动车组列车制动特性实验

9．1 实验相关知识点

1．车组列车各类制动力的产生原理和特征；

2．动车组列车制动特性曲线的含义和作用。

9．2 实验目的及所需实验技能

列车制动力是由制动装置引起的、与列车运行方向相反、阻碍列车运行的、司机可以根据需要调节的外力。列车制动力与机车牵引力一样，所不同的是机车牵引力仅发生在机车的动轮与钢轨间，而列车制动力则发生在全列车具有制动装置的机车、车辆的轮轨之间。

列车制动是列车运行过程的关键环节，实现了列车运行的减速过程。合理地使用制动力不仅能够保证列车在运行过程中有效地控制速度，来满足线路的限速要求，也能保证列车在进站停车时完成精确停靠。

本实验基于“轨道交通运控一体化与安全评估仿真实验系统”中的动车模拟驾驶平台，以CRH380A动车组列车及沪杭铁路作为仿真对象，进行动车制动特性实验。

要求学生通过实验，了解高速铁路列车运行制动的基本特征，了解列车制动的不同方式及其分类，以模拟驾驶的方式实际体验动车制动的一般过程，认识制动过程的原理及列车动力学原理，掌握列车制动特性曲线的基本含义和作用。

9．3 实验内容和要求

1．掌握动车组列车驾驶操作台制动设备的操作方法。

2．了解各种类型的列车制动方式的原理和特征，理解电制动切除速度的概念。

3．理解列车制动特性曲线的含义和作用，利用软件绘制动车制动特性曲线。

4．利用仿真实验设备研究制动状态下列车的运行过程，分析制动初速度，制动区间长度与制动力大小的关系，并研究过程中能耗、速度的变化特征。

9．4 实验主要仪器设备和其他材料

1．主要仪器设备

轨道交通运控一体化与安全评估仿真实验系统，包括司机驾驶舱、司机控制台、视景显示、教员控制计算机等硬件设备，以及相关各种仿真控制软件及仿真线路、列车的基础仿真数据。

2．其他所需材料

《轨道交通运控一体化与安全评估仿真实验系统使用手册》；

《轨道交通运控一体化与安全评估仿真实验系统司机手册》；

《轨道交通运控一体化与安全评估仿真实验系统维护手册》；

《有轨线路系统工程》。

9．5 实验方法、步骤说明

9．5．1 动车组列车驾驶操作台制动设备的特点及操作方法

动车组列车司机室操纵台布置如图9-1所示。

图9-1 司机室操纵台布置图

1—仪表显示盘；2，3—ATP速度显示器；4—中间开关盘；5—MON车辆信息显示器；6—CIR

显示器、无线话筒、关门显示灯和故障显示灯；7—MON车辆信息显示器；8—右开关盘；

9—换向手柄；10—主控器手柄；11—制动手柄；12—左开关盘

图9-1中编号为11的设备即为制动手柄，其特征及使用方法如下：

●制动手柄由驾驶员左手操作，主要用于控制列车的制动状态和制动力的大小；

●制动手柄分运行、快速、拔取及B1—B7多个档位；

●列车进行启动准备时，制动手柄应处于快速档位；

●在列车正常的牵引运行状态时，制动手柄应处于运行档位；

●列车进行制动时，手柄可置于B1—B7档位，档位越高制动力越高，依据实际情况进行调节使用。

9．5．2 各类列车制动方式原理和特征

高速列车的制动系统一般由电制动系统、空气制动系统、防滑装置和制动控制系统等组成。

高速列车的制动方式总体可分为两种：利用轮轨间黏着力的黏着方式和不依靠黏着力的非黏着方式。就目前高速列车制动系统的运用情况来说，黏着制动为当今主流，非黏着制动仍处于研究发展阶段，但有广阔的应用前景。

黏着制动主要分为摩擦制动和电制动两种：摩擦制动包括盘形制动（轮盘式或轴盘式）和踏面制动；电制动包括电阻制动、再生制动和圆盘涡流制动。

对非黏着制动来说，可按制动力的性质对其分为三类：利用电磁力，如涡流式轨道电磁制动；利用摩擦力，如摩擦式轨道电磁制动；利用空气阻力，如翼板制动。制动方式的具体分类可参见图9-2。

图9-2 列车制动方式分类

1．电制动

电制动是通过控制电机电流大小和方向，使电机产生一个与列车运行方向相反的力使列车减速。电制动主要有电阻制动和再生制动。

电阻制动是将列车的动能通过电机转换为电能并消耗在电阻上的制动方式，而再生制动则是将列车动能转换为电能回馈至电网的制动方式，其能量由电机传递给主变流器、牵引变压器，最后回馈至接触网上。电阻制动主要应用于早期的高速列车上，如法国的TGV R等高速列车；而再生制动由于可使电能回馈电网供其他列车使用，是一种节能环保的制动方式，备受当代高速列车设计者的青睐，得到广泛应用，如德国ICE350、法国TGV TMST、日本新干线700系、我国CRH系列等高速列车。

2．空气制动

空气制动是通过控制空气压缩机输出的空气压力大小来控制制动闸片作用到制动盘上的力。这种制动方式属于机械制动，是通过制动盘和制动闸片的摩擦产生制动力。

高速列车的空气制动主要采用轴盘制动和轮盘制动两种盘形制动方式，其区别在于轴盘制动是在车轴上安装制动盘，而轮盘制动是在车轮辐板侧面安装制动盘。

盘型制动是通过制动盘与闸片之间的相互摩擦来实现列车减速和停车，制动盘和闸片材料性能对制动效果有着直接的影响，必须具备：①稳定的摩擦性能，摩擦系数不随压力、温度、速度和湿度而变化或变化很小；②良好的耐磨疲劳性能，极好的抗热裂纹扩展能力；③极高的耐磨损性能，保证材料相当低的磨损率。

3．非黏着制动方式

电制动和空气制动最终都是通过车轮与轨道的摩擦来产生制动力，因此都属于黏着制动。随着高速列车速度等级的不断提升，紧急制动距离的要求越来越高，必然导致列车的制动力要求越来越高。但车轮和轨道之间产生的黏着力是有限的，传统的黏着制动已不能满足其需求，非黏着制动应运而生。目前各国研究的非黏着制动主要有涡流制动、磁轨制动和风阻制动。

涡流制动是指通过电磁铁产生的磁场与钢轨或旋转导体产生的磁场相互作用产生制动力，包括旋转涡流制动和线性涡流制动。

磁轨制动是利用列车上的电磁铁与钢轨面之间摩擦而产生制动力。由于接触面积的增加，磁轨制动力要比黏着制动力大，且磁轨制动力还包括电磁铁受到的电磁阻力。磁轨制动多用作紧急制动的辅助制动方式。

风阻制动是日本Fastech360采用的一种全新的制动方式，制动时，车体上伸出减速板来增加空气阻力，空气阻力可增加3倍到4倍。由于空气动力阻力与速度平方成正比，速度越高则风阻制动力越大，在高速时制动性能优越。

9．5．3 绘制动车制动特性曲线

列车制动特性曲线显示了制动力的大小与列车当前速度的关系。由于不同列车车型的电机和机械传动装置的差异，其制动特性曲线对于某一车型是唯一的，一般源于列车车辆产商提供的数据。

表91是一组CRH380动车组的制动特性数据，请使用Excel软件绘制该列车的制动特性曲线，根据该曲线的特征作简要分析，并写出制动特性曲线的作用。

表91 制动力特性数据

续 表

9．5．4 列车制动特性分析

研究不同制动力下列车的运行过程，利用控制变量法实验并分析列车在区间制动过程中，列车制动初速度、制动力大小与制动区间长度的关系。具体步骤如下：

1．利用动车组列车模拟驾驶平台进行实验，进入CRH380A动车组驾驶仿真实验系统，单击开机（Turn On Computers）按钮，点击仿真运行，选择上海虹桥—杭州东的实验课程，启动仿真运行（图9-3）。

图9-3 选择课程及开始仿真界面

2．在上海虹桥—松江南区间进行模拟驾驶实验，研究制动初速度、制动力大小与制动距离的关系，制动力大小可用制动手柄的B1—B7档位来表示，按照表9 2的参数进行实验并记录实验结果。

3．实验操作方法：驾驶列车加速至实验给定的制动初速，再操纵制动手柄至给定手柄位进行制动，直至列车停车。

表92 各实验参数设置及结果记录表

4．每完成一个实验，查看仿真报告中的运行曲线（图9-4）。

图9-4 运行仿真报告

5．查看运行曲线中制动开始及结束点的公里标，填入表格，并计算出制动距离。

6．分析实验结果，若有必要可以利用控制变量法继续设计实验进一步研究。

9．6 实验报告要求

1．简述各种类型的列车制动方式的原理和特征。

2．详细记录动车组列车制动特性曲线绘制的实验过程、实验操作和实验结果，根据该曲线的特征作简要分析，并写出制动特性曲线的作用。

3．详细记录列车制动区间长度实验中的实验步骤和各项实验数据（包括图表），分析实验结果并总结。

4．基本概念的简述清晰准确。

5．设计的实验步骤逻辑清晰，思维严谨，有目的性。

6．实验过程记录全面、详实、符合要求。

7．实验数据来源可靠准确。

9．7 思考题

1．思考高速铁路列车制动特性的要求与普速铁路的区别。

2．思考并比较各类型制动方式的优劣。