安裝風阻制動裝置的高速列車制動距離研究

馬 飛，尹崇宏，劉中華，楊 磊，周宇航，王 帥

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司， 山東 青島 266031;2.中車唐山機車車輛有限公司， 河北 唐山063035)

高速列車的制動能量分別由再生制動、空氣制動和少量列車阻力構(gòu)成。正常工況下，當緊急制動發(fā)生時，高速列車應(yīng)發(fā)揮全部的再生制動力，不足部分由空氣制動補充。極端工況下，當列車經(jīng)過無電區(qū)間或電制動發(fā)生故障時，空氣制動仍是最后的安全保障。因此，在純空氣制動工況下高速列車緊急制動距離仍要符合相關(guān)要求。

目前，高速列車純空氣制動主要由產(chǎn)生機械摩擦制動的制動盤實現(xiàn)。其主要原理是將列車的動能轉(zhuǎn)換為熱能，并將其逸散。純空氣制動的制動力等于輪軌接觸點的切向力，這個切向力的上限值稱為黏著力。制動黏著系數(shù)直接通過輪軌間的黏著狀態(tài)影響列車“黏著力”。目前，國內(nèi)對于速度大于120 km/h的高速輪軌黏著研究尚屬空白，各車型分別以國外原型車的黏著系數(shù)值進行制動力設(shè)計。以CRH380AL動車組為例，其緊急制動實際利用黏著系數(shù)曲線(圖1)已貼近日本新干線干軌黏著系數(shù)曲線，超過濕軌黏著系數(shù)且沒有余量[1-2]，在天氣狀態(tài)較差的條件下增加了滑行和擦輪的危險。

圖1 CRH380AL緊急制動實際利用黏著系數(shù)

為提升高速列車緊急制動時的安全性，縮短緊急制動距離，不依賴輪軌間黏著的非黏著制動方式越來越受到技術(shù)人員的重視。非黏著制動是指不依賴于車輛與鋼軌接觸產(chǎn)生的黏著力而完成制動的方式，包括磁軌制動、渦流制動和風阻制動等。相對磁軌制動和渦流制動，風阻制動裝置質(zhì)量較輕，結(jié)構(gòu)簡單，在高速段制動效果尤其明顯。因此，作為高速列車黏著制動的補充，風阻制動是一種非常合理的制動方式。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

日本學(xué)者吉春等[3-4]最早介紹了應(yīng)用于宮崎試驗線500 km時速MLU002N型磁浮列車的風阻制動裝置，后通過空氣動力學(xué)計算和機構(gòu)優(yōu)化，在山梨試驗線上設(shè)計了一種新型的風阻制動裝置，并評估了500 km/h工況下，6套風阻制動裝置全開時可提供的制動減速度。2005 年，JR東日本公司與川崎重工公司共同開發(fā)了安裝在 E954/E955系列試驗電動車上的“貓耳朵”型空氣動力制動裝置(圖2)，該型風阻制動裝置在以360 km/h的初速度開始進行高減速度緊急制動試驗時，達到了縮短停車距離 300 m的效果[5]。近年來，日本鐵道總研(RTRI)高見創(chuàng)[6]又針對傳統(tǒng)風阻制動方式開啟慢、占用空間大、質(zhì)量偏大等缺點，開發(fā)了基于E954型試驗車的小型分散式風阻制動裝置。該裝置能做到雙向開啟，根據(jù)風洞試驗結(jié)果的估算表明，在300 km/h運行速度條件下，根據(jù)風阻制動裝置在車頂不同的布置情況，明線上能夠提供0.178～0.286 m/s2的制動減速度。

圖2 分布式風阻制動裝置安裝實例

國內(nèi)對于風阻制動的技術(shù)應(yīng)用研究由同濟大學(xué)聯(lián)合中車青島四方機車車輛股份有限公司等共同展開。田春、吳萌嶺等[7-12]進一步對風阻制動的基本原理、翼型、車頂布置等進行了大量的仿真計算分析。2014年，安裝3套該型風阻制動裝置的試驗列車在滬昆線南昌段完成了時速350 km工況的緊急制動試驗，縮短列車緊急制動距離約150 m。

不難發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外目前對于風阻制動技術(shù)的研究集中在機構(gòu)設(shè)計、單機阻力特性和風阻制動裝置的車頂分布方案等方面，而對于風阻制動裝置的布置方案對列車緊急制動距離的影響缺乏直接的計算評估。本文基于中車青島四方車輛研究所有限公司和西南交通大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的新型分布式風阻制動裝置，依托計算流體力學(xué)(CFD)工具和制動力綜合模型搭建，直接對不同風阻制動裝置布置方案下的列車緊急制動距離進行分析研究，評估風阻制動的適用速度區(qū)間和制動效果，并總結(jié)出一般性結(jié)論。

2 風阻制動裝置

風阻制動裝置有很多種形式，但其基本原理均是利用列車高速運行時產(chǎn)生的空氣阻力提供制動力。本文研究對象為新型分布式風阻制動裝置，其基本尺寸由列車限界、列車橫截面布置及車內(nèi)空調(diào)風道等因素確定。

本文研究的高速列車用分布式風阻制動裝置安裝基座沉入車體，參考了既有空調(diào)安裝接口，最大高度為100 mm，占用空間小，布置靈活。風阻板關(guān)閉時兩端邊緣處有輕微弧度，與車體上表面保持平齊，從而保證正常行駛時車頂安裝的風阻制動裝置不增加阻力。風阻板尺寸為1 272 mm×378 mm，按照75°角打開時風阻板迎風面高度為365 mm。風阻制動裝置有2塊對稱布置的風阻板和相應(yīng)內(nèi)部機構(gòu)，安裝在同一塊固定基座上。

圖3為風阻制動裝置的基本機構(gòu)，其主要部件包含風阻板、底部框架、風阻板轉(zhuǎn)軸、拉桿、電機驅(qū)動單元、液壓緩沖器、直線導(dǎo)軌、電插鎖及限位開關(guān)等。整個機構(gòu)風阻板起始位置為風阻板與機身貼合位置，極限位置為風阻板張開75°的位置。

圖3 風阻制動裝置機構(gòu)示意

3 制動力計算

為準確計算不同的風阻制動裝置布置方案對列車制動距離的影響，本文將列車模型簡化后，采用1∶1尺度模型對列車制動力進行仿真計算評估。通過直接對多套風阻制動裝置布置方案進行制動力計算，可以將風阻板之間的串聯(lián)干涉作用考慮在內(nèi)，得到更精確的結(jié)果。本文研究的對象為8輛編組的400 km/h高速列車?？紤]到車頂?shù)膶嶋H空間，本文設(shè)計了以下4種不同工況：

(1) 工況1：未安裝風阻板；

(2) 工況2：每節(jié)車布置1套，共8套；

(3) 工況3：每節(jié)車布置2套，共16套；

(4) 工況4：每節(jié)車布置3套，共24套。

通過CFD計算分析得到以上4種工況下可提供的風阻制動力如表1所示，風阻制動裝置布置方案仿真計算流線及速度云圖如圖4所示。

表1 不同工況下風阻板提供的制動力 kN

圖4 風阻制動裝置布置方案仿真計算結(jié)果

4 制動距離評估

圖5為車輛具體編組形式。除編組形式外，制動距離評估中也考慮了車輛參數(shù)和除風阻制動裝置以外的基礎(chǔ)制動裝置參數(shù)。列車緊急制動的計算條件為清潔、干燥的平直道。對于時速400 km的高速列車，按照要求在300～ 400 km/h速度區(qū)間內(nèi)，其緊急制動平均減速度a≥0.361 m/s2；在0～300 km/h速度區(qū)間內(nèi)，其緊急制動平均減速度a≥0.933 m/s2。

Tc.帶司機室的拖車;M.動車;Tp.帶受電弓的拖車。

計算全列車制動力時需加上運行阻力，根據(jù)CR400BF列車實測值，擬合得到列車基本阻力公式：F=1.32+0.018 5v+0.000 508v2，其中v是列車運行速度。由于本文研究的分布式風阻制動裝置開啟時間極短(0.1 s左右)，為便于計算，認為風阻板實時開啟且對列車運行阻力系數(shù)沒有影響。故直接將風阻制動力和運行阻力相加，可得到不同風阻制動裝置布置方案下風阻制動的阻力公式(表2)。最后通過積分可得出不同速度區(qū)間的制動距離。表3為空車緊急制動距離。表4為列車速度400 km/h時空車風阻制動效果分析。

表2 風阻制動阻力公式

表3 空車緊急制動距離 m

表4 列車速度400 km/h時空車風阻制動效果分析

由表3、表4可知，在設(shè)計速度400 km/h緊急制動時，風阻制動裝置可以起到較好的制動效果。在工況4下，可縮短緊急制動距離600 m左右；在每節(jié)車僅安裝1套風阻制動裝置的工況2下，亦可有效縮短緊急制動距離約300 m；在速度300 km/h緊急制動時，即使在工況4下減小的緊急制動距離仍不足70 m，說明在速度300 km/h以下時風阻制動基本失效，其有效制動區(qū)間集中在350～400 km/h速度段。在每節(jié)車安裝的風阻制動裝置從1套(工況2)逐漸增加至3套(工況4)的過程中，由于各風阻板之間存在氣動串聯(lián)干涉現(xiàn)象，新增的風阻制動裝置無法發(fā)揮原裝置100%的效果，且存在邊際效用遞減的現(xiàn)象。

5 總結(jié)

本文研究了安裝風阻制動裝置的400 km/h高速列車制動距離，綜合加裝風阻制動后不同工況下對制動距離的改善情況，得到以下結(jié)論：

(1) 在設(shè)計速度400 km/h進行緊急制動時，風阻制動裝置可以起到較好的制動效果。在每節(jié)車布置3套風阻制動裝置的工況下，可縮短緊急制動距離600 m左右。

(2) 列車速度超過350 km/h進行緊急制動時，風阻制動效果較為明顯，可有效縮短緊急制動距離300 m以上；在300 km/h速度等級以下制動效果不明顯。

(3) 當車頂布置多套風阻制動裝置時，由于各風阻板之間存在干涉現(xiàn)象，新增加的風阻制動裝置無法提供已有裝置100%的效果，且隨著安裝數(shù)量增加，邊際效用遞減。