李志龍

我國高速動(dòng)車組非黏著制動(dòng)必要性分析

李志龍

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南車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司

本文闡述了輪軌黏著對制動(dòng)距離的影響，分析對比了我國和其他國家高速列車制動(dòng)形式的不同，總結(jié)了改善制動(dòng)距離和減小摩擦副磨損的幾種措施，提出了我國高速動(dòng)車組應(yīng)適當(dāng)增加非黏著制動(dòng)技術(shù)的建議。

1 引言

我國CRH系列高速動(dòng)車組普遍采用的是再生制動(dòng)+盤形制動(dòng)的電空聯(lián)合制動(dòng)，這種制動(dòng)方式的制動(dòng)力最終靠車輪與軌道之間的黏著力提供車輛的制動(dòng)力，屬于傳統(tǒng)的黏著制動(dòng)?？墒丘ぶ禂?shù)隨著列車速度的升高而減小，且受軌道表面的狀態(tài)影響較大。在高速區(qū)域和軌道濕滑的條件下，車輛制動(dòng)可以利用的黏著系數(shù)會(huì)大幅下降，輪軌黏著處于邊緣，將造成制動(dòng)距離的加長和摩擦副的過度磨損甚至產(chǎn)生車輪“抱死”的故障工況。歐洲和日本的研發(fā)的高速動(dòng)車組普遍采用非黏著制動(dòng)與黏著制動(dòng)相互配合的制動(dòng)形式，以突破黏著極限對列車制動(dòng)能力的突破。因此我國在今后動(dòng)車組發(fā)展和統(tǒng)型的過程中，應(yīng)該考慮增加非黏著制動(dòng)裝置。

2 黏著與制動(dòng)距離

下圖給出了各國干濕軌的黏著曲線，由圖中可以看出我國干軌與濕軌的黏著系數(shù)在同一速度等級，相差很多。在低速區(qū)段，黏著利用率高，但隨著速度的提高，黏著利用率呈下降的趨勢；新干線列車完全采用黏著制動(dòng)方式，德國采用磁軌制動(dòng)作為輔助制動(dòng)形式，同樣濕軌的情況下，黏著利用率要大于新干線，會(huì)提高制動(dòng)減速度，縮短制動(dòng)距離。

日本新干線500系的制動(dòng)速度從120km/h增加到300km/h，制動(dòng)距離從660m增加到5km；當(dāng)速度從300 km/h降低到275km/h，所需要的制動(dòng)距離為900m。即隨著速度的提高，高速區(qū)段的制動(dòng)距離占整個(gè)制動(dòng)距離的比重將進(jìn)一步增大。對比可以看出，非黏著制動(dòng)可以使列車在速度情況下仍保持較高的減速度，應(yīng)是未來更高速度等級動(dòng)車組制動(dòng)形式的發(fā)展方向。

3 磁軌制動(dòng)

磁軌制動(dòng)是通過將車輛轉(zhuǎn)向架上的磁鐵吸附在軌道上并使磁鐵在軌道上滑行才產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力的制動(dòng)。磁軌制動(dòng)分為電磁型制動(dòng)和永磁型制動(dòng)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)生的制動(dòng)力不受輪軌間的黏著條件限制，其主要區(qū)別在于選用的磁鐵不同，前者采用的是電磁鐵，后者為永久性磁鐵。

磁軌制動(dòng)的制動(dòng)力取決于磁鐵長度、磁鐵對鋼軌的吸引力、軌道與極靴間的摩擦系數(shù)。在速度為250km/h時(shí)，每組磁鐵制動(dòng)力的制動(dòng)力可以達(dá)到3～3.5kN，每輛車若裝4組電磁鐵，在高速下可實(shí)現(xiàn)0.25m/s2的制動(dòng)減速度。

磁軌制動(dòng)時(shí)，由于電磁鐵對鋼軌的打磨作用，使得輪軌間的黏著系數(shù)明顯增加，改善了輪軌間的黏著狀態(tài)，加強(qiáng)了盤型制動(dòng)和再生制動(dòng)所產(chǎn)生的制動(dòng)力。試驗(yàn)表明，當(dāng)制動(dòng)初速度為210km/h時(shí)，若僅用盤形制動(dòng)，制動(dòng)距離為2500m；而增加了磁軌制動(dòng)，制動(dòng)距離最多可以縮短30％。

由于磁軌制動(dòng)對鋼軌磨耗大，主要作為一種輔助制動(dòng)方式，用于黏著力不夠的高速度時(shí)的緊急制動(dòng)。國外采用磁軌制動(dòng)方式設(shè)定：120 km/h以下時(shí)，不采用磁軌制動(dòng)；140km/h及其以上時(shí)，應(yīng)采用磁軌制動(dòng)；在200km/h以上時(shí)，必須采用磁軌制動(dòng)。

磁軌制動(dòng)的不足之處是，其制動(dòng)力的產(chǎn)生和消失都很突然，這種制動(dòng)和緩解作用的突發(fā)性使其適合作為輔助性緊急制動(dòng)裝置。另一個(gè)缺點(diǎn)采用磁軌制動(dòng)，每個(gè)轉(zhuǎn)向架的質(zhì)量增加，每輛車附加約1t重量，所以在其他部件的設(shè)計(jì)時(shí)必須注意輕量化。

4 渦流制動(dòng)

渦流制動(dòng)分為盤式渦流制動(dòng)和軌道渦流制動(dòng)，只有軌道渦流制動(dòng)才屬于非黏著制動(dòng)。軌道渦流制動(dòng)是將電磁鐵落至距軌面7～10mm處，電磁鐵與鋼軌間的相對運(yùn)動(dòng)引起電渦流作用形成制動(dòng)力。制動(dòng)時(shí)鋼軌感應(yīng)出電流，由于鋼軌感應(yīng)出的電流和磁場也是交變的，所以能產(chǎn)生制動(dòng)力，列車動(dòng)能轉(zhuǎn)換成軌道內(nèi)部的熱能。

德國ICE3型動(dòng)車組首先采用了軌道渦流制動(dòng)，試驗(yàn)時(shí)列車從300km/h時(shí)渦流制動(dòng)開始起作用，速度降低到大約230km/h時(shí)，渦流制動(dòng)起到主導(dǎo)作用，低速的50km/h時(shí)，渦流制動(dòng)仍然起作用。當(dāng)70年代法國國營鐵路在型試驗(yàn)中進(jìn)行了大量渦流制動(dòng)開發(fā)工作試驗(yàn)結(jié)果表明：在300km/h～200km/h制動(dòng)初速度下保持制動(dòng)距離不變，可獲得0.9m/s2的減速度。渦流制動(dòng)對電磁鐵與鋼軌間的間隙很敏感，氣隙每變化1mm，制動(dòng)力就變化10％，隨著速度的增加，電磁鐵與鋼軌垂直力增加。整個(gè)制動(dòng)機(jī)構(gòu)通常處于提升位，制動(dòng)時(shí)，電磁鐵下降，高度必須可調(diào)，以適應(yīng)車輪磨耗。

渦流制動(dòng)的能耗很高，即使短時(shí)的制動(dòng)也會(huì)使勵(lì)磁線圈達(dá)到很高的溫度，Z70001型車在試驗(yàn)時(shí)僅施行100s制動(dòng)溫度溫度就高達(dá)210℃。施加渦流制動(dòng)的列車連續(xù)通過一段軌道式，鋼軌亦會(huì)發(fā)熱，因此散熱是渦流制動(dòng)的核心技術(shù)。

5 翼板制動(dòng)

翼板制動(dòng)是風(fēng)阻制動(dòng)的一種形式，是目前較為前衛(wèi)的制動(dòng)模式。在制動(dòng)時(shí)，利用車體伸出的減速板來增加風(fēng)阻，產(chǎn)生制動(dòng)力。日本Fastech360采用的翼板制動(dòng)，可使空氣阻力增加3～4倍，可使制動(dòng)初速度為360km/h列車獲得未使用翼板制動(dòng)275km/h列車相同的制動(dòng)距離。由于空氣的動(dòng)力和速度成正比，改制動(dòng)在高速時(shí)使列車獲得較大的制動(dòng)力，是一種“綠色”的制動(dòng)模式。

隨著我國高速列車走向世界，制動(dòng)技術(shù)的發(fā)展趨勢必然是安全、環(huán)保、節(jié)能、便于檢修保養(yǎng)。電空聯(lián)合的黏著制動(dòng)技術(shù)使摩擦副磨耗嚴(yán)重，對輪軌黏著依賴大，受環(huán)境因素的影響較大，且現(xiàn)有速度和制動(dòng)裝置匹配下，黏著率的利用已接近飽和。為了進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)“走出去”戰(zhàn)略，應(yīng)大力發(fā)展非黏著制動(dòng)技術(shù)，搶占制動(dòng)技術(shù)的制高點(diǎn)。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.02.004