高速动车组电制动与空气制动协同控制策略研究

高速动车组电制动与空气制动协同控制策略研究

贾起旺

中国铁路北京局集团有限公司北京动车段  北京  102600

摘要：本文探讨高速动车组制动系统中电制动与空气制动协同控制策略，分析高速动车组制动系统组成特点，揭示电制动与空气制动在高速列车安全、高效运行中的重要作用。研究协同控制基本原理，设计综合考虑列车速度、载重、线路条件等多种因素协同控制策略，详细讨论其实现方法。采用控制系统、防滑控制装置以及制动力自动调整技术，该策略有效提升高速动车组制动性能，确保列车在各种工况下安全平稳运行。

关键词：高速动车组；电制动；空气制动；协同控制；制动性能；安全运行

高速动车组制动系统依赖电制动和空气制动两种方式，电制动以其高效、节能特点在列车减速中发挥重要作用，空气制动则作为电制动补充，在电制动力不足时提供制动力。但如何有效协调两种制动方式，实现制动力合理分配利用，成为高速动车组制动系统研究重要课题。采用协同控制策略，通过精确计算控制，实现电制动与空气制动在制动有机结合，提高制动效率、缩短制动距离，确保列车平稳运行。

1.高速动车组制动系统概述

1.1制动系统的组成

高速动车组制动系统是现代轨道交通技术核心组成部分，其设计确保列车在高速运行中的安全性。系统由电制动和空气制动两大部分组成，电制动通过牵引电机转变为发电机工作模式，将动车动能转化为电能并反馈回电网，或消耗在电阻实现制动效果。空气制动则是利用压缩空气推动制动缸活塞，使闸瓦压紧车轮或制动盘，产生摩擦力实现制动，空气制动系统包括制动控制单元（BCU）、制动缸、闸瓦等部件。

1.2制动系统的功能特点

制动系统的功能特点体现在以下几方面：

（1）安全性高：高速动车组制动系统采用电、空联合制动模式，电制动优先，且普遍装有防滑器。电制动与空气制动结合可保证列车在较大的速度范围内均有充足制动力，防滑器安装则能充分利用轮轨间粘着力，有效缩短制动距离。

（2）反应速度快：制动系统采用电控、直通或微机控制电气指令式等灵敏系统，确保制动反应迅速，进一步缩短制动距离。

（3）精确控制：制动系统采用精准控制算法，根据车速、载重、线路条件等多种因素，精确计算出所需制动力大小，实时调整制动施加力度，保证动车平稳减速。

（4）故障监测和诊断功能：通过传感器实时监测各部件工作状态，一旦发现异常，能迅速发出警报并采取相应应急措施，确保制动系统始终处于可靠工作状态。

2.电制动与空气制动协同控制策略

2.1协同控制的基本原理

电制动与空气制动协同控制基本原理基于列车在不同运行条件下制动需求，精确计算调整，实现两种制动方式有机结合。当列车需要减速时，电制动介入，利用其高效节能特点，将动车动能转化为电能。当电制动力不足以满足制动需求时，空气制动自动补充，确保列车在设计制动距离内平稳减速到零[1]。

2.2协同控制策略的设计

设计精确制动需求计算模块，该模块基于列车实时运行速度、载重量、线路坡度、风阻系数等多元参数，通过复杂数学模型计算出当前工况下所需总制动力。充分考虑列车动力学特性，确保制动需求准确。制动需求确定后，协同控制策略通过电制动满足制动需求。电制动有响应速度快、能量回收率高、对轮轨磨损小优点，被设定为优先使用制动方式。控制策略根据列车牵引电机状态、电网条件以及电池储能状态，动态调整电制动力输出。在不影响电网稳定前提下，最大化电制动贡献度。电制动无法满足全部制动需求时，空气制动系统自动介入作为补充。协同控制策略根据制动需求差额，精确计算出需要启动空气制动级别，通过制动控制单元（BCU）快速响应，调整制动缸压力，使闸瓦或制动盘与车轮接触，产生必要摩擦力。策略考虑制动力平滑过渡，避免由于电制动与空气制动切换造成列车纵向冲动[2]。

应对复杂多变线路条件，协同控制策略融入防滑控制算法。实时监测车轮转速，判断车轮是否出现滑行趋势，一旦检测到滑行，立即调整制动力分配，减少对应车轮制动力，增加其他车轮制动力，保持整体制动效果，防止轮轨间粘着力丧失。策略具备动态调整机制，可根据列车实际制动效果反馈，实时微调电制动与空气制动比例，确保制动过程稳定精确。考虑制动系统可能出现的各种故障情况，协同控制策略设计完善故障检测与应急处理机制。若检测到电制动或空气制动系统任何异常，策略迅速评估故障影响，自动切换到备用制动模式，增强剩余正常制动系统输出，确保列车在故障状态下仍能安全停车。对大量制动过程数据分析学习，不断优化制动力分配逻辑，提高制动控制智能化水平。例如，根据历史数据预测不同线路条件下最优制动策略，结合列车长期运行磨损情况自动调整制动参数，实现制动性能持续优化[3]。

2.3 协同控制策略的实现

（1）硬件基础与升级：高速动车组集成包括速度传感器、加速度传感器、载重传感器等在内的一系列高精度传感器，其负责监测列车速度、加速度、载重量等关键参数，为制动控制策略提供精确数据输入。如轮速传感器，在防滑控制中可实时监测车轮转速变化，为防滑控制算法提供即时反馈。

（2）制动执行机构的优化：电制动执行机构包括牵引电机及其控制系统，空气制动执行机构则涉及制动缸、闸瓦或制动盘等。为实现协同控制，执行机构需要具备快速响应、精确控制特点。例如，牵引电机控制系统采用先进矢量控制技术，实现电制动力快速调节。空气制动系统优化制动缸设计，提高制动力施加精度。

（3）高性能计算平台：协同控制策略实现依赖强大计算能力，高速动车组配备高性能计算平台，如嵌入式处理器或专用控制芯片，用于运行复杂控制算法。计算平台具备高速数据处理能力，可满足列车长期运行需求。

（4）软件实现与算法优化：基于控制理论算法，如模型预测控制（MPC）、滑模控制（SMC）等，实现电制动与空气制动协同控制。软件实时接收传感器数据，根据预设控制策略计算出所需制动力分配，通过执行机构实现制动力施加。具备故障检测，在制动系统出现异常时迅速发出警报。分析车轮转速，判断车轮是否出现滑行趋势，据此调整制动力分配。

（4）系统集成与测试验证：协同控制策略实现需要各个子系统紧密配合，如传感器、执行机构、计算平台、控制软件等组成部分。在集成中确保各组件之间通信畅通无阻，数据准确传递处理。考虑系统冗余设计能力，确保在单个组件故障时整个系统仍能正常运行。系统集成完成后进行实验室测试，模拟列车运行各种工况情况，对协同控制策略全面测试。测试内容如制动力分配精度、制动距离符合性、防滑控制有效性等方面。有助于发现策略存在问题，为后续实地测试提供宝贵经验。实验室测试通过后，协同控制策略还需进行实地测试。在特定试验线路进行，验证策略在实际运行环境中可靠性。。

3.结束语

综上所述，高速铁路技术不断革新发展，高速动车组作为现代交通运输标志性产品，其制动系统性能优化极为重要。本文围绕高速动车组电制动与空气制动协同控制策略展开系统探讨，从制动需求精确计算到制动力智能分配，从防滑控制精细设计到故障应急快速响应，每一环节凝聚对高效、安全、舒适制动性能不懈追求。

【参考文献】

[1]杨利强,徐凯歌,刘赛赛. 高速动车组线性涡流制动系统特性仿真研究[J]. 城市轨道交通研究,2023,26(1):1-6.

[2]陈建峰,谭进,余慧敏. 1∶1高速动车组制动试验台的开发[J]. 机电信息,2022(6):31-33.

[3]孙活,李杰. 高速动车组再生制动的研究与分析[J]. 科学咨询,2023(23):64-68.作者简介：贾起旺（1997.11-），男，汉族，河北安新，大学本科，助理工程师，研究方向：动车电制动和空气制动。