混合動力動車組制動性能的研究

姚風(fēng)龍， 王 磊， 王志龍， 廖紹輝

(中車長春軌道客車股份有限公司 電氣研發(fā)部， 長春 130062)

混合動力動車組最高運營速度160 km/h，每列車采用3輛編組，其中Mc01、Mc03為動車，Tp02為拖車。同型動車組可重聯(lián)，如圖1所示。最大常用制動平均減速度(半磨耗)≥1.0 m/s2；緊急制動平均減速度(半磨耗)≥1.2 m/s2；列車縱向沖擊率≤0.75 m/s3；動車組制動系統(tǒng)采用微機控制的直通式電空制動系統(tǒng)。每輛車配有一套制動控制單元(Brake Control Unit)，簡稱BCU，除實現(xiàn)制動控制、防滑控制外，還具有自診斷和故障記錄等功能，車輛的軸重及各種工況條件，空載AW0，額定負載AW2、超載AW3的載荷情況見表1。

圖1 混合動力動車組編組圖

軸重≤17 tFM/tFT/t總重/tAW0整備5555165AW2定員6363189AW3超員6868204

其中M車慣量系數(shù)JZ=0.065，Tp車慣量系數(shù)JZ=0.046，單車及整列車的動靜摩擦系數(shù)均為ξ=ξ0=0.35。

1 常用制動力分配原則

常用制動時采用電制動和空氣制動兩種制動力實現(xiàn)方式，其中電制動具有優(yōu)先權(quán)，應(yīng)能盡最大能力充分發(fā)揮電制動作用(電制動能力不足時，才使用空氣制動)。常用制動受縱向沖擊率限制，按目標(biāo)距離一次連續(xù)速度控制的模式控制動車組減速或停車。其制動力隨輸入指令大小無級控制，并可隨載重變化自動調(diào)整。

緊急制動(Urgent Brake)UB 時，采用純空氣制動的方式，其制動力大小是由空重車調(diào)整閥根據(jù)空氣彈簧壓力來進行控制的，即將空氣彈簧壓力通過空、電轉(zhuǎn)換裝置得到與該轉(zhuǎn)向架載重相對應(yīng)電信號，進而計算車輛載荷，以便根據(jù)車輛載荷情況對列車制動力進行相應(yīng)調(diào)整。

緊急制動(Emergency Brake)EB 時，采用電、空復(fù)合制動的方式，在電制動充分發(fā)揮作用的基礎(chǔ)上，不足制動力由空氣制動力補償?；旌蟿恿榆嚱M制動力分配遵循以下幾種策略。

①優(yōu)先使用動車電制力。

②如果列車總制動力不足時，優(yōu)先補充施加拖車摩擦制動力，直至拖車摩擦制動利用黏著系數(shù)達到0.03。

③如果拖車摩擦制動利用黏著系數(shù)達到0.03，且列車總制動力仍不足時，在全列平均分配剩余制動力，直至拖車制動盤的摩擦制動功率達到250 kW。

④如果拖車制動盤的摩擦制動功率達到250 kW，且列車總制動力仍不足時，在動車平均分配剩余制動力，直至動車制動盤的摩擦制動功率達到250 kW。

⑤如果拖車、動車制動盤的摩擦制動功率都達到250 kW，且列車總制動力仍不足時，在全列平均分配剩余制動力。其分配流程圖如圖2所示。

2 常用制動與緊急制動EB位減速度曲線

混合動力動車組的制動特點是將黏著系數(shù)作為空氣制動力分配的最優(yōu)先保證參數(shù)，以此作為電、空復(fù)合減速度設(shè)計的基礎(chǔ)，制動方式為盤型制動，車重數(shù)據(jù)按AW2定員計算，混合動力動車組制動系統(tǒng)的常用制動和緊急制動EB采用減速度-速度曲線為控制目標(biāo)，設(shè)計遵循以下原則：

①緊急制動EB在速度范圍內(nèi)采用恒定減速度控制。

②常用制動各級位在速度范圍內(nèi)采用變減速控制。

③電制動力正常時，1級和2級在速度范圍內(nèi)僅使用電制動力。

④各個級位的平均減速度(含風(fēng)阻)定義為：1級，0.1 m/s2；2級，0.25 m/s2；3級，0.4 m/s2；4級，0.55 m/s2；5級，0.7 m/s2；6級，0.85 m/s2；7級，1.0 m/s2；緊急EB/UB，1.2 m/s2。

整列車制動力計算公式為：

FAW_j=(MAW_j+MAW·JZ)aAW_j

(1)

式中j為載荷工況編號。

實際利用的黏著系數(shù)：

(2)

式中i為車輛編號。

不同初速度下的制動距離與平均減速度計算如下：

沖動極限要求的升壓時間為：

tU_I=aB_k/Im_max

(3)

式中aB_k為制動缸壓力從零上升至目標(biāo)值時的制動減速度。

圖2 混合動力制動力分配流程圖

制動距離為：

(4)

式中vk為離散化速度；k為離散點編號；Ns離散點數(shù)量；v0為制動初速度；tU_Max為制動缸升壓時間tU和沖動限制要求的升壓時間tU_I中取最大值。

平均減速度為：

(5)

根據(jù)牽引電機的電制動特性曲線(3輛編組)如圖3所示。

列車單位阻力公式：

R=0.000 755mg+52.650 5(v+dv)+

3.429 125(v+dv)2

(6)

其中v為速度m/s；m為動車組質(zhì)量kg；g為重力加速度m/s2；dv為風(fēng)速4.17 m/s。

常用制動空走時間tu_SB=1 s，常用制動缸升壓時間tu_SB=2 s。

以上計算公式及設(shè)計原則作為輸入條件，得到制動各級別設(shè)計減速度曲線(不含風(fēng)阻)如圖4所示，制動各級別設(shè)計減速度值(不含風(fēng)阻)，見表2。

圖3 混合動力牽引電機特性曲線

制動各級別設(shè)計減速度曲線(含風(fēng)阻)如圖5所示。

考慮空走時間和風(fēng)阻，各制動極位實際平均減速度計算值為：

1級，0.101 m/s2；2級，0.25 m/s2；3級，0.401 m/s2；4級，0.55 m/s2；5級，0.701 m/s2；6級，0.85 m/s2；7級，1.01 m/s2；緊急EB，1.201 m/s2。

圖4 混合動力設(shè)計減速度曲線(不含風(fēng)阻)

制動級位減速度值/(m·s-2)0111 km/h160 km/h10.0680.0680.04720.2360.2360.16530.4120.4120.28840.5920.5920.41550.7790.7790.54560.9700.9700.67971.1801.1800.826EB1.3061.3061.306

圖5 混合動力設(shè)計減速度曲線(含風(fēng)阻)

常用制動采用兩段式折線，轉(zhuǎn)折點為111 km/h。由于電制力較小且特性曲線的恒力-恒功轉(zhuǎn)折速度較低，僅能保證常用制動1級和2級在AW2時全速度范圍內(nèi)不超過電制最大能力。各級位的最大減速度對應(yīng)的黏著系數(shù)均處于合理范圍。

3 制動熱容量報告

混合動力動車組車輛動車和拖車都采用鑄鋼輪裝制動盤，下面進行摩擦副熱容量計算如下：

在AW3載荷下，車輛動態(tài)軸重為：動車軸重(動態(tài))：17+0.894=17.894(t)

(7)

拖車軸重(動態(tài))：17+0.633=17.633 (t)

(8)

顯然，純空氣制動情況下動車制動摩擦副承受的熱負荷要高于拖車制動摩擦副，因此在下面計算中車輛軸重均設(shè)定為動車AW3載荷下的動態(tài)軸重。

混合動力車全列配置6套停放制動缸(每節(jié)車配置2套停放制動缸)，整列車的停放制動力為61.2 kN，而緊急制動UB時整車制動力為255.6 kN，疊加后制動力共316.8 kN，可計算制動力疊加后的列車減速度為1.48 m/s2。由于動車的緊急UB制動力較大，帶停放制動的動車輪盤承受了較大的停放制動力與緊急制動力的疊加。因此，下面根據(jù)得到的減速度及停放制動力與緊急制動力疊加進行帶停放制動的動車輪盤熱容量仿真計算。

表3 AW3 工況下緊急制動力

表4 每車停放制動力

由于動車的動態(tài)軸重大于拖車的動態(tài)軸重，動車輪盤比拖車輪盤承受的熱負荷大，純空氣工況下動車輪盤溫度要高于拖車輪盤溫度，因此只對熱負荷更大的動車輪盤進行仿真分析，其中閘片材料為粉末冶金材料制動盤初始溫度設(shè)置為40℃，按照 UIC 541-3中的規(guī)定，粉末冶金閘片應(yīng)能夠承受550℃以下的溫度而不使閘片特性變壞為判斷依據(jù)，進行了以下3種工況的模擬仿真分析。

圖6 純空氣，初速度160 km/h,2次連續(xù)UB 輪盤溫度曲線

工況1在初速度160 km/h，純空氣2次連續(xù)UB純空氣制動情況下，緊急制動減速度為1.2 m/s2，動車輪盤盤面溫度為333℃，輪盤溫度曲線如圖6所示，仿真結(jié)果顯示輪裝制動盤盤面最高溫度均未超過粉末冶金閘片允許的最高溫度。

工況2在初速度160 km/h，施加最大常用制動情況下，純空氣全程模擬運營環(huán)境，其中，全程距離為500 km，站間距15 km，停車1 min，最大常用制動減速度為1.0 m/s2，動車輪盤盤面溫度為280℃，輪盤溫度曲線如圖7所示，輪裝制動盤盤面最高溫度均未超過粉末冶金閘片允許的最高溫度。

圖7 純空氣，初速度160 km/h,模擬運營輪盤溫度曲線

工況3在初速度160 km/h，停放制動力與UB緊急制動力同時施加工況下，帶停放制動的動車輪盤承受較大的熱負荷，帶停放制動的動車輪盤盤面溫度為420℃，輪盤溫度曲線如圖8所示，未超過粉末冶金閘片允許的最高溫度。但由于緊急制動過程中停放制動意外施加是故障工況，在出現(xiàn)此故障后，列車需要盡快維修排除故障。

上述對于工況1,2,3進行了制動盤熱容量計算，盤面溫度都在粉末冶金閘片允許的最高溫度之內(nèi)，符合要求。

圖8 停放制動與UB緊急制動同時施加時帶停放制動的動車輪盤溫度曲線

4 結(jié) 論

(1)系統(tǒng)研究制定了混合動力動車組制動力分配原則。

(2)在充分利用輪軌間的黏著系數(shù)條件下結(jié)合制動力分配原則設(shè)計出混合動力動車組各級制動力下的減速度值。

(3)通過仿真分析證明了在AW3載荷下，制動盤及閘片的熱容量性能滿足UIC 541-3要求。