轨道车辆制动设备产业技术发展分析

第一节 国内轨道车辆制动设备产业主要技术成果

铁道部科学研究院机车车辆研究所（以下简称铁科院机辆所）在消化吸收国外先进技术的基础上自主研发的城市轨道交通车辆制动系统，在天津滨海快速轨道线路上，通过了10万公里的载重和实际载客运行考核。国家发展改革委委托中国交通运输协会组织的专家组评审认为，该系统的各项技术指标达到了国外同类产品的水平，满足安全性、可靠性、可维护性等要求，已具备推广应用的条件。这标志着我国城市轨道交通设备国产化又向前迈进了一步。

铁科院机辆所是铁路机车车辆行业综合性研究开发机构。2001年，国家发展改革委利用国债资金支持该所实施城市轨道交通车辆制动系统国产化，项目总投资2000万元，2003年8月完成，形成了年产300辆城市轨道交通车辆微机控制电控制动系统的生产能力，为该所从事制动系统的后续研制及产业化奠定了坚实的基础。2003年下半年，该所集中内部研发、制造、试验等方面的力量，吸收德国克诺尔和日本纳博克等公司城市轨道制动系统的优点，完成了国产制动系统所有部件和样机的开发、试制工作。

2005年2月，国家发展改革委委托铁道部科技司，对该所研制的制动系统进行了技术鉴定，鉴定结果认为，该制动系统的总体技术达到了国外同类产品的先进技术水平，建议尽快落实装车及应用考核的方案和措施。同年，在国家发展改革委的协调下，国产制动系统在天津滨海快速轨道线路上进行装车运行考核，国家发展改革委委托专家组对产品进行装车运行后的追踪考核评审，包括装车性能测试的中期评审，投入正线非载客运行的评审和投入正线载客运行等3次评审，历时2年。在完成了国产制动系统安全运行考核10万公里目标后，作为使用单位的天津滨海快速发展有限公司对该制动系统的运行表现也给予了较高的评价。

第二节 国外轨道车辆制动设备产业主要技术成果

一、电励磁的磁轨制动器

借助磁场计算和改进线圈工艺来改善制动器的几何形状，在相同的粘着力和相同制动力时制动器可减轻质量28%，安装高度可降低25%。此外，轨距定位器使用铝材可减轻质量，使每一转向架的质量减轻25kg。在用钢部件的EMB极靴上形成熔焊是不希望的现象，因它可使制动力逐渐减小，最大可减小到20%，为此必须付出较多的费用。在一些信号系统中这种熔焊还会引起干扰，所以在这些情况下可用球墨铸铁（GGG40）极靴来代替磁性较好的钢极靴。慕尼黑克诺尔制动器公司（KB）开发了一种使用烧结材料极靴的EMB，它几乎能达到与用钢极靴的EMB一样的制动力。虽然磨损较大，可达到的总制动里程比用钢极靴的EMB的要少些，但700km的总制动里程相当于约5年的使用寿命，5年后必须更换极靴。在考虑到克服钢部件熔焊费用、更换球墨铸铁极靴的或烧结材料极靴的费用的情况下，钢、球墨铸铁GGG.40和烧结金属这三种材料的寿命周期费用相差只有几个百分点。但就制动力来说，烧结金属明显优于GGG.40的。

新开发的用烧结金属极靴的EMB于1998年首次用于批量生产的摆式车体的ICN列车上。

二、永久磁铁轨道制动器（PMB）

与EMB相比，PMB的优点是使用率高和可用作停车制动，不需要附加的安装空间以不存在弹簧储能制动缸的质量。克诺尔制动器公司具有多年使用永久磁铁轨道制动器的经验，在137台瑞士Re460/Re465型机车上安装了该公司的PMS140制动器，自1992年以来共有548个制动器成功地用于这些机车上。在这些机车上使用PMS140制动器的主要原因是，这些机车没有安装弹簧储能制动缸的安装空间，用该制动器可以提高机车的利用率，以及机车可用较高的速度行驶在另外的线路上。选用轨道制动时费用是次要的。

过去几年中，进行这项费用大的开发工作目的在于降低费用、减轻质量和减小安装空间。与PMS140相比，在同时使用烧结金属极靴时能大大改善性能和节省费用。与EMB（Nb.G1.100）相比，PMB100要贵得多。因此，PMB只限用于特殊的应用，即使用EMB不能再进一步提高利用率的情况下（例如冗余的蓄电池供电）。

三、电励磁的涡流制动器（EWB）

在试验列车ICE-V和TGV上作了系统的试验后，2年来在1台TGV动力头车上使用了电励磁的涡流制动器（EWB）。自1997年夏季起，在1列ICE改造成试验列车的ICE-S上对ICE3列车用的制动器作了内容广泛的试验。整体托架同时构成线圈的磁导轭铁以及支承经悬臂到轮对轴箱上的吸引力的承载部件。2个轨距保持架用于钢轨上的平行导向。轨距保持架与整体托架形成一个刚性的制动框架。制动力经两侧铰接的制动力支座传递给转向架。不施行制动时，4个气囊利用高压风将制动框架保持在高位置中。在制动状态下制动框架下落到轮对轴箱上，不励磁时制动器和钢轨之间的气隙保持为7mm。

制动力在整个高速范围内呈理想的恒定特性，而且只在速度低于50km/h才下降。与此相反，吸引力随速度下降渐进地降低。由于整体托架刚度是有限的，所以按下降机理在励磁电流恒定和气囊压力恒定时气隙不能再保持为恒定，这可能导致整体托架机械负荷很高，并出现与钢轨接触的危险。为避免这些情况，在速度200km/h～100km/h范围中随速度的降低不断地升高气囊的气压，在速度低于100km/h时稍许降低电气励磁。这样就能使气隙在整个速度范围中近似保持不变，完全发挥EWB的制动能力，整体托架也不会过负荷。EWB工作所需的开环和闭环控制以及诊断在驱动控制器（ASG）和制动控制器（BSG）中完成，通过多功能列车总线（MVB）进行数据交换和控制电流和压力的调节器。在ASG和BSG中，按线圈热计算模型不断计算和监视线圈的温度。这样就保证了EWB在频繁的常用制动工况下至少能快速制动，在达到与速度有关的极限温度时EWB退回到常用制动。

比较A、B两种不同的车辆制动系统的寿命周期费用（LCC）就可看出EWB在经济上的优点：

电气励磁的涡流制动器（EWB）；ICE3制动装置的寿命周期费用（LCC）

（1）系统A无EWB，每一从动轮对装3个制动盘；

（2）系统B用EWB，每一从动轮对装2个制动盘。

虽然系统A的购置费较低，但由于更换闸片（使用寿命约0.5年）和制动盘（使用寿命约8.5年）的维修费，其LCC大大超过系统B的。

四、永久励磁的涡流制动器PWB

PWB是一种非常有吸引力的开发目标。优化计算表明，PWB能近似达到同EWB一样的制动力。很高的使用率可补偿较小的差异，因为PWB与电源无关。其他一些优点是，它不会有热过负荷，可用作停车制动，总之与EWB相比不仅质量轻，而且价格便宜。

电气励磁涡流制动器（EWB）和永久磁铁励磁的涡流制动器（PWB）的比较

第三节 轨道车辆制动设备产业技术研究热点

近些年，国内一些单位对车辆的电磁制动方式曾做过一些研究和试验尝试，但因为技术不成熟，都未能真正装车运行。目前，要将电磁制动方式应用于机车车辆的制动系统中，还存在很多亟待解决的技术难点：

①闸瓦间隙消除过程中，如何解决制动力的缓冲，以减小闸瓦与车轮接触时的机械撞击；②电磁力在很大程度上是非线性的，如何解决电磁力(或力矩)的准确计算与控制；③如何设计制动系统的机构，实现制动力的放大与传递；④如何解决实际运行中周围环境对电磁系统的干扰；等等。

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