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摘要：本文将以铁路动车组对制动系统的要求进行分析，简要总结目前制动系统技术优缺点并预测其技术发展趋势。
关键词：铁路动车组，制动系统，发展趋势
1背景
目前我国设计制造了大量不同速度等级、不同型号的铁路动车组，采用各种新技术、新材料和新工艺。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新的要求，必须满足以下要求：
安全性要求；
操纵灵活、制动灵敏度高、减速快；
具备动力制动能力；
轻量化要求；
维修保养要求；
本文将以制动系统要求为基础，简要总结目前制动系统技术优缺点并预测其技术发展方向。
2 安全性
制动系统设计严格按照“铁路技术管理规程”规定的制动距离要求进行设计，保证动车组在规定的制动距离内停车。按照动车组制动力的形成分类，分为黏着制动与非黏着制动。黏着制动影响因素一是车轮和钢轨的表面状态，二是列车运行速度，影响因素非常复杂，其中轮轨表面状态影响较大，黏着系统与列车运行速度关系如下图1示意。
目前国内高速动车组基本采用电空制动方式或者再生制动，最终均依靠轮轨接触区域满足黏着条件，才能发挥正常制动力。制动力取决于轮轨间的黏着系数，而黏着系数又是随着列车制动初速度的增加而下降。
随着列车的不断提速，可利用的黏着资源越来越少。当需要进一步提高列车运行速度时，就会增大了因为制动力超过黏着的滑行概率，特别是地面线路在天气恶劣的情况下极容易产生车轮的擦伤，黏着问题变得越来越严重，另一方面制动能力要求更大。
因此未来制动系统应考虑采用非黏着制动作为主要制动方式或者作为辅助紧急制动系统。非黏着制动方式主要有，翼板制动、磁轨制动，储能制动等。
翼板制动可以作为辅助制动手段，成为高速动车组主要减速手段，使列车处于无摩擦，非黏着式的制动作用下减速，在中速及以下速度范围，可以继续采用常规制动方式，翼板制动原理如下图2所示：
图2 翼板制动原理
磁轨制动通过布置在转向架上的磁铁吸附在轨道上，并使磁铁在轨道上滑行产生制动力，相当于将列车的动能转换为热能，消散于大气，产生的制动力不收黏着条件限制。
储能制动在城际间或者站间距较短的线路，列车启动、制动频繁，因此要求启动加速度和制动减速度大，制动平稳并具有良好的制动性能，在不具备再生反馈条件时，如果能将制动的能量暂时存储起来，可以在加速或者启动过程中加以利用，对减低允许能耗、节约运输成本是非常有意义的。储能方案主要有电容储能和飞轮储能型。电容储能和飞轮储能再生制动能量吸收装置主要用逆变器将列车的再生制动能量吸收并存储到超大电容的电容器或飞轮机电系统中。目前超级电容已经用在公交电动车辆项目上。从技术观点分析，该技术应用于铁路动车组的制动能回收具有很好的前景。飞轮储能作为新型机械储能方式，又叫机械电池，基本原理是由电能驱动飞轮加速到高速旋转，电能转化为机械能储存，当需要电能时，飞轮驱动电动机作为发电机运行，飞轮减速，将动能转换成电能。目前飞轮储能技术在电力系统调峰、汽车功能、鱼雷、大功率机车等方面应用。是一种具有光机电一体化的高新技术产品，能够在短时间内存储制动过程列车的动能，并能在需要的瞬间输出强大的电能以满足车辆起步加速时的需要，大大提高了车辆的动力性能。主要缺点是体积和重量方面有待改进，相信未来超级电容和超级飞轮会突破体积和重量的壁垒，成为高铁列车储能制动方式。
3操纵灵活，制动灵敏度高，减速快
目前制动系统控制方式主要通过制动手柄依靠司机施加和缓解制动。随着5G、大数据、人工智能等技术的发展，高铁列车无人驾驶技术正加速从研发走向应用，未来高铁列车控制方式必然会向无人驾驶方面发展。
4具备动力制动能力
从能量观点分析，制动过程实际是将列车的动能转移成别的能量的一种方式。目前动车组制动动能转移方式一是通过摩擦制动方式（闸片压紧制动盘）转换为热能，消散于大气；二是通过牵引变流器逆变为发电模式，将列车动能转化为电能，反馈给接触网。因此未来制动系统设计必然最大限度使用动力制动方式，降低或不使用摩擦制动的制动力。
5轻量化
通过改善结构、工艺制定、材料选择等途径减少制动系统部件的技术和方法，进而实现降低制动成本、提高机械效率、节约能源的目标。目前设计过于保守，在设计阶段一般选用较大的安全系数，没有高度重视轻量化设计，导致动车组设计完成后总体重量较重。未来制动系统设计发展的主要指导思想是在确保稳定提升制动性能的基础上，轻量化、模块化、多功能化设计制动系统。
6维修保养
目前制动系统检修分为运用修和高级修，运用修主要为状态修，高级修为深度修，均是硬性规定时间或里程以先到为主进行检修，按照相关检修规程标准进行。但由于车辆的使用率不一致，造成了检修与车辆技术状态不相适应的情况。对于有些部件，往往未到高级修时间，已经出现了无法满足使用要求报出故障，而有些部件虽到修程但状态良好，为保障到下一修程只能进行检修，造成检修资源的浪费，维修成本增高。随着检修经验积累、大数据、健康管理、寿命研究等方法深入开展，未来检修趋势会由整列定期修转变为独立部件的定期检修方式，实现资源使用率最大化。
7结语
通过对铁路动车组制动系统安全、操纵灵活减速快、具备动力制动能力、轻量化、维修保养等方面的分析说明，预测提出了未来会向更安全、无人驾驶、制动响应快、以再生制动为主、模块化及轻量化、智能维护的发展趋势，对制动系统设计开发及维护具有一定的参考意义。
参考文献：
[1] 愈绩伟.城市轨道交通车辆制动系统的特点及发展趋势研究.科技展望 2016.第29期
[2] 王月明.动车组制动技术.中国铁道出版社 2012.
论文作者:全德,刘小伟,魏晓华
论文发表刊物:《基层建设》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/11
标签：车组论文; 制动系统论文; 列车论文; 方式论文; 飞轮论文; 储能论文; 动能论文; 《基层建设》2019年第23期论文;