第２期（总第４８０期） 铁道机车与动车 ２０１４年２月 中国轨道交通装备制动技术之现状与发展方向 曹国炳 （中国北车股份有限公司，北京１０００７８） 摘要：通过对国内外轨道交通装备制动技术现状分析、比较，提出我国轨道交通装备制动系统 的不足之处，并建议我国制动技术将标准体系、系统平台、微机技术、基础制动技术、部件可靠性、先 进技术应用等作为今后的发展方向。 关键词：轨道交通装备；制动技术；标准体系；现状；发展方向 中图分类号：Ｕ２６０．３５ 文献标识码：Ａ 文章编号：２０９５－５９０１（２０１４）０２－０００１－０４ ＩＣＥ为代表，动力分散模式以日本新干线为代表。 １概述 ２．１动力集中式动车组制动技术 ２０１２年底，中国铁路营运里程达到９．８万ｋｍ， 法国ＴＧＶ动车组系列基本上采用微机控制自 居世界第２位。２０１３年９月底，中国投入运营的高 动式电空制动技术，磁轨制动或线性涡流制动。动 速铁路营运里程超过９ ７００ ｋｍ，居世界第１位，中 力制动２５０ ｋｍ／ｈ以下采用电阻制动，３５０ ｋｍ／ｈ以 国铁路在国际铁路中已占有重要的地位。然而，作 下采用再生制动加电阻制动方式。基础制动部分 为铁路轨道运输装备的重要系统——制动技术，却 ２５０ ｋｍ／ｈ以下采用铸钢盘，３５０ ｋｍ／ｈ以下采用锻 制约着铁路轨道运输装备在全球的大发展。本文 钢盘，所有动车组均采用微机控制空气防滑器。 概述了目前国内外轨道交通装备制动技术现状，通 德国ＩＣＥ一１、ＩＣＥ－２动车组采用微机控制自动 过比较对我国轨道交通装备制动技术进行了分析， 式电空制动技术，磁轨制动、动力制动采用再生制 在此基础上对今后我国轨道交通装备制动技术发 动。基础制动部分２５０ ｋｍ／ｈ以下采用铸钢盘，３５０ 展方向提出了建议。我国制动技术的良好发展，必 ｋｍ／ｈ以下采用锻钢盘，所有动车组均采用微机控 将提高国产制动机的水平和质量，对某些国家某些 制空气防滑器。 特殊要求的铁路轨道运输装备不再进口制动机，降 动力集中配置方式适用于车站之间距离长，起 低制造成本，增强市场竞争力，大力推进和促进出 动加速、制动减速不是很频繁的线路。具有技术经 口、ｉ 务。 济指标较高、维护检修方便、列车噪声小等特点。 ２．２动力分散式动车组制动技术 ２国际动车组制动技术 日本０系、１００～７００系、Ｅ１一Ｅ４系采用微机控 国际动车组按动力配置可分为动力集中和动 制直通式电空制动技术，旋转涡流制动（ＥＣＢ）、动 力分散两种模式。动力集中模式以法国ＴＧＶ、德国 力制动采用再生制动。德国ＩＣＥ－３采用微机控制 自动式电空制动技术，线性涡流制动、动力制动采 用再生制动。０系、１００￣２００系动车组制动盘采用 收修回稿日期：２０１３．１１－２１ 铸钢盘，３００～７００系、Ｅ１一Ｅ４系动车组制动盘采 作者简介：曹国炳（１９５６一），男，河北阳原人，高级工程 用锻钢盘。所有动车组均采用微机控制空气防滑 器。目前铝合金制动盘、碳纤维制动盘也已开始研 铁道机车与动车 ２０１４证 究、运用。 动力分散配戥方式适用于城市密集，车站之问 距离短，频繁起动加速、制动减速、加（减）速度大 等要求。具有技术经济指标好、总功率大、加减速 快、轴霞轻、维护费用低、噪声小、结构简单、编组灵 活等特点。 ３国际机车、车辆制动技术 欧洲网家多、版图小，铁路运输采用客、货混编 方式，短编组，速度高；机车多为电力机车，速度一 般小于２００ ｋｍ／ｈ，采用ＰＢＬ型、Ｋｎｏｌｘ或ＳＡＢ ＷＡＢ— ＣＯ型微机式制动机，车辆采用符合ＵＩＣ规程的三 压力机构空气分配阀，机车车辆均采用电空制动 机，盘式基础制动装置。 以美国、加拿大为代表的美洲圈家，还有大洋 洲的澳大利亚，非洲的南非等国家，以货车为主，并 已开行疆载货物列车。机车多为内燃机车，速度一 般小： ２００ ｋｍ／ｈ，采用符合ＡＡＲ标准的２６一Ｌ型空 气制动机、ＣＣＢ ＩＩ、Ｆａｓｔｂｒａｋｅ型微机式制动机；货车 采用符合ＡＡＲ标准的ＡＢ、ＡＢＤ、ＡＢＤＷ、ＡＢＤＸ， ＤＢ一６０空气制动机，运煤、运矿石专线开行１—２万 ｔ及以上重载货物列车时，制动系统采用网络式电 空制动（ＥＣＰ）制动技术，踏面式基础制动装置。 ４ 中国轨道交通装备制动技术之现状 ４．１动车组制动技术 我国目前和谐号动车组系列制动装备均为微 机式电宅制动技术，但均引进国外制动机公司产 品，除ＣＲＨ２型动车组采用日本ＮＡＢＣＯ制动产品， 其他车 均采用克诺尔公司制动产品。 ４．２机车制动技术 解放前 我国铁路机车制动机几乎完全依赖进 口，且绝大部分是美国韦斯汀毫斯公司的空气制动 机，如蒸气机车上的ＥＴ－６型机车空气制动机。到 了２Ｏ世纪６０年代初期，由ＥＴ－６演变成适应双端 操纵的ＥＬ一１４型机车空气制动机，并开始在电力、 内燃机车上大量装用，至２０世纪８Ｏ年代被新型制 动机取代，逐步退出了历史舞台。 ２０世纪７０年代后期，我国相继研制成功ＪＺ－７ 型机车空气制动机和ＤＫ一１型机车电空制动机，并 在２Ｏ世纪８０年代初期开始在内燃和电力机车上 批量装车使用。ＪＺ－７型机车空气制动机及ＤＫ一１型 机车电空制动机分别是在美国２６。Ｌ型机车空气制 动机及法国ＰＢＬ２型机车按钮制动机的基础一卜，按 照中国铁路机车的有关标准与规程等要求，由我国 制动科技人员自行开发的新型机车制动机。随着 货物列车牵引质量的提高及准高速客运列车的开 行，Ｊｚ一７型机车空气制动机及ＤＫ．１型机车电空制 动机逐步得到功能的补充与完善。 ２１世纪初期，我国开始研制ＤＫ．２型微机控制 式制动机，该型制动机控制水平接近国际水平，目 前该型制动机样机已研制成功，并在中冈支线铁路 机车上小批量装车运用。 近几年来，我国和谐型机车引进了国外先进的 ＣＣＢＩＩ、ＥＵＲＯＴＲＯＬ等机车制动机。这些制动机无 一例外地采用了微机控制技术，尤其是在２６．．Ｌ制 动机基础上发展而来的ＣＣＢＩＩ型制动机，其集成 化、模块化、信息化技术应用程度相当高，并且在大 秦线实现ｒ与ＧＥ公司的Ｌｏｃｏｔｒｏｌ控制系统配合使 用，实现了机车分布式重联控制，使得大秦线得以 开通２万ｔ级的重载列车。 ４．３车辆制动技术 我国车辆制动也经过了引进、创新的过程。最 早采用Ｇ型分配阀，根据实际运用情况进行了完 善，设计‘丁ＧＫ型分配阀，随着蘑载、高速运输要求 自主研发了货车１０３型、１２０璎分配阀，客车Ｆ８型、 １０４型分配阀。日的，我国货车基本采用１２０型、客 车基本采用１０４型空气分配阀。 ５ 国内外轨道交通装备制动技术比较 ５．１动车组制动技术比较 目前国外高速列车、动车组技术参数特性表见 表１。 我国ＣＲＨ型动车组引进德国、法国、日本技 术，技术基本相当。 ５．２机车、车辆制动技术比较 国内外机车制动技术发展见表２。 现以克诺尔公司ＣＣＢＩＩ与我国Ｊｚ一７、ＤＫ．１型 制动机进行简单技术比较，说明机车制动机间差 距。 （１）ＣＣＢＩＩ制动机采用微处理分布式ＬＯＮ网 络控制，具有液晶显示功能，其网络拓扑结构合理， 运算速度高，系统故障判断准确，可同机车微机进 行数据通讯，满足机车智能化操作。ＪＺ－７采用纯空 气控制，响应速度慢，系统故障无法智能显示，ＤＫ一１ 第２期（总第４８０期） 曹国炳：中国轨道交通装备制动技术之现状与发展方向 ３ 虽采用电气控制，响应速度有所提高，但仍没有微 ＬＯＣＯＴＲＯＬ远程控制，满足万吨重载列车运行控制 机及网络系统，无法实现智能控制。 要求；ｊｚ一７、ＤＫ一１目前无法实现此功能，最多牵引 （２）对于均衡风缸、列车管、制动管等制动机 ５ ０００ ｔ。 压力，ＣＣＢＩＩ采用传感技术单独进行闭环控制，响 （４）ＣＣＢＩＩ采用ＬＲＵ职能模块化安装方式，可 应快、精度高，冗余性好；ＪＺ－７、ＤＫ．１采用开环控制， 实现系统在线或检修中快速更换，降低故障占线时 需人工干预，响应慢、精度低，冗余性差，无法实现 间和故障维修时间；ｊｚ一７、ＤＫ．１属于散件管路式组 列车制动的精确控制。 装，故障部件查找及检修更换不方便。 （３）ＣＣＢＩＩ通过预留接口可实现列车ＥＣＰ或 表１ 国外高速列车、动车组技术参数特性 动车组类型 日本２００系 日本３００系 日本５００系 日本７００系 法国 法国 法国 德国ＩＣＥ１ 德国ＩＣＥ２ ＴＧＶ．ＰＳＥ ＴＧＶ．Ａ ＴＧＶ－Ｔ １９９１ 运营年份 １９９０ （试运营） １９９６ １９９７ １９８３ １９８９ １９９１ １９９７ 最高运行遗 ・ｈ ２７５ ２７０ ３００ ２７０ ２１２ ３００ ３０ｏ ２８０ ２８０ ２Ｍ＋１２Ｔ 列车编组方式 １２Ｍ ｌＯＭ＋６Ｔ １６Ｍ １２Ｍ＋４Ｔ ２Ｍ＋８Ｔ ２Ｍ＋１ＯＴ ２Ｍ＋ｌ８Ｔ （１４Ｔ） ２Ｍ＋１４Ｔ 牵引方式 电动车组 电动车组 电动车组 电动车组 电动车组 电动车组 电动车组 电动车组 电动车组 动力布置 动力分散 动力分散 动力分散 动力分散 动力集中 动力集中 动力集中 动力集中 动力集中 列车总功率／ｋＷ １ｌ ０４０ １２ ０００ １８ ２４０ １３ ２ｏｏ ６ ３０ｏ ８ ８００ ９ ６ｏｏ ４ ８００ 轴重／ｔ １７ １１．３ １１．３ １６ １７ １７ １６ 动车 电阻制动 再生制动 再生制动 再生制动 电阻制动 电阻制动 电阻制动 再生制动 再生制动 盘形制动 盘形制动 空气制动 涡流制动 踏面制动 盘形制动 盘形制动 制动方式 拖车 旋转涡流制 盘形制动 盘形制动 盘形制动 盘形制动 盘形制动 盘形制动 踏面制动 磁轨制动 磁轨制动 制动距离／ｍ ３ ５００ ３ ５ｏｏ ３ ５００ ３ ５００ ３ ２０ｏ ３ ５ｏ０ ３ ５ｏｏ ３ ５ｏｏ ３ ５００ 线路最大坡度／％ｏ １５ ２０ ３５ ２５ 轨距／ｍｍ １ ４３５ １ ４３５ １ ４３５ １ ４３５ １ ４３５ １ ４３５ １ ４３５ １ ４３５ １ ４３５ 表２各国机车制动技术发展历程 ５．３车辆制动技术比较 运用。 北美车辆空气分配阀不断完善，随着重载要求 ５．４动车、机车、车辆制动技术发展特点 其纯空气控制机构已不能完全满足运用需要，现已 （１）发展时间短。动车组方面日本新干线已 根据ＥＣＰ技术在原有的空气分配阀基础上发展了 发展了５Ｏ年，德、法等欧洲国家也已发展了２０～３Ｏ 电空分配阀。欧洲车辆编组小，但速度较高，为满 年，而中国动车组技术仅仅发展了不到１０年的时 足客、货运运输要求也已发展了电空分配阀。２０ 间。 世纪９０年代，我国在客运车辆上曾研究了１０４、Ｆ８ 机车车辆方面我国建国后先大量采用引进技 型电空分配阀，但因各种原因目前还没有大量投入 术，中间因运用需要研制了纯空气及电气控制制动 铁道机车与动车 ２０１４经 品。但后续刚家没有投入太多时间进行微机控制 普先进技术在制动技术上应用的研究。 ２ 发展方式不同。Ｈ本及欧美等国家均建 ｊ 枉自点创新的越础上进行动车、机车车辆制动技 求发艇。 本其新＝｝：线动车制动装备采用本国 Ｉ、｛ＡＢＣＯ公司产品，法国ＴＧＶ动车制动装备采用本 法维菜公司产晶，德国ＩＣＥ动车制动装备采用本 ㈠兜 尔公司产品。各国均根据本国动车、机车、 ｔ 的发展战略培养了自己的制动技术研究、研制 机构。 我困制动技术自主创新能力不足，为快速发展 铁路运输装备水平，近几年发展的动车、机车制动 技术均采『｝ｊ弓ｉ进、消化再吸收的方式。目前，我国 处于哆ｌ进后消化阶段，制动机研究机构还没有具备 充分的自主研发能力。 （３）制动技术标准体系不完善。世界各发达 家均建立了适合自己的完善的制动技术标准体 ，如北美国家建立了ＡＡＲ标准体系，欧洲国家建 ｒ １１ＩＣ标准体系，各标准体系对本行业的接口、 技术要求、未来发展均进行了整体规划和具体要 求。 我国机车车辆制动技术经过近几十年发展虽 建 一些标准，但没有进行统一规划，标准体系 还不完善，而动车组方面各标准还在建立完善过程 ＩｌＩ，。 （４ｊ未将成熟、先进的科学技术运用到制动系 缆。、 界各发达国家由于标准体系完善，具有自主 倒新的能力，根据困际科学技术的发展，不断将先 迓的技术运刚到制动系统中，如微机控制技术、局 城 技术、分布式控制技术、铸造技术、电磁技术、 生制动技术、传感技术等不断投入应用。 我国制动技术仍停留在空气控制及电气控制 阶段，对新技术的研究及应用不够深入。 ６ 中国轨道交通制动技术发展方向 根据日前国家发展状况及我国现状，建议我国 轨道交通制动技术在以下几个方面进行发展。 （１）制定完善的制动系统标准。制动系统标 准的制定在很大程度上指导并约束着制动技术的 发胜。＿７Ｏ年代国家针对自主研制的制动系统，编 制厂棚庸的技术标准，曾起到重要的作用，适应了 当ｌｉ’｝铁路行业的发展。在当今制动技术飞速发展 的时代，原有标准明显不能适应发展的步伐。我们 应抓住发展机遇，首先建立标准体系，结合国际标 准建立适合本国的标准体系；其次应考虑该体系对 今后发展的指导作用，使其在未来一段时间能够适 应发展需求；最后应考虑标准的国家通用性和包容 性，制定过程中应考虑与国际接轨。 （２）搭建统一的制动系统平台。随着制动新 技术的不断采用，较少的安装空间、较多的部件需 要制动在保证性能的基础上，采取集成化、模块化， 该平台的搭建将有利于整车的设计，并有利于用户 的检修和维护。北美已建立ＣＣＢＩＩ模块化平台，欧 洲已建立ＭＢＳ模块化平台，我国应借鉴国际经验， 结合自身的情况搭建自己的系统平台。 （３）自主发展微机式控制系统。当今，随着电 子技术的发展及微机的利用，国际上普遍采用微机 进行全面控制。日本的新干线、欧洲的动车组、美 国的重载机车、欧洲的客运机车制动系统均采用微 机控制方式。我国目前还没有自己成熟的动车、机 车微机控制系统，我们应在前期动车、机车制动系 统技术引进的基础上大力发展微机控制系统。 （４）自主发展基础制动装置。随着Ｊ０Ｌ：车、动车 速度的提高，基础制动已由踏面式转变为轮盘式或 轴盘式制动装置，我国目前对动车组制动盘仍采用 进口产品，机车制动盘原材料仍由国外进口，我们 应大力研究基础材料，争取在基础制动装置上有所 突破，为我国今后高速机车及高速动车的自主研制 奠定基础。 （５）重视制动部件可靠性。制动系统直接危 及列车的行车安全，其中制动部件的可靠性应给予 充分的重视。目前国内制动机随着技术引进，生产 设备、工艺改善，其性能可靠性得到了进一步提高。 但由于轨道装备运用速度的进一步提高、试用范围 进一步的扩大，对高热量转换、高海拔、高寒、高紫 外线等适应性要求进一步提高，我们仍需对制动设 计、制造采取更加严格的手段进行更加严格的控 制。 （６）将先进科学技术应用到制动系统。随着 国际科学技术的发展，我们应对制动技术进行总体 考虑，同时将各类成熟技术运用到制动系统中来。 如大力研究磁轨制动、轮盘涡流制动、电阻制动、再 生制动、空气阻力制动、ＥＣＰ控制、空气防滑等制动 相关技术，以保证轨道交通产品在较短的距离内安 全停车，满足高速列车的运用要求。 【下转第４４页】 铁道机车与动车 ３小型直流电磁接触器 小型直流电磁接触器一般额定电压为ＤＣ １ １０ Ｖ，电流有４Ｏ Ａ、６０ Ａ、８Ｏ Ａ、１２０ Ａ、１５０ Ａ、１８５ Ａ等 几种。小型直流电磁接触器目前控制方式相对单 一２０１４正 间内输 触发信号。在接触器触头完全断开之前， 由于触头间接触电阻的急剧增加，触头两端电 降 也急剧上升，当此压降达到８～１０ Ｖ时，足以使可 控硅处于导通工作状态。随着接触器触头的即将 分断，流经触头的电流由于触头接触电阻的急剧增 大而转移到与之并联已处于导通工作状态的可控 硅上。在触头断开时，由于电流已经完全转移到可 ，都为单线圈结构，无起动保持状态的区别。小 型直流电磁接触器常见故障为不吸合、犯卡，或者 是主触头及灭弧系统烧损。 ３．１ 小型直流电磁接触器的不吸合、犯卡 控硅上，几乎没有电流通过主触头，触头不会产生 电弧。在智能模块支撑电容的电量耗尽后，触发信 号消失，可控硅截止，实现了对电路的无弧分断。 （２）采用ＰＴＣ元件的控制电路实现接触器触 头的无弧分断。ＰＴＣ元件即正温度系数元件，ＰＴ． ＣＲ即为正温度系数电阻。某种材料具有ＰＴＣ效 目前部分厂家为解决不吸合、犯卡问题，在接 触器的顶部增加了一个应急装置，在接触器出现不 吸合情况时，可人为推动使其吸合，但如此方式还 是未能解决根本问题。对于接触器不吸合或者犯 卡的情况，归根结底还是起动电流不够，接触器吸 合时起动力不足造成。对于此问题，可参照２．３所 列两种方法对接触器的起动、保持状态进行改进， 使接触器获得足够大的起动力。 ３．２小型直流电磁接触器主触头及灭弧系统烧损 应是指在工作温度范围内，材料的电阻率随温度的 增加而增加。类似于金属电导性的材料其电阻率 变化与温度变化成正比的线性缓变效应，皆称之为 线性ＰＴＣ效应。有的材料存在一临界温度，在低 对于主触头烧灼的问题，第一种原因为接触器 触头压力不够，通过２．３的方法可解决这问题；第 二种原因则是接触器分断时拉弧造成，由于小型直 于此临界温度的一个范围内，其电阻率基本不受温 度的影响，电阻基本保持不变；在高于临界温度的 个范围内，其电阻率随温度的升高而急剧上升， 这种效应称之为非线性ＰＴＣ效应。非线性ＶＦＣ元 一流电磁接触器体积小，故传统灭弧技术始终不能解 决其触头烧灼的问题，为此可考虑实现接触器的无 弧分断。对于无弧分断，有以下两种方案可实现。 （１）在主触头的两端并联双向可控硅。通过 在主触头的两端并联可控硅，并增加智能控制模 块。当接触器上电时，智能控制模块输出触发信 号，在接触器触头吸合前使可控硅导通，在接触器 主触头吸合后，尽管此时仍有触发信号加在可控硅 的触发端，但因接触器闭合的触头将可控硅的阴、 阳极短路，可控硅处于不工作状态。当接触器断电 时，智能控制模块通过电容的支撑，仍可在一定时 件，配以合适的控制电路并联在接触器主触头两 端，可很好地实现接触器触头的无弧分断。 当接触器接通时，触头两端的电阻远远小于 ＰＴＣ元件的电阻，因而ＰＴＣ元件上无电流通过；当 接触器断电时，在触头完全断开之前，由于触头问 接触电阻的急剧增加，此时电流将流过ＰＴＣ元件， 实现接触器触头的无弧分断。同时，大电流通过 ＰＴＣ元件，导致ＦＩ＇Ｃ元件温度迅速上升，电阻急速 增加，电流逐步减小，ＰＴＣ元件增加的电阻吸收了 大部分甚至全部的分断能量。通过实验可找出最 佳的参数配合，最终实现接触器的无弧分断。 【上接第４页】 参考文献： ７ 结语 为了尽快提高我国轨道交通装备制动技术水 ［１］ 丁峰．内燃机车制动系统的现状及发展趋势的探讨（Ｊ］铁 道机车车辆，２００４，（１２）． ［２］Ｐ．Ｂｅｒｇｅｒ，等 ＭＢＳ一欧洲制动控制系统平台［Ｊ］．变流技术 与电力牵引，２００４，（５）． ［３］刘豫湘．我国机车制动机的现状与发展［Ｊ］．电力机车与城 轨车辆，２００５，（１）． ［４］ 铁道部科学研究院机辆所．国外高速列车译文集一制动技术 专集［Ｚ］．北京：铁道部科学研究院机辆所，１９９６． ［５］内田清五．日本新干线列车制动系统［Ｍ 北京：中国铁道 出版社，２００４． 平，并使我国轨道运输装备产品更多、更好地走出 国门，我们应出台相应政策，明确发展方向，进行多 学科、多领域合作，努力培养自己的创新团队，培养 出国际知名制动机公司，在我国及国际轨道交通发 展中发挥积极作用。