关于高速列车制动距离的研究
第19卷第1期(总第43期) 中国铁道科学
1998年3月
( 摘 要:, 概述高速列车的制动课题, 从而说明高, 特别对纯摩擦制动和复合制动两种不, 并提出高速列车制动能量分配的设计建议, 以供高速试验列车的应用。
关键词:高速列车 制动系统 紧急制动距离 制动能量
1 前 言
高速列车必须装备高效率和高安全性的制动装置, 为高速列车提供正常运行中的调速和停车手段, 在需要的情况或意外故障下, 要保证列车具有尽可能短的紧急制动距离, 而当最高时速达到250km 以上, 以至300km 时, 这个要求是非常高的。在制动系统的组成、制动操纵和控制系统、基础制动装置等方面的技术要求和设计原则, 均完全不同于目前的普通旅客列车。本文主要说明编制高速试验列车制动系统技术条件的若干关键技术问题。
2 高速列车制动系统的主要课题
211 复合制动方式的高速列车制动系统
最高时速达300km 的高速列车, 所需要的制动能量是十分巨大的, 无论是正常调速停车, 司机施行紧急制动和系统意外故障的自动强迫紧急, 制动系统都要承受极大的制动能量。为了保证高速列车的运行安全, 高速列车制动过程中应具有相当高的制动减速度, 因此制动装置发挥的制动功率很高。而目前几乎所有的制动装置均不可能单独承担。这就要求高速列车无一例外地具有先进的强大制动能力的复合制动系统。在这个系统中仍然以摩擦制动为基体, 组合动力制动(电阻制动, 再生制动等) 和非粘着制动方式(电磁轨道制动, 轨道型电磁涡流制动装置等) 。当然各国在复合制动的组合上是有差异的。在动力集中方式的高速列车上, 以摩擦制动为主, 动力制动配合, 在列车中制动力分配难以均匀。动力分散方式则能够充分发挥动力制动作用与摩擦制动均匀分配的优点。因此各种制动方式制动能量的合理分配是系统设计的重要课题。 收稿日期:
1997206223 马大炜 副研究员 铁道部科学研究院机车车辆研究所 100081北京
第1期 关于高速列车制动距离的研究41
212 电气指令制动控制系统
就此系统的名称来看, 目前各国运营的旅客列车和各种动车及地铁动车几乎均属于此种控制系统。, 甚至可以说是一个崭新的系统。
动力的基础, , , 性能是不完善的。, 主要由和传统的。而实际运用过程中的动态参数, 诸如粘着系数、, 为此综合不同的基础制动装置、、粘着力的有效利用和动力制动力的充分发挥, 以确保高舒适度和运行平稳的制动控制是比较困难的。
高速列车的制动控制系统设计基于新的制动模式, 似乎应倾向于“动态控制”, 在实际运行中不但要解决各车的制动装置的差异, 还应加上天气条件、摩擦材料、轴重转移的变化、曲线通过的横向力等诸多因素对制动力的影响, 要引入新的运算模式, 这就是在复合制动系统有机协调配合制动力的模式中, 加入减速度运算、冲动控制、有效利用粘着等动态参数的运算控制。才能使高速列车制动控制系统成为一个非常完善的控制系统。213 防滑控制系统
时速达300km 的高速列车, 要求在尽可能短的制动距离内安全停车, 制动减速度势必较大, 而制动力的发挥又主要依赖于轮轨的粘着, 因此粘着系数就成了提高列车减速度的一大制约因素。高速列车中必须设置的微机控制的防滑控制装置, 一方面要防止在高速制动时由于粘着随外界因素变化而发生滑行的危险, 同时在粘着系数较低的状态下, 可充分利用粘着(动态过程) 缩短停车制动距离。214 基础制动装置
高速列车制动能量的转换环节中, 基础制动首当其冲。它们承担强大的制动功率是保证高速安全的首要条件, 而其本身的承受能力和安全可靠则是需要解决的极重要的课题。根据国外的经验, 伴随着列车速度不断提高的铁路技术进步, 研究试验开发高性能的基础制动装置一直是重头戏, 至今尚无已经完全解决了高速列车所要求的安全可靠的摩擦制动装置的结论。应该说在这方面我国和先进国家的差距是相当大的, 应予以极大的重视。215 非粘着制动装置
粘着制动制约了制动力的提高, 从而迫使人们开发新型的不依赖于轮轨粘着的非粘着制动方式, 早在高速列车出现之前已经开始了该课题的研究。例如联邦德国过去曾要求在时速140km 以上的旅客列车上装备与轮轨粘着系数无关的制动装置。
非粘着制动装置目前主要有电磁轨道制动装置和轨道型电磁涡流制动装置, 关于这两种制动装置的优缺点, 国内外的分析文章已有不少, 此处不再叙述, 就成熟的程度、使用的独立性和国内已有的经验而言, 电磁轨道制动更合适。216 自动监测和诊断系统
高速列车上应设置车载微机及信息传输系统, 这是非常重要的措施, 它可以协助和监督司机安全行车, 以及对列车的关键环节进行实时地监测和诊断。制动系统的监测和诊断则是该
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系统中最重要的部分。
3 高速列车制动系统技术条件的主要依据和设计原则
根据京沪高速铁路的运营条件、统的设计原则如下。
11, 高。
21, 必须采用先进的微机控制。
31动力制动要求发挥可能达到的最大的动力制动。为达到此目的在设计高速列车的模式
时, 应充分考虑动力制动的配置和功能的发挥。
41作为制动主体的空气作用摩擦制动应该是高性能大容量的盘形制动装置。无论是动力轴的轮盘式或非动力轴的轴盘式, 其材质、结构、闸片形式和材质、装备的数量均应以发挥巨大的制动能力为依据进行研究设计。
51高性能的防滑控制系统。
61作为非粘着制动的电磁轨道制动装置是300km h -1高速时所必须的辅助制动装置。其
作用是缩短紧急制动距离, 特别是在动力制动失效的情况下, 保障高速列车的安全停车。
4 高速列车紧急制动距离
411 紧急制动距离
高速列车与过去所有的列车相似, 当速度提高一个较大的台阶时, 首先遇到的原始技术条件就是紧急制动距离。而当一列高速列车研制开发出来之后, 紧急制动距离又是其性能检验的最重的技术参数。紧急制动距离内含着列车制动指令系统的性能、制动控制模式、制动装置的结构特点、机械性能和材料等诸多内容, 同时又与列车运行条件如粘着状态和线路信号系统相关联。
对于我国未来的京沪高速列车, 初步确定当初速为300km h -1时, 紧急制动距离为3700m , 这个数字已标志了当今世界最先进的水平。这个数值在国外先进国家是建立在一系列先进技术、尖端工艺、优质材料和丰富的高速运用经验的基础上。但对我国则应该说尚有一系列有待攻克的课题。412 紧急制动的分级
由于高速列车制动系统复合作用的特点, 在编制设计和实际运用中, 高速制动系统有以下几种工况和条件。
11在动力制动完全失效的情况下, 而列车又不设置非粘着制动装置的电磁轨道制动机时, 紧急制动完全由摩擦制动来承担。
21在动力制动完全失效时, 列车有电磁轨道制动机与摩擦制动共同承担制动作用。31动力制动与摩擦制动共同承担制动。
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41由动力制动、摩擦制动和电磁轨道制动共同承担。
正常情况下, 高速列车的调速、停车和司机操纵或非列车制动系统故障的意外紧急时, 应由几种制动装置共同发挥其优良性能, 。像上述工况中的4和3应该问题不大。但是当动力制动失效, , 仅靠摩擦制动来满足极短的紧急制动距离则是困难的413 与紧急制动距离相关的设计概念
的制约因素范围内, 。41311法国T 1。
表1 列车紧急制动距离
列车型号
T GV 2PSE T GV 2PSE T GV 2A B T GV 2A R
最高速度 km h -[1**********]0
1
标准制动距离 m
[**************]0
不良状态下的制动距离 m
[**************]0
德国的I CE 高速列车所要求的最大平均减速度为110m s -2, 当初速为300km h -1时, 紧
急制动距离为3450m 。但在不良的气候条件下, 要求保持这样的紧急制动距离必须付出极高的代价, 因此德国不坚持如此苛刻的距离要求。同时德国提出由于I CE 列车动力制动为再生制动, 因此在制动计算时, 两端动车的再生制动力在停车制动时不计在内, 这又增加了制动系统设计计算的麻烦。
欧洲U I C 委员会鉴于高速列车的紧急制动距离规定的很短而给实际运行带来的困难, 建议紧急制动距离的推荐值比设计值大10%以上。41312 粘着利用
为缩短紧急制动距离, 不可避免地要受到粘着的制约。德国I CE 所要求的最大平均减速度为1m s -2, 但当轮轨粘着恶化时, 最大减速度仅为017m s -2, 超越了实际粘着极限的紧急制动距离, 在粘着制动条件下是可靠的。
41313 盘形制动机的热负荷极限
采用高强度的高合金铸钢盘和粉末冶金闸瓦, 每轴配备两套复式盘的盘形制动机, 无非是大大增强摩擦制动的负荷能力。以满足高速的需要, 但是应注意的是过大的热负荷会造成制动盘热损伤和寿命的缩
图1 直径 610mm 的铸铁轴盘式
制动盘停车制动时的温升
44中 国 铁 道 科 学 第19卷
短, 制动盘本身失去了高的可靠性, 也就无法保证列车制动的安全性。德国建议在意外负荷下制动盘的允许温度, 对于铸钢盘和粉末冶金闸瓦为不超过500°K , 要达到这个条件已是十分困难了。
图1所示的曲线为U I C , 可供参考。41314 非粘着制动
作为紧急制动的辅助制动装置, 承担1041315 制动力的均匀性
, 减少动车与拖车间制动率的差别, 以降低紧急5 11高速列车编组条件
2动27拖, 总重为48516t , 分配如表2所示。
表2 高速试验列车组成
车型轴重 103kg 车重 103kg
空心轴动车
191578
方向轴动车
1976
独立式拖车
1456
铰接二轴车
174718
铰接三轴车
1514 17
34
21盘形制动摩擦系数
(3v +150) Υ=010418(2v +150)
31列车运行阻力(平直道)
Ξi =01608+01008v +01000136v 2(N kN -1) 41空走时间(电控制动) t 0=1s 51紧急制动距离
s =v 0t 0 316+
∑4117(v
2
1(1000ΥΗ+Ξi ) (m ) -v 22)
式中:v 0——初速 km h -1
v 1, v 2——分段计算的初速和未速; Η——列车制动率; Υ——闸片摩擦系数。计算结果如表3所示
表3 不同制动率紧急制动距离比较
制动率Η (%) 紧急制动距离 m
234782
24164503
26174185
28113997
30173694
323554
333456
由表2可见, 为保证3700m 紧急制动距离的列车计算制动率必须在3017%以上, 根据高
速试验列车技术条件中动车的动力制动换算制动力为B 0=10414×2=20818kN , 换算列车制
第1期 关于高速列车制动距离的研究45
动率约为14%, 所以复合制动时空气制动应占全部制动能力的50%以上, 动力制动约占45%以下, 其余部分为运行阻力。由于动车的粘着限制不容许在制动全过程中100%的动力制动复合空气制动作用, 因此应通过微机控制, 。按粘着容许设计的最大复合制动率为3215%时(参见表4) 300km h -1下的紧急制动距离s =350212m 1m s -2, 制动时
间t =8217s 。
700m 3条基本要求。
如表4Λ。
表4 计算制动率Η=3215◊时的粘着校核3
v km h -1
[***********][***********][***********][***********][**************]7Υ
ΥΗ 注:3为根据国内粘着系数试验资料整理。
由上述结果可见速度在250km h -1以下均能满足ΥΗ
6 纯空气紧急制动距离的设计
纯空气紧急制动距离主要取决于盘形制动装置的热负荷能力、粘着限制以及制动盘的设计及其摩擦副特性这3个因素。
如上所述, 粘着限制的计算制动率可以达到3215%, 但由于动力轴在结构上的限制, 动车的制动盘数仅及拖车之半, 加上轴重的不同, 因此不同车辆的空气制动率难以相同, 根据制动盘热力学的限制和粘着利用设计动车和拖车的空气制动能力限制如表5所示。
表5 高速试验列车空气制动力分配
车型换算闸瓦力 kN 制动力 kN
(%) 计算制动率
空心轴动力
[1**********]12
方向轴动力车
[1**********]11
独立式拖车
[1**********]
铰接式三轴车铰接式二轴车
[1**********]15
[1**********]
3根据国内粘着系数试验资料
在上述设计条件下, 列车的空气制动计算制动率为Η=2717%, 紧急制动计算结果如下。
2
2制动距离 s =t 0+∑3161000ΥΗ+Ξi
当Η=2717%, t 0=2s 时, s =413016m 。
平均减速度a cp ==01876m s -25192(s -s 0) 实制动时间t b =v 0 a cp =95114s
2
2
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该计算结果为纯空气制动制动作用时理论上的上限值, 即在理想的粘着利用和盘形制动摩擦副作用下, 300km h -1初速的纯空气紧急制动距离约为4100m 。实际上考虑到失电情况下空走时间的延长和盘形制动摩擦系数的误差, , 按盘形制动摩擦系数误差控制在10%以内计算, 300km -14500m 左右, 在实际应用时由于空气制动率设计、难以取为一个定值, 其变化范围可能在4000, 4500m , 但, 率N cp 表6 不同车辆的N
车型
N
cp
和W
铰接式三轴车铰接式二轴车
166121614
177131715
空心轴动车
215182018
万向轴动车
215182018
独立式拖车
1461414
k W cp
W M J
由表6可见, 各车的N cp 均低于国外的允许值(动车293k W 盘, 拖车244kW 盘) ; 最大
制动功W 值也低于国外标准的允许值, 动车24M J 盘, 拖车20M J 盘(根据法国T GV 资料) 。
7 磁轨制动对紧急制动距离的影响
根据国外高速列车的经验, 磁轨制动作为紧急制动时的辅助装置, 主要是保证紧急制动距离的安全裕量, 其安全系数设计应在10%左右。在我国高速试验列车制动系统技术条件中由于结构所限, 规定了“为保证紧急制动的安全性, 铝合金车体客车转向架和铰接式客车4辆车中两端车辆的外端转向架应装设磁轨制动装置。”按此计算, 有5辆拖车装有磁轨制动装置,
-2
全车的磁轨制动力为B e =5814kN , 换算单位制动力为D E =1213kgf t , 约能产生0112m s 的制动减速度, 因此, 在失电故障情况下, 考虑空走时间为2s 时, 对纯空气制动加上磁轨制动的紧急制动距离比较如表7所示。
表7 紧急制动距离比较
(%) 制动率Η
纯空气制动
制动距离 m
平均减速度 m s -[**************]
2
空气+磁轨制动
制动距离 m
[***********]
平均减速度m s -[1**********]108
2
[1**********]7
[***********]
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%, 符合于技术条
件的设计要求。
最后, 关于不同制动方式的能量分配不仅因制动装置而异, 也和列车的编组条件、运行状况有关。如上所述, 在高速试验列车和空气制动率为Η=2717%的条件下, 其能量分配比例
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如表8所示。
表8 高速试验列车300km h -1紧急制动时的制动能量分配 (%)
制动方式
纯空气制动空气与磁轨复合
空气与动力制动复合空气动力与磁轨复合
盘形制动
9382>=54>=4815
64
1011运行阻力动力制动8 11京沪高速列车要求当初速300km h -1时紧急制动距离为3700m 。是一个极其先进而苛刻的条件, 即便是我们研制和设计出一个性能优良的高速制动系统和相应的装置, 在实际运行中仍需整个系统性能正常完善、发挥充分, 并在较好的轮轨粘着条件下, 才能达到这一要求。
21用万无一失来要求高速列车制动系统的功能恐怕也不过分, 但总会有万一的情况。当动
力制动失效时, 仅仅依靠摩擦制动, 不管将来设计生产出的盘形制动机如何优越强大, 3700m 紧急制动距离都将是一个极其困难的目标。因此对紧急制动距离的相关因素进行科学的分析是必要, 并且要绝对考虑相关的辅助措施, 如磁轨制动装置, 但这并不意味着对盘形制动机的要求有丝毫的降低。
31高速列车运行的安全性是通过制动系统的高可靠性和高制动特性来保证的, 一旦在运
行过程中制动系统部分出现了故障或失效, 必须调整列车运行的最高速度, 例如法国T GV 高速列车上的TVM 430系统, 它所提供的安全制动距离是接受轨道电路的线路信号分段处理的。在国内制定高速列车有关技术条件时也应考虑制动系统故障情况下的限速运行。
参
考
文
献
1 高速试验列车制动系统技术条件(送审稿) , 199611
2 王猷丕等. 我国铁路制动粘着系数的试验研究. 中国铁道科学, 1991:12(1)
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On the Brak i ng D istance of H igh Speed tra i n s
M a D aw ei L T (A y ay Sciences )
Abstract op featu res and b rak ing p erfo r m ance of h igh sp eed tcain s , the p aper sub ject of b rak ing research and describes the m ain basis of and the design p rinci p le fo r b rake system techno logical requ irem en ts fo r the exp eri m en tal h igh speed tsain . A fter analysis and com p arison of the em ergency b rak ing distance ob tained from bo th u 2n itary fricti on b rak ing and com pound b rak ing , w e p u t fo r w ard a design p ropo sal fo r b rak ing enengy distribu ti on w ith h igl speed trais .
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(责任编辑 杨宁清)