高速列车制动技术的最近研究进展

周大海 0703010702

摘要： 和普通列车相比．高速列车无论是对制动控制系统还是对具的制动方式，都提出了更高的技术要求。本文介绍了高速列车对制动系统的特殊要求和其解决方法以及国内外高速列车制动系统的技术现状.

关键词： 高速列车 制动方式 复合制动 系统制动 基础制动

1.高速列车对制动系统的特殊要求

随着列车运行速度的提高，机车车辆对制动系统的要求也越来越高。从能量的角度考虑．由于列车的动能与其运行速度的平方成正比，列车所具备的制动功率也至少应与其最高速度的平方成正比一从粘着利用与防滑的角度考虑．为了在规定的距离内停车．高速列车在制动时必须具有较大的减速度．对粘着的利用率也相应较高，而粘着利用率的提高必须有相应的高性能防滑装置来保障列车运行的安全；为了提高乘坐舒适度，对制动力的控制精度必须也有更高的要求。综合多方面的因素考虑，高速列车制动系统必需具备以下条件：

(I) 尽可能缩短制动距离以保障行车安全

①减少列车空走时间

表1为几种制动控制方式的列车空走时间值。从表中可以看出．电气指令式电空制动机的列车空走时间最短

②采用大功率的盘形制动机，并作为高速列车制动系统的主体

[1]铁系材料

铁系材料经几十年的发展，现已形成了铸铁、铸钢、铸铁一铸钢组合材料和锻钢材料等几个体系。目前使用在高速列车制动盘上的铁系金属材料则主要是铸铁一铸钢组合材料和锻钢材料。铸铁一铸钢组合制动盘是以铸铁作为摩擦材料而以铸钢作为补强材料。2种材料相互组合制成的制动圆盘，从整体上兼顾了铸铁稳定且较高的摩擦性能和铸钢较好的耐热龟裂性，在日本、法国和德国的高速列车上都使用过这种材料,锻钢具有良好的强度和韧性等力学性能，同时还具有较高的抗热龟裂性、良好的耐磨性和耐疲劳性，使用寿命长，目前已广泛应用于日本新干线列车上。法国TGV—A列车上使用的一种Cr-Mo-V低合金锻钢制动盘，在时速300 km停车时每个制动盘可散失约18 MJ的制动能量，显示出锻钢材料的良好制动效果。国内对锻钢材料也进行了大量研究。以中碳、低合金钢为盘体材料，经纯净化处理、优化锻造等制成的制动盘，具有良好的综合性能和优异的抗热疲劳性，并认为其可满足国内时速300 km高速列车的制动要求。从国内外高速列车制动盘的使用情况和摩擦材料的发展来看，高速列车上铁系摩擦材料将在相当长的时期内继续使用。但铁系材料的质量密度大，在发挥其优良制动性能的同时，已逐渐不适应于高速列车轻量化的发展趋势。

[2] 粉末冶金材料

目前，国际上时速大于200 km 的高速列车普遍采用锻钢制动盘与粉末冶金闸片配对的盘形制动装置。中国对高速列车制动盘和闸片的大量研究表明，虽半金属闸片与锻钢制动盘配对可基本满足制动要求，但粉末冶金闸片和锻钢盘的组合才具有整体上最佳的制动效果。采用粉末冶金技术可在大范围内改变材料的组分，避免传统铸造工艺中的疏松、缩孔、材料组织的枝晶偏析及晶粒粗大等缺陷，因而有助于提高闸片的综合性能。粉末冶金闸片具有摩擦因数高、稳定性好以及磨损小等优点，在500℃ 以上仍可保持良好的摩擦性能，且基体为金属，导热性好，不受雨雪天气的影响，故其在高速列车上得到广泛应用。粉末冶金闸片分铁基和铜基两种。铁基粉末冶金闸片在，可在400 1 000℃内使用，但其在低速时磨损量相当大。铁基的高温高负荷下且有优良的摩擦性能，机械强度高热稳定性比铜基的要高，缺点是与对偶(如铸铁或钢)具有亲和性，易产生粘着胶合，摩擦系数波动较大，易出现异常磨损，产生噪声等。铜基粉末冶金闸片的摩擦因数在低速时高、高速时低且不增加磨损量，故虽铜基闸片成本较高，性好，因而得到广泛应用。El本的新干线、法国的TGV和德国的ICE高速列车均采用了铜基粉末冶金闸片。国内有多所院校和生产单位参与研制了粉末冶金闸片，其中中南大学、石家庄铁道学院和兰州铁道学院以及北京华夏技术公司的研究取得了一定的进展，并进行了大量的实验，取得了一些成果。但是，相对于国外对粉末冶金摩擦材料较充分的研究、稳定的生产工艺和性能来说，中国仍未在实用化上有大的突破，因此应继续加强对粉末冶金刹车片的研究，以免受制于人。

[3]. 铝基复合材料

为进一步提高列车的速度则需轻量化，特别是要减轻簧下的重量，但传统的钢铁材料对列车的轻量化贡献却很小，因此进一步开发了铝基复合材料。铝合金复合材料是以铝合金为母体，加入碳化硅或三氧化二铝等陶瓷颗粒来增强基体性，质量密度比铁系材料低很多，故其在制动盘方面的应用得到了各国的重视。铝基复合材料一般是用陶瓷颗粒弥散分布来提高材料的摩擦性能，目前，制备方法有很多种：有将铝合金粉和强化陶瓷粉混合后再固化的粉末法；有将预处理的陶瓷粒子加入熔融的铝合金中，再搅拌混合均匀，最后进行铸造或锻造的熔融法；也可直接通过铸造方法制备；还有在多孔质陶瓷成形体中注入熔融铝合金的方法。日本、美国和德国已研制出很多性能优良的铝合金复合材料制动盘，并在高速列车上进行了实验和试运行，并取得了同铁系制动盘同等的制动性能，目前中国香港的列车上就安装了铝合金制动盘 。国内也对铝基复合材料进行了大量的研究。采用移动坩锅式喷射共沉积技术及其装置制备了一种Al一20 Si／SiCp复合材料制动盘，同其自行研制的半金属闸片进行台架实验，表明在200 km／h的制动速度各种工况条件有良好效果，基本上达到了装车试运行的要求。铝基复合材料可有效减轻簧下质量，迅速散发摩擦所产生的热量，同铁系材料相比，铝基复合材料有更好的发展前景，有望近期内替代部分锻钢盘而应用在高速列车及城市轨道交通上。当然，铝基复合材料制动盘还存在一些问题：制动盘材料的塑韧性较低，伸长率不高，承受热交变负荷时易萌生裂纹并迅速扩展；铝的熔点较低，尽管其导热系数为铁的3倍，但铝基材料制动盘在更高速度下铝磨损将显著增加 。

[4]. c／c复合材料

c／c复合材料即碳纤维增强碳基复合材料，具有质量密度小(约为铁的1／5)、质量轻、比热容高和热膨胀系数小等优点，尤其可在1000℃ 高温下工作，最高工作温度达2 000℃左右，首先在航空航天和赛车上进行了大力研究和开发，并得到广泛应用。日本、法国等对其在高速列车上的应用进行了大量的研究和试验。该种材料的制备可分为预成形、致密化和石墨化阶段。预成形阶段，一般选用短切碳纤维作为增强组分，并用模压法进行毛坯成形；致密化有液体致密化、化学气相沉积法(CVD)和浸渍碳化法等。其制造方法见图1_1 。

早在20世纪80年代，法国就曾在TGV列车上试验过由碳／碳纤维复合材料制成的制动盘和闸片构成摩擦副的盘形制动装置。该种材料可显著减轻簧下质量，制动能大，但也发现其摩擦因数波动较大，雨雪天气情况下磨损量急剧增加等缺点。日本对高速列车c／c复合材料也进行 大量实验研究，c／c制动盘的摩擦因数随制动盘摩擦面温度的变化而变化，磨损量在中速时较小，而在高速和低速时较大。目前，c／c复合材料在飞机制动上应用较广泛.国内有多家高校和研究院所在同时进行研发和技术改进，且有长足的进步，甚至可替代国外进口产品。但在高速列车的应用上研究得还很不够，也无很大进展，故应增大对高速列车用c／c复合材料的研究力度，不断改进其生产工艺。c／c复合材料能显著减轻簧下质量，减小轮轨的磨损，经济效益显著，但亟待解决的问题是：

1 碳纤维价格较高，制造工艺复杂，其成本居高不下；

2 摩擦因数变化大，易引起临近组件的温升过高；

③制造周期长，一般为2～3个月。这些因素阻碍了c／c复合材料在高速列车上的进一步开发利用。

[5].陶瓷制动材料

陶瓷材料具有质量密度低、强度高、耐高温、抗氧化和耐磨损等优点，如其在高速列车上得到成功应用，可使转向架制动设备的质量下降5O 左右。一个铸铁盘可消散12 MJ的能量，钢盘能消散18MJ的能量，而陶瓷盘的目标值则是50 MJ。陶瓷材料的研究最初只是在铸铁盘或钢盘上等离子喷涂陶瓷层，但涂层的磨损太快，后来又采用整体式陶瓷盘，却又易碎，须添加碳纤维强化。目前，制备陶瓷摩擦材料的工艺有热压烧结法、先驱体转化法、化学气相浸渗法和反应熔体浸渗法。英国的SAB Wabco公司为法国TGV列车配套开发了一种采用碳纤维强化陶瓷盘形制动器，并已通过了按比例缩小的陶瓷制动盘的试验，证明其寿命可提高几倍 。国内有些单位研究过作为航空航天结构件的陶瓷材料，但作为摩擦材料，直到21世纪初中南大学才率先开始相关的研究口 。其研究的碳纤维增强碳和碳化硅基体(c／c-sic)材料模拟火车制动试验表明，该材料摩擦因数高，动摩擦因数为0．3～0．39，耐磨性好、制动噪音低、无火花和抗氧化和抗腐蚀能力强。纤维增强陶瓷材料作为制动材料具有优异的摩擦陛能，代表着当前制动材料的最高水平，不过其耗时5～6个月的生产周期、昂贵的成本以及易碎性，使其应用在高速列车上还有较长的路要走。

③采用复合制动方式

(2)保证高速制动时不滑行

①根据列车速度控制制动力的大小以充分利用粘着

②采用高性能的防滑装置

③ 采用非粘着制动方式

(3)司机操纵列车制动系统灵活可靠，能满足列车自动控制的要求

高速列车对制动系统的另一个要求是操纵方便、动作可靠，并能与ATC等列车自动控制系统相匹配。在高速运行的时候，司机无法了望地面信号，必须采用列车自动控制系统，使制动时列车制动力增减自如．制动平滑。为此，德国、法国、日本等国的高速列车均安装了微机控制的电气指令式电空制动机，将滑行控制、制动率及速度控制、列车监督等机能集中于统一的系统中来完成.高速动车组动车、拖车编组方式及辆数可有不同型式，但整列动车组是一个整体，电气动力制动、空气制动、非黏着制动等是以协调方式起作用的。制动控制系统是以微处理器作为控制中心，优先采用电气动力制动，动力制动力不足时，由制动控制单元发布电气指令，通过EP电空单元，使制动缸动作产生空气制动，补充动力制动不足的部分。在故障时均能导向安全，并与中央诊断系统相连接。

(4)尽量减轻制动装置重量

为了保证高速运行时的平稳性及舒适度，必须尽可能降低转向架的簧下质量。制动盘的重量一般占全部簧下重量的10％左右．是十分可观的。从制动的角度考虑，减轻簧下质量的措施主要是开发功率大、重量轻的新型制动盘．如碳素纤维复合材料制动盘、铝合金基复合材质制动盘等.

2.各种高速列车制动方式

2．1踏面制动

踏面制动作为一种古老的制动方式，目前在普通列车上仍为广泛使用。从国外高速列车制动系统的实际情况来看，踏面制动很少被采用．并且有逐渐被淘汰的趋势=不管是日本的动力分散式高速动车组、德国的ICE动力集中式高速列车，还是意大利的ETR高速列车．都没有采用踏面制动方式。法国RTG内燃动车、TGV—PSE及TGV—A高速列车曾采用过踏面制动方式．但所发挥的制动功率都很小．且一般只用于动车上，主要作用是补偿低速时电制动力的下降和踏面清扫。由于早期牵引电机体积较大，动车上摩擦制动装置的安装空问受到限制．采用踏面制动有时是不得已的选择：随着电机技术的发展，牵引电机在功率不断增大的同时其体积逐渐缩小．从而在动车的车轴上给盘形制动装置留下了足够的安装空间。电制动力在低速时的下降由盘形制动来补偿 至于踏面制动的踏面清扫作用，也正被不断发展的高性能防滑器的相应功能所代替一因此，从TGV一2N开始。法国的高速列车也取消了踏面制动装置。

2．2盘形制动

国际铁路联盟规定：在动力制动失效的情况下．机械摩擦制动必须保证高速列车能在规定的距离内停车，以确保行车安全。因此摩擦制动是高速列车最终实现停车所必不可少的基本制动方式 由于盘形制动在制动功率、减少车轮踏面热损害等方面具有踏面制动所无法比拟的优越性．因此成为高速列车摩擦制动的主导方式 而踏面制动一般只作为盘形制动的补充．起改善踏面粘着状况的作用在国外的高速列车上，无论是动力分散式的高速动车组，还是动力集中式的高速列车，盘形制动都得到了广泛的应用，并且在整个列车制动系统中起到了“中流砥柱”的作用。在动车上，盘形制动逐渐取代了踏面制动作为低速时电制动力下降的补充方式．并且在电制动故障的情况下．全权负责动车的制动；在拖车上，无论是紧急制动还是常用制动，制动力都主要有盘形制动来承担：即使在列车利用电制动进行调速的候，盘形制动缸仍得到一定的预充气量，盘形制动处于“待命”状态。这样做是为了保证在电制动力不足或电制动装置突然失灵的情况下盘形制动能及时补上。由此可见．盘形制动已成为高速列车制动系统中最为重要的一种制动方式一

2．3动力制动

动力制动又称为电制动，是指铁路机车车辆利用牵引动力装置，并配以相应的控制系统来进行制动的方式。动力制动广泛应用于高速列车和普通列车的制动系统。目前所采用的动力制动主要是电阻制动、生制动和液力制动。日本从新干线0系开始采用电阻制动及屯磁直通制动装置并用， 发展到100系的电制动装置机电阻制动及电空制动并用．300系设计主要采用了交流再生制动及电空制动并用。由于采用了再生制动，制动时转换器和逆变器的作用被颠倒过来．制动产生的能量以工频回归架线，消除原电阻制动时采用的电阻器，减少了能量消耗，电能归还于接触网．减少了制动系统的配置规模．从而使车辆进一步轻量化。300系制动功率相当于1500kw，{两。德国ICE系列动车组(ICE I．ICE2，ICE3，ICE-T．ICE—M等)动车均采用了再生制动．ICE I．ICE2城间高速动车组动车采用再生制动与盘式制动，ICE3采用了3种可以独立工作的制动系统：动车的再生制动系统；拖车的线性涡流制动系统；所有车辆上的空气盘形制动系统。 上3种制动系统由中央制动控制器控制，优先使用再生制动．其次为线性涡流制动．最后是空气盘形制动。随着技术的进步．动力制动jt其是电阻制动和再生制动在高速列车上得到了广泛的应用

2.4电磁轨道制动

电磁轨道制动通常简称为磁轨制动，属于非粘着制动方式的一种，它靠安装在转向架上的制动电磁铁与钢轨之间的滑动摩擦力来提供制动』J 列车运行时，制动电磁铁与钢轨之间保持一定的距离；制动时．制动电磁铁通电励磁后吸在钢轨上，电磁铁极靴在钢轨上滑行时产生摩擦力，用作列车制动力由于磁轨制动力具有不受轮轨问粘着系数限制的优越性，磁轨制动在高速列车上得到了广泛的应用。法国的TGV一2N．德国的ICE及瑞典的X2000等高速列车都装有磁轨制动装置。但是，必须指出的是，由于磁轨制动具有磨损轨面的缺陷． 目前它仅适用于紧急制动工况。德国已经在进行磁轨制动用于常用制动的尝试，相信随着技术的进步，这将逐步变为现实。另外．和非粘着制动的另一种方式—— 轨道涡流制动相比．磁轨制动的技术要求较低，在高速铁路技术不太成熟的情况下，磁轨制动是一种比较好的选择。近年来，在永磁技术迅猛发展的基础上，德国OKE(奥立康一克诺尔铁路技术)公司研制开发 永磁轨道制动机 这种制动机具有不需任何能量来产生制动力、一旦施行制动，制动力可无限保持(因而可用于停放制动)、易于控制与操纵等优点，具有良好的应用前景

2．5轨道涡流制动

轨道涡流制动又叫线性涡流制动，其制动装置与磁轨制动在外观上非常相似，但在原理上却截然不同 轨道涡流制动电磁铁的磁场方向平行于钢轨的纵长方向，且作多极布置(南北极交替布置)制动时．电磁铁落下至距轨面7—10ram处，靠电磁铁与钢轨之间的相对速度引起的电涡流作用形成制动力 轨道涡流制动的制动力并不经轮轨粘着接触点作用于=车轮，所以此制动方式为非粘着制动；由于它没有靠摩擦来转移能量，所以是：怍摩擦制动方式 轨道涡流制动把列车的动能转换为热能转移人钢轨．最终散失十大气qJ轨道涡流制动的优点是：制动力与轮轨间的粘着系数无关，为无磨损制动；有很好的可凋节性．可用作常用制动；具有很好的制动特性．高速时也有很大的制动力一溶国ICE3城问高速动车组采用了可独立工作的轨道涡流制动，可实现无级调节，大大减轻了制动装置的质量，采用新的悬挂结构．改变了电源装置，在高速线路以及大部分改建线路上可用于常用制动和紧急制动 日本100系、300系新干线拖车也采用了轨道涡流制动，电动车组采用复合制动方式，当再生制动不能满足制动力需求时，首先由拖车的涡流制动补充．其次用空气制动补充。制动力按照粘着特性曲线进行控制。300系新干线再生制动功率占整列车制动功率的62％，拖车涡流制动功率占35％，空气制动占3％：随着控制技术的成熟，轨道涡流制动将越来越多地在高速列车上得到应用。

2．6防滑与增粘

虽然防滑器不直接提供制动力，但它对于提高粘着利用率、缩短制动距离及保证列车安全运行是非常重要的。特别是对于高速列车来说，高速时粘着系数降低．车轮发生滑行的危险性增大。而一旦车轮发生滑行，其滑行距离长．对车轮及钢轨的危害是非常大的 因此．高速

列车安装高性能的防滑装置是非常有必要的 从国外高速列车技术发展的实际情况来看，防滑器与高速是相伴而生的。最初的增粘措施是列车启动和紧急制动时机车撒砂．后来的踏面清扫器也属于增粘装置的一种。在低速制动时，撒砂是一种很有效的增粘手段，但在高速时．砂粒在钢轨上难以保持，增粘作用受到⋯定的限制．应采取一些相应的措施加以弥补。最近， 日本高速列车采用了通过在钢轨表面喷射陶瓷粒子达到增牯效果的_新方法。陶瓷粒子直径为0 3mm左右目前所用材料为氧化铝(AI O )，其机械强度(硬度)比砂粒高． 日本研究人员通过试验发现，当列车速度为200kndh．喷嘴离钢轨30mm左右、喷孔直径为2—3mm时，能使陶瓷离子集中在直径30mm以内的区域内。实际运用结果表明，陶瓷粒子喷射的方法能起到较好的增粘效果，具有较高的利用价值。

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高速列车制动新技术及其发展