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        CRH2-300動(dòng)車組制動(dòng)摩擦系數(shù)優(yōu)化試驗(yàn)研究

        2013-08-03 03:20:10段明民
        鐵道機(jī)車車輛 2013年1期
        關(guān)鍵詞:制動(dòng)缸摩擦系數(shù)動(dòng)車組

        楊 欣,徐 磊,邵 軍,段明民

        (1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所,北京100081;2 中國(guó)南車集團(tuán) 青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 技術(shù)中心,青島266111)

        1 試驗(yàn)背景

        CRH2型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)采用減速度控制模式,在制動(dòng)過程中,BCU(制動(dòng)控制單元)根據(jù)制動(dòng)級(jí)位、載荷狀態(tài)和當(dāng)前速度,計(jì)算制動(dòng)缸壓力,控制動(dòng)車組按照設(shè)置的制動(dòng)減速度進(jìn)行減速制動(dòng)。動(dòng)車組設(shè)7級(jí)常用制動(dòng),最大常用制動(dòng)為B7,其他6個(gè)常用制動(dòng)級(jí)位基本是最大常用制動(dòng)減速度的等分;快速制動(dòng)減速度根據(jù)制動(dòng)距離要求和黏著系數(shù)限制綜合確定。動(dòng)車組實(shí)施制動(dòng)時(shí),實(shí)際制動(dòng)減速度應(yīng)與設(shè)計(jì)制動(dòng)減速度基本一致,不能過大或過小。

        CRH2-300動(dòng)車組(采用CRH2061C動(dòng)車組)在京津城際型式試驗(yàn)時(shí),動(dòng)車組B7級(jí)空氣制動(dòng)實(shí)際減速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)減速度,最大超出50%以上,如圖1所示。

        圖1 CRH 2061C動(dòng)車組常用7級(jí)空氣制動(dòng)實(shí)測(cè)減速度與設(shè)計(jì)減速度比較曲線

        問題主要是由于BCU內(nèi)部制動(dòng)計(jì)算輸出制動(dòng)壓力時(shí)所采用的計(jì)算摩擦系數(shù)與制動(dòng)盤片實(shí)際摩擦系數(shù)存在較大偏差造成的。

        根據(jù)參考文獻(xiàn)[2],BCU按式(1)進(jìn)行制動(dòng)缸壓力控制:

        式中PBC為BCU輸出的制動(dòng)缸壓力;k與基礎(chǔ)制動(dòng)有關(guān)的參數(shù);β為目標(biāo)減速度;μ為計(jì)算摩擦系數(shù)。

        從式1可知,在目標(biāo)減速度不變的前提下,計(jì)算摩擦系數(shù)與制動(dòng)缸壓力為反比關(guān)系,即計(jì)算摩擦系數(shù)取值越低,輸出的制動(dòng)缸壓力越大,在一定條件下,實(shí)際的制動(dòng)力會(huì)大于設(shè)計(jì)制動(dòng)力,最終反映為實(shí)際制動(dòng)減速度過大。

        CRH2-300型動(dòng)車組制動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)采用的計(jì)算摩擦系數(shù)見表1。

        表1 CRH2-300型動(dòng)車組計(jì)算摩擦系數(shù)值

        CRH2-300型動(dòng)車組基礎(chǔ)制動(dòng)裝置臺(tái)架試驗(yàn)時(shí),B7空氣制動(dòng)平均瞬時(shí)摩擦系數(shù)如圖2所示。從圖中可見,盤片實(shí)際摩擦系數(shù)遠(yuǎn)高于BCU內(nèi)計(jì)算摩擦系數(shù),制動(dòng)設(shè)計(jì)偏于保守,因此造成動(dòng)車組實(shí)施B7級(jí)制動(dòng)時(shí),實(shí)際減速度大于設(shè)計(jì)減速度。

        為了使CRH2-300動(dòng)車組B7常用制動(dòng)減速度接近設(shè)計(jì)減速度,在制動(dòng)系統(tǒng)硬件不做調(diào)整的基礎(chǔ)上,青島四方機(jī)車車輛股份有限公司和中國(guó)鐵道科學(xué)研究院機(jī)車車輛研究所組織制定了優(yōu)化方案,通過軟件調(diào)整BCU內(nèi)部的計(jì)算摩擦系數(shù)。2009-07在武廣客運(yùn)專線,進(jìn)行了摩擦系數(shù)利用方案的優(yōu)化試驗(yàn)研究,檢驗(yàn)?zāi)Σ料禂?shù)調(diào)整后B7制動(dòng)實(shí)際減速度與設(shè)計(jì)減速度是否能夠基本一致,同時(shí)檢驗(yàn)快速制動(dòng)距離是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

        圖2 CRH2型動(dòng)車組不同初速度下制動(dòng)時(shí)的試驗(yàn)平均摩擦系數(shù)值關(guān)系圖

        2 優(yōu)化方案

        試驗(yàn)前,根據(jù)基礎(chǔ)制動(dòng)臺(tái)架試驗(yàn)的摩擦系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù),制定了兩版優(yōu)化軟件,分別命名為VER.D和VER.E版本,具體見表2和表3。

        表2 VER.D版本軟件摩擦系數(shù)利用方案

        表3 VER.E版本軟件摩擦系數(shù)利用方案

        根據(jù)制動(dòng)盤片實(shí)際摩擦系數(shù)變化的規(guī)律,優(yōu)化軟件在常用制動(dòng)時(shí)不再采用在全速度范圍內(nèi)一個(gè)恒定的摩擦系數(shù)的方法,而采用了分段式計(jì)算摩擦系數(shù),以充分利用各速度段下的盤片實(shí)際摩擦系數(shù)。

        從表2和表3可見,常用制動(dòng)時(shí),兩個(gè)優(yōu)化方案軟件計(jì)算摩擦系數(shù)利用方案相同,均高于原方案的計(jì)算摩擦系數(shù)。

        常用7級(jí)制動(dòng)缸壓力低于快速制動(dòng)壓力,根據(jù)圖3試驗(yàn)數(shù)據(jù),實(shí)際摩擦系數(shù)卻較快速制動(dòng)時(shí)高,VER.D和VER.E計(jì)劃利用該特性,適當(dāng)提高計(jì)算摩擦系數(shù),以降低制動(dòng)缸壓力,在仍滿足制動(dòng)距離要求的前提下,降低基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的機(jī)械負(fù)荷。在設(shè)計(jì)時(shí),為確保制動(dòng)距離要求,兩個(gè)版本軟件分別采用了兩種不同的快速制動(dòng)計(jì)算摩擦系數(shù)值。

        通過兩版優(yōu)化軟件方案,一是驗(yàn)證摩擦系數(shù)的選取方法及可行性。二是解決動(dòng)車組實(shí)際制動(dòng)減速度高于設(shè)計(jì)減速度的不足。為此,在設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案時(shí),選取了復(fù)合制動(dòng)和純空氣制動(dòng)兩種試驗(yàn)工況,B7制動(dòng)初速度分別為300 km/h和250 km/h,快速制動(dòng)初速度分別為300 km/h和200 km/h。

        圖3 臺(tái)架試驗(yàn)常用7級(jí)和快速制動(dòng)摩擦系數(shù)比較曲線

        3 試驗(yàn)概況

        試驗(yàn)在武廣客運(yùn)專線武漢—咸寧北區(qū)間K1278~K1285進(jìn)行,動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)分別安裝VER.D和VER.E版本軟件。試驗(yàn)動(dòng)車組為CRH2067C動(dòng)車組,全列按設(shè)計(jì)載荷進(jìn)行裝載。

        為了全面反映試驗(yàn)中動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的狀態(tài),試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)了動(dòng)車組1號(hào)車制動(dòng)缸和空氣彈簧(AS1和AS2)、2號(hào)車制動(dòng)缸和空氣彈簧、3號(hào)車制動(dòng)缸、總風(fēng)缸和空氣彈簧、4號(hào)車的制動(dòng)缸和空氣彈簧處的空氣壓力,以及采集了動(dòng)車組速度、制動(dòng)指令、制動(dòng)時(shí)間、制動(dòng)減速度、制動(dòng)距離等信號(hào)。

        4 試驗(yàn)結(jié)果分析

        4.1 初速300 km/h B7空氣制動(dòng)試驗(yàn)

        CRH2067C動(dòng)車組VER.D和VER.E軟件版本與京津城際鐵路試驗(yàn)時(shí)CRH2061C動(dòng)車組(原方案)試驗(yàn)曲線比較見圖4。

        圖4 VER.D方案與原方案制動(dòng)缸壓力和瞬時(shí)減速度比較圖

        從圖5可見,VER.D和VER.E常用制動(dòng)時(shí)摩擦系數(shù)利用方案一致。與原方案相比,采用兩優(yōu)化方案的常用7級(jí)空氣制動(dòng)試驗(yàn),制動(dòng)缸壓力下降約14%~16%,瞬時(shí)減速度較原方案下降約13%~18%;VER.D方案平均減速度為0.597 m/s2,VER.E方案平均減速度為0.607 m/s2,均小于原方案平均減速度0.675 m/s2。

        圖5 VER.E方案與原方案制動(dòng)缸壓力和瞬時(shí)減速度比較圖

        VER.D和VER.E純制動(dòng)減速度(去除基本阻力引起的減速度)與設(shè)計(jì)減速度比較曲線見圖6。

        圖6 常用7級(jí)減速度比較曲線

        根據(jù)圖6瞬時(shí)減速度曲線來看,在不計(jì)動(dòng)車組惰行阻力的情況下,制動(dòng)初速度300 km/h的B7空氣制動(dòng)工況,VER.D和VER.E方案較相同工況的原方案更接近設(shè)計(jì)減速度曲線,尤其在118 km/h以上的高速區(qū)域,實(shí)測(cè)減速度與設(shè)計(jì)減速度已非常吻合,基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

        運(yùn)用實(shí)際減速度與設(shè)計(jì)減速度之差的均方根平均值,可定量描述二者的吻合程度,其值越小代表吻合程度越高,數(shù)學(xué)描述如下:

        設(shè)有兩組樣本x1,x2,…,x n及y1,y2,…,y n,構(gòu)造二者之差樣本z1,z2,…,z n,則樣本z均方根平均值A(chǔ)如下式定義:

        式中z i為(x i-y i);n為樣本數(shù)量。

        由武廣客運(yùn)專線VER.D和VER.E方案試驗(yàn)減速度與設(shè)計(jì)減速度值之差,可得A1=0.075 548;由京津城際鐵路原方案試驗(yàn)減速度值與設(shè)計(jì)減速度值之差,可得A2=0.171 527,可見A1<A2,因此優(yōu)化方案與原方案相比,優(yōu)化方案較原方案減速度曲線與設(shè)計(jì)曲線吻合度有一定提高。由于實(shí)際摩擦系數(shù)受影響的因素較多及實(shí)際中的控制難度問題,此摩擦系數(shù)優(yōu)化方案實(shí)際減速度試驗(yàn)數(shù)據(jù)在可接受范圍內(nèi)。

        4.2 初速300 km/h快速空氣制動(dòng)試驗(yàn)

        本試驗(yàn)?zāi)康氖菫榱吮容^VER.D和VER.E方案快速空氣制動(dòng)計(jì)算摩擦系數(shù)利用方案,驗(yàn)證優(yōu)化方案快速空氣制動(dòng)距離是否滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求,進(jìn)而選擇較優(yōu)方案進(jìn)行裝車。

        VER.D和VER.E方案與原方案試驗(yàn)結(jié)果見表4,試驗(yàn)曲線比較見圖7。

        表4 原方案和VER.D、VER.E快速空氣制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

        從圖7、表4可知,VER.D版本由于BCU計(jì)算摩擦系數(shù)設(shè)定值較高,制動(dòng)缸壓力偏低,全速度范圍瞬時(shí)減速度均低于原方案,造成制動(dòng)距離損失較大,兩次試驗(yàn)平均減速度為0.868 m/s2和0.874 m/s2,最大瞬時(shí)減速度為1.670 m/s2,制動(dòng)初速度300 km/h時(shí)的制動(dòng)距離超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不大于3 800 m的要求,可見,VER.D版本方案不可行。

        而VER.E版本試驗(yàn)時(shí)制動(dòng)缸壓力有一定降低,但由于前文所述摩擦系數(shù)利用優(yōu)化的原因,瞬時(shí)摩擦系數(shù)上升的緣故,高速區(qū)域瞬時(shí)減速度值與原方案相同或略高,總制動(dòng)力和制動(dòng)距離與原方案基本一致,制動(dòng)初速度300 km/h時(shí)的制動(dòng)距離滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定不大于3 800 m的要求,兩次試驗(yàn)平均減速度為0.915 m/s2和0.927 m/s2,且最大減速度為1.744 m/s2,較CRH2061C動(dòng)車組原方案的1.923 m/s2下降約10.3%。

        圖7 快速空氣制動(dòng)試驗(yàn)曲線比較圖

        按圖7所示的CRH2061C動(dòng)車組原方案和安裝VER.E方案的CRH2067C動(dòng)車組的制動(dòng)缸壓力曲線和瞬時(shí)減速度曲線,結(jié)合動(dòng)車組的基礎(chǔ)制動(dòng)參數(shù),可用下式計(jì)算兩次試驗(yàn)的瞬時(shí)摩擦系數(shù)。

        式中μ為瞬時(shí)摩擦系數(shù);m為動(dòng)車組總重,均按CRH2-300動(dòng)車組實(shí)際稱重試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算,t;R為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù);a i為瞬時(shí)減速度,按圖7的數(shù)據(jù)取值,m/s2;Pi為某一時(shí)刻動(dòng)車或拖車制動(dòng)缸壓力,按圖7的數(shù)據(jù)取值,k Pa;dt為拖車制動(dòng)缸直徑,m;γ為制動(dòng)倍率;n為制動(dòng)缸數(shù)量;η為傳動(dòng)效率;Dt為拖車制動(dòng)盤平均摩擦直徑,m;dd為動(dòng)車制動(dòng)缸直徑,m;D為動(dòng)車組車輪直徑,m;Dd為動(dòng)車制動(dòng)盤平均摩擦直徑,m。

        由式(4)得出的實(shí)際瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線如圖8所示。

        圖8 快速空氣制動(dòng)瞬時(shí)摩擦系數(shù)曲線

        從瞬時(shí)摩擦系數(shù)計(jì)算結(jié)果可見,采用VER.E版本計(jì)算摩擦系數(shù)優(yōu)化方案后,適當(dāng)降低制動(dòng)缸壓力,快速制動(dòng)時(shí)的瞬時(shí)摩擦系數(shù)較原方案高約0.015,充分利用了制動(dòng)盤片的摩擦性能,并再次印證了圖3所示的臺(tái)架摩擦系數(shù)試驗(yàn)的結(jié)論。

        可見,從常用制動(dòng)時(shí)瞬時(shí)摩擦系數(shù)與設(shè)計(jì)值的一致性、快速空氣制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果,以及瞬時(shí)摩擦系數(shù)計(jì)算結(jié)果可見,VER.E版本改進(jìn)摩擦系數(shù)利用方案是可行的,基本達(dá)到了預(yù)期的目的。

        5 結(jié)束語

        摩擦系數(shù)優(yōu)化方案的實(shí)車B7級(jí)空氣制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明,實(shí)測(cè)制動(dòng)減速度與設(shè)計(jì)減速度曲線吻合程度較原方案已大有改進(jìn),一定程度上降低了制動(dòng)盤片的機(jī)械負(fù)荷和熱負(fù)荷。VER.E版本摩擦系數(shù)優(yōu)化方案的實(shí)車快速制動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明,實(shí)測(cè)制動(dòng)距離滿足制動(dòng)距離限值的要求,該版改進(jìn)方案基本達(dá)到了預(yù)期的目的。

        通過試驗(yàn)驗(yàn)證,制動(dòng)速度范圍較大的機(jī)車車輛在制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),計(jì)算摩擦系數(shù)可以分段選取,可以充分利用盤片的實(shí)際摩擦性能,有效降低盤片磨耗。

        [1]王月明.動(dòng)車組制動(dòng)技術(shù)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2010.

        [2]徐 磊.CRH2型動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)摩擦系數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].鐵道機(jī)車車輛,2009,29(4):51-53.

        [3]武廣客運(yùn)專線動(dòng)車組專項(xiàng)研究試驗(yàn)報(bào)告[R].北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2009.

        [4]CRH2-300動(dòng)車組型式試驗(yàn)報(bào)告(2008),JL字第 W-252號(hào)[R].北京:鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心機(jī)車車輛檢驗(yàn)站,2008.

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