曹宏發(fā)

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

目前世界上的主要高速鐵路國(guó)家，包括中國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)等，制動(dòng)系統(tǒng)原理均不相同。德國(guó)和法國(guó)等歐洲干線動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)由于UIC 541-5等標(biāo)準(zhǔn)要求和原TSI法規(guī)的強(qiáng)制要求，普遍采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)。歐洲市域動(dòng)車組和地鐵、日本新干線動(dòng)車組等制動(dòng)系統(tǒng)，不受TSI法規(guī)的強(qiáng)制要求和UIC 541-5等標(biāo)準(zhǔn)要求，通常采用直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)。中國(guó)高速動(dòng)車組自研發(fā)及投入運(yùn)營(yíng)以來(lái)，一直采用直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)。

為保證動(dòng)車組能夠被機(jī)車或者動(dòng)車組高效救援，各國(guó)高速動(dòng)車組通過(guò)配置自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)、設(shè)置制動(dòng)指令傳輸或轉(zhuǎn)換裝置、列車供電管理、外部供電等各種方式，來(lái)保證動(dòng)車組能夠被機(jī)車或者動(dòng)車組高效救援。CRH1平臺(tái)的原型動(dòng)車組Regina C2008設(shè)有救援轉(zhuǎn)換裝置，將救援動(dòng)車組或機(jī)車的BP管減壓量轉(zhuǎn)化為電氣制動(dòng)指令，并可由救援動(dòng)車組或機(jī)車向被救援動(dòng)車組輸出3 AC 380 V/50 Hz交流電來(lái)滿足被救援動(dòng)車組的用電需求。CRH2A平臺(tái)的原型動(dòng)車組E2-1000系在頭車前端部設(shè)有32芯連接器，用于向被救援動(dòng)車組傳輸制動(dòng)指令，并可向被救援動(dòng)車組進(jìn)行外部供電來(lái)滿足被救援動(dòng)車組的用電需求。CRH3平臺(tái)的原型動(dòng)車組Velaro-E和以CRH5平臺(tái)的原型動(dòng)車組Pendolino均采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)車組，可在被救援動(dòng)車組無(wú)電時(shí)直接采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)進(jìn)行救援。中國(guó)高速動(dòng)車組受限于引進(jìn)動(dòng)車組平臺(tái)的技術(shù)限制，動(dòng)車組之間相互救援和動(dòng)車組被機(jī)車救援時(shí)嚴(yán)重制約了救援效率。為此，中國(guó)鐵路總公司采取了一系列技術(shù)措施和管理措施，來(lái)保證動(dòng)車組的高效救援，并在復(fù)興號(hào)動(dòng)車組通過(guò)采用一系列措施解決了互聯(lián)互通問(wèn)題。

1 國(guó)外動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

歐洲干線動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)由于UIC 541-5等標(biāo)準(zhǔn)要求和原TSI法規(guī)的強(qiáng)制要求，普遍采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)。歐洲市域動(dòng)車組和地鐵、日本新干線動(dòng)車組等制動(dòng)系統(tǒng)，不受TSI法規(guī)的強(qiáng)制要求和UIC 541-5等標(biāo)準(zhǔn)要求，通常采用直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)。

1.1 德國(guó)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

德國(guó)在1985年就開始研制高速動(dòng)車組,目前為止已研制出ICE系列的多款車型。ICE動(dòng)車組從1985年的ICE/V試驗(yàn)型動(dòng)車組、1990年的ICE1到1992年的ICE2均為動(dòng)力集中型的動(dòng)車組,1997年的ICE3為動(dòng)力分散型動(dòng)車組，2017年12月正式運(yùn)營(yíng)的ICE4是德國(guó)第一個(gè)采用直通電空技術(shù)的動(dòng)力分散型動(dòng)車組。ICE系列動(dòng)車組均采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)用于救援。

表1 德國(guó)高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)

1.2 法國(guó)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

法國(guó)TGV系列高速動(dòng)車組的第1代TGV-PSE型動(dòng)車組采用電氣指令式自動(dòng)電空制動(dòng)系統(tǒng)，第2代TGV-A、第3代TGV-Duplex、第4代AGV型動(dòng)車組均采用自動(dòng)式電空制動(dòng)系統(tǒng)。TGV系列動(dòng)車組均采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)用于救援。

表2 法國(guó)高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)

1.3 日本動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

日本自1964年新干線開通以來(lái)，共研制了0系、100系、300系、500系、700系，以及E1、E2、E3、E4、E5、E6系等多款高速動(dòng)車組，均采用直通電空制動(dòng)系統(tǒng)，均無(wú)自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)。采用動(dòng)車組或?qū)Ｓ脵C(jī)車救援，可利用車前端連接器供電和傳遞制動(dòng)指令。

表3 日本高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)1

表4 日本高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)2

1.4 其他國(guó)家動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

龐巴迪公司于2009年開始研制的Zefiro 250(CRH1E原型動(dòng)車組)、Zefiro 300(主要面向歐洲市場(chǎng))以及Zefiro380(CRH380D原型動(dòng)車組)動(dòng)車組均采用微機(jī)控制直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，均無(wú)自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)。動(dòng)車組設(shè)有救援轉(zhuǎn)換裝置，可在機(jī)車救援時(shí)將機(jī)車的列車管減壓量轉(zhuǎn)換為電氣制動(dòng)指令。

美國(guó)Acela Express動(dòng)車組是龐巴迪和阿爾斯通聯(lián)合為全美鐵路客運(yùn)公司(Amtrak)研制的高速擺式動(dòng)力集中動(dòng)車組，2000年12月投入運(yùn)營(yíng)，使用了第3代TGV的牽引系統(tǒng)和微機(jī)控制自動(dòng)式電空制動(dòng)系統(tǒng)。

捷克鐵路有4種動(dòng)車組裝備了直通電空制動(dòng)系統(tǒng)，英國(guó)干線高速動(dòng)車組采用直通電空制動(dòng)系統(tǒng)，救援均采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)。

2 CRH平臺(tái)原型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH平臺(tái)各原型動(dòng)車組在繼承電空制動(dòng)系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)動(dòng)車組被救援工況均從整車定位和制動(dòng)系統(tǒng)原理等角度出發(fā)，通過(guò)配置自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)、或相互傳輸制動(dòng)指令、或完善列車供電管理、或采用外部供電等多個(gè)方面，進(jìn)行系統(tǒng)化的設(shè)計(jì)，來(lái)保證動(dòng)車組能夠被機(jī)車或者動(dòng)車組高效救援。

2.1 CRH1原型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH1型不銹鋼車體動(dòng)車組以瑞典Regina C2008型動(dòng)車組為原型動(dòng)車組進(jìn)行研制。Regina動(dòng)車組由兩節(jié)帶司機(jī)室的動(dòng)車或兩個(gè)司機(jī)室動(dòng)車中間加一輛拖車構(gòu)成，可重聯(lián)運(yùn)行，1998年首次投入使用，應(yīng)用于瑞典的區(qū)域通勤線路。

Regina動(dòng)車組采用微機(jī)控制的直通電空制動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)有救援轉(zhuǎn)換裝置，可將救援動(dòng)車組或機(jī)車的BP管減壓量轉(zhuǎn)化為電氣制動(dòng)指令。救援動(dòng)車組時(shí)，救援轉(zhuǎn)換裝置可通過(guò)排空BP管壓力輸出緊急制動(dòng)指令，無(wú)常用制動(dòng)指令輸出。此外，動(dòng)車組頭車前端部設(shè)有外供電連接器，可由救援動(dòng)車組或機(jī)車向被救援動(dòng)車組輸出3 AC 380 V/50 Hz交流電。被救援動(dòng)車組在外供電模式下自動(dòng)減載運(yùn)行，應(yīng)急通風(fēng)、應(yīng)急照明等正常工作，制動(dòng)系統(tǒng)等所有低壓系統(tǒng)均可正常工作。

2.2 CRH2原型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH2A型動(dòng)車組的原型動(dòng)車組為日本新干線E2-1000系動(dòng)車組。E2-1000系動(dòng)車組采用微機(jī)控制的直通電空制動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)及救援轉(zhuǎn)換裝置。E2-1000系動(dòng)車組頭車前端部設(shè)有32芯連接器，用于被動(dòng)車組或機(jī)車救援時(shí)進(jìn)行DC 100 V供電、傳遞常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)指令，并可連接與制動(dòng)系統(tǒng)相關(guān)的列車安全環(huán)路。

用于救援動(dòng)車組的內(nèi)燃機(jī)車，除設(shè)有常規(guī)的自動(dòng)式電空制動(dòng)機(jī)外，還設(shè)有對(duì)應(yīng)高速列車的直通式電空制動(dòng)機(jī)，可向被救援動(dòng)車組供電和輸出制動(dòng)指令。

2.3 CRH3原型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH3型動(dòng)車組的原型動(dòng)車組是西門子公司的Velaro-E型動(dòng)車組，該動(dòng)車組是西門子為西班牙馬德里-巴塞羅那高速鐵路研發(fā)的動(dòng)車組，采用微機(jī)控制的自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)，可在無(wú)電工況下被動(dòng)車組或機(jī)車救援。

2.4 CRH5原型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH5型動(dòng)車組的原型車是阿爾斯通公司以Pendolino平臺(tái)為芬蘭鐵路開發(fā)的SM3型動(dòng)車組，該動(dòng)車組采用微機(jī)控制的自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)，可在無(wú)電工況下被動(dòng)車組或機(jī)車救援。

3 CRH平臺(tái)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

國(guó)內(nèi)CRH平臺(tái)動(dòng)車組引進(jìn)之初，針對(duì)中國(guó)采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)車組能夠被機(jī)車救援的頂層要求，進(jìn)行了相關(guān)的設(shè)計(jì)改進(jìn)和優(yōu)化。

3.1 CRH1型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH1A型動(dòng)車組采用與原型車一致的微機(jī)控制直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，未配備自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)，在頭車配置有BP救援轉(zhuǎn)換裝置。針對(duì)救援動(dòng)車組時(shí)僅能輸出緊急制動(dòng)指令的問(wèn)題，統(tǒng)型動(dòng)車組采用了BP救援轉(zhuǎn)換裝置，可輸出各級(jí)常用制動(dòng)指令對(duì)應(yīng)的列車BP減壓量。

3.2 CRH2型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH2A型動(dòng)車組采用與原型車一致的微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，未配備自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)。但在頭車配置救援轉(zhuǎn)換裝置，可將救援機(jī)車或動(dòng)車組的BP管減壓量變換為電氣制動(dòng)指令，控制被救援動(dòng)車組常用制動(dòng)施加及緩解。統(tǒng)型動(dòng)車組采用的BP救援轉(zhuǎn)換裝置，可輸出各級(jí)常用制動(dòng)指令對(duì)應(yīng)的列車管減壓量。

3.3 CRH3/CRH5型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

CRH3型動(dòng)車組采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，同時(shí)設(shè)置自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)。自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)可由機(jī)車或設(shè)置列車管的動(dòng)車組操縱控制，列車管的額定壓力為600 kPa。

此外，直通電空制動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，動(dòng)車組可啟動(dòng)自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)繼續(xù)運(yùn)行，這時(shí)需要操縱司機(jī)制動(dòng)閥進(jìn)行制動(dòng)施加和緩解控制，限速80 km/h。司機(jī)制動(dòng)閥共有3個(gè)位置：全制動(dòng)位、中立位、緩解位；可以產(chǎn)生純空氣常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)。

4 動(dòng)車組救援及回送作業(yè)辦法

在中國(guó)高速動(dòng)車組大面積推廣應(yīng)用的情況下，為實(shí)現(xiàn)動(dòng)車組之間相互救援以提升運(yùn)用效率、減少動(dòng)車組故障對(duì)線路運(yùn)營(yíng)秩序的影響，綜合考慮各型CRH動(dòng)車組之間的差異，中國(guó)鐵路總公司制定了動(dòng)車組救援及回送作業(yè)管理辦法。

4.1 動(dòng)車組救援作業(yè)辦法

中國(guó)鐵路總公司印發(fā)的《CRH系列動(dòng)車組相互救援暫行作業(yè)辦法》(鐵總運(yùn)〔2016〕37號(hào))中規(guī)定，救援動(dòng)車組能夠控制被救援動(dòng)車組常用制動(dòng)時(shí)，整列救援列車無(wú)空氣制動(dòng)切除時(shí)救援限速120 km/h，有空氣制動(dòng)切除時(shí)救援限速60 km/h；救援動(dòng)車組不能控制被救援動(dòng)車組常用制動(dòng)時(shí)，救援限速60 km/h。蓄電池電壓限制如下：CRH1應(yīng)在97 V以上、CRH2應(yīng)在84 V以上、CRH3應(yīng)在96 V以上、CRH5應(yīng)在20 V以上，否則需停車充電，若不具備充電條件則切除空氣制動(dòng)。

4.2 動(dòng)車組回送作業(yè)辦法

對(duì)于無(wú)動(dòng)力回送，中國(guó)鐵路總公司印發(fā)的《動(dòng)車組回送作業(yè)辦法》(鐵總運(yùn)〔2014〕157號(hào))中規(guī)定，制動(dòng)可用時(shí)限速120 km/h，制動(dòng)不可用時(shí)限速5 km/h。CRH3型動(dòng)車組使用非統(tǒng)型過(guò)渡車鉤無(wú)動(dòng)力回送時(shí)，重聯(lián)無(wú)動(dòng)力回送限速80 km/h。CRH2型動(dòng)車組無(wú)動(dòng)力回送時(shí)間在2 h以內(nèi)時(shí)，可使用機(jī)車直接連掛動(dòng)車組的方式回送；無(wú)動(dòng)力回送時(shí)間超過(guò)2 h，必須加掛能向蓄電池供電的回送過(guò)渡車。

5 復(fù)興號(hào)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)及救援技術(shù)

復(fù)興號(hào)動(dòng)車組采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，按互聯(lián)互通要求滿足相同速度等級(jí)的動(dòng)車組可以實(shí)現(xiàn)重聯(lián)運(yùn)營(yíng)、不同速度等級(jí)的動(dòng)車組可以實(shí)現(xiàn)相互救援，未配備自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)。為實(shí)現(xiàn)將救援機(jī)車或動(dòng)車組的BP管減壓量變換為電氣制動(dòng)指令，并將被救援動(dòng)車組的電氣制動(dòng)指令轉(zhuǎn)化為BP管減壓量，在頭車配置有統(tǒng)型BP救援轉(zhuǎn)換裝置。統(tǒng)型BP救援轉(zhuǎn)換裝置具有兩種工作模式：氣轉(zhuǎn)電模式，可將救援動(dòng)車組或機(jī)車BP管減壓量轉(zhuǎn)換為電氣制動(dòng)指令；電轉(zhuǎn)氣模式，可將救援動(dòng)車組的電氣制動(dòng)指令轉(zhuǎn)換為BP管減壓量。

5.1 無(wú)自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)動(dòng)車組相互救援

兩列動(dòng)車組BP管連接，救援動(dòng)車組的BP救援轉(zhuǎn)換裝置工作在電轉(zhuǎn)氣模式，被救援車輛的BP救援轉(zhuǎn)換裝置工作在氣轉(zhuǎn)電模式。

5.2 無(wú)自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)動(dòng)車組救援有自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)動(dòng)車組

兩列動(dòng)車組BP管連接，救援動(dòng)車組BP救援轉(zhuǎn)換裝置工作在電轉(zhuǎn)氣模式，被救援動(dòng)車組采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)。

5.3 有自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)動(dòng)車組救援無(wú)自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)動(dòng)車組

兩列動(dòng)車組BP管連接，被救援動(dòng)車組BP救援轉(zhuǎn)換裝置工作在氣轉(zhuǎn)電模式，救援動(dòng)車組采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)。

5.4 機(jī)車救援無(wú)自動(dòng)式空氣制動(dòng)機(jī)動(dòng)車組

機(jī)車與動(dòng)車組BP管連接，被救援動(dòng)車組BP救援轉(zhuǎn)換裝置工作在氣轉(zhuǎn)電模式。

6 國(guó)內(nèi)動(dòng)車組救援優(yōu)化措施

目前國(guó)內(nèi)各型動(dòng)車組均采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，當(dāng)動(dòng)車組在救援過(guò)程中無(wú)電時(shí)空氣制動(dòng)不可用或系統(tǒng)功能降級(jí)，導(dǎo)致救援限速運(yùn)行。為保證被救援動(dòng)車組空氣制動(dòng)可用以提升救援效率，前提是BP救援轉(zhuǎn)換裝置和制動(dòng)系統(tǒng)正常供電。

6.1 優(yōu)化動(dòng)車組供電管理策略

目前各型動(dòng)車組供電管理策略差異較大，無(wú)法滿足救援處置過(guò)程中的制動(dòng)系統(tǒng)供電需求。新研制的動(dòng)車組增加了蓄電池容量并完善了動(dòng)車組蓄電池分級(jí)管理策略，以保證動(dòng)車組被救援時(shí)空氣制動(dòng)可用為目標(biāo)，合理設(shè)置最小負(fù)載并將救援用電設(shè)備連接動(dòng)車組BD供電。

6.2 優(yōu)化動(dòng)車組自發(fā)電負(fù)載管理

動(dòng)車組自發(fā)電功能主要在動(dòng)車組回送、無(wú)高壓供電等工況下，動(dòng)車組被拖拽時(shí)為動(dòng)車組交流輔助負(fù)載供電，并在輔助變流器和充電機(jī)工作后為動(dòng)車組直流負(fù)載供電。新研制的動(dòng)車組對(duì)與自發(fā)電相關(guān)的負(fù)載進(jìn)行了單獨(dú)分級(jí)管理，以保證被救援動(dòng)車組自發(fā)電功能的可用性。

6.3 優(yōu)化動(dòng)車組外部供電管理

國(guó)內(nèi)各型動(dòng)車組外部供電的電壓制式不統(tǒng)一，各型動(dòng)車組外部供電的電壓制式與機(jī)車供電的電壓制式不統(tǒng)一，外部供電連接器形式及容量不統(tǒng)一，被救援動(dòng)車組最小負(fù)載容量不統(tǒng)一，導(dǎo)致動(dòng)車組之間相互救援時(shí)無(wú)法通過(guò)救援動(dòng)車組向被救援動(dòng)車組供電，動(dòng)車組被機(jī)車救援時(shí)無(wú)法直接通過(guò)機(jī)車向被救援動(dòng)車組供電。新研制動(dòng)車組在外部供電情況下以保證動(dòng)車組被救援時(shí)空氣制動(dòng)可用為目標(biāo)，合理配置動(dòng)車組負(fù)載容量，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)車組被救援時(shí)能夠通過(guò)外部供電滿足用電設(shè)備需求。

7 總 結(jié)

歐洲干線動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)普遍采用自動(dòng)式空氣制動(dòng)系統(tǒng)，歐洲市域動(dòng)車組和地鐵、日本新干線動(dòng)車組等制動(dòng)系統(tǒng)普遍采用直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，我國(guó)各型動(dòng)車組均采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)。針對(duì)既有動(dòng)車組之間相互救援采取了一系列有效措施，新研制動(dòng)車組在頂層設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)救援相關(guān)要求一體化規(guī)劃，有效的提升了國(guó)內(nèi)各型動(dòng)車組之間相互救援和回送效率。