摘要：动车组基础制动装置是动车组制动指令的执行机构，主要包括制动夹钳单元、制动盘和制动闸片等部件，是确保动车组安全运行的最主要手段，当再生制动失效或特殊情况下触发紧急制动时，是确保列车平稳停车的有效保证。在分析国外高速动车组、国内高速动车组基础制动装置配置情况的基础上上，深入探讨了目前存在过热、等问题，提出新型制度方式、新材料、新结构等未来发展方向。
关键词：动车组；制动系统；涡流制动；磁轨制动
前言
自1964年，日本首列0系动车组开行起，德国、法国等欧洲国家相继投入运行动车组。基础制动作为动车组的关键组成单元，各国投入了大量的研究，取得了巨大的成果。我国自2007年开行首列动车组以来，在原有经验基础上，研制出了适合我国国情的基础制动装置，并已在中国标准动车组上进行装车试验。
高速动车组由于速度高、制动热负荷大、制动距离有限制，对基础制动装置提出了更高的要求，一是必须能够承受紧急制动时产生巨大的热负荷，将制动盘产生的巨大的热能转化为热能消散在大气中；二是要求基础制动装置动作灵活、可靠性高，当再生制动失效或发生紧急情况时，能够仅仅依靠基础制动装置停车；三是要求基础制动装置结构紧凑、高效、轻量化，在确保制动力足够的情况下，减轻轴重；四是要求制动盘和闸片有足够的耐磨、耐热及良好的散热性，避免过热后裂损，确保摩擦系数稳定；五是要求基础制动装置有良好的环境适应性，能够在动车组运行的恶劣环境下保证长期、稳定的工作。
一、国外高速动车组基础制动系统情况
1.1日本
日本新干线车辆以电气再生制动为主，空气盘形制动为辅，但是空气盘形制动是最主要安全制动方式。制动盘材料从300系开始，一直使用带散热筋的高强度合金锻钢材质；制动夹钳单元主要采用三点浮动式活动钳式制动杠杆装置；闸片采用粉末合金闸片。
1.2法国
法国高速动车组TGV-A型最高运行速度达300km/h，动车组基础制动装置采用闸瓦踏面制动，使用高摩擦系数的粉末冶金闸瓦代替了铸铁闸瓦，电阻制动为主（75%），闸瓦制动为辅（25%）；拖车采用盘形制动方式，每轴采用两对双盘结构，制动盘结构采用了不通风锻压圆盘结构，具有很高的耐热疲劳及耐热冲击能力；制动闸片采用了粉末冶金材质代替了合成闸片，具有高稳定性。
1.3德国
德国ICE3除了动轴上带有再生制动装置外，还在动力和非动力转向架上装有盘形制动装置，动车为轮盘，拖车为轴盘，制动材料均为合金钢，无通风式，采用粉末冶金闸片。为减轻轴重及降低维护成本，ICE3的拖车上采用无磨耗且不依赖轮轨粘着的线性涡流轨道制动机。
二、我国高速动车组基础装置配置情况
2.1 CRH1型动车组
CRH1型动车组主要依托XX车型，动车转向架采用再生制动和摩擦制动，拖车转向架仅用摩擦制动，当动力制动和摩擦制动共同使用时，再生制动永远具有优先权，不足时则由摩擦制动补偿。动车组每个车轮安装一套铸钢材料的轮装制动盘，拖车上每根轴安装3套铸铁轴装制动盘，制动夹钳单元采用紧凑型夹钳。效果如何？
2.2 CRH2型动车组
基础制动装置采用盘形制动方式，主要由制动盘、制动夹钳单元、闸片等部件组成。制动盘采用锻钢材料，轮装制动盘是通过均布的12个连接螺栓安装在车轮辐板上，轮盘的背面设置散热筋，可提高盘片的承载刚度；轴装制动盘为分体式，无需退轮即可进行更换。制动夹钳采用空-液转换，在提高制动压力的情况下减轻了制动盘结构，节省空间、减轻质量。
2.3 CRH3型动车组
每个拖车轴上安装了三个轴装制动盘和制动夹钳单元，其中一个制动夹钳单元集成了弹簧停放制动缸；每个动车轴上装配了两套轮装制动盘和制动夹钳单元。制动夹钳单元均有自动间隙调整功能，分为带停放制动型和不带停放制动型。闸片采用带弹性原件的粉末冶金闸片。
2.4 CRH5型动车组
所有车轴都配备盘形制动装置,每个动轴2套,每个拖轴3套;制动盘为钢制,采用轴装形式;闸片采用烧结的粉末冶金材料,允许最高温度600℃。除T2车外其他7辆车都装有2个停放制动单元,同时配有手动缓解装置。
2.5 CRH380A型动车组
基础制动为M车、T车均采用气动盘式制动装置，采用RZKK型采用RZKK 型气动紧凑式制动夹钳单元。以及浮动式闸片，可以制动力分布更为均匀，有效地减少热斑、颤振，并可以进一步减轻重量，闸片采用浮动式冶金粉末闸片。
2.6 中国标准动车组
中国标准动车组基础制动装置采用全自主知识产权的部件，主要包括制动盘、闸片以及制动夹钳单元。动车每根轴上安装2个铸钢轮装制动盘及三点吊挂式制动夹钳单元；拖车每根轴安装3个铸钢轴装制动盘及制动夹钳单元，其中部分制动夹钳单元具有停放制动功能。轮装和轴装制动盘采用铸钢材料，其热负荷性能满足动车组制动要求；制动夹钳单元为传统三点吊挂式结构，具有自动间隙调节功能；闸片采用弹性浮动结构,为粉末冶金材料。
三、基础制动系统构成与存在问题
3.1制动盘
随着动车组速度越来越高，制动负荷越来越大，制动摩擦原理决定了如果制动盘在制动过程中不断产生磨损甚至裂纹，就必须更换，对动车运行安全和运营成本有较大的影响。因此，对制动盘的各项性能指标提出了更高的要求。
3.1.1材质分析
动车组制动盘采用了铸钢材料，加入了铬、镍、锰、钼及其它合金元素，形成了奥氏体耐热铸钢盘，通过热处理改善力学性能，具有较高的强度和良好的韧性。
3.1.2力学性能分析
制动盘材质在室温、低温及高温600摄氏度下，进行抗拉强度、屈服强度试验，能够满足基本性能指标；在低温时，对其冲击AKU2均大于8KJ，满足低温脆性要求；在室温时伸长率均大于6%，满足基本条件。
3.1.3热学性能分析
对材料进行平均线性膨胀系数及导热率试验，随着温度变化而变化，但是变化趋势比较平缓，从而减缓制动盘裂纹的生成，延长寿命周期。
3.1.4试验分析
按照1:1比例，在制动盘动力台架进行试验分析，在不同的工况下进行试验，通过试验表明制动盘具有较强的热物理性能、耐热疲劳性、良好散热性以及较好的冷热态一致性。
3.2制动闸片
国内外高速列车制动闸片均采用粉末冶金材料，具有良好的耐磨性、导热性和耐热性，且摩擦系数较为稳定受天气影响较小。但对于高速列车来说，由于热负荷大幅提高，如果出现材质问题，将对制动盘产生影响，同时磨耗过快。这里将重点介绍我国在自主研制过程中的一些经验和试验。
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3.2.1发挥石墨元素作用
铜基摩擦材料中石墨的含量对材料的密度、摩擦系数、磨损率都有很大的影响。为了充分发挥石墨在闸片中的作用，在研究过程中对石墨的粒度分布、硬度高低以及配方中所占比例做了大量的试验，发挥了石墨作用，最终确保了产品性能的均匀和稳定，提高了粉末的流动性。
3.2.2降低闸片材料硬度
通过降低合金材料的比重，降低铜基材料的硬度，提高材质的粘着力，稳定摩擦系数，降低对制动盘的磨损，充分发挥石墨的润滑性，防止金属材质向制动盘转移。
3.2.3提高闸片密度
通过采用特殊的烧结工艺，改变金属的金相材质，基体组织石墨元素均成层分布，这样闸片材料更加均匀、致密。
3.2.4热处理
为了减小摩擦系数在低速和高速制动时的差异，并使摩擦系数在整个制动过程中保持稳定，对闸片进行热处理，使金属晶格重新排列，消除闸片内部应力，降低硬度，彻底消除制动噪音，使闸片磨耗量进一步降低。
3.2.5试验情况
通过对国产闸片1:1制动力试验，可以确定我国在高速动车组粉末冶金闸片方面已经取得了巨大的成功，一是摩擦系数曲线表明瞬时摩擦和平均摩擦系数符合UIC标准；二是国产闸片具有良好的耐磨性；三是试验过程中，闸片在各种速度下均能满足制动距离相关要求；四是试验过程中，制动盘未出现热斑，也没有划痕和凹槽；五是试验中没有发现偏磨、金属镶嵌等现象。
3.3制动夹钳单元
制动夹钳单元是基础制动装置的重要组成部分，是列车制动的关键部件，下面将重点介绍气动式制动夹钳单元的作用原理、结构及性能。
3.3.1作用原理
来自制动管路的压缩空气充入制动缸，压力空气作用在制动缸活塞面上，推动制动缸活塞往外移动，制动缸活塞通过引导弹簧并经过引导螺母和间隙调整器将制动缸中的丝杠推出，固定丝杠上的连接杆与丝杠一起动作，推动制动缸产生动作，从而使制动夹钳夹紧制动盘，产生制动力，使列车制动。
3.3.2结构
制动夹钳单元主要由制动缸、吊架、制动杠杆、闸片托、闸片等部件构成。采用3点吊挂安装方式，将制动夹钳单元安装在转向架上。制动夹钳单元吊销内部有橡胶套，可以减小或缓冲对转向架与制动夹钳单元之间的冲击和振动。闸片和闸片托之间采用卡簧紧固，依靠制动杠杆的放大作用，将活塞力进行一定倍率放大，转化成制动夹钳单元的闸片压力施加到制动盘上。
3.3.3性能分析
通过试验分析，发现在相同工况下，制动夹钳单元各部件中闸片托的平均振动加速度最大，而吊架的平均振动加速度最小；在相同制动工况下，制动夹钳各部件中，每个部件的横向振动要大于其它方向的振动；在相同速度下，采用不同制动模式，随着制动夹钳单元制动力增加，制动夹钳单元各部件的振动平均加速度逐渐增加。
四、改进措施及未来研究方向
4.1新型制动方式
4.1.1线性涡流制动
为了提高制动性能，德国在1CE3中率先采用了再生制动、涡流制动和空气制动的模式，使用涡流制动代替部分空气制动，大大降低了磨耗，减轻了盘型制动的承受负荷，提高了制动率。
线性涡流制动属于非粘着制动，不仅工作时无磨损，而且是一种与钢轨机械粘着力无关的制动装置。由于涡流制动相对稳定，对于改善乘坐舒适性意义重大，十分适用于高度动车组。线性涡流制动通过磁力产生制动力，连接在车体上的制动蹄像电磁铁一样工作，在轨道上生成涡流，变成磁力源。
随着列车速度不断提高，空气制动的负荷逐步接近制动盘极限，迫切需要引入涡流制动等先进的制动方式，优化制动方式，将逐渐成为我国高度铁路基础制动装置新的研究方向。
4.1.2磁轨制动
磁轨制动通过使列车转向架上的磁铁放下，利用磁铁与轨道间的吸引力来产生较大的摩擦力，从而使列车减速，不受轮轨粘着的影响。磁轨制动装置主要励磁电路、构架、制动梁、升降风缸、电磁铁等构成，制动力可调。
目前磁轨制动这种非粘着制动模式仍未应用于高度动车组，但是随着盘型制动模式负荷越来越大，磁轨制动制动模式应用于高速动车组趋势势在必行，成为我国高度动车组未来发展的新方向。
4.2 轻量化研究
轻量化研究意义重大，一方面是考虑节能问题[3-7]，但最重要的还是减轻轴重，避免对轮轨冲击过大。因此，轻量化研究属于未来基础制动装置研究的一个方向，轻量化研究主要着眼于以下两个方面：通过优化制动夹钳单元结构，如小型化制动夹钳单元的研究，将大大改善转向架下部空间不足的问题，同时也减轻了转向架重量；二是新材料的研究，主要是制动盘材料的优化，如将铸铁盘改为铸铝盘，将大大减轻制动盘重量。
结束语
随着高速列车技术的发展，制动系统的总体发展趋势是以微机控制直通电空制动控制系统为基础，以安全、可靠、舒适和环保节能为目标，通过不断改革和创新，最终向高度自动化、智能化方向发展。
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论文作者:梅吉祥
论文发表刊物:《基层建设》2017年第7期
论文发表时间:2017/7/12
标签：车组论文; 夹钳论文; 单元论文; 装置论文; 基础论文; 涡流论文; 摩擦系数论文; 《基层建设》2017年第7期论文;