制動(dòng)，制動(dòng)力不足的部分再由其他制動(dòng)形式補(bǔ)充，在3～4級(jí)以下的小級(jí)位制動(dòng)時(shí)，應(yīng)保證整車幾乎全部的制動(dòng)力均由再生制動(dòng)承擔(dān)。

(2)動(dòng)車組的空氣制動(dòng)是作為最后安全保障的制動(dòng)方式，在更高速度動(dòng)車組上仍應(yīng)發(fā)揮重要作用。在再生制動(dòng)和渦流軌道制動(dòng)力不能滿足制動(dòng)控制曲線時(shí)，應(yīng)按制動(dòng)力需求投入不足部分。

(3)渦流軌道制動(dòng)作為增加的制動(dòng)方式，主要為了解決緊急制動(dòng)時(shí)黏著不足、熱負(fù)荷過(guò)大等問(wèn)題，為減少對(duì)軌道電路影響和軌面升溫情況，應(yīng)僅在緊急制動(dòng)時(shí)施加，常用制動(dòng)時(shí)，可以根據(jù)需求手動(dòng)追加制動(dòng)力。當(dāng)動(dòng)車組進(jìn)入無(wú)電區(qū)時(shí)，渦流軌道制動(dòng)應(yīng)由大功率電池提供勵(lì)磁電流，電池容量限制了無(wú)電區(qū)頻繁的渦流制動(dòng)。

以上3種制動(dòng)力中，再生制動(dòng)和空氣制動(dòng)為黏著制動(dòng)，此二者的制動(dòng)力發(fā)揮應(yīng)不超過(guò)既有車型實(shí)際發(fā)揮，由此保證了高速區(qū)段的制動(dòng)黏著不超過(guò)限值。

以設(shè)計(jì)概念中的速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組為基礎(chǔ)，探討在其現(xiàn)有制動(dòng)配置之上，增加了渦流軌道制動(dòng)的制動(dòng)力匹配關(guān)系。以圖5所示的速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的緊急制動(dòng)減速度曲線[7]外延至400 km/h為設(shè)計(jì)目標(biāo)，按緊急空氣制動(dòng)、緊急復(fù)合制動(dòng)、渦流軌道制動(dòng)失效的緊急制動(dòng)分別進(jìn)行分析。

圖5　速度350 km/h標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組緊急制動(dòng)EB減速度外延至400 km/h曲線(不含風(fēng)阻)

3.1緊急空氣制動(dòng)制動(dòng)力匹配關(guān)系

緊急空氣制動(dòng)工況下，再生制動(dòng)失效，若在無(wú)電區(qū)，假設(shè)渦流制動(dòng)電池足夠進(jìn)行一次制動(dòng)到停車。此時(shí)整車制動(dòng)力由渦流軌道制動(dòng)和空氣制動(dòng)組成，應(yīng)優(yōu)先發(fā)揮全部的渦流軌道制動(dòng)力，不足部分由空氣制動(dòng)補(bǔ)充。此時(shí)制動(dòng)減速度應(yīng)與設(shè)計(jì)值完全一致，考慮阻力的情況下，計(jì)算制動(dòng)距離為7 910 m。

結(jié)合前述渦流制動(dòng)減速度曲線，計(jì)算渦流制動(dòng)和空氣制動(dòng)減速度分配圖如圖6所示。

圖6　緊急空氣制動(dòng)制動(dòng)減速度分配曲線(不含風(fēng)阻)

CRH380BL動(dòng)車組初速度380 km/h的緊急空氣制動(dòng)時(shí)，空氣制動(dòng)產(chǎn)生能量接近基礎(chǔ)制動(dòng)部件極限，標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組初速度400 km/h條件下空氣制動(dòng)力產(chǎn)生的能量仍小于此狀態(tài)，計(jì)算可得，僅為同速度級(jí)下所需能量的52%。

3.2緊急復(fù)合制動(dòng)制動(dòng)力匹配關(guān)系

更高速動(dòng)車組在緊急復(fù)合制動(dòng)工況時(shí)(即正常條件下的緊急制動(dòng))，應(yīng)優(yōu)先采用再生制動(dòng)和渦流軌道制動(dòng)，不足部分由空氣制動(dòng)補(bǔ)充。

若再生制動(dòng)、渦流軌道制動(dòng)、空氣制動(dòng)三者均能夠完全發(fā)揮，制動(dòng)力將大大高于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的設(shè)計(jì)制動(dòng)力。從增強(qiáng)制動(dòng)力、充分利用再生制動(dòng)綠色能源的角度出發(fā)，即使高于制動(dòng)力目標(biāo)曲線，也應(yīng)發(fā)揮全部的再生制動(dòng)和渦流軌道制動(dòng)，而不是限制二者發(fā)揮。同時(shí)，較少的一部分空氣制動(dòng)力將補(bǔ)充由于投入延時(shí)和低速時(shí)其他制動(dòng)方式能力降低帶來(lái)的不足。

結(jié)合渦流軌道制動(dòng)曲線、按CRH380B動(dòng)車組的全功率發(fā)揮曲線及標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組緊急制動(dòng)減速度曲線，計(jì)算緊急復(fù)合制動(dòng)減速度分配曲線，如圖7所示。

圖7　緊急復(fù)合制動(dòng)制動(dòng)減速度分配曲線(不含風(fēng)阻)

由圖7可見，在速度大于340 km/h的區(qū)間內(nèi)，完全發(fā)揮的再生制動(dòng)與渦流軌道制動(dòng)產(chǎn)生的減速度之和已經(jīng)大于標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組設(shè)計(jì)值，此時(shí)應(yīng)按照完全發(fā)揮二者的制動(dòng)力設(shè)計(jì)減速度；低于340 km/h的區(qū)間內(nèi)，仍需空氣制動(dòng)補(bǔ)充制動(dòng)力，空氣制動(dòng)力較純空氣緊急制動(dòng)時(shí)大幅度減小。

調(diào)整后的緊急復(fù)合制動(dòng)減速度曲線見圖8所示。

圖8　再生制動(dòng)與渦流制動(dòng)全部發(fā)揮的緊急復(fù)合制動(dòng)制動(dòng)減速度曲線(不含風(fēng)阻)

由于340 km/h以上速度級(jí)提高了制動(dòng)減速度，在考慮阻力的情況下，重新核算初速度400 km/h的緊急復(fù)合制動(dòng)距離，為7 494 m，較緊急空氣制動(dòng)距離7 910 m縮短400 m。

3.3渦流軌道制動(dòng)失效的緊急制動(dòng)

渦流軌道制動(dòng)系統(tǒng)是由牽引變流器提供的工作電流，在無(wú)電區(qū)或變流器故障時(shí)，可以利用車載大功率電池維持，從而保證制動(dòng)。受電池容量限制，不應(yīng)連續(xù)頻繁使用渦流軌道制動(dòng)，只應(yīng)在牽引變流器可以給本系統(tǒng)供電和緊急制動(dòng)等應(yīng)急工況下使用。

考慮極端工況下，全部渦流軌道制動(dòng)系統(tǒng)失效，此時(shí)施加緊急復(fù)合制動(dòng)，制動(dòng)力由空氣制動(dòng)和再生制動(dòng)承擔(dān)，若在無(wú)電區(qū)施加緊急空氣制動(dòng)，制動(dòng)力全部由空氣制動(dòng)承擔(dān)。根據(jù)前面分析，在初速度400 km/h的緊急空氣制動(dòng)時(shí)，按現(xiàn)有車型的基礎(chǔ)制動(dòng)配置，熱負(fù)荷均不滿足條件，在此情況下，判定車輛處于降級(jí)模式，應(yīng)限速運(yùn)行。若按380 km/h及以下速度級(jí)運(yùn)行，其緊急制動(dòng)特性與未配備非黏著制動(dòng)的現(xiàn)有車型一致。

渦流軌道制動(dòng)方式的配置在一定程度上解決了更高速度下制動(dòng)能力提高帶來(lái)的問(wèn)題：

(1)高速區(qū)段制動(dòng)力不足

以標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)減速度曲線為設(shè)計(jì)參考值，在緊急復(fù)合制動(dòng)工況下，再生制動(dòng)和渦流軌道制動(dòng)全部發(fā)揮，空氣制動(dòng)力不投入，即可使340 km/h以上速度級(jí)的減速度大于設(shè)計(jì)值。而通過(guò)進(jìn)一步增加空氣制動(dòng)力，可以使動(dòng)車組根據(jù)設(shè)計(jì)需求產(chǎn)生更大的減速度。

(2)制動(dòng)黏著對(duì)制動(dòng)力提高的限制

制動(dòng)力設(shè)計(jì)時(shí)僅需保證空氣制動(dòng)和再生制動(dòng)力不大于黏著限值即可，為降低防滑風(fēng)險(xiǎn)甚至可以降低其發(fā)揮，渦流軌道制動(dòng)為非黏著制動(dòng)，在保證總體制動(dòng)力提高的同時(shí)使黏著利用更少。

(3)制動(dòng)熱容量的限制

渦流軌道制動(dòng)一定程度上分擔(dān)了空氣制動(dòng)力，在緊急復(fù)合制動(dòng)工況下，空氣制動(dòng)較少投入，緊急空氣制動(dòng)工況下，空氣制動(dòng)承擔(dān)能量較未配置渦流軌道制動(dòng)系統(tǒng)減少52%。

渦流軌道制動(dòng)配備大功率電池，在無(wú)電區(qū)也可以投入使用，但受電池容量限制，不應(yīng)頻繁使用，僅在牽引變流器可以給系統(tǒng)供電或緊急制動(dòng)工況下投入。若渦流制動(dòng)失效時(shí)，按現(xiàn)有車型基礎(chǔ)制動(dòng)配置，熱負(fù)荷不滿足400 km/h的運(yùn)行條件，應(yīng)降級(jí)限速運(yùn)行。

4　結(jié)束語(yǔ)

(1)更高速動(dòng)車組的目標(biāo)速度為380～400 km/h，對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)而言，主要受到制動(dòng)距離、制動(dòng)黏著和制動(dòng)熱負(fù)荷3個(gè)參數(shù)的限制：

①按現(xiàn)有緊急制動(dòng)距離標(biāo)準(zhǔn)外延，400 km/h緊急制動(dòng)距離標(biāo)準(zhǔn)為10 500 m；按CRH380A、CRH380B動(dòng)車組的制動(dòng)力外延至400 km/h，估算緊急制動(dòng)距離符合此外延標(biāo)準(zhǔn)要求。高速區(qū)段產(chǎn)生的制動(dòng)距離隨初速度的提高而急劇增大，建議更高速度動(dòng)車組應(yīng)提升制動(dòng)力，尤其在高速區(qū)段，以保證合理的制動(dòng)距離。

②高速區(qū)段的黏著利用是提高制動(dòng)力的一個(gè)重要限制因素，目前國(guó)內(nèi)動(dòng)車組的動(dòng)力制動(dòng)和機(jī)械摩擦制動(dòng)方式均通過(guò)輪軌間的黏著產(chǎn)生制動(dòng)力，引入非黏著制動(dòng)方式有著迫切需求。

③根據(jù)國(guó)內(nèi)CRH380系列動(dòng)車組在初速度380 km/h緊急空氣制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，基礎(chǔ)制動(dòng)部件溫度已接近極限，估算初速度400 km/h緊急空氣制動(dòng)條件下，空氣摩擦制動(dòng)將增加8%的熱能消耗，且可能產(chǎn)生750℃～800℃以上的瞬時(shí)高溫。因此，現(xiàn)有車型基礎(chǔ)制動(dòng)配置方式(包括摩擦材料、制動(dòng)盤數(shù)量等)不適合在400 km/h的速度運(yùn)用。

(2)在現(xiàn)有CRH380系列動(dòng)車組的基礎(chǔ)上，若要實(shí)現(xiàn)更高速度運(yùn)行，可以通過(guò)增加非黏著制動(dòng)的方式來(lái)提高制動(dòng)力，并解決黏著利用和基礎(chǔ)制動(dòng)裝置熱負(fù)荷的限制。對(duì)比國(guó)內(nèi)外非黏著制動(dòng)的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和特點(diǎn)可見，渦流軌道制動(dòng)方式是適合于更高速動(dòng)車組的非黏著制動(dòng)方式，是未來(lái)國(guó)內(nèi)制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展方向。

(3)以中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的制動(dòng)性能為基礎(chǔ)，對(duì)增加渦流軌道制動(dòng)后的制動(dòng)力匹配方式進(jìn)行分析，根據(jù)分析結(jié)果，緊急制動(dòng)時(shí)僅通過(guò)渦流軌道制動(dòng)和空氣制動(dòng)即可以滿足目標(biāo)減速度要求，電制動(dòng)有效的條件下可以進(jìn)一步增加制動(dòng)力，同時(shí)進(jìn)行了渦流制動(dòng)失效分析。通過(guò)空氣制動(dòng)、電制動(dòng)和渦流軌道制動(dòng)的協(xié)同作用，可在一定程度上提高高速區(qū)段的制動(dòng)力，并可解決黏著利用和基礎(chǔ)制動(dòng)熱負(fù)荷問(wèn)題。

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Research of Non-adhesion Braking Application on High-speed EMU

SHAOLin1,ZHANGXi2,YANGXin1

(1Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China;2Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co., Beijing 100081, China)

For EMU with speed of 380～400 km/h, braking distance, thermal load and braking adhesion limit available braking system currently, it is necessary to introduce non-adhesion braking type; compare with some non-adhesion braking types, eddy current track brake is better suitable for higher-speed EMU; based on the standard EMU of China, this paper analyzed the characteristic and brake power's joint work of EMU installed eddy current track brake, which could solve the three restrictions above.

EMU; non-adhesion braking; eddy current track brake

1008-7842 (2016) 03-0037-06

男，助理研究員(

2015-09-28)

U266.2.35

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.03.08

*中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013B001-A-1);鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心科研項(xiàng)目(J2013J008)