列车制动技术发展趋势探讨

王晓冬

摘要：随着我国高速铁路、城市轨道交通、重载及快捷货物运输的发展，标准动车组、全自动驾驶地铁列车、低地板现代有轨电车、跨座式和悬挂式单轨列车、高速磁浮和中低速磁浮列车等众多新车型的下线，制动系统作为与安全、舒适、高效运输紧密相关的关键技术领域和核心子系统也面临着新的发展要求。

关键词：列车；制动技术；发展趋势

1紧急制动控制原理

地铁列车通过贯穿车辆的硬线环路实现对紧急制动的施加及缓解控制，紧急制动安全环路中通常会串入司机室占用、警惕、总风压力、车载信号、超速等安全继电器的触点。基于故障导向安全设计原则，紧急制动安全环路通常采用常电方式，当环路失电时使得紧急制动继电器失电，此时触发紧急制动指令；为确保安全，一旦列车触发紧急制动，一般需要列车完全停车后方可重新使安全环路得电、缓解紧急制动（通过串入零速信号实现）。紧急制动指令通过列车线电平信号传给每个制动控制单元（BECU），制动控制单元根据列车载荷信号计算列车所需总制动力并分配制动力（调节单元制动机输入风压）给各个转向架，且内部设有独立的电磁阀控制，控制单元制动机气路的通断来实现制动的施加与缓解。车载信号系统通过一组节点接入至车辆紧急制动环线中，当车载信号系统需要触发紧急制动或车载信号系统出现故障时，会将节点断开，造成紧急制动环路断开，由车辆系统完成紧急制动。

2性能需求推动制动系统电气化

任何载运工具都离不开制动系统，对轨道车辆而言，制动系统最重要的使命是要确保安全，保证列车在任何突发紧急情况下都能在规定距离内安全停车。随着技术进步，列车采用的制动方式越来越丰富，从传统纯机械驱动的踏面制动、盘形制动到越来越依赖电能或电机的电阻制动、再生制动、磁轨制动、涡流制动等。这些涉“电”制动方式往往由于其本身的特点，或者是一些特殊场合难以发挥作用，或者是由于其本身的适用局限性，或者是经济性和合理性，使得它们不能或难以成为安全制动方式。时至今日，踏面制动或盘形制动仍是被普遍接受的列车安全制动方式。提高制动波速需要电气化，但传统的踏面制动或盘形制动由于空气制动机制动波速较低，难以适应铁路高速、重载的发展趋势。因此，无论是高速动车组还是城轨列车都已普遍采用“电”信号传递制动指令，以提高制动波速；甚至在货物列车上，也已开始制动指令电气化的探索。对于客运列车，制动过程的舒适性也是十分重要的指标。考虑到乘客的乘车感受，列车制动时的速度变化不能过大，减速度的变化率也不能太高。目前世界各国普遍采用的干线旅客列车（包括高速动车组）紧急制动的平均减速度在１．０ｍ·ｓ－２左右；地铁列车一般为１．２～１．３ｍ·ｓ－２。城轨和高速动车组列车均要求制动系统具备冲动限制功能，在列车制动指令发生变化时，列车制动减速度的变化一般限制在不超过０．７５ｍ·ｓ－３左右。乘客的舒适性还表现在列车停站的精确控制（包括停站精度和平稳度）。目前国内地铁列车要求的停站精度在±２５０ｍｍ左右。由于空气制动系统的强非线性（制动缸压力精度±２０ｋＰａ）和大时滞特性（响应在１ｓ以上），以及现行制动控制模式的局限性（不考虑闸片摩擦系数、运行阻力等干扰），在满足上述旅客舒适度不算太高的要求时，已显力不从心。

3轨道运输发展推动制动系统智能化

近年来，关于数字铁路、智能铁路和轨道智能运输系统的构想越来越成熟，铁路智能自动化和铁路智能运输系统（ＲａｉｌｗａｙＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＴｒａｎｓｐｏｒｔａ－ｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍ，ＲＩＴＳ）提出了“可测、可控、可视、可响应”的４大核心特征。四方股份公司和唐山轨道客车公司分别以ＣＲＨ３８０Ａ型高速动车组和以ＣＲＨ３８０ＢＬ型高速动车组为平台研制了智能化高速列车。中车集团公司总经理、股份公司总裁奚国华在亚欧数字互联互通高级别论坛上提出了关于新一代智慧列车实现自驾驶、自诊断、自决策、自控制、自恢复的构想。为了顺应这一潮流，实现列车的高度智能化，作为关键子系统之一的制动系统首先要完成电气化，最终实现智能化。在高速客运和城市轨道交通领域，列车制动系统呈现出分布式、网络化的发展趋势，从车控到架控和轴控的分布式控制方式不断成熟，利用列车和车辆总线以及制动内网的通讯技术不断完善，列车或网段制动管理与状态监控的模式逐渐成为主流，推动了列车制动系统的电气化和智能化进程。在重载货物运输领域，列车的载重越来越大，编组越来越长，为了解决长大货物列车制动缓解一致性差、纵向冲动大的问题，逐渐发展出了无线遥控机车同步操纵技术（ＬＯＣＯＴＲＯＬ）和电控空气制动（ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＰｎｅｕ－ｍａｔｉｃ，ＥＣＰ）２类新的制动控制系统。目前我国大秦线万吨级组合列车均采用了运用ＬＯ－ＣＯＴＲＯＬ技术的ＣＣＢⅡ制动机，神黄线重载组合列车采用了基于无线遥控同步操纵技术的ＤＫ－２型机车制动机。从本世纪初开始，国产ＥＣＰ制动系统研制已经进行到技术评审或实车试验阶段。以ＬＯＣＯＴＲＯＬ和ＥＣＰ技术为代表的货物列车电控空气制动可以优化整列车的动力分配和制动控制，加快制动波速和缓解波速，改善列车操纵性能和前后车辆制动、缓解的一致性，使列车起动和停车更加迅速、平稳，减小车钩受力，缩短制动距离，提高列车运行安全和效率。这２种控制技术提升了货运列车制动系统的电气化水平，为智能化制动控制的发展提供了平台。

4制动控制智能化新进展—减速度控制

以ＩＣＥ３等车型为代表的欧系动车组一般采用微机控制自动式电空制动系统，制动时对列车管压力进行闭环控制，制动力的大小取决于列车管减压量。这一控制模式软件操作简单，但其制动力计算采用理想的摩擦系数且未考虑黏着条件，存在黏着利用低、制动距离长、高速区段滑行概率较大等问题。这一控制模式实际上是一种理论制动力控制。由于高速区段列车轮轨黏着显著降低，因此全速度区段制动力设定过于保守，且湿轨条件下高速区段制动有超出黏着条件限制的风险。

日系动车组制动控制系统一般根据速度—黏着曲线控制制动力，在高速区段沿理论黏着曲线控制，较低速度区段保持理论减速度不变。这一控制方式可以有效缩短制动距离并降低高速区段的滑行风险，黏着利用率较高。但其在减速度计算时采用理想的摩擦系数，以平直道制动工况作为计算条件，未能考虑摩擦系数、坡道坡度等参数变化的影响，可能造成实际减速度与目标减速度偏离较大。上述传统制动控制模式在减速度层面是开环的，难以应对制动过程中的不确定参数扰动产生的影响。对列车制动过程进行分析可以发现，闸瓦（片）摩擦系数、坡道坡度等参数是随时间、速度或距离而改变的不确定量，难以获得精确值，影响制动力、制动减速度和制动距离等的准确性。传统的制动控制方法忽略了这些不确定参数对制动性能的影响，不能实现对列车实际制动力和实际减速度的精确控制。

结论

建立对列车发生紧急制动的联动处置机制，不仅在于应急处置时乘务、调度、车辆、信号、通信、站台门、站务等专业的联动响应和信息畅通，也有赖于提升监控检测手段快速判断专业责任，并以联动机制作为应急演练项目定期开展，促进联动管理和响应速度。

参考文献：

[1]宋跃华.地铁列车产生紧急制动的原因分析及预防措施[J].技术与市场，2018（7）：66-67.

[2]董晓鹏，韩文娟.南京地铁1号线紧急制动分析[J].铁道机车车辆，2018，33（1）：87-88.