200 km/h城際動(dòng)車組制動(dòng)與熱負(fù)荷性能

姚風(fēng)龍， 張笑凡， 周春梅

(中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司 轉(zhuǎn)向架研發(fā)部， 長(zhǎng)春 130062)

200 km/h城際動(dòng)車組與干線動(dòng)車相比，具有快起快停及快速乘降，大載荷量，對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)熱容量要求高的技術(shù)難點(diǎn)，這就要求在充分利用軌道黏著條件下合理設(shè)計(jì)出減速的值，在確保制動(dòng)力的前提下滿足制動(dòng)距離的要求，由于具有減速度較大，站間距短，載荷量大的特點(diǎn)，要使車輛在短時(shí)間停下來(lái)，對(duì)制動(dòng)盤的熱負(fù)荷能力要求也面臨著巨大考驗(yàn)，因此配置合理閘片材料及制動(dòng)盤來(lái)滿足車輛對(duì)于基礎(chǔ)制動(dòng)高的熱容量要求有著極其重要的意義。

1 制動(dòng)系統(tǒng)的性能要求

200 km/h城際動(dòng)車組為4輛編組動(dòng)力分散型動(dòng)車組，制動(dòng)系統(tǒng)包括風(fēng)源系統(tǒng)，制動(dòng)控制系統(tǒng)及基礎(chǔ)制動(dòng)裝置，輔助裝置等組成，基礎(chǔ)制動(dòng)裝置接受制動(dòng)指令輸出制動(dòng)力，最終實(shí)現(xiàn)常用，緊急，停放等制動(dòng)功能。

根據(jù)車輛的總體技術(shù)要求，制動(dòng)系統(tǒng)必須滿足以下設(shè)計(jì)要求：最大常用制動(dòng)減速度≥0.9 m/s2，常用制動(dòng)沖擊極限0.75 m/s3，緊急制動(dòng)減速度≥1.12 m/s2，制動(dòng)初速度200 km/h時(shí)的純空氣緊急制動(dòng)距離為≤1 400 m。

200 km/h城際動(dòng)車組由MC01，MC04為帶有司機(jī)室的動(dòng)車，TP02，TP03車為帶有停放制動(dòng)的拖車組成，編組圖見(jiàn)圖1。

圖1 城際動(dòng)車組編組圖

2 制動(dòng)減速度制動(dòng)距離分析

動(dòng)車組的制動(dòng)采用電制動(dòng)和空氣制動(dòng)復(fù)合制動(dòng)方

式，在常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)EB(Emergency Brake)時(shí)使用電再生制動(dòng)和空氣制動(dòng)，緊急制動(dòng)UB(Urgent Brake)時(shí)僅使用空氣制動(dòng)。

電再生制動(dòng)及空氣制動(dòng)的有效分配才可以實(shí)現(xiàn)整車制動(dòng)力，減速度的設(shè)計(jì)要求，制動(dòng)力設(shè)計(jì)遵循以下原則；

(1)常用制動(dòng)各級(jí)位在速度范圍內(nèi)采用變減速度控制，緊急制動(dòng)EB在速度范圍內(nèi)采用恒定減速度控制。

(2)電制力正常時(shí)，1、2、3 級(jí)在全速度范圍內(nèi)僅使用電再生制動(dòng)力，動(dòng)拖車黏著系數(shù)都為0.129，在不超黏著條件下充分利用電制動(dòng)，各級(jí)減速度差盡量一致；黏著系數(shù)作為空氣制動(dòng)力分配的最優(yōu)先原則。

(3)保證各車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置磨耗一致。

2.1 動(dòng)車組的減速度設(shè)計(jì)

常用制動(dòng)時(shí)制動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行列車空電復(fù)合制動(dòng)控制，按不同等級(jí)的速度模式控制方式，實(shí)施制動(dòng)控制，BCU根據(jù)圖2中定義的各級(jí)位制動(dòng)減速度需求，將制動(dòng)設(shè)定值分配至制動(dòng)系統(tǒng)。

圖2 常用制動(dòng)各級(jí)減速度曲線(不含風(fēng)阻)

2.2 動(dòng)車組制動(dòng)距離計(jì)算

制動(dòng)距離是列車制動(dòng)裝置性能和實(shí)際制動(dòng)效果的主要計(jì)算指標(biāo)，純空氣制動(dòng)時(shí)，根據(jù)給定的初始制動(dòng)減速度計(jì)算整列初始制動(dòng)力，取最大載荷AW3(超員)工況，并按車輛質(zhì)量分配每輛車的制動(dòng)力。

空氣制動(dòng)力如式(1)：

(1)

式中:MV(i)為空車質(zhì)量;MP(i)為乘客質(zhì)量;JZ(i)為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù);i為車輛編號(hào);N為編組數(shù)量;aB為空氣制動(dòng)減速度。

車輛運(yùn)行阻力如式(2):

FW(i)=0.000 75[MV(i)+MP(i)]g+

60.2(v+dv)+4.45(v+dv)2

(2)

式中：g為重力加速度；dv為逆風(fēng)速度；v為運(yùn)行速度。制動(dòng)減速度(含運(yùn)行阻力)。

制動(dòng)減速度(含運(yùn)行阻力)如式(3):

(3)

制動(dòng)距離如式(4)：

(4)

式中:v0運(yùn)行初速度;vk離散化速度;k離散點(diǎn)編號(hào);Ns離散點(diǎn)數(shù)量;tk為緊急制動(dòng)空走時(shí)間;tu為常用制動(dòng)空走時(shí)間。

平均減速度如式(5):

(5)

經(jīng)計(jì)算考慮空走時(shí)間和風(fēng)阻的各級(jí)位實(shí)際平均減速度計(jì)算值、及初始速度200 km/h對(duì)初速度下的制動(dòng)距離與平均減速度計(jì)算結(jié)果如表1所列。

表1 常用制動(dòng)各級(jí)減速度及制動(dòng)距離值

計(jì)算結(jié)果表明，最大載重工況下，初速度為200 km/h時(shí)緊急制動(dòng)EB(平直道超員載荷)最大制動(dòng)距離為1 321.3 km，平均減速度為1.168 m/s2,制動(dòng)UB(平直道超員載荷)制動(dòng)距離為1 285 m，都滿足制動(dòng)距離不大于1 400 m，平均減速度不小于1.12 m/s2的設(shè)計(jì)要求。都小于預(yù)設(shè)的制動(dòng)距離1 400 m。如果電制動(dòng)出現(xiàn)故障的情況下緊急制動(dòng)UB的制動(dòng)距離滿足小于1 400 mm的要求，確保了安全性。

2.3 動(dòng)車組坡道加速能力分析

動(dòng)車組對(duì)于平直道及各種坡道的運(yùn)行能力可根據(jù)牽引電機(jī)的電制動(dòng)特性曲線得出如圖3所示。

正常工況(平直道定員載荷)的情況下： 0～50 km/h平均加速度為0.65 m/s2， 200 km/h時(shí)的剩余加速度為0.137 m/s2，車輛還保留著一定的加速能力也不會(huì)超過(guò)軌道的黏著系數(shù)。

圖3 200 km/h動(dòng)車組牽引電機(jī)特性曲線

3 制動(dòng)熱容量計(jì)算分析

制動(dòng)盤是一種能量轉(zhuǎn)換裝置,它將動(dòng)車組動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能,并消散到大氣中,從而達(dá)到減速或停車的目的。制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)盤溫度可以從室溫急劇上升到幾百攝氏度，對(duì)制動(dòng)盤的材質(zhì)及動(dòng)車組合理配置制動(dòng)盤有重要意義，因此有必要對(duì)制動(dòng)盤進(jìn)行熱容量計(jì)算分析。

制動(dòng)盤通常分為兩種，一是輪裝制動(dòng)盤，如圖4所示，二是軸裝制動(dòng)盤，如圖5所示。

圖4 輪裝制動(dòng)盤

根據(jù)200 km/h城際車輛動(dòng)車組制動(dòng)盤的技術(shù)要求，經(jīng)過(guò)對(duì)比分析動(dòng)車采用每軸配置兩套鑄鋼輪盤(外徑750 mm)，拖車每軸配置3套鑄鋼軸盤(外徑640 mm)，粉末冶金閘片配置方案。

圖5 軸裝制動(dòng)盤

設(shè)置制動(dòng)盤的初始溫度為40℃，最高運(yùn)營(yíng)速度為200 km/h。在平均運(yùn)營(yíng)速度的前提下，平均減速度值為：常用制動(dòng)≥0.9 m/s2，緊急制動(dòng)UB≥1.12 m/s2，并滿足制動(dòng)距離1 285為初始輸入條件,計(jì)算以下兩種極限工況下制動(dòng)盤的熱負(fù)荷狀況。

工況1：連續(xù)兩次純空氣緊急制動(dòng)。

工況2：僅使用空氣制動(dòng)，最大載荷(AW3)下模擬城際線路一個(gè)往返運(yùn)營(yíng)(站間距7 km，共22站)。

3.1 制動(dòng)摩擦副熱容量仿真計(jì)算分析

圖6，圖7是工況1下，連續(xù)兩次純空氣緊急制動(dòng)下輪盤，軸盤的溫度-時(shí)間歷程，結(jié)果顯示，第2次緊急制動(dòng)車輪盤盤面溫度為445 ℃，拖車軸盤盤面溫度為398 ℃，均高于第一次緊急制動(dòng)盤面溫度圖8，圖9是工況2下，模擬線路運(yùn)營(yíng)工況下輪盤，軸盤的溫度—時(shí)間歷程，結(jié)果顯示，動(dòng)車輪盤面溫度為450 ℃，拖車盤面溫度為427 ℃，均出現(xiàn)在模擬運(yùn)營(yíng)工況的16次及17次緊急制動(dòng)過(guò)程中。

圖6 工況1：輪盤溫度曲線

圖7 工況1：軸盤溫度曲線

圖8 工況2：輪盤溫度曲線

圖9 工況2：軸盤溫度曲線

3.2 制動(dòng)摩擦副熱容量結(jié)果分析

根據(jù)UIC 541-3《盤形制動(dòng)及其應(yīng)用-閘片使用的一般規(guī)定》和TJ 307-2014《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》，對(duì)摩擦副許用溫度規(guī)定：鑄鋼盤配粉末冶金閘片連續(xù)兩次緊急制動(dòng)工況下，制動(dòng)摩擦副短時(shí)處于高溫狀態(tài)，盤面最高溫度不高于700 ℃；模擬運(yùn)營(yíng)工況下，制動(dòng)摩擦副較長(zhǎng)時(shí)間處于高溫狀態(tài)，摩擦副最高溫度不高于550 ℃。

計(jì)算結(jié)果顯示2種極限工況下制動(dòng)盤最高溫度均未超過(guò)UIC 541-3，TJ 307-2014這兩個(gè)技術(shù)條件規(guī)定的最高溫度，滿足熱容量的要求。

4 結(jié) 論

(1)初速度200 km/h時(shí)緊急制動(dòng)UB(平直道超員載荷)最大制動(dòng)距離為1 285 km，平均減速度為1.168 m/s2,滿足制動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的要求，且在坡道還具有0.137 m/s2的加速能力。

(2)初速度200 km/h時(shí)，連續(xù)兩次緊急制動(dòng)工況下，制動(dòng)盤輪面最高溫度為445 ℃;模擬線路運(yùn)營(yíng)工況下，制動(dòng)輪盤最高溫度為450 ℃，滿足鑄鋼制動(dòng)盤對(duì)溫度性能的要求。

(3)由于輪盤摩擦副少于軸盤制動(dòng)摩擦副數(shù)量，因此動(dòng)車輪盤兩種極限工況下的盤面溫度高于軸盤盤面

溫度，兩種極限的工況盤面的溫度均滿足UIC 541-3盤形制動(dòng)及其應(yīng)用-閘片使用的一般規(guī)定》和TJ 307-2014《動(dòng)車組閘片暫行技術(shù)條件》，滿足車輛的熱負(fù)荷要求。