第二节　高速列车牵引制动关键技术

一、大功率电力牵引传动系统

大功率电力牵引传动系统是高速列车的原动力。高速列车由于在高速区运行时的基本阻力为空气阻力，可近似地认为基本阻力与速度的平方成正比，所需功率与速度的三次方成正比。高速列车运行速度在300km/h以上时，空气阻力已占到总阻力的90％以上，所需功率是100km/h级列车的15倍以上。如此大幅度的增加功率，则意味着新技术的大量应用。因此，高速列车的电力牵引传动系统必须向功率大、重量轻、体积小、可靠性高和低成本方向发展，这就决定了高速列车的电力牵引传动系统必然采用先进的牵引传动系统。它主要包括：牵引变流器、主变压器、牵引电机和牵引传动控制。

1.牵引变流器

牵引变流器采用新型大功率半导体器件，从最早的晶闸管发展到GTO、IGBT、IPM，以至IGCT。牵引变流器发展的目标是小型化、轻量化、节能、环保、可靠和经济适用。随着变流器的模块化、系列化和小型化，出现了将牵引变流器与辅助变流器和列车供电变流器统筹考虑、集成设计、制造的新趋势。牵引变流器的冷却是另一项关键技术，它要求冷却效率高、体积小、易于维修、不污染环境，目前的冷却方式主要是风冷、油冷、水冷、沸腾冷却和热管冷却。

2.主变压器

主变压器是牵引传动系统中重量、体积最大，耗损最多的部件，尤其在动力分散式高速列车中，由于要求启动加速功率和再生制动功率大，而安装空间又有限，所以主变压器损耗占到总损耗的30％。因此减轻重量、减小体积、降低损耗，一直是主变压器技术发展的目标。近来，随着电子技术的发展和高温超导线材性能的提高，出现了两种新型变压器，即电子变压器和高温超导变压器，它们与传统的工频变压器完全不同，具备重量轻、体积小、效率高等特点。

3.牵引电机

近代高速列车大多采用三相交流异步牵引电机，与直流电机相比，它具有重量轻、功率大、转速高、结构简单、运用可靠，寿命长、维修简便的特点。近代开发的永磁多极同步牵引电机，由于可实现很高的转矩密度，从而有可能实现无传动齿轮的直接驱动，与带传动装置的异步牵引电机相比，具有损耗低、重量轻、噪声小、无油泄露等优点，很有发展前途。

4.牵引传动控制

牵引传动控制的水平取决于牵引传动控制的策略和手段。牵引传动控制策略由最初的转差特性控制发展到矢量变换控制，近代又实现了电机转矩控制的新技术：直接转矩控制（DTC）和直接自控制（DSC）。这项技术具有控制简单、性能优良和鲁棒性较强的特点。近代牵引传动控制手段普遍采用数字电路和大规模、超大规模集成电路以及微处理器、微控制器和数字信号处理器等组成的计算机控制系统，由单机个别控制向车载计算机网络发展。车载计算机网络由列车控制级、车厢控制级和功能控制级组成。

二、高速制动技术

高速列车的制动系统是实现列车高速、安全运行的保障。列车高速运行时具有相当大的运动能量，而高速列车的制动技术必须解决列车动能的快速转换和能量消耗问题，并在轮轨黏着允许的条件下，做到高速列车的可靠制停或降速。另外，由于轮轨黏着系数随运行速度的提高而下降，因此更增加了高速制动技术的难度。目前，高速列车制动的关键技术有：复合制动、制动控制、盘形制动、动力制动、非黏着制动和防止高速制动时车轮打滑。

1.复合制动

高速列车由于所需的制动能量巨大，靠单一的制动方式不能满足要求，因此高速列车均需采用由多种制动方式组合的复合式制动方式来制动，并配有电子防滑装置，以提高轮轨黏着系数。在动力转向架上应尽量采用动力制动（电阻制动和再生制动），再配合以盘形制动（摩擦制动）；而在非动力转向架上在盘形制动以外再辅以非黏着制动（涡流轨道制动和磁轨制动）。例如，日本300X、德国ICE3和法国AGV动力分散式高速列车的非动力转向架上，采用了涡流轨道制动来提高制动力。

2.制动控制

高速列车制动系统是一个整体，动力制动、空气制动、非黏着制动等需协调一致工作，这就是制动控制系统的任务。高速列车一般都采用电气指令直通式电空制动控制系统，以微处理机为控制中心，优先采用动力制动，当动力制动力不足时，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，补充动力制动的不足。在故障时能导向安全，并与中央诊断系统相连接。

高速列车制动空走时间是非常重要的，制动空走时间每延长1s，制动距离将增加70m。电气指令式电空制动控制与其他控制方式相比，高速时的列车空走时间最短，这是由于其制动和缓解信号均为电信号，因此其反应灵敏，动作迅速，满足高速列车缩短制动距离的要求。

3.盘形制动

按照欧洲铁路联盟UIC的规定，高速列车行驶时，应能在盘形制动（摩擦制动）的单一作用下，在规定的制动距离内停车，其目的是在动力制动发生故障时也能保证列车运行安全。可见盘形制动仍被视为高速列车的主要制动方式。但传统的闸瓦制动，由于其在高速时对车轮轮轨的热损害愈发严重，而且制动力不足。因此，其逐渐被盘形制动所取代，即使仍有闸瓦装置，也只是作为盘形制动的补充，主要是为了清扫踏面，改善黏着。

盘形制动的制动盘和闸片在高速列车上承受着极为苛刻的工作条件，因此一方面要求提高强度和耐热性，减少裂纹的发生；另一方面又要简化结构、减轻重量。制动盘的材质经历了特种铸铁、铸钢和锻钢等，已发展到了碳素纤维和铝合金复合材料。其结构向无通风式、利于散热和冷却的结构发展。闸片材质的发展方向是以粉末冶金代替合成材料，以改善制动盘的受热状况。非动力转向架的车轴上可以安装多达4个制动盘，以降低闸片压力，从而延长制动盘和闸片的使用寿命。动力转向架一般轴重较大，制动盘的安装数量受到限制，因而工作条件比较恶劣。

4.动力制动

动力制动包括电阻制动和再生制动。过去动力制动多为电阻制动，将列车动能转换成热能予以耗散。电阻制动的优点是可以在任何转矩下利用蓄电池实现励磁，从而在断电情况下也能实现制动；缺点是高速时制动力急剧下降，因而电阻制动主要用于坡道地段限制速度和停车用。近代UIC已明确规定了安全制动距离，即在受流失效的情况下的安全制动距离应该与正常紧急制动距离保持一致。对于最高运行速度300km/h的高速列车，如德国ICE、法国TGV-2N和日本500系，在受流失效时都是采用纯盘形制动作为安全制动的唯一技术手段。但是对于更高运行速度（例如350km/h）的高速列车，由于制动盘的制动功率已经超出其极限范围，无法满足安全制动距离的要求，为此可利用电阻制动在断电时也能制动的优点予以制动。近代在动力分散式高速列车上采用电阻制动作为安全制动的新方式，例如在德国ICE350E、西班牙Tal90350和法国AGV高速列车上均采用了这种安全制动方式。

高速列车采用三相交流牵引电机，为再生制动的采用创造了条件。再生制动可以在全部速度范围内保持强大的制动力，并可以制停，这对高速列车的制动具有重大的意义。再生制动还可以将部分制动能量转换成电能返回电网，有利于节能。因此，近代高速列车的动力车制动方式均以再生制动为主。

5.非黏着制动

非黏着制动主要是指电磁轨道制动和涡流轨道制动。电磁轨道制动是将制动电磁铁励磁，使其吸附于钢轨上，由电磁铁的摩擦块与钢轨摩擦产生制动力。磁轨制动的优点是消耗功率小，由蓄电池即可励磁，对钢轨表面有清扫作用，有利于提高黏着系数。由于其制动作用是以摩擦块与钢轨间的摩擦为基础，缺点是磨损大，会引起钢轨表面局部过热磨损，严重时会导致钢轨损伤。因此，这种制动只被用于紧急或安全制动。

涡流轨道制动与磁轨制动相似，也是利用电磁效应来产生制动力，但不同的是，磁铁不与钢轨接触，始终保持7～10mm的距离。列车制动时，利用磁场交变，在钢轨内产生感应涡流，从而产生涡流制动力。涡流轨道制动的优点是：可以无磨损地应用于紧急制动和常规制动，无需维修。同时，它的制动力是可调控的，在高速范围内具有很好的制动特性。因此，涡流轨道制动应用于高速列车具有很好的发展前景。涡流轨道制动的缺点是所需制动功率较大，制动时会产生钢轨局部高温的现象。

6.防止高速制动时车轮打滑

列车高速运行时轮轨间的黏着系数急剧下降，特别是在轨面潮湿情况下，黏着系数更低。要想缩短制动距离，又不产生车轮打滑，必须采用的主要措施有三种：一是按照列车运行速度控制制动力的大小，以充分利用黏着。例如，日本新干线0系高速列车按照列车速度分级来控制制动力，使之与黏着系数变化曲线相接近。在采用动力制动时，也按黏着系数的变化曲线施加动力制动。二是采用高性能的防滑装置。近代，几乎所有的高速列车都采用计算机控制的高性能防滑装置来提高可利用的制动黏着系数。一般来说，采用电子防滑装置可使黏着系数提高20％左右。三是采取增黏措施。日本高速列车应用踏面增黏闸瓦和在轮轨间喷射陶瓷粒子等方法来增加黏着，取得了一定的成效。

三、列车的监控与诊断技术

列车监控与诊断系统对于高速列车安全运行起着重要的作用，因为高速列车的故障会带来严重的后果，因此必须在事故发生前，利用先进的装备发现和预防故障。高速列车监控与诊断技术大致可以分为：运行监控、故障检测与诊断以及通信网络三方面的内容。

1.运行监控

为了保证高速安全运行，防止列车冒进和追尾等冲撞事故，高速列车必须采用列车自动控制（ATC）系统。一个完善的ATC系统应该包括ATP（列车自动防护）、ATO（列车自动驾驶）和ATS（列车自动监控）三个部分。ATP负责操作防护的所有工作，目前世界高速铁路的列车自动防护，包括所有子系统的安全控制、诸如线路空闲、列车间隔、超速防护和操作安全等的监视。ATO负责牵引和电制动的所有控制及停站操作，包括列车的区间速度调节。ATS负责运行监督，对ATO发出运行时刻指令，监督运行并对偏差作出反应。ATP和ATO分成车上和车下两部分，而ATS完全在地面上。

目前，世界高速铁路的列车自动控制方式有两种：一种是设备为主，人控为辅的方式，以日本新干线采用的ATC（列车自动控制）方式为代表；另一种是人机共用，人为主的控制方式，以法国铁路采用的TVM430列车自动控制系统为代表。为了确保高速列车运行安全，广泛采用了冗余技术，发送和接受设备都是双套，必须在相互比较一致后才输出。

2.故障监测与诊断

故障诊断是通过正确的故障识别（检查和检测），找出故障的正确位置，把需要修复或更换的零部件隔离开来，从而大大缩短维修过程，减少维修停时。

（1）诊断方式。高速列车应用的诊断方式有三种：人工诊断、自动测试设备（ATE）诊断和机内测试设备（BITE）的诊断。近代，高速列车故障诊断方式都是把重点放在机内测试设备（BITE）的诊断上，也就是说，尽量完善高速列车的车载监测诊断系统，使之在高速列车运行时发现和传输故障信息。自动测试设备（ATE）诊断一般在列车库停和动车段检修时使用，例如车轮的超声波探伤、车轮磨损及外形的检测等。

（2）车载监测诊断系统。目前世界上高速列车通用的测试性指标是：故障检测率为90％～98％；故障隔离率为90％～99％（隔离到LRU）；故障虚警率为1％～5％。高速列车车载监测诊断系统的安全监测的项目（例如法国TGV动车组）有：防止司机睡眠监视器、速度监测、防撞监测控制、轴温报警、走行部监测、防滑装置的安全防护、旅客安全防护、车门控制等。德国ICE高速列车内部诊断系统的主要功能有：对所有电子控制的范围进行检测诊断，通过显示屏给司机以排除故障的提示，按照优先级和故障后果来划分故障等级，通过履历存档、实验曲线、过程参数的查询和软件为维修提供决策。

（3）诊断技术。高速列车常用的诊断技术有：电机及电器的诊断、电子控制设备的诊断、振动诊断、声诊断、红外线诊断、润滑油分析和性能趋向监测等。诊断技术不只包括硬件设备，更重要的是软件系统，特别是人工智能和专家系统。

3.通信网络

高速列车的控制命令、运行监控、故障监测与诊断的信息都是通过列车通信网络传送的。各个计算机控制的部件相互联网，通过网络通信来交换信息。对于动力集中方式的高速列车，需要由网络传递联控逻辑信号、制动和速度控制信息，而列车的各个单节和部件的工作状态也需要通过网络传送到主控机车（动车），用以状态监测和故障诊断。对于动力分散方式的高速列车，需要由网络传递牵引或制动控制信息，以保障各单元协调统一的工作。同时，各动车或拖车的工作状态也通过网络传输给主控车，用以状态监测和故障诊断。因此，近代高速列车必须有网络技术的支持，这样不仅可以节省列车连线，减轻列车重量，并且可以提高系统的集成度、可靠性和维修性。

目前，国外通信网络技术已经比较成熟，网络应用正朝着车载通信网络、地面通信网络、车地无线通信网络、地面通信网络与以太网接口等全方位方向发展。车载通信网络可以实现牵引、制动、照明、空调等的控制与监测，实现控制系统的故障诊断和维修信息的提示，还可以实现旅客动态信息管理，包括处理旅行信息和座位预留信息等。车地无线通信网络可以实现车载设备与地面设备之间的信息交换，为高速列车库停高效维修创造了条件。车载通信网络、车地无线通信网络和地面综合监视系统相结合，可以实现车载控制系统的远程实时监控。

列车通信网络从应用范围来区分，主要有两种模式。一种是欧洲模式，如TCN（Train Communication Net-work）和Wold FIP。主要特点是传输速率较高，实时性较强；另一种是美洲模式，如Lon Work通信网络，传输速率不是很高。不同的模式应用于不同的场合，高速列车应用网络技术实现司机控制器指令（牵引和制动）控制、司机室显示屏控制、逆变器控制、主发电机励磁控制、辅助电系统控制、蓄电池控制、防空转/防滑控制、地面/列车信号通信、故障诊断和记录等，另外还可提供完善的列车服务功能，例如声频/视频通信、乘客信息提示、车门控制、采暖、通风和照明等，因此要求传输速率较高，实时性较强的网络，欧洲模式适合于高速列车的使用。TCN主要用于德国高速列车ICE，并得到许多欧洲大机车车辆制造厂商和部件制造商的支持，也被我国一些工厂和研究单位采用；Word FIP主要被法国ALSTOM公司采用，用于法国TGV高速列车。而美洲模式Lonwords主要用于地铁、城市轨道车辆和货车。