CRH2－300動(dòng)車組制動(dòng)摩擦系數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

楊 欣，徐 磊，邵 軍，段明民

（1 中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 中國南車集團(tuán) 青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心，青島266111）

1 試驗(yàn)背景

CRH2型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)采用減速度控制模式，在制動(dòng)過程中，BCU（制動(dòng)控制單元）根據(jù)制動(dòng)級位、載荷狀態(tài)和當(dāng)前速度，計(jì)算制動(dòng)缸壓力，控制動(dòng)車組按照設(shè)置的制動(dòng)減速度進(jìn)行減速制動(dòng)。動(dòng)車組設(shè)7級常用制動(dòng)，最大常用制動(dòng)為B7，其他6個(gè)常用制動(dòng)級位基本是最大常用制動(dòng)減速度的等分；快速制動(dòng)減速度根據(jù)制動(dòng)距離要求和黏著系數(shù)限制綜合確定。動(dòng)車組實(shí)施制動(dòng)時(shí)，實(shí)際制動(dòng)減速度應(yīng)與設(shè)計(jì)制動(dòng)減速度基本一致，不能過大或過小。

CRH2－300動(dòng)車組（采用CRH2061C動(dòng)車組）在京津城際型式試驗(yàn)時(shí)，動(dòng)車組B7級空氣制動(dòng)實(shí)際減速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)減速度，最大超出50%以上，如圖1所示。

圖1 CRH 2061C動(dòng)車組常用7級空氣制動(dòng)實(shí)測減速度與設(shè)計(jì)減速度比較曲線

問題主要是由于BCU內(nèi)部制動(dòng)計(jì)算輸出制動(dòng)壓力時(shí)所采用的計(jì)算摩擦系數(shù)與制動(dòng)盤片實(shí)際摩擦系數(shù)存在較大偏差造成的。

根據(jù)參考文獻(xiàn)［2］，BCU按式（1）進(jìn)行制動(dòng)缸壓力控制：

式中PBC為BCU輸出的制動(dòng)缸壓力；k與基礎(chǔ)制動(dòng)有關(guān)的參數(shù)；β為目標(biāo)減速度；μ為計(jì)算摩擦系數(shù)。

從式1可知，在目標(biāo)減速度不變的前提下，計(jì)算摩擦系數(shù)與制動(dòng)缸壓力為反比關(guān)系，即計(jì)算摩擦系數(shù)取值越低，輸出的制動(dòng)缸壓力越大，在一定條件下，實(shí)際的制動(dòng)力會大于設(shè)計(jì)制動(dòng)力，最終反映為實(shí)際制動(dòng)減速度過大。

CRH2－300型動(dòng)車組制動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)采用的計(jì)算摩擦系數(shù)見表1。

表1 CRH2－300型動(dòng)車組計(jì)算摩擦系數(shù)值

CRH2－300型動(dòng)車組基礎(chǔ)制動(dòng)裝置臺架試驗(yàn)時(shí)，B7空氣制動(dòng)平均瞬時(shí)摩擦系數(shù)如圖2所示。從圖中可見，盤片實(shí)際摩擦系數(shù)遠(yuǎn)高于BCU內(nèi)計(jì)算摩擦系數(shù)，制動(dòng)設(shè)計(jì)偏于保守，因此造成動(dòng)車組實(shí)施B7級制動(dòng)時(shí)，實(shí)際減速度大于設(shè)計(jì)減速度。

為了使CRH2－300動(dòng)車組B7常用制動(dòng)減速度接近設(shè)計(jì)減速度，在制動(dòng)系統(tǒng)硬件不做調(diào)整的基礎(chǔ)上，青島四方機(jī)車車輛股份有限公司和中國鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所組織制定了優(yōu)化方案，通過軟件調(diào)整BCU內(nèi)部的計(jì)算摩擦系數(shù)。2009－07在武廣客運(yùn)專線，進(jìn)行了摩擦系數(shù)利用方案的優(yōu)化試驗(yàn)研究，檢驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)調(diào)整后B7制動(dòng)實(shí)際減速度與設(shè)計(jì)減速度是否能夠基本一致，同時(shí)檢驗(yàn)快速制動(dòng)距離是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖2 CRH2型動(dòng)車組不同初速度下制動(dòng)時(shí)的試驗(yàn)平均摩擦系數(shù)值關(guān)系圖

2 優(yōu)化方案

試驗(yàn)前，根據(jù)基礎(chǔ)制動(dòng)臺架試驗(yàn)的摩擦系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，制定了兩版優(yōu)化軟件，分別命名為VER.D和VER.E版本，具體見表2和表3。

表2 VER.D版本軟件摩擦系數(shù)利用方案

表3 VER.E版本軟件摩擦系數(shù)利用方案

根據(jù)制動(dòng)盤片實(shí)際摩擦系數(shù)變化的規(guī)律，優(yōu)化軟件在常用制動(dòng)時(shí)不再采用在全速度范圍內(nèi)一個(gè)恒定的摩擦系數(shù)的方法，而采用了分段式計(jì)算摩擦系數(shù)，以充分利用各速度段下的盤片實(shí)際摩擦系數(shù)。

從表2和表3可見，常用制動(dòng)時(shí)，兩個(gè)優(yōu)化方案軟件計(jì)算摩擦系數(shù)利用方案相同，均高于原方案的計(jì)算摩擦系數(shù)。

常用7級制動(dòng)缸壓力低于快速制動(dòng)壓力，根據(jù)圖3試驗(yàn)數(shù)據(jù)，實(shí)際摩擦系數(shù)卻較快速制動(dòng)時(shí)高，VER.D和VER.E計(jì)劃利用該特性，適當(dāng)提高計(jì)算摩擦系數(shù)，以降低制動(dòng)缸壓力，在仍滿足制動(dòng)距離要求的前提下，降低基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的機(jī)械負(fù)荷。在設(shè)計(jì)時(shí)，為確保制動(dòng)距離要求，兩個(gè)版本軟件分別采用了兩種不同的快速制動(dòng)計(jì)算摩擦系數(shù)值。

通過兩版優(yōu)化軟件方案，一是驗(yàn)證摩擦系數(shù)的選取方法及可行性。二是解決動(dòng)車組實(shí)際制動(dòng)減速度高于設(shè)計(jì)減速度的不足。為此，在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案時(shí)，選取了復(fù)合制動(dòng)和純空氣制動(dòng)兩種試驗(yàn)工況，B7制動(dòng)初速度分別為300 km／h和250 km／h，快速制動(dòng)初速度分別為300 km／h和200 km／h。

圖3 臺架試驗(yàn)常用7級和快速制動(dòng)摩擦系數(shù)比較曲線

3 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)在武廣客運(yùn)專線武漢—咸寧北區(qū)間K1278～K1285進(jìn)行，動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)分別安裝VER.D和VER.E版本軟件。試驗(yàn)動(dòng)車組為CRH2067C動(dòng)車組，全列按設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行裝載。

為了全面反映試驗(yàn)中動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài)，試驗(yàn)中監(jiān)測了動(dòng)車組1號車制動(dòng)缸和空氣彈簧（AS1和AS2）、2號車制動(dòng)缸和空氣彈簧、3號車制動(dòng)缸、總風(fēng)缸和空氣彈簧、4號車的制動(dòng)缸和空氣彈簧處的空氣壓力，以及采集了動(dòng)車組速度、制動(dòng)指令、制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)減速度、制動(dòng)距離等信號。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 初速300 km／h B7空氣制動(dòng)試驗(yàn)

CRH2067C動(dòng)車組VER.D和VER.E軟件版本與京津城際鐵路試驗(yàn)時(shí)CRH2061C動(dòng)車組（原方案）試驗(yàn)曲線比較見圖4。

圖4 VER.D方案與原方案制動(dòng)缸壓力和瞬時(shí)減速度比較圖

從圖5可見，VER.D和VER.E常用制動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)利用方案一致。與原方案相比，采用兩優(yōu)化方案的常用7級空氣制動(dòng)試驗(yàn)，制動(dòng)缸壓力下降約14%～16%，瞬時(shí)減速度較原方案下降約13%～18%；VER.D方案平均減速度為0.597 m／s2，VER.E方案平均減速度為0.607 m／s2，均小于原方案平均減速度0.675 m／s2。

圖5 VER.E方案與原方案制動(dòng)缸壓力和瞬時(shí)減速度比較圖

VER.D和VER.E純制動(dòng)減速度（去除基本阻力引起的減速度）與設(shè)計(jì)減速度比較曲線見圖6。

圖6 常用7級減速度比較曲線

根據(jù)圖6瞬時(shí)減速度曲線來看，在不計(jì)動(dòng)車組惰行阻力的情況下，制動(dòng)初速度300 km／h的B7空氣制動(dòng)工況，VER.D和VER.E方案較相同工況的原方案更接近設(shè)計(jì)減速度曲線，尤其在118 km／h以上的高速區(qū)域，實(shí)測減速度與設(shè)計(jì)減速度已非常吻合，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

運(yùn)用實(shí)際減速度與設(shè)計(jì)減速度之差的均方根平均值，可定量描述二者的吻合程度，其值越小代表吻合程度越高，數(shù)學(xué)描述如下：

設(shè)有兩組樣本x1，x2，…，x n及y1，y2，…，y n，構(gòu)造二者之差樣本z1，z2，…，z n，則樣本z均方根平均值A(chǔ)如下式定義：

式中z i為（x i－y i）；n為樣本數(shù)量。

由武廣客運(yùn)專線VER.D和VER.E方案試驗(yàn)減速度與設(shè)計(jì)減速度值之差，可得A1＝0.075 548；由京津城際鐵路原方案試驗(yàn)減速度值與設(shè)計(jì)減速度值之差，可得A2＝0.171 527，可見A1＜A2，因此優(yōu)化方案與原方案相比，優(yōu)化方案較原方案減速度曲線與設(shè)計(jì)曲線吻合度有一定提高。由于實(shí)際摩擦系數(shù)受影響的因素較多及實(shí)際中的控制難度問題，此摩擦系數(shù)優(yōu)化方案實(shí)際減速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)在可接受范圍內(nèi)。

4.2 初速300 km／h快速空氣制動(dòng)試驗(yàn)

本試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱吮容^VER.D和VER.E方案快速空氣制動(dòng)計(jì)算摩擦系數(shù)利用方案，驗(yàn)證優(yōu)化方案快速空氣制動(dòng)距離是否滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，進(jìn)而選擇較優(yōu)方案進(jìn)行裝車。

VER.D和VER.E方案與原方案試驗(yàn)結(jié)果見表4，試驗(yàn)曲線比較見圖7。

表4 原方案和VER.D、VER.E快速空氣制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

從圖7、表4可知，VER.D版本由于BCU計(jì)算摩擦系數(shù)設(shè)定值較高，制動(dòng)缸壓力偏低，全速度范圍瞬時(shí)減速度均低于原方案，造成制動(dòng)距離損失較大，兩次試驗(yàn)平均減速度為0.868 m／s2和0.874 m／s2，最大瞬時(shí)減速度為1.670 m／s2，制動(dòng)初速度300 km／h時(shí)的制動(dòng)距離超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不大于3 800 m的要求，可見，VER.D版本方案不可行。

而VER.E版本試驗(yàn)時(shí)制動(dòng)缸壓力有一定降低，但由于前文所述摩擦系數(shù)利用優(yōu)化的原因，瞬時(shí)摩擦系數(shù)上升的緣故，高速區(qū)域瞬時(shí)減速度值與原方案相同或略高，總制動(dòng)力和制動(dòng)距離與原方案基本一致，制動(dòng)初速度300 km／h時(shí)的制動(dòng)距離滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不大于3 800 m的要求，兩次試驗(yàn)平均減速度為0.915 m／s2和0.927 m／s2，且最大減速度為1.744 m／s2，較CRH2061C動(dòng)車組原方案的1.923 m／s2下降約10.3%。

圖7 快速空氣制動(dòng)試驗(yàn)曲線比較圖

按圖7所示的CRH2061C動(dòng)車組原方案和安裝VER.E方案的CRH2067C動(dòng)車組的制動(dòng)缸壓力曲線和瞬時(shí)減速度曲線，結(jié)合動(dòng)車組的基礎(chǔ)制動(dòng)參數(shù)，可用下式計(jì)算兩次試驗(yàn)的瞬時(shí)摩擦系數(shù)。

式中μ為瞬時(shí)摩擦系數(shù)；m為動(dòng)車組總重，均按CRH2－300動(dòng)車組實(shí)際稱重試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算，t；R為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)；a i為瞬時(shí)減速度，按圖7的數(shù)據(jù)取值，m／s2；Pi為某一時(shí)刻動(dòng)車或拖車制動(dòng)缸壓力，按圖7的數(shù)據(jù)取值，k Pa；dt為拖車制動(dòng)缸直徑，m；γ為制動(dòng)倍率；n為制動(dòng)缸數(shù)量；η為傳動(dòng)效率；Dt為拖車制動(dòng)盤平均摩擦直徑，m；dd為動(dòng)車制動(dòng)缸直徑，m；D為動(dòng)車組車輪直徑，m；Dd為動(dòng)車制動(dòng)盤平均摩擦直徑，m。

由式（4）得出的實(shí)際瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線如圖8所示。

圖8 快速空氣制動(dòng)瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線

從瞬時(shí)摩擦系數(shù)計(jì)算結(jié)果可見，采用VER.E版本計(jì)算摩擦系數(shù)優(yōu)化方案后，適當(dāng)降低制動(dòng)缸壓力，快速制動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)摩擦系數(shù)較原方案高約0.015，充分利用了制動(dòng)盤片的摩擦性能，并再次印證了圖3所示的臺架摩擦系數(shù)試驗(yàn)的結(jié)論。

可見，從常用制動(dòng)時(shí)瞬時(shí)摩擦系數(shù)與設(shè)計(jì)值的一致性、快速空氣制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，以及瞬時(shí)摩擦系數(shù)計(jì)算結(jié)果可見，VER.E版本改進(jìn)摩擦系數(shù)利用方案是可行的，基本達(dá)到了預(yù)期的目的。

5 結(jié)束語

摩擦系數(shù)優(yōu)化方案的實(shí)車B7級空氣制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)測制動(dòng)減速度與設(shè)計(jì)減速度曲線吻合程度較原方案已大有改進(jìn)，一定程度上降低了制動(dòng)盤片的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。VER.E版本摩擦系數(shù)優(yōu)化方案的實(shí)車快速制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，實(shí)測制動(dòng)距離滿足制動(dòng)距離限值的要求，該版改進(jìn)方案基本達(dá)到了預(yù)期的目的。

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，制動(dòng)速度范圍較大的機(jī)車車輛在制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，計(jì)算摩擦系數(shù)可以分段選取，可以充分利用盤片的實(shí)際摩擦性能，有效降低盤片磨耗。

［1］王月明.動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)［M］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［2］徐 磊.CRH2型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)摩擦系數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］.鐵道機(jī)車車輛，2009，29（4）：51－53.

［3］武廣客運(yùn)專線動(dòng)車組專項(xiàng)研究試驗(yàn)報(bào)告［R］.北京：中國鐵道科學(xué)研究院，2009.

［4］CRH2－300動(dòng)車組型式試驗(yàn)報(bào)告（2008），JL字第 W－252號［R］.北京：鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心機(jī)車車輛檢驗(yàn)站，2008.