車輛阻力對(duì)高速動(dòng)車組制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷的影響*

呂寶佳， 李繼山， 焦標(biāo)強(qiáng)， 陳德峰， 顧磊磊， 宋躍超

(1 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司， 北京 100094；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京 100081)

?

車輛阻力對(duì)高速動(dòng)車組制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷的影響*

呂寶佳1,2， 李繼山1,2， 焦標(biāo)強(qiáng)1,2， 陳德峰1， 顧磊磊1,2， 宋躍超1

(1 北京縱橫機(jī)電技術(shù)開(kāi)發(fā)公司， 北京 100094；2 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京 100081)

動(dòng)車組高速制動(dòng)時(shí)，由于車輛自身阻力及風(fēng)阻作用，制動(dòng)盤(pán)承受的熱負(fù)荷會(huì)降低。建立了高速制動(dòng)時(shí)考慮車輛阻力的1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀＠酶咚?∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)，研究了制動(dòng)初速度350 km/h時(shí)車輛阻力對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷的影響，使1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)工況與現(xiàn)車更接近，得到的試驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際。

制動(dòng)盤(pán)； 阻力； 熱負(fù)荷

國(guó)內(nèi)外高速列車基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)普遍采用盤(pán)型制動(dòng)裝置，盤(pán)形制動(dòng)裝置是動(dòng)車組的重要組成部分。隨著列車速度的提高，制動(dòng)盤(pán)承受的熱負(fù)荷越來(lái)越大[1]。因此，高速動(dòng)車組設(shè)計(jì)階段，如何得到準(zhǔn)確的制動(dòng)盤(pán)溫升，對(duì)評(píng)價(jià)高速動(dòng)車組制動(dòng)盤(pán)配置方案是否合理，以及指導(dǎo)制動(dòng)盤(pán)結(jié)構(gòu)和材料的改進(jìn)優(yōu)化具有十分重要的意義。目前，國(guó)內(nèi)制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷研究方法主要是有限元仿真和1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)，兩種研究方法均未考慮高速階段車輛所受阻力對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷的影響[2-3]，因此兩種方法得到的制動(dòng)盤(pán)溫升比實(shí)際要大。本文將列車阻力考慮到制動(dòng)盤(pán)1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)中，通過(guò)試驗(yàn)方法得到車輛阻力對(duì)制動(dòng)盤(pán)溫升的具體影響。

1 車輛阻力

高速動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)，車輛阻力主要有兩方面來(lái)源：其一是車輛自身及與鋼軌的摩擦阻力，其二是空氣阻力，如空氣和列車表面的摩擦阻力，空氣對(duì)列車的正面壓力和列車周圍產(chǎn)生的渦流阻力。動(dòng)車組制動(dòng)時(shí)，車輛阻力會(huì)提供一部分減速度，尤其是高速制動(dòng)時(shí)，車輛阻力提供的減速度會(huì)占很大部分。因此，在研究高速純空氣制動(dòng)工況下制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷情況時(shí)，車輛阻力是不能忽略的。

國(guó)內(nèi)某8輛編組動(dòng)車組車輛阻力與速度關(guān)系如圖1所示。隨著速度增加，車輛阻力明顯增加，350 km/h時(shí)車輛阻力達(dá)到75 kN。而350 km/h緊急制動(dòng)時(shí)車輛總制動(dòng)力為326 kN，其中車輛阻力占到總制動(dòng)力的23%。

2 制動(dòng)盤(pán)1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)康募皟?nèi)容

1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)的作用是通過(guò)模擬高速動(dòng)車組制動(dòng)的方法，模擬高速動(dòng)車組制動(dòng)盤(pán)在不同工況的停車制動(dòng)，考核制動(dòng)盤(pán)材質(zhì)的力學(xué)性能、熱物理性能以及摩擦磨損等性能，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)制動(dòng)盤(pán)摩擦副改進(jìn)和優(yōu)化，最終使制動(dòng)盤(pán)材料和結(jié)構(gòu)達(dá)到最優(yōu)。

圖1 某8輛編組動(dòng)車組所受車輛阻力與速度關(guān)系

為了達(dá)到改進(jìn)和優(yōu)化制動(dòng)盤(pán)的目的，1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)工況要盡量與現(xiàn)車一致。低速階段，車輛阻力較小，進(jìn)行1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)可忽略其影響。但高速階段，尤其是200 km/h以上，車輛阻力增長(zhǎng)明顯，為了使1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)工況與現(xiàn)車一致，車輛阻力的影響不可忽略。因此，為了準(zhǔn)確得到高速制動(dòng)時(shí)車輛阻力對(duì)制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷影響，進(jìn)行了相同工況下未考慮車輛阻力和考慮車輛阻力兩種試驗(yàn)對(duì)比。

2.2 1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)考慮車輛阻力的方法

高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)室的1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)最高運(yùn)行速度達(dá)到530 km/h，具有制動(dòng)慣量隨速度實(shí)時(shí)變化功能。該試驗(yàn)臺(tái)具備試驗(yàn)過(guò)程中考慮車輛阻力影響的功能。

式(1)從總慣量中將車輛阻力部分除去，只保留空氣制動(dòng)部分的慣量，最終得到試驗(yàn)慣量隨速度的變化的關(guān)系，將該對(duì)應(yīng)關(guān)系輸入到試驗(yàn)設(shè)置中，從而考慮了車輛阻力對(duì)制動(dòng)盤(pán)1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)的影響。

(1)

2.3 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)速度 350 km/h

輪徑 920 mm

制動(dòng)盤(pán)初始溫度 60℃

閘片雙側(cè)夾緊力 22/39 kN(壓力轉(zhuǎn)換點(diǎn)：250 km/h)

制動(dòng)盤(pán)類型 鑄鋼輪裝制動(dòng)盤(pán)

制動(dòng)盤(pán)外徑 750 mm

制動(dòng)盤(pán)摩擦半徑 305 mm

閘片材料 粉末冶金

未考慮車輛阻力 軸重=17 t

考慮車輛阻力 按式(1)計(jì)算軸重

2.4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

兩種試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1所示。兩次制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)初速度均為350 km/h，雙側(cè)閘片壓力均為22/39 kN，制動(dòng)盤(pán)初始溫度均為60℃，只有軸重不同。試驗(yàn)軸重1是不考慮車輛阻力，軸重恒定為17 t；試驗(yàn)軸重2是考慮車輛阻力，軸重按式1設(shè)置。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)結(jié)果顯示：考慮車輛阻力后，制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面最高溫度比恒軸重工況低了65℃，制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷降低了10%，圖2為兩種工況制動(dòng)盤(pán)溫度對(duì)比曲線。由于熱負(fù)荷降低，閘片平均摩擦系數(shù)提高了0.01，圖3為兩種工況閘片瞬時(shí)摩擦系數(shù)對(duì)比曲線，閘片承受熱負(fù)荷降低，相應(yīng)摩擦系數(shù)有所提高。

圖4是未考慮車輛阻力工況，試驗(yàn)后制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面狀態(tài)；圖5是考慮車輛阻力工況，試驗(yàn)后制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面狀態(tài)。兩種工況試驗(yàn)后，制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面狀態(tài)良好，無(wú)熱斑、裂紋等不良缺陷。

圖2 兩種工況下制動(dòng)盤(pán)溫度曲線

圖3 兩種工況下閘片瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線

圖4 未考慮車輛阻力工況，試驗(yàn)后制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面狀態(tài)

圖5 考慮車輛阻力工況，試驗(yàn)后制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面狀態(tài)

3 結(jié) 論

(1)在國(guó)內(nèi)首次建立了高速制動(dòng)時(shí)，考慮車輛阻力的1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。從而?∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)工況與現(xiàn)車更接近，得到的試驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際。

(2)初速度350 km/h制動(dòng)時(shí)，考慮車輛阻力后，制動(dòng)盤(pán)盤(pán)面最高溫度比未考慮車輛阻力工況低了65℃，制動(dòng)盤(pán)熱負(fù)荷降低了10%。

(3)初速度350 km/h制動(dòng)時(shí)，考慮車輛阻力后，制動(dòng)摩擦副熱負(fù)荷降低，閘片平均摩擦系數(shù)提高了0.01，1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)測(cè)得的閘片摩擦系數(shù)更準(zhǔn)確，有利于車輛制動(dòng)控制。

[1] 李和平，林祜亭．高速列車基礎(chǔ)制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究[J]，中國(guó)鐵道科學(xué)，2003, 24(2):8-13.

[2] 李繼山. 高速動(dòng)車組制動(dòng)摩擦副的仿真分析[J]，鐵道機(jī)車車輛，2011，31(10):93-96.

[3] 焦標(biāo)強(qiáng). 高速動(dòng)車組制動(dòng)盤(pán)試驗(yàn)研究分析[J]，鐵道機(jī)車車輛，2011，31(10):97-99.

Influence of High Speed EMU Resistance on Brake Disc Thermal Load

LYUBaojia1,2,LIJishan1,2,JIAOBiaoqiang1,2,CHENDefeng1,GULeilei1,2,SONGYuechao1

(1 Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co, Beijing 100094, China 2 Lowmotive & Car Reasearch Institute China Academy of Railway Science, Beijing 100081, China)

When high-speed braking, due to the vehicle itself resistance and wind resistance, brake disc's thermal load is reduced. This paper establishes the full scaled dynamometer test model considering vehicle resistance. Using the full scaled dynamometer test bench, this paper gets the influence of high speed EMU resistance on brake disc's thermal load, makes the full scaled dynamometer test condition close to the real vehicle, and gets the test result close to actual.

brake disc; resistance; thermal load

1008-7842 (2015) 03-0031-02

*中國(guó)鐵路總公司科技開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013J008-B、2014J004-G);中國(guó)鐵道科學(xué)研究院基金項(xiàng)目(2013YJ022)

??)男，助理研究員(

2014-12-04)

U270.351

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.07