浅谈高速动车组制动控制系统

摘要:为保证列车正常运行和停车制动，并在意外故障或其它必要情况下具

有尽可能短的紧急制动距离，高速列车必须装备高效率和高安全性的制动系统。由于列车的制动能量和速度成平方关系，时速在200km~300km的高速列车的制动能量是普通列车的4~9倍，从而在制动系统的性能要求和组成方面，均完全不同于目前的常速列车。

关键词: 高速动车组 控制系统 制动控制

1.高速列车制动系统的基本要求 1.1.制动能力的要求

高速列车的制动包括调速制动和停车制动，其制动能力首先表现为停车制动时对制动距离的控制。在同样的制动装置、操纵方式和线路条件下，其制动距离基本上与列车制动初速度的平方成正比关系，所以随着列车速度的提高，必须相应地改进其制动装置和制动控制方式才能满足缩短制动距离的要求。在各种不同的制动方式中，又以紧急制动距离为最短。紧急制动是检验列车制动能力和运行安全性的基本技术条件，也是通信信号系统设计和运输组织的重要依据。

紧急制动距离的设计值主要基于轮轨间制动粘着的利用、基础制动装置的热容量以及制动控制性能等各种制约因素所容许的最大紧急制动能力。此外还应该考虑必要的安全裕量，特别是在动力制动作用不良状态下的紧急制动能力。国外300km/h高速列车的紧急制动距离均在3000~4000m之间。根据制动粘着利用和热负荷等理论计算的结果，我国高速列车在初速300km/h条件下的复合紧急制动距离可保证在3700m以内。

1.2.舒适性的要求

从列车动力学的观点出发，旅客的乘坐舒适性包括横向、垂向和纵向三方面的指标，高速列车纵向运动的特点除起动加速度较快以外，主要是制动作用的时

间和减速度远大于普通旅客列车，因此必需有相应措施来控制旅客纵向舒适性的指标，包括对制动平均减速度、最大减速度和纵向冲动的要求，均应高于普通旅客列车。

为满足纵向舒适性的高要求，高速列车制动系统必须采用下述关键技术： （1）采用微机控制的电气指令制动系统以实现制动过程的优化控制，并在提高平均减速度的同时尽量减少减速度的变化率；

（2）对复合制动的模式进行合理设计，使不同型式的制动力达到较佳的组合作用；

（3）减少同编组列车中不同车辆制动力的差别，以缓和车辆之间的纵向动力作用；

（4）采用摩擦性能良好的盘型制动装置和强有力的动力制动装置，以提供足够的制动力。

1.3.安全可靠性

制动系统作用的可靠性是列车行车安全的基本保证。特别是高速运行时制动系统失灵的后果将不堪设想。为此，高速列车制动系统的安全可靠性设计涉及有下列方面：

（1）制动控制方式设计。高速列车一般设有空气制动、微机控制的电空制动和计算机网络三种制动控制方式。在正常运行状况下由计算机网络控制并传递全列车各车辆的制动信息。当该控制系统发生故障时能自动转换为电空制动作用。在电气故障或电空制动故障时，能依靠空气制动的列车管减压实现系统的纯空气制动作用，并保证在不良状态下的制动距离。

此外，在高速列车微机控制的制动控制过程中需要有大量的信息输入、数字运算和输出指令，为防止故障，在该指令系统的设计中也需要考虑相应的可靠性措施。

（2）下坡道停车的可靠性设计。高速列车必须随时保证有必要的停车制动能力，为此应具有足够的弹簧制动装置能力。

（3）制动能力的冗余量设计。在正常条件下复合制动系统的各种制动方式应合理分担制动能量。但一旦其中的某种制动方式发生故障时，其他制动方式应能提供补充，例如空气制动和动力制动的互为补充。当制动能力不足时，应限速运行。此外，在空气制动能力设计时，应充分考虑失电情况下空走时间延长和盘型制动摩擦系数下偏差对制动距离延长的影响，例如表中所示的不良状态距离在我国高速试验列车的紧急制动距离设计中，亦将300km/h时的纯空气制动距离由4100m增加10%左右后为4500m，以保证有充分的安全裕量。

非粘着制动的保安作用。例如磁轨制动装置在紧急制动时的可靠性，通常该制动能量设计为全部制动能量的10%左右。

2.制动控制系统组成与分类 2.1.系统组成

微机控制的制动控制系统由电气部分和气路阀类部分组成。电气部分又包括制动控制器、微机控制系统和安全联锁装置。气路阀类部分包括制动电磁阀和缓解阀、紧急制动电磁阀、强迫缓解电磁阀和切换阀、荷重传感器和EP传感器、重空车压力平衡阀、紧急限压阀、制动缸压力中继阀、总风缸及电空制动压力开关、电空转换电磁阀等。利用这套控制系统可以操纵两种制动装置：其一是正常情况下使用的采用微机控制的直通式电空制动装置。这是一种以动力制动为优先的动力制动、空气制动、磁轨制动的复合制动方式。其二为在电空制动失效的情况下使用的处于热备用状态下的自动空气制动装置。整个制动系统分成三级控制：网络控制、电空制动控制和空气制动控制。其中网络控制以网络来传输控制指令、实现 ATP 列车控制；电空制动控制是以贯穿全列车的电空制动电缆为介质来传输控制指令及电制动力的模拟指令；空气制动是以贯穿全列车的列车管压力为介质来传输控制指令。上述三种控制的安全级别以空气制动最高，其余依次为电空制动和网络制动。而其指挥级别以网络控制最高，电空制动控制次之，空气制动控制最低。

该系统由列车管减压方式变为电气指令式的控制装置，不仅缩短列车制动空走时间.还包括有复合制动控制、空重车调整、制动模式控制、监控信息处理和显示等功能。从而可适应于 ATP、ATC列车自动控制甚至最新的列车控制信息管理（TIS）装置的运用要求。

2.2.制动控制系统分类

日本高速列车制动控制系统分为常用制动、紧急制动和辅助制动三种工况。常用制动时，列车制动力沿速度—粘着特性曲线连续控制。紧急制动时具有紧急增压作用。制动指令通过各指令线的组合送入制动输出控制装置，同时输入列车速度和动力制动的指令，由控制装置进行制动力的演算，使空气制动力等于指令力减去动力制动力，即空气制动起动力制动的补偿作用，该空气制动力通过电流信号送给EP电空转换阀转换成空气压力，再经中继阀变为制动缸压力。

德国ICE列车制动控制系统，ICE高速列车采用克诺尔公司生产的微机控制的模拟式电气指令直通电空制动系统。其原理如图所示，由司机控制单元发出指令，经中继阀单元控制列车管压力；由电空单元控制输入制动缸的空气流量。微机控制制动力分配的优先顺序是：再生制动、线性涡流制动和空气盘型制动，确定制动力分配的主要依据是实际速度和所要求的减速度。

法国和西班牙高速列车的制动控制系统通过操纵司机控制器，以电磁阀实现列车管的减压或充气，并依靠列车管压力传感器传送制动指令。在制动作用时根据列车管减压状态，将制动指令送入微机，再经过演算，使制动电磁阀励磁，直接向制动缸充气。该制动控制系统同样属于数字一模拟式电空制动机。

3.防滑器控制

防滑装置的原理其作用首先是对宏观打滑的检测，即通过对轮对滚动线速度的连续监测，以速度差、减速度及其变化率为评价指标，在发现打滑后利用降低制动缸压力的方法来恢复粘着。由于高速列车强大的复合制动力矩在高速时更容易超过粘着力矩而可能造成车轴的抱死和车轮擦伤；制动缸压力的下降对高速列车制动距离的影响也更大，因此普通列车的防滑器已不能满足高速列车制动作用的需要。近年来在国外例如日本已采用了高精度控制的新一代防滑器，其主要特

点是检测精度高、微机处理时间短、排风阀灵敏度高并采用新型的模糊控制方法，因此能减少防滑过程中的制动力损失，提高粘着利用和防止高速时的车轮打滑。

参考文献:

[1]铁道概论 / 龚娟主编. --北京：人民邮电出版社，2015.02 [2]车辆工程导论/赵怀瑞主编.中国铁道出版社，2015.09 [3]大国速度：中国高铁崛起之路.湖南科学技术出版社，2017.03 [4]车辆构造与检修（第二版）/袁清武、于值亲主编.中国铁道出版社，2016.01