高速動車組轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動防冰雪吹風(fēng)系統(tǒng)

辛志強

(中國北車 長春軌道客車股份有限公司, 吉林長春 130062)

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高速動車組轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動防冰雪吹風(fēng)系統(tǒng)

辛志強

(中國北車 長春軌道客車股份有限公司, 吉林長春 130062)

針對近年冬季服役于我國北方寒冷地區(qū)的高速動車組頻繁出現(xiàn)的制動盤異常磨耗問題，提出了基礎(chǔ)制動防冰雪吹風(fēng)系統(tǒng)方案，以減少制動盤異常磨耗情況的出現(xiàn)。通過理論計算、試驗?zāi)M等手段確定系統(tǒng)參數(shù)及零部件選型，最終形成完整的系統(tǒng)搭建方案。通過型式試驗和環(huán)境模擬試驗，驗證了本系統(tǒng)功能能夠滿足預(yù)期要求，充分證明了本系統(tǒng)設(shè)計的合理性和有效性。

高速動車組； 基礎(chǔ)制動； 制動盤； 異常磨耗； 防冰雪吹風(fēng)系統(tǒng)

對于鐵路動車組而言，關(guān)乎行車安全的制動系統(tǒng)無疑是最關(guān)鍵的系統(tǒng)之一。而對于高速運行的載客列車而言，制動系統(tǒng)的重要性更是不言而喻。隨著近年來高速動車組在我國軌道交通行業(yè)的日益普遍，一些高速動車組要在東北等高寒地區(qū)服役，這些地區(qū)冬季高寒、風(fēng)雪、結(jié)冰等氣候特征，給動車組的正常運行帶來了嚴(yán)峻的考驗，冬季運行過程中出現(xiàn)的許多問題是設(shè)計之初始料未及的。其中，制動盤異常磨耗就是主要并亟待解決的問題之一。

關(guān)于導(dǎo)致高寒地區(qū)冬季運營的高速動車組制動盤異常磨耗(以下簡稱制動盤異常磨耗)的原因，業(yè)內(nèi)主要觀點是閘片與制動盤間排屑困難及夾鉗單元動作異常。在國外冬季高寒地區(qū)如北歐、俄羅斯、日本等也有高速列車運行，為確保列車冬季的正常運行，上述國家采取了各種融冰除雪措施(如化學(xué)除冰或高溫除冰等)。這些措施行之有效但也有局限性，只能在列車回庫后進(jìn)行，而列車運行時無法實施。也有個別方法如在線路上配備除雪裝置，因設(shè)備安裝和維護(hù)成本較高，在高寒地區(qū)所有線路上全面執(zhí)行的可行性不高。

綜上所述，找出一種能夠在高速列車運行時緩解冰雪可能導(dǎo)致的夾鉗單元動作異常且成本相對較低的方法，已經(jīng)成為急需業(yè)內(nèi)研究的重要課題。提出了一種轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動吹風(fēng)系統(tǒng)(以下簡稱吹風(fēng)系統(tǒng))，其原理是通過車上壓縮空氣吹除附著在夾鉗單元、特別是其運動節(jié)點附近的冰雪，防止冰雪附著凍結(jié)后影響夾鉗單元正常動作，從而有效減少制動盤異常磨耗的發(fā)生。

1 吹風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計

安裝吹風(fēng)系統(tǒng)本質(zhì)上是對既有高速動車組的改造，故該系統(tǒng)最基本的設(shè)計要求是不得對既有動車組造成過多或不良影響。結(jié)合該系統(tǒng)的設(shè)計初衷，要求其耗風(fēng)量不得超過既有動車組的供風(fēng)能力，零部件的安裝不得影響既有部件，供電必須使用既有電源。

1.1 系統(tǒng)設(shè)計的邊界條件

既有動車組的供風(fēng)能力為2臺128 dm3·MPa/min的空氣壓縮機，總風(fēng)額定壓力為0.85～1 MPa，既有耗風(fēng)負(fù)載如表1所示：

表1 動車組既有設(shè)備耗風(fēng)量

故既有動車組供風(fēng)能力的裕量為：1 280×2-139.9=116.1 dm3·MPa/min。取安全系數(shù)為2，可得出所要增加的吹風(fēng)系統(tǒng)最大耗風(fēng)量Qmax=116.1/2 = 58.05 dm3·MPa/min。吹風(fēng)系統(tǒng)所用風(fēng)源的最大壓力為1 MPa。

1.2 系統(tǒng)的參數(shù)選擇

明確邊界條件后通過以下公式可以暫定吹風(fēng)系統(tǒng)的通徑D：

式中L為流量，m3/s；D為通徑大小，m；P為工作壓力，Pa;暫定106Pa；P0：標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，取105Pa；ρ為空氣密度，取1.293 kg/m3。

可得最大通徑D為3.15 mm。考慮到8輛編組的高速動車組至少有4輛車需要安裝吹風(fēng)系統(tǒng)，故每輛車吹風(fēng)系統(tǒng)的通徑D1約為3.15/2=1.57 mm，此結(jié)果顯然不合理，不能夠?qū)⒈┐党?，故吹風(fēng)系統(tǒng)不能夠持續(xù)工作，須采用間隔工作的控制策略。

通過試驗尋找合適的通徑D。為了使吹風(fēng)系統(tǒng)能夠達(dá)到更好的吹除冰雪的效果，每個夾鉗單元設(shè)置4個吹風(fēng)噴嘴，分別吹除夾鉗單元上4個轉(zhuǎn)動節(jié)點上的冰雪，如圖1所示。根據(jù)對制動盤異常磨耗的統(tǒng)計，在每列車中發(fā)生異常磨耗最多的4臺車上設(shè)置吹風(fēng)系統(tǒng)，每臺車設(shè)2套吹風(fēng)系統(tǒng)，每套系統(tǒng)負(fù)責(zé)1臺轉(zhuǎn)向架上的6個夾鉗單元。在此基礎(chǔ)上通過試驗測試一系列不同尺寸的通徑D的除冰效果，最終確定每套吹風(fēng)裝置的通徑D=5.5 mm最為合適，此時耗風(fēng)量Q5.5為150 dm3·MPa/min(試驗測量結(jié)果)。

圖1 夾鉗單元上的噴嘴設(shè)置

為了使吹風(fēng)系統(tǒng)的耗風(fēng)量能夠滿足邊界條件Qmax為58.05 dm3·MPa/min的要求，須設(shè)置合理的系統(tǒng)工作率。

設(shè)吹風(fēng)系統(tǒng)的工作率為N，則有：

式中n1為設(shè)置吹風(fēng)系統(tǒng)的車輛的數(shù)量，取4；n2為每輛車上設(shè)置吹風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)量，取2。則N≤4.84%。

故吹風(fēng)系統(tǒng)每分鐘內(nèi)的工作時間不應(yīng)超過60×4.84%=2.9 s。考慮到持續(xù)吹風(fēng)2.9 s時間較短，吹除冰雪效果不盡理想，故取每2 min工作時間不超過2×2.9=5.8 s，為便于控制，取為5 s，即每2 min工作5 s。此時全列吹風(fēng)系統(tǒng)的耗風(fēng)量Qall為：

Qall=N1×n1×n2×Q5.5=50dm3·MPa/min

N1為修改后的工作率，取5/120 = 4.17%

此時的安全系數(shù)為2.32。

增加吹風(fēng)系統(tǒng)后的全列設(shè)備耗風(fēng)量由139.9 dm3·MPa/min增加至189.9 dm3·MPa/min。通過計算，增加吹風(fēng)系統(tǒng)后空壓機的工作曲線由圖2更改為圖3的形式。

圖2 增加吹風(fēng)系統(tǒng)前空壓機的工作曲線

圖3 增加吹風(fēng)系統(tǒng)后空壓機的工作曲線

根據(jù)曲線可知，增加吹風(fēng)系統(tǒng)后空壓機1的工作率為78.5%，空壓機2的工作率為69.9%。相對于增加吹風(fēng)系統(tǒng)前的81.6%和27.7%，每臺空壓機平均工作率增加了19.55%。按照每年冬季4個月每月30天、高速動車組每天工作時間10 h、冬季每天均啟用吹風(fēng)系統(tǒng)(吹風(fēng)系統(tǒng)僅雪天和雪后1～2天使用)進(jìn)行計算，增加吹風(fēng)系統(tǒng)后，每個冬季每臺空壓機工作時間額外增加234.6 h。未安裝吹風(fēng)系統(tǒng)的高速動車組空壓機年運行時間約為1 350 h，安裝吹風(fēng)系統(tǒng)后，空壓機年運行時間增加到1 584.6 h，僅增加了17.4%，對空壓機檢修和維護(hù)影響相對較小。

1.3 原理設(shè)計

根據(jù)以上參數(shù)選擇設(shè)計吹風(fēng)系統(tǒng)的原理。

系統(tǒng)最小通徑為5.5 mm，由于采用間隔吹風(fēng)的控制策略，故需設(shè)置控制電路和電磁閥，為保證不過多消耗總風(fēng)壓力，需要設(shè)置壓力開關(guān)，在總風(fēng)壓力低時及時關(guān)斷吹風(fēng)系統(tǒng)。為防止電控失效，冗余設(shè)置溢流閥，防止吹風(fēng)系統(tǒng)持續(xù)消耗總風(fēng)，同時，還需設(shè)置截斷塞門用于人為關(guān)斷吹風(fēng)系統(tǒng)。吹風(fēng)系統(tǒng)原理及單車吹風(fēng)模塊原理圖見圖4～圖5。

為實現(xiàn)每2 min吹風(fēng)5 s的控制策略，需增加控制電路見圖6。

圖4 吹風(fēng)系統(tǒng)原理圖

2 吹風(fēng)系統(tǒng)的試驗和試裝

按照吹風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計原理，進(jìn)行了吹風(fēng)系統(tǒng)部件加工和部件試驗，包括溢流閥功能試驗、單車吹風(fēng)模塊耗

風(fēng)量測量、電磁閥動作試驗、電磁閥和截斷塞門氣密性試驗、減壓閥功能試驗、整體沖擊振動試驗、整體高低溫試驗、電氣絕緣耐壓試驗及環(huán)境模擬試驗等，試驗結(jié)果均滿足預(yù)期目標(biāo)。

試驗完成后在高速動車組試驗車上進(jìn)行了吹風(fēng)系統(tǒng)的試裝，如圖7所示。

圖5 單車吹風(fēng)模塊原理圖

圖6 控制電路圖

圖7 吹風(fēng)系統(tǒng)安裝

3 結(jié)束語

提出的高速動車組轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動防冰雪吹風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過方案設(shè)計、系統(tǒng)設(shè)計、詳細(xì)設(shè)計，并通過了部件試驗、系統(tǒng)試驗，最后完成了裝車試驗。目前系統(tǒng)已通過業(yè)內(nèi)相關(guān)部門的評審確認(rèn)方案可行，近期將進(jìn)行正線運行試驗。有充分的理論計算和試驗結(jié)果作為依據(jù)，該系統(tǒng)能正常運作，并切實有效地減少冬季高寒地區(qū)高速動車組制動盤異常磨耗的發(fā)生。

Icing Against System of Bogie Fundamental Brake Device for EMU

XINZhiqiang

(CNR Changchun Railway Vehicle Co., Ltd., Changchun 130062 Jilin, China)

An icing against system scheme for fundamental brake device is proposed in this paper because of the brake disc's abnormal wear problem appearing frequently on EMU serving in north area of China. The system parameters and parts selection are confirmed by theoretical calculating and testing emulation, and the complete system building scheme is accomplished finally. Type tests and environmental simulative tests can prove the reasonability and availability of this system fully.

EMU; fundamental brake device; brake disc; abnormal wear; icing against system

1008-7842 (2015) 03-0080-03

??)男，工程師(

2014-10-10)

U266.2.8.35

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.20