高速列车作为高速铁路新技术的核心,其技术进展更是日新日异,进入21世纪以来,高速列车最具综合性的技术指标——最高运行速度已从300km/h提升到350km/h。法国第四代AGV绞接型动力分散式高速动车组,最高运行速度350km/h,已于2002年底投入试运行;德国为西班牙设计的ICE350E独立型动力分散式高速动车组,最高运行速度也已达350km/h,样车目前已经问世;Talgo350型高速列车是西班牙与庞巴迪公司合作研制的新型高速倾摆式动车组,最高运行速度350km/h,2002年在西班牙高速线路上投入试验;韩国在引进KTX高速列车基础上,又自主研究开发了KHST新型高速动车组,样车也已问世,最高运行速度350km/h。日本E2-1000系高速动车组2002年经过改进与试验,可以达到最高运行速度360km/h的目标,期望与航空竞争中处于优势地位。2003年,日本800系高速列车也已问世,各项性能指标有新的进展,将在2004年3月九州新干线开通时投入运营。
各国在研制高速列车,尤其是350km/h速度级的高速列车中,最难解决的核心技术之一是制动系统的研制。也可以说,制动是高速列车进一步提高速度的制约因素。350km/h高速动车组制动技术具有如下的特征。
1 强化复合制动,保持较高的制动减速度
随着运行速度从300km/h提高到350km/h,势必延长列车的制动距离。但为了保持高速铁路必要的运输能力,高速列车的运行间隔时分不应过长,因此350km/h高速列车在设计时必须考虑缩短制动距离,要求保持1.0m/s2左右的紧急制动减速度,为此采用了下列措施:
1.1减少列车的制动空走时间
无论采用什么形式的制动控制系统,基本上都是电气指令式的电空制动方式,一般其制动空走时间仅为0.1s,制动缸的压力上升时间在1.2s左右,比电磁直通式或自动制动式能有效地缩短制动距离,
1.2强化复合制动方式
一辆轴重为14t的四轴高速车辆在270km/h高速下制动,要消散1.7亿焦耳的能量,而在350km/h速度下制动时,能量消散达2.66亿焦耳,增加了68%。这些能量足以使670升水从0℃煮沸。因此,350km/h高速动车组在设计中必须强化复合制动方式,不仅拖车每轴采用3~4组高制动功率的盘形制动装置,而且动车上加大了再生制动的制动功率。必要时还采用了非黏着制动(涡流轨道制动、磁轨制动),如AGV高速动车组在拖车上就采用了涡流轨道制动。
强化复合制动的控制是高速动车组制动系统的关键技术。高速动车组动车、拖车编组方式及辆数可有不同型式、但整列动车组是一个整体,电气动力制动、空气制动、非黏着制动等是以协调方式起作用的。制动控制系统是以微处理器作为控制中心,优先采用电气动力制动,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,补充动力制动不足的部份。在故障时均能导向安全、并与中央诊断系统相连接。为法国TGV高速动车组及德国ICE高速动车组所采用的复合制动控制系统的框图。
1.3保证高速制动时车轮不滑行
所有高速动车组在设计时几乎都采用了高性能微机控制的防滑器,以提高可利用的制动黏着系数。一般说采用了电子防滑器能提高20%左右的可利用制动黏着系数值。日本在500系高速动车组上还采用了踏面增黏闸瓦,用于提高轮轨间可利用的制动黏着系数值,取得一定的成效。500系列车在300km/h速度下,用增黏瓦时紧急制动距离为4000m,比不用增黏瓦时的4900m缩短了22.5%。增黏闸瓦有可能在新型E2-1000系高速动车组上采用。
2 采用电阻制动确保安全制动距离
国际铁路联盟已明确规定,在高速列车无法从接触网正常受流取电的情况下,其紧急制动距离也应保证符合规定的要求。也就是说,对于最高运行速度为350km/h高速动车组,其受流失效时的安全制动距离应保持与正常的紧急制动距离一致。
对于最高运行速度300km/h的高速动车组,如ICE3、TGV-2N、500系等,在受流失效时都是采用纯空气盘形制动作为安全制动唯一手段,以达到安全制动距离。但是对于350km/h的高速动车组,由于制动盘的制动功率已超出其极限值范围,仅采用空气盘形制动已无法满足安全制动距离的要求。为此,350km/h动力分散式电动车组制动系统设计时,在动车上采用了安全电阻制动的新方式,即在受流失效时,采用蓄电池的电能,通过逆变器为牵引电机励磁,让制动能量在电阻带上消散。这种电阻制动方式虽然属于动力制动,但却仅在电网失电时应用,是一种安全制动,并且电阻器的容量可较小,以减轻自重。德国ICE350E,西班牙Talgo350,及法国AGV高速动车组均采用了这种安全制动方式。仅日本E2-1000系高速动车组由于轴重较轻,目前安全制动仍采用空气盘形制动方式。
3 尽可能降低簧下质量
作为非黏着制动方式的涡流轨道制动,具有对钢轨无磨耗;高速时制动力大;制动力可控制、可在常用制动时使用;结冰时没有任何失效的危险等优点,因此在高速列车上,涡流轨道制动方式比磁轨制动方式得到更多的采用,如德国300km/h的ICE3型高速动车组的拖车每台转向架上,就采用了两组涡流轨道制动器及两组轴盘式铸钢盘形制动装置。但是在ICE350E、Talgo350等350km/h的高速动车组上,由于采用了电阻制动作为安全制动方式,使整个制动系统降低簧下质量以改善高速运行时的动力学品质具备了条件,就不采用涡流轨道制动,改而采用每轴3组(ICE350E)或每轴4组(Talgo350)轴盘式制动盘。其原因在于采用涡流轨道制动,每辆车将增加簧下质量2.4t。此外,涡流轨道制动功耗较大,1m长的涡流轨道制动靴,需耗电37Kw。
最高运行速度275km/h的日本300系高速动车组的拖车上,每轴采用两组轮盘式锻钢盘及两组涡流盘形制动装置。涡流盘形制动属于黏着制动型的动力制动方式,制动功率与动车上的再生制动相近,在高速制动时能发挥很好的作用。但是其重量较大,一组涡流盘形制动装置的重量约为1t左右,因此700系高速动车组为了降低簧下质量,每轴改为采用两组轮盘式锻炼钢盘及一组涡流盘形制动装置,减少了一组涡流盘形制动,加大了动车上再生制动的功率,取得了与300系相同的制动距离。而在E2-1000系高速动车组的拖车上进而采用两组轮盘式锻钢盘及两组轴盘式锻钢盘,不采用涡流盘形制动,目的也是为了降低簧下质量,保证高速运行时具有更好的动力学品质。