邵 林，楊 欣，郭奇宗，宋博洋

（中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

以速度400 km/h 為下一代動車組的假定目標速度，需要在概念設(shè)計階段對各子系統(tǒng)技術(shù)指標進行研究與設(shè)定。就制動系統(tǒng)而言，其最關(guān)鍵指標是確定400 km/h 緊急制動距離標準，該標準要求的制動能力水平直接影響了制動方式配置，在確定其配置后各級常用制動減速度可按一定比例分級設(shè)計，從而確定了所有場景下的制動性能。

文中從動車組外部系統(tǒng)及動車組制動系統(tǒng)自身對緊急制動距離指標設(shè)計進行前期分析，列舉與其相關(guān)的主要外部系統(tǒng)和制動系統(tǒng)自身因素如下：

（1）外部系統(tǒng)影響動車組制動能力的因素：地面列控系統(tǒng)傳輸位置信息容量對動車組制動能力的要求；追蹤間隔與制動距離的關(guān)系。

（2）動車組自身因素：空氣制動熱負荷限制、制動黏著限制；考慮速度400 km/h 動車組制動能力提升，考慮非黏著制動（主要考慮高速制動力顯著的軌道渦流制動）；安全電制動應(yīng)用；新型基礎(chǔ)制動材料，如碳陶制動盤材料等技術(shù)的應(yīng)用。

1 外部系統(tǒng)對動車組制動距離的要求

1.1 列控系統(tǒng)采用的制動參數(shù)

列控系統(tǒng)采用最大常用制動減速度曲線控車，但此制動減速度并非動車組真實的制動曲線，主要經(jīng)由以下2 個修訂環(huán)節(jié)：

（1）廠家實際提供的為最小/中等/最大常用制動設(shè)計減速度、干軌/濕軌緊急制動設(shè)計減速度、制動響應(yīng)時間等參數(shù)，設(shè)計減速度通常比實測減速度小。

（2）列控系統(tǒng)自身產(chǎn)生的折扣。綜合CTCS3-300T、CTCS3-300S、CTCS3-300H 等 型 號C3 車 載列控設(shè)備，對制動曲線的一般計算方法如下：

①制動延時參數(shù)：采用車輛方提供的制動延時參數(shù)基礎(chǔ)上額外考慮車載系統(tǒng)內(nèi)部延時1 s；

②制動減速度參數(shù)：將車輛的減速度分為6段，各速度段內(nèi)減速度取車輛減速度（9 折后）的最小值；

③坡度參數(shù)：將坡度劃分為7 檔，分別為（0%，-5%，-10%，-20%，-25%，-30%，-35%），預(yù)先生成每個坡度下的制動距離，從而生成最終制動曲線。

粗略統(tǒng)計各車型、各型號列控系統(tǒng)的最大常用制動曲線，真實制動距離與列控系統(tǒng)制動距離比例為70%～80%之間，計算中根據(jù)已有數(shù)據(jù)取平均值73%進行設(shè)計計算。

緊急制動距離也可通過常用制動距離進行近似推定：動車組常用制動減速度，一般根據(jù)緊急制動距離限值要求，綜合考慮乘坐舒適度、基礎(chǔ)制動裝置熱負荷等因素，按一定比例選取。統(tǒng)計不同車型實測緊急制動與常用制動的距離之比，見表1。

表1 各車型初速350 km/h 實測緊急制動距離與常用制動距離之比

由以上統(tǒng)計可見，緊急制動與常用制動之比在0.58～0.75 范圍內(nèi)，文中計算按0.65 取值。

1.2 C3 列控系統(tǒng)對制動距離的要求

C3 列控系統(tǒng)地面和車載設(shè)備已實現(xiàn)350 km/h控車安全，原則上可用于400 km/h 運用，并應(yīng)深入探討其高速兼容性；C2 列控車載設(shè)備作為C3 車載設(shè)備的后備系統(tǒng)，可實現(xiàn)300 km/h 控車安全。

C3 列控系統(tǒng)是準移動閉塞系統(tǒng)，地面RBC（無線閉塞中心）根據(jù)列車位置、線路速度以及前方線路空閑距離，進行計算形成行車許可（允許列車前行的距離），通過GSM-R 系統(tǒng)發(fā)送給車載ATP系統(tǒng)。

地面RBC 對制動距離的限制為：根據(jù)RBC 設(shè)計限制，C3 系統(tǒng)在發(fā)給列控系統(tǒng)車載設(shè)備的行車許可中授權(quán)距離最長為32 km［1］，即列控系統(tǒng)中該動車組的最大常用制動距離應(yīng)在32 km 之內(nèi)?？紤]運營線路存在下坡道致使常用制動距離延長，應(yīng)對400 km/h 初速度以32 km 的制動距離限制進行允許坡道反算。

統(tǒng)計典型高速鐵路線路京滬高鐵坡道長度如下：京滬高鐵全長1 318 km，其中最大坡道20‰為1 km，18‰及以上線路共計（非連續(xù)）約6 km，15‰及以上線路共計（非連續(xù)）約9 km，13‰及以上線路共計（非連續(xù)）約18 km，12‰ 及以上線路共計（非連續(xù)）約64 km。由此可見，低至12‰坡度后，距離比例開始陡增，并成為較普遍坡道。在設(shè)計不同的制動能力方案后，應(yīng)對其滿足32 km 制動距離的最大坡道進行校核，并與基于京滬高鐵統(tǒng)計，選擇12‰并有一定余量做為限值進行對比確定其適應(yīng)性。

另外，若大坡道區(qū)段距離較短，適當限速滿足C3 列控系統(tǒng)的信息容量要求的前提下，可僅對運行時分產(chǎn)生微小影響。

1.3 C2 后備列控系統(tǒng)對制動距離的要求

目前高速鐵路設(shè)計規(guī)范［2］規(guī)定，“任意7 個連續(xù)閉塞分區(qū)長度之和不應(yīng)小于動車組以CTCS-2級控車模式運行的最大常用制動距離”。由于C2列控系統(tǒng)只參與300 km/h 及以下速度的控車，因此其對7 個閉塞分區(qū)長度的要求，不構(gòu)成對制動初速度400 km/h 時制動距離的限制條件。僅應(yīng)按照其制動能力，對其300 km/h 的制動距離是否小于7 個閉塞分區(qū)進行校核（近似取1 個閉塞分區(qū)為2 km，共14 km）。

1.4 追蹤間隔時間與動車組制動能力的關(guān)系

動車組牽引和制動能力與追蹤間隔直接相關(guān)，更強的牽引制動能力通?？梢缘玫礁痰淖粉欓g隔。其中車站到達、區(qū)間追蹤工況下的追蹤間隔與車輛制動能力相關(guān)。制動相關(guān)的追蹤間隔受列控采用的動車組最大常用制動能力影響，同時跟選取車站及線路的平面布置等因素有關(guān)［3］。可通過仿真軟件模擬得出不同追蹤場景的追蹤間隔，不對此展開論述。若400 km/h 的緊急制動距離標準保持與現(xiàn)有350 km/h 的標準（不大于6 500 m）相一致，理論上應(yīng)不造成對現(xiàn)有運輸效率的影響。

2 基于動車組自身能力的400 km/h 動車組制動設(shè)計方案

從動車組自身制動能力出發(fā)，對400 km/h 動車組的緊急制動距離標準進行設(shè)計。在不同的制動配置方案下，考慮可能發(fā)生的制動技術(shù)提升，將得出不同的距離標準。此時應(yīng)考慮熱負荷限制、黏著限制，同時可以結(jié)合渦流軌道安全制動、安全電制動、減重等技術(shù)進行能力校核。形成制動配置方案待進一步分析，如表2 所示。

表2 400 km/h 不同制動配置方案描述

2.1 方案一：基于速度350 km/h 復(fù)興號動車組的配置，按基礎(chǔ)制動裝置熱負荷極限調(diào)整設(shè)計減速度

設(shè)計速度400 km/h 動車組緊急制動時，通過摩擦提供制動力的基礎(chǔ)制動裝置熱負荷成為主要限制。在現(xiàn)有盤形制動數(shù)量和材料不變的前提下，制動盤溫度持續(xù)高于700 ℃時，材料特性發(fā)生顯著下降，以此為限值進行熱負荷校驗及制動力設(shè)計。通過有限元手段進行熱負荷仿真計算，車重按CR400BF 定員質(zhì)量取值，設(shè)計緊急制動EB、UB 的減速度曲線如圖1 所示，按此減速度設(shè)計，可保證制動盤最高溫度接近并低于700 ℃。為滿足熱負荷要求，制動力較速度350 km/h 復(fù)興號動車組有所降低，因此方案下不必校驗黏著。

圖1 緊急制動EB、UB 減速度，按現(xiàn)有基礎(chǔ)制動配置熱負荷極限調(diào)整

按以上設(shè)計減速度計算，初速度400 km/h 緊急制動UB 距離為9 050 m（文中全部距離計算均考慮阻力，按CR400BF 動車組阻力取值），緊急制動EB 為9 282 m?？紤]實際摩擦系數(shù)波動和適當余量，上浮10%并取整作為推薦標準，為10 500 m。此方案未考慮任何可能的技術(shù)提升及優(yōu)化，僅對制動軟硬件進行小幅度調(diào)整即可實現(xiàn)。按前文所述列控系統(tǒng)容量要求分析，驗算此方案下滿足列控最大常用制動距離32 km 的最大坡道為13‰。

2.2 方案二：速度350 km/h 復(fù)興號動車組的制動減速度外延

依據(jù)速度350 km/h 復(fù)興號動車組減速度外延，如圖2 所示。

圖2 速度350 km/h 復(fù)興號動車組設(shè)計減速度曲線外延至400 km/h

由圖2 可見，不同速度等級下黏著利用程度不同，實際利用黏著約為TSI 不利黏著的80%～50%。按350 km/h 以下速度黏著利用水平，將減速度外延至400 km/h，從而計算得出制動初速度400 km/h 緊急制動UB 制動距離為8 425 m，緊急制動EB 制動距離為8 350 m，按較大值上浮10%取值，推薦標準為9 270 m。驗算此方案下滿足列控最大常用制動距離32 km 的最大坡道為17‰。此時，基礎(chǔ)制動熱負荷能力不足，可采用如下方法：

（1）動車組減重：設(shè)計400 km/h 動車組時，可考慮車體、轉(zhuǎn)向架碳纖維材料改進等方式來降低車重，動車組制動需要消耗的總動能與質(zhì)量成正比，動能除阻力外全部由基礎(chǔ)制動耗散，因此減重對降低熱負荷直接有效。

（2）安全電制動：目前國內(nèi)動車組制動由空氣制動和電制動組成，但在設(shè)計時安全制動均只考慮空氣制動作用，因為電制動的安全等級不足，在接觸網(wǎng)斷電、牽引系統(tǒng)故障等場景均無法使用電制動?？煽紤]采用如永磁同步電機、電阻制動等方式，保證失電場景下的電制動作用，使其做為安全制動補充，降低空氣制動熱負荷壓力。

（3）碳陶制動盤應(yīng)用：碳陶制動盤具有更好的耐高溫性能，且較現(xiàn)有鑄鋼制動盤更輕量化。其缺點是：制動盤高溫摩擦時，閘片和制動盤周邊部件同樣承受更高的溫度，安全性還需進一步研究。

另外，現(xiàn)有黏著利用較TSI 濕軌黏著尚有較大空間，但應(yīng)考慮不同氣候條件下可用黏著降低而頻繁觸發(fā)滑行的可能性，以及此TSI 黏著對國內(nèi)軌道條件是否完全兼容尚不確定，不宜對黏著利用進行較大提高，僅可小幅度增加。若按用滿TSI 不利黏著核算，400 km/h 緊急制動距離為5 800 m，將其作為黏著制動的理論制動距離上限，僅用黏著制動時應(yīng)在此距離上有相當程度的余量。

2.3 方案三：基于方案一基礎(chǔ)制動熱負荷利用現(xiàn)狀+渦流軌道制動

為突破熱負荷限制及制動黏著限制，可配置渦流軌道制動新技術(shù)，該技術(shù)對400 km/h 動車組緊急制動距離有顯著貢獻。

德國ICE3 動車組實測的制動力與速度關(guān)系曲線 如 圖3 所 示［4］，參 照 德 國ICE3 動 車 組 的 渦 流 軌道制動配置，渦流制動配置在拖車，有獨立的供電裝置，仍需探討其作為安全制動的可能性，采用該技術(shù)每節(jié)拖車增重2.4 t，整車共增重9.6 t。

圖3 ICE3 實測渦流制動力特性曲線

假設(shè)空氣制動配置不變，按前文中設(shè)計空氣制動減速度，此時黏著在現(xiàn)有350 km/h 復(fù)興號能力范圍內(nèi)，制動能量一部分被渦流軌道制動耗散，基礎(chǔ)制動熱負荷也將有所降低；渦流制動減速度保守取值按18 kN 每拖車轉(zhuǎn)向架制動力計算，在80 km/h 以下退出，緊急制動EB 距離為6 450 m，緊急制動UB 為6 370 m，按大值上浮10%，為7 200 m。驗算此方案下滿足列控最大常用制動距離32 km的最大坡道為28‰。

2.4 方案四：基于方案二制動減速度外延+渦流軌道制動，目標400 km/h 緊急制動距離達到現(xiàn)有350 km/h 緊急制動距離標準

方案二中，通過減重方案或電制動作為安全制動補充方案，可滿足現(xiàn)有空氣制動熱負荷限制，在此基礎(chǔ)上疊加渦流軌道制動，可將制動能力進一步提升。

國內(nèi)現(xiàn)有350 km/h 動車組初速度緊急制動標準為6 500 m，在此方案中以400 km/h 動車組初速度緊急制動距離達到此標準為設(shè)計目標，此時運輸效率將不突破現(xiàn)有350 km/h 運營狀態(tài)，不存在與外部系統(tǒng)（如信號系統(tǒng)、追蹤間隔等）兼容性校核的問題。

參考方案二的黏著利用外延，方案三的渦流軌道制動力，小幅度調(diào)整黏著制動力（可由安全電制動、空氣制動構(gòu)成），緊急制動減速度曲線，如圖4 所示。

圖4 緊急制動UB、EB 減速度曲線，減速度按350 km/h 外延+渦流軌道制動

計算得出緊急制動EB 距離為5 940 m，緊急制動UB 距離為5 890 m，按大值上浮10% 取值為6 500 m。驗算此方案下滿足列控最大常用制動距離32 km 的最大坡道為33‰。

3 結(jié) 論

由前文分析，總結(jié)各種制動方案實現(xiàn)方式及與列控系統(tǒng)的驗算結(jié)果，見表3。

表3 不同制動配置方案總結(jié)

400 km/h 動車組緊急制動距離標準設(shè)置，應(yīng)考慮列控系統(tǒng)等外部因素限制，并結(jié)合車輛制動系統(tǒng)自身設(shè)計的提升來確定。其中方案一的制動能力對外部系統(tǒng)適用能力余量略??；方案二較適宜未配置渦流軌道制動技術(shù)的動車組；方案三、四配置了渦流軌道制動，其對高速制動距離的貢獻較顯著，而此技術(shù)是否可以應(yīng)用于400 km/h 動車組尚需進一步研究；方案四將400 km/h 緊急制動距離設(shè)計為與現(xiàn)有350 km/h 一致，因此理論上不存在影響現(xiàn)有運輸效率的情況。

渦流軌道制動作為增加的制動方式，主要為了解決緊急制動時黏著不足、熱負荷過大等問題，為減少對軌道電路影響和軌面升溫情況，應(yīng)僅在緊急制動時施加，常用制動時，可以根據(jù)需求手動追加制動力。

運輸效率與常用制動有關(guān)系，方案三、方案四的計算校核是在考慮了軌道線性渦流的緊急制動距離基礎(chǔ)上，按照0.65 倍的比值關(guān)系推算常用制動距離，未考慮渦流軌道制動在常用制動時不投入的問題，因此方案三、方案四的情況下對常用制動減速度的提高還需要進一步研究。

綜上所述，文中提出了一種400 km/h 高速動車組制動距離標準設(shè)計思路，未來工作中，應(yīng)在確定制動配置技術(shù)路線后，再確定400 km/h 緊急制動距離標準，之后向低速推算，得到各制動初速度下緊急制動距離推薦標準?？s短高速制動距離是未來動車組技術(shù)的重要研究目標之一，應(yīng)隨著高速制動新技術(shù)的不斷應(yīng)用，提出與發(fā)展水平相適應(yīng)的標準限值，從而促進標準體系完善，使新技術(shù)在合理的體系構(gòu)架中穩(wěn)步發(fā)展。