CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組(短編)制動(dòng)計(jì)算與試驗(yàn)驗(yàn)證

孫新海, 金 哲, 郭彥峰

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車(chē)車(chē)輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組實(shí)現(xiàn)了列車(chē)的雙端操縱，大幅減少了調(diào)車(chē)和折返作業(yè)時(shí)間，可有利提升鐵路運(yùn)輸組織效率，提高列車(chē)的利用率，加快普速鐵路的捷運(yùn)化升級(jí)。CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組的空氣制動(dòng)系統(tǒng)沿用了自動(dòng)制動(dòng)機(jī)的控制模式，與既有機(jī)車(chē)、客車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)兼容，技術(shù)經(jīng)濟(jì)性良好。其空氣制動(dòng)的控制模式與現(xiàn)有機(jī)客列車(chē)的空氣制動(dòng)原理基本相同，即以列車(chē)管壓力變化來(lái)控制自動(dòng)制動(dòng)機(jī)的動(dòng)作實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)與緩解，也就是通常所說(shuō)的純空氣制動(dòng)?？諝庵苿?dòng)過(guò)程中由基礎(chǔ)裝置將巨大的運(yùn)行動(dòng)能通過(guò)摩擦方式轉(zhuǎn)化成熱能，并在很短時(shí)間內(nèi)消散到大氣中，實(shí)現(xiàn)列車(chē)的調(diào)速和停車(chē)。動(dòng)力車(chē)的停放制動(dòng)采用帶停放制動(dòng)的制動(dòng)夾鉗單元實(shí)現(xiàn)，拖車(chē)和控制車(chē)的停放制動(dòng)通過(guò)車(chē)輛手制動(dòng)機(jī)進(jìn)行人力施加。

1 技術(shù)要求

1.1 編組形式

電動(dòng)車(chē)(短編)編組：1MC+3T+1Tb+3T+1TC，參見(jiàn)圖1所示。

其中：MC為帶司機(jī)室的動(dòng)力車(chē)；T為普通拖車(chē)；Tb為帶餐吧的拖車(chē)；TC為帶司機(jī)室的拖車(chē)，即控制車(chē)。

圖1 CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)(短編)編組示意圖

1.2 制動(dòng)距離

電動(dòng)車(chē)組應(yīng)能夠保證超過(guò)定員載荷30%工況時(shí)，在平直道上空氣制動(dòng)緊急制動(dòng)距離滿(mǎn)足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》的規(guī)定限值。

即：制動(dòng)初速度160 km/h時(shí)，S≤1 400 m[1]；制動(dòng)初速度120 km/h時(shí)，S≤800 m。

1.3 停放制動(dòng)[1]

(1)動(dòng)力車(chē)停放制動(dòng)應(yīng)能保證本車(chē)在30‰坡道上安全停放；

(2)拖車(chē)和控制車(chē)手制動(dòng)應(yīng)能保證本車(chē)定員載荷下在12‰坡道上安全停放；

(3)動(dòng)力車(chē)的停放制動(dòng)、拖車(chē)和控制車(chē)的手制動(dòng)共同作用時(shí)，應(yīng)保證動(dòng)車(chē)組在定員載荷下12‰坡道無(wú)動(dòng)力停放要求的規(guī)定。

2 車(chē)輛基本信息

2.1 動(dòng)力車(chē)

(1)車(chē)輪直徑(新輪)/mm 1 250

(2)軸重(設(shè)計(jì)標(biāo)稱(chēng)值)/t 19.5

(3)車(chē)軸數(shù)量： 4

(4)緊急制動(dòng)制動(dòng)缸風(fēng)壓/kPa 450

2.2 拖車(chē)和控制車(chē)

(1)車(chē)輪直徑(新輪)/mm 915

(2)軸重(設(shè)計(jì)標(biāo)稱(chēng)值)/t 16.5

(3)車(chē)軸數(shù)量 4

(4)緊急制動(dòng)制動(dòng)缸風(fēng)壓/kPa 420

3 基礎(chǔ)制動(dòng)配置

3.1 動(dòng)力車(chē)

動(dòng)力車(chē)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用輪裝式盤(pán)形制動(dòng)裝置，主要包括輪裝制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)夾鉗單元和閘片等，參見(jiàn)圖2所示。制動(dòng)夾鉗單元采用3點(diǎn)吊掛方式，根據(jù)功能可分為帶停放制動(dòng)夾鉗單元和不帶停放制動(dòng)夾鉗單元兩種。每輛動(dòng)力車(chē)配置8套盤(pán)形制動(dòng)裝置，其中每軸配置1套帶停放制動(dòng)夾鉗單元。

圖2 動(dòng)力車(chē)盤(pán)形制動(dòng)裝置組成

基本參數(shù)：

(1)制動(dòng)盤(pán)有效摩擦半徑/mm 460

(2)制動(dòng)夾鉗杠桿制動(dòng)倍率 2.0

(3)制動(dòng)缸有效直徑/mm 254

(4)停放制動(dòng)閘片托輸出力/kN ≥35

(5)閘片標(biāo)準(zhǔn)平均摩擦系數(shù)

120 km/h制動(dòng)初速度 0.36

160 km/h制動(dòng)初速度 0.35

(6)靜摩擦系數(shù) ≥0.35

3.2 拖車(chē)和控制車(chē)

拖車(chē)和控制車(chē)基礎(chǔ)制動(dòng)裝置采用相同的軸裝式盤(pán)形制動(dòng)裝置，主要包括軸裝制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)夾鉗單元和閘片等，參見(jiàn)圖3所示。制動(dòng)夾鉗單元采用3點(diǎn)吊掛方式，根據(jù)功能可分為帶手制動(dòng)夾鉗單元和不帶手制動(dòng)夾鉗單元兩種。每輛拖車(chē)和控制車(chē)均配置8套盤(pán)形制動(dòng)裝置，其中每輛車(chē)配置1套帶手制動(dòng)夾鉗單元。

圖3 拖車(chē)和控制車(chē)盤(pán)形制動(dòng)裝置組成

基本參數(shù)：

(1)制動(dòng)盤(pán)有效摩擦半徑/mm 247

(2)制動(dòng)夾鉗杠桿制動(dòng)倍率 3.38

(3)制動(dòng)缸有效直徑/mm 203

(4)手制動(dòng)夾鉗閘片托輸出力/kN ≥63

(5)閘片標(biāo)準(zhǔn)平均摩擦系數(shù)

120 km/h制動(dòng)初速度 0.36

160 km/h制動(dòng)初速度 0.36

(6)靜摩擦系數(shù) ≥0.35

4 制動(dòng)計(jì)算

4.1 參考依據(jù)

依據(jù)TB/T 1407-1998《列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程》、TJ/JW 055-2014《交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)粉末冶金閘片暫行技術(shù)條件》、TJ/CL561-2018《鐵路客車(chē)粉末冶金閘片暫行技術(shù)條件》和主機(jī)廠(chǎng)提供的動(dòng)力車(chē)、拖車(chē)和控制車(chē)的車(chē)輛信息(包括質(zhì)量和運(yùn)行阻力等)。

4.2 列車(chē)模型

列車(chē)模型見(jiàn)表1。

表1 列車(chē)模型

4.3 車(chē)輛模型

4.3.1車(chē)輪與載荷模型

車(chē)輪與載荷模型見(jiàn)表2。

表2 車(chē)輪與載荷模型

4.3.2制動(dòng)夾鉗單元模型

制動(dòng)夾鉗單元模型見(jiàn)表3。

表3 制動(dòng)夾鉗單元模型

4.3.3摩擦副模型

摩擦副模型見(jiàn)表4。

表4 摩擦副模型

4.4 緊急制動(dòng)計(jì)算

4.4.1制動(dòng)力

制動(dòng)力計(jì)算見(jiàn)式(1)。

(1)

式中，F(xiàn)B_AW_j為不同載荷下的每輛車(chē)制動(dòng)力，kN；(j=0,3)。

制動(dòng)初速度120km/h工況時(shí)，動(dòng)車(chē)組制動(dòng)力曲線(xiàn)見(jiàn)圖4所示；制動(dòng)初速度160 km/h工況時(shí)，動(dòng)車(chē)組制動(dòng)力曲線(xiàn)參見(jiàn)圖5所示。

圖4 制動(dòng)力變化曲線(xiàn)(初速度=120 km/h)

圖5 制動(dòng)力變化曲線(xiàn)(初速度=160 km/h)

4.4.2制動(dòng)減速度

制動(dòng)減速度計(jì)算見(jiàn)式(2)。

aB_AW_j=FB_AW_j/(MAW_j+MAW_0·Jz)

(2)

式中，aB_AW_j為不同載荷下的制動(dòng)減速度，m/s2；MAW_j為載荷質(zhì)量，t。

制動(dòng)初速度120 km/h工況時(shí)，動(dòng)車(chē)組減速度曲線(xiàn)見(jiàn)圖6所示；制動(dòng)初速度160 km/h工況時(shí)，動(dòng)車(chē)組減速度曲線(xiàn)見(jiàn)圖7所示。

圖6 減速度曲線(xiàn)(初速度=120 km/h)

4.4.3制動(dòng)距離與平均減速度

(1)制動(dòng)距離

制動(dòng)距離計(jì)算見(jiàn)式(3)，制動(dòng)距離計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)表5。

圖7 減速度曲線(xiàn)(初速度=160 km/h)

(3)

式中，SZ_AW_j為不同載荷下的制動(dòng)距離，m；

vk為離散化速度，km/h；

k為離散點(diǎn)編號(hào)；

Ns為離散點(diǎn)數(shù)量，個(gè)；

v0為制動(dòng)初速度，km/h。

(2)平均減速度

平均減速度計(jì)算見(jiàn)式(4)，平均減速度計(jì)算結(jié)果參見(jiàn)表5。

(4)

式中，aBa_AW_j為不同載荷下的平均減速度，m/s2。

表5 不同初速度下的制動(dòng)距離與平均減速度

4.5 停放制動(dòng)計(jì)算

動(dòng)力車(chē)和拖車(chē)(包括控制車(chē))停放制動(dòng)的技術(shù)指標(biāo)要求不同，停放制動(dòng)的裝置和施加方式也不一樣，按車(chē)種分別進(jìn)行停放制動(dòng)計(jì)算。拖車(chē)(包括控制車(chē))按照最大設(shè)計(jì)軸重(16.5 t)進(jìn)行停放制動(dòng)計(jì)算。

4.5.1坡道要求

停放制動(dòng)坡道要求見(jiàn)表6。

表6 停放制動(dòng)坡道要求

4.5.2基本配置

停放制動(dòng)基本配置見(jiàn)表7。

表7 停放制動(dòng)基本配置參數(shù)

4.5.3停放制動(dòng)力

停放制動(dòng)力計(jì)算見(jiàn)式(5)，停放制動(dòng)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表8。

(5)

表8 停放制動(dòng)力

4.5.4坡道下滑力

動(dòng)力車(chē)和拖車(chē)(包括控制車(chē))坡道下滑力計(jì)算見(jiàn)式(6)和式(7)，坡道下滑力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表9。

Ft_R_AW_0=MAW_0·9.8·sinip_AW_0

(6)

和

Ft_R_AW_3=MAW_3·9.8·sinip_AW_3

(7)

表9 車(chē)輛坡道下滑力

4.5.5坡道防滾安全余量

動(dòng)力車(chē)和拖車(chē)(包括控制車(chē))坡道防滾安全余量計(jì)算見(jiàn)式(8)和式(9)，坡道防滾安全余量計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表10。

δR_AW_0=MAW_0=FPB/Ft_R_AW_0

(8)

和

δR_AW_3=MAW_0=FPB/Ft_R_AW_3

(9)

表10 坡道防滾安全余量

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

5.1 緊急制動(dòng)試驗(yàn)

2017年10月22日在中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司國(guó)家鐵道試驗(yàn)中心進(jìn)行了由中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司和中車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司聯(lián)合制造的CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組(短編)樣車(chē)的制動(dòng)運(yùn)行試驗(yàn)。

參試電動(dòng)車(chē)組編組信息見(jiàn)表11所示。純空氣緊急制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表12和表13。

表11 參試電動(dòng)車(chē)組編組信息

表12 純空氣緊急制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果(動(dòng)力車(chē)控制)

表13 純空氣緊急制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果(控制車(chē)控制)

5.2 停放制動(dòng)試驗(yàn)

動(dòng)力車(chē)3001帶停放制動(dòng)夾鉗單元閘片托輸出力、控制車(chē)400208手制動(dòng)機(jī)制動(dòng)手柄輸入300 N帶手制動(dòng)夾鉗單元閘片托輸出力測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表14。

使用全車(chē)停放制動(dòng)(手制動(dòng))閘片托輸出力按計(jì)算式(10)進(jìn)行計(jì)算，閘片靜態(tài)系數(shù)按照最小值0.35選取、控制車(chē)總質(zhì)量按照最大值66 t(軸重16.5 t)選取，得出動(dòng)力車(chē)和控制車(chē)實(shí)算最小停放坡度和最小防滾安全余量值，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表15。

表14 停放制動(dòng)(手制動(dòng))閘片托輸出力實(shí)測(cè)結(jié)果

(10)

式中，iP為車(chē)輛載荷下實(shí)算停放坡度，‰；

FP_Q為全車(chē)停放制動(dòng)(手制動(dòng))閘片托輸出力，kN；

MAW_j為車(chē)輛總質(zhì)量，kN，(j=0,3)；

g為重力加速度，9.81 m/s2。

表15 動(dòng)力車(chē)和控制車(chē)實(shí)算停放制動(dòng)結(jié)果

6 結(jié) 論

通過(guò)制動(dòng)設(shè)計(jì)計(jì)算和實(shí)車(chē)試驗(yàn)驗(yàn)證，表明CR200J動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組(短編)的基礎(chǔ)制動(dòng)配置合理，并得出如下結(jié)論：

(1)電動(dòng)車(chē)組超過(guò)定員載荷30%，初速度為120 km/h時(shí)的緊急制動(dòng)距離設(shè)計(jì)計(jì)算值為689m，經(jīng)運(yùn)行試驗(yàn)實(shí)測(cè)純空氣緊急制動(dòng)距離分別為677 m(動(dòng)力車(chē)控制)和640 m(控制車(chē)控制)，設(shè)計(jì)計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相符，滿(mǎn)足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》的S≤800 m規(guī)定限值，并留有一定的距離安全余量；

(2)電動(dòng)車(chē)組超過(guò)定員載荷30%，初速度為160 km/h時(shí)的緊急制動(dòng)距離設(shè)計(jì)計(jì)算值為1 162 m，經(jīng)運(yùn)行試驗(yàn)實(shí)測(cè)純空氣緊急制動(dòng)距離分別為1 113 m(動(dòng)力車(chē)控制)和1 123 m(控制車(chē)控制)，設(shè)計(jì)計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測(cè)值相符，滿(mǎn)足《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》的S≤1 400 m規(guī)定限值，并留有一定的距離安全余量；

(3)動(dòng)力車(chē)停放制動(dòng)力在30‰坡道上的防滾安全余量設(shè)計(jì)最小計(jì)算值為1.55，經(jīng)實(shí)車(chē)測(cè)試防滾安全余量最小值為1.693，均滿(mǎn)足TJ/CL534-2017《時(shí)速160 km動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組暫行技術(shù)條件》中關(guān)于動(dòng)力車(chē)停放制動(dòng)施加時(shí)，應(yīng)能保證動(dòng)力車(chē)在30‰坡道上安全停放的規(guī)定要求；

(4)拖車(chē)和控制車(chē)手制動(dòng)力在12‰坡道上的防滾安全余量設(shè)計(jì)最小計(jì)算值為1.53，經(jīng)控制車(chē)實(shí)車(chē)測(cè)試防滾安全余量最小值為1.829，滿(mǎn)足TJ/CL534-2017《時(shí)速160公里動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組暫行技術(shù)條件》中關(guān)于拖車(chē)和控制車(chē)手制動(dòng)機(jī)輸入力300 N時(shí)，應(yīng)保證在定員載荷下停放在12‰的坡道上不溜逸的規(guī)定要求；

(5)動(dòng)力車(chē)的停放制動(dòng)、拖車(chē)和控制車(chē)的手制動(dòng)共同作用時(shí)，可以滿(mǎn)足TJ/CL534-2017《時(shí)速160公里動(dòng)力集中電動(dòng)車(chē)組暫行技術(shù)條件》中應(yīng)保證動(dòng)車(chē)組在定員載荷下12‰坡道無(wú)動(dòng)力停放要求的規(guī)定。