第1章 高速动车组及盘形制动
国际高速动车组经过五十多年的发展，形成了以日本新干线、法国TGV和德国ICE高速动车组为代表的三大技术体系。2004年，我国引进德国、日本等国家的高速动车组技术，在消化吸收再创新的基础上，生产出“和谐号”系列高速动车组。2012年，我国开始自主设计研制中国标准动车组，并实现了“脱胎换骨”。动车组制动技术是动车组的核心技术之一，制动系统的性能不仅直接决定了列车运行的安全性和舒适度，也是提高列车运营速度的重要限制因素。高速列车基础制动装置一般采用盘形制动，制动闸片与制动盘组成摩擦副产生制动力，列车的动能通过摩擦转换为热能。制动闸片是多个摩擦块按照一定的空间排布组装在钢背上构成的，它是高速动车组在制动系统其他制动措施失效情况下的最后一道安全保障[1]。闸片和制动盘在短时间内吸收大量的热，闸片作为集中热输入源，对制动盘形成间歇性热冲击。制动闸片要具有良好的吸收制动动能的能力，能够将其快速转换为热能，而闸片的材料、结构和性能不能被破坏，并且闸片在制动过程中不能对制动盘造成损伤。此外，闸片还要具有良好的环境适应性，能够满足冰雪、风沙、潮湿等气候条件下的使用要求。随着高速列车速度的不断提高和重载技术的发展，列车制动能量越来越大，制动时产生的热能及热冲击也大幅度增加，对闸片性能提出了更高的要求。
本章概述国内外高速动车组的发展状况及高速动车组制动技术，简述基础制动装置及盘形制动的特点，重点介绍制动闸片及制动盘的材质、结构和性能要求。
1.1 高速动车组的发展状况
国际铁路联盟（International Union of Railways，UIC)对高速铁路的定义为：新线设计速度250km/h以上，提速线路速度达到200km/h的铁路[2]。目前，开行的高速列车最高运营速度可以划分为三个等级：第一速度级，最高运营速度为200～250km/h；第二速度级，最高运营速度为250～300km/h；第三速度级，最高运营速度为300km/h以上。
动车组是由若干带动力的车辆（动车)和/或不带动力的车辆（拖车)组成，固定编组，以单元为单位进行设计的一组列车。带动力的车辆称为动车，不带动力的车辆称为拖车。按动力分配方式分类，动车组可分为动力集中型和动力分散型两种[3]。动力集中型动车组是指动力车挂在两端，中间是拖车所编组的列车。动力分散型动车组是指一定数量的动车和拖车组成单元，若干单元再编组为列车。动力分散型动车组的动力配置有两种模式：一种是完全分散模式，另一种是相对分散模式。动力分散型高速动车组具有黏着性能好，轴重较小，起动、制动性能优于动力集中型动车组等特点[4]。
1.1.1 国外高速动车组的发展状况
国际高速动车组经过五十多年的发展，形成了以日本新干线、法国TGV和德国ICE高速动车组为代表的三大技术体系[5-8]。
1.日本新干线动车组
1964年10月1日，世界第一条高速铁路——东海道新干线（东京—新大阪)在日本诞生，最高运营速度为210km/h。日本动车组主要有两大系列：一个是以百位数字表示的高速列车，从0系开始，发展出100系、200系、300系、400系、500系、700系、800系及N700系；另一个是E系高速列车，有E1、E2、E3、E4、E5等型号。此外，还包括WIN350、300X、STAR21、FASTECH、E954系等试验列车。日本轨道交通车辆制造商川崎重工株式会社（简称川崎重工)研发了efSET动车组，能够更好地适应国外复杂多变的地形条件和运行环境，设计速度350km/h。
2.法国TGV
法国是世界铁路运输最发达的国家之一。早在1955年，法国就创造了电力机车牵引列车331km/h的速度纪录。法国TGV（train à grande vitesse，意为高速列车)已发展到第四代。第一代为TGV-PSE、TGV-La-Postel，其中TGV-La-Postel为唯一一款量产的货运高速列车，最高运营速度270km/h。第二代为TGV-A、AVE、TGV-R、TGV-TMST（欧洲之星)、TGV-PBKA等型号[6]。TGV-A325列车于1990年5月在大西洋线创造了515.3km/h轮轨系统高速行车的世界纪录。TGV-PBKA列车最高运营速度320km/h，是继欧洲之星之后真正意义上的国际高速列车。第三代为TGV-2N等型号，最高运营速度300km/h。第四代为2007年投入使用的AGV高速列车，最高运营速度360km/h。NTV是2012年阿尔斯通公司为意大利ITALIO公司制造的新一代AGV列车，被称为“列车版”的法拉利。
3.德国ICE高速动车组
德国研制出ICE（Inter City Express，意为城际铁路)系列高速动车组。1985年试制成功的ICE/V试验型高速动车组，最高运营速度达到317km/h。在ICE/V的基础上研制的ICE1型高速动车组，最高运营速度280km/h。第二代ICE高速动车组（ICE2)于1996年投入运营。1995年开始动工修建的科隆—法兰克福的高速铁路最高运营速度提高到300km/h，线路最大坡度达到40‰，既有的ICE1、ICE2型列车已经不能满足运营需要。为此，德国铁路于1994年向工业界订购了50列ICE3型动力分散型电力动车组并于1997年投入运营。ICE4——新DB平台列车由西门子股份公司（简称西门子)生产制造，用于大规模更新德国铁路现有的长途客运机车车辆。ICE4动车组的基础车型有两种，一种是7节编组带3节动车的列车，另一种是10节编组带5节动车的列车。与正在运营的其他ICE系列车相比，改进的空气动力可以大大地降低ICE4列车组的运行阻力。德国宇航中心（Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt，DLR)参与研制的NGT动车组，为10节编组的双层动车组，设计速度为440km/h。
1.1.2 我国高速动车组的发展状况
我国从2004年起，开启了高速动车组的引进消化吸收再创新之路。当时，我国引进了加拿大庞巴迪公司、日本川崎重工、德国西门子、法国阿尔斯通公司的高速动车组研发制造技术，形成了中国速度200～250km/h的“和谐号”动车组技术标准体系（代表车型包括CRH1、CRH2、CRH5)及速度300～350km/h的高速列车制造技术（代表车型CRH2C/CRH3)，实现了动车组的国内制造。“和谐号”电力动车组英文名称“CRH”（China Railway High-speed，中国高速铁路)，是由中国中车股份有限公司（简称中国中车，由中国北车股份有限公司（简称中国北车)、中国南车股份有限公司（简称中国南车)合并组建)引进德国、日本、法国等国的技术，并在其基础上自主研制的动车组，是中国铁路高速动车组的自有品牌。目前，我国高速铁路运营里程世界第一，2020年高速铁路的运营里程突破3.79万km，长远的规划是建设7万km的高速铁路。
1.CRH1型系列动车组
CRH1型系列动车组由中车青岛四方机车车辆股份有限公司（简称青岛四方)与加拿大庞巴迪公司的合资公司——青岛四方-庞巴迪铁路运输设备有限公司（Bombardier Sifang（Qingdao）Transportation Ltd.，BST)生产，原型车以庞巴迪公司为瑞典国家铁路公司（SJAB)提供的Regaina C2008为基础。我国已自行设计制造出CRH1A、CRH1B、CRH1E、CRH380D型系列动车组。CRH1A型动车组编组方式是5动3拖，轴重不大于16 t。CRH1B型动车组是在CRH1A型基础上扩编至16节的大编组动车组，编组方式为10动6拖，最高运营速度为250km/h。CRH1E型动车组由16节大编组卧铺动车组组成，每组包括10节动车和6节拖车，最高运营速度为250km/h，是世界上第一列能达到250km/h的高速卧铺动车组。CRH380D型动车组设计运营速度为350km/h，最高运营速度为380km/h，最高试验速度为420km/h。
2.CRH2型系列动车组
CRH2为青岛四方自日本川崎重工引进的动车组车型，以新干线E2-1000型动车组为基础改进，运营速度200km/h，最高运营速度250km/h。我国至今已自行设计制造出CRH2A、CRH2B、CRH2C、CRH2E、CRH2A统型、CRH380A、CRH380AL、CRH380CL型系列动车组[9]。CRH2A型动车组的编组方式是4动4拖，最高运营速度为250km/h。CRH2B型是在CRH2A型基础上扩编的16节长大编组动车组。CRH2C型在CRH2A型基础上进行升级改造，把CRH2A型动车数量由4节增至6节，最高运营速度为350km/h。CRH2E型为16节长编组的卧铺电力动车组，最高运营速度为250km/h，为京津城际高速铁路用车。CRH380A/AL型在CRH2C型电力动车组基础上全面提升了性能，最高运营速度为380km/h，其中8节编组动车组命名为CRH380A，16节编组动车组命名为CRH380AL。
3.CRH3型系列动车组
CRH3为中国中车唐山轨道客车有限责任公司（简称唐车公司)自德国西门子引进的动车组车型，原型为德国西门子ICE3（Velaro)型列车，速度等级300～350km/h。目前已自行设计制造出CRH3C、CRH380B、CRH380BL、CRH380CL型系列动车组[9]。CRH3C型动车组编组为4动4拖，最高运营速度为350km/h。CRH380B型动车组是唐车公司和中车长春轨道客车股份有限公司（简称长客股份)在CRH3C型基础上自主研发的高速动车组，列车满足40℃低温的运营需求，最高运营速度380km/h，是世界上首列能在高寒地区运营速度达到300km/h的动车组，主要为中国东北高寒地区提供运营服务，是中国高速动车组的一个重大突破。CRH380BL型动车组是唐车公司和长客股份在CRH3C型动车组基础上自主研发的高速动车组，采用8动8拖编组方式，最高运营速度380km/h，主要用于京沪和京广高速铁路的运营服务。CRH380CL型动车组是继CRH380A、CRH380B型高速动车组后诞生的新型高速动车组，由长客股份研制生产，最高运营速度400km/h，其配置的转向架临界速度高达600km/h。CRH380BG 高寒型动车组是长客股份在CRH380BL型的基础上研发的高寒型动车组，用于我国北方高寒地区，如黑龙江、吉林、辽宁。CRH3D型动车组是以CRH3C型为基础的16节车厢的大编组动车组。
4.CRH5型系列动车组
CRH5为长客股份自法国阿尔斯通公司引进的动车组车型，以法国阿尔斯通公司的SM3型摆式动车组为基础，运营速度等级为200～250km/h，编组方式为5动3拖，可两组重联运营，耐寒性高，其承受温度范围达40～40℃，适用于中国东北、西北地区，最高试验速度305km/h。另外，长客股份在CRH5A型动车组基础上设计生产出抗风沙高寒型动车组[9]。
5.中国标准动车组
在吸收日本川崎重工、德国西门子、法国阿尔斯通公司等高铁技术后，我国自主研制了CRH380系列，之后出于统型和技术革新的考虑，又依据自己的标准体系打造了各项指标均处于世界领先水平的中国标准动车组，命名为“复兴号”，实现了“脱胎换骨”。中国标准动车组陆续开发了CR400/300/200三个系列，分别覆盖350km/h、250km/h和160km/h三种运营速度等级。目前，“复兴号”动车组已实现了350km/h的运营速度，随着技术的发展，下一步将以400km/h作为运营速度目标。标准统一也就意味着所有标准动车平台列车都能连挂运营、互联互通。“复兴号”朝着系列化发展，以适应不同的运营环境、地质条件、速度等级的要求；同时，还会向智能和绿色方向发展，进一步提高我国铁路建设数字化、智能化水平。
1.2 高速列车制动技术
制动技术是动车组的核心技术之一，制动系统的
