姜 葛，張 斌，黃學(xué)梅

（南車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司 研發(fā)部，四川資陽(yáng)641301）

HD100型動(dòng)車(chē)組空氣制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及制動(dòng)性能計(jì)算

姜 葛，張 斌，黃學(xué)梅

（南車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司 研發(fā)部，四川資陽(yáng)641301）

介紹了出口蘇丹HD100型內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組符合AAR標(biāo)準(zhǔn)的空氣制動(dòng)系統(tǒng)的原理、結(jié)構(gòu)等，并對(duì)動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)性能進(jìn)行了計(jì)算。

HD100型動(dòng)車(chē)組；風(fēng)源系統(tǒng)；AAR制動(dòng)系統(tǒng)；性能計(jì)算

HD100型動(dòng)車(chē)組是南車(chē)資陽(yáng)機(jī)車(chē)有限公司出口蘇丹國(guó)家鐵路公司2動(dòng)4拖動(dòng)力集中式內(nèi)燃動(dòng)車(chē)組。動(dòng)車(chē)組由資陽(yáng)公司集成并負(fù)責(zé)動(dòng)車(chē)的設(shè)計(jì)制造，拖車(chē)委托南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)生產(chǎn)。動(dòng)車(chē)組軌距1067 mm，最大運(yùn)營(yíng)速度100 km/h，采用推挽式牽引，總載客人數(shù)304人。根據(jù)合同要求，制動(dòng)系統(tǒng)采用AAR標(biāo)準(zhǔn)的美國(guó)Wabtec公司產(chǎn)品，其中動(dòng)車(chē)為26-L型制動(dòng)機(jī)，拖車(chē)為26-CV8型制動(dòng)機(jī)。下面主要介紹動(dòng)車(chē)的空氣制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)性能計(jì)算。

1　動(dòng)車(chē)空氣制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

空氣制動(dòng)系統(tǒng)包括風(fēng)源系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等。

1.1風(fēng)源系統(tǒng)

風(fēng)源系統(tǒng)為動(dòng)車(chē)及拖車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)和輔助生活用風(fēng)系統(tǒng)提供干燥潔凈的壓縮空氣，主要包括：空壓機(jī)、干燥器、總風(fēng)缸、高壓保安閥、總風(fēng)壓力開(kāi)關(guān)等。其部件組成見(jiàn)圖1所示。

圖1　風(fēng)源系統(tǒng)原理圖

（1）空壓機(jī)

空壓機(jī)采用一臺(tái)L2.4/10（s1）型螺桿式壓縮機(jī)，具有超壓安全、滑油溫度高及低壓?jiǎn)?dòng)保護(hù)，能夠連續(xù)工作。主要技術(shù)參數(shù)如下：

根據(jù)出口蘇丹機(jī)車(chē)的經(jīng)驗(yàn)，為能夠滿(mǎn)足當(dāng)?shù)?～50℃環(huán)境溫度，空壓機(jī)溫度開(kāi)關(guān)由110℃設(shè)定為130℃，聯(lián)軸節(jié)處彈性體選擇耐高溫橡膠，彈性體耐溫溫度≥120℃。

（2）干燥器

采用JK G2.A型空氣干燥器，該干燥器為雙塔結(jié)構(gòu)，兩個(gè)塔按照90 s的轉(zhuǎn)換周期進(jìn)行干燥和再生。主要技術(shù)參數(shù)如下：

（3）總風(fēng)缸

采用2個(gè)容積為250 dm3的總風(fēng)缸，總?cè)莘e為500 dm3，分別位于油箱兩側(cè)。

（4）總風(fēng)壓力控制器

為協(xié)調(diào)2臺(tái)動(dòng)車(chē)空壓機(jī)合理運(yùn)行，每節(jié)動(dòng)車(chē)設(shè)置有2個(gè)總風(fēng)壓力開(kāi)關(guān)，分別為壓力開(kāi)關(guān)1（750～900 kPa），壓力開(kāi)關(guān)2（700～900 kPa）。當(dāng)總風(fēng)壓力低于700 kPa，壓力開(kāi)關(guān)2動(dòng)作，控制2臺(tái)動(dòng)車(chē)空壓機(jī)同時(shí)工作。總風(fēng)壓力低于750 kPa而高于700 kPa時(shí)，壓力開(kāi)關(guān)1動(dòng)作，控制本務(wù)動(dòng)車(chē)一臺(tái)空壓機(jī)工作。該種控制方式能夠?qū)⒖諌簷C(jī)的工作效率提高一倍，滿(mǎn)足螺桿式空壓機(jī)≥30%的工作率要求。

1.2制動(dòng)系統(tǒng)

動(dòng)車(chē)采用Wabtec公司生產(chǎn)的26-L型制動(dòng)機(jī)，該制動(dòng)機(jī)成熟可靠，在蘇丹鐵路廣泛使用，較好適應(yīng)當(dāng)?shù)馗邷厣衬h(huán)境。該制動(dòng)機(jī)主要由26C-S A26制動(dòng)閥、A-l撒沙及切斷先導(dǎo)閥、26-F控制閥、J1.4-14作用閥、8#放風(fēng)閥等組成。其部件組成見(jiàn)圖2所示。

圖2　制動(dòng)系統(tǒng)原理圖

動(dòng)車(chē)26-L型制動(dòng)機(jī)具有如下主要功能：

（1）動(dòng)車(chē)組自動(dòng)制動(dòng)。通過(guò)操縱自動(dòng)制動(dòng)閥，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)、緩解、保壓等功能。列車(chē)管壓力設(shè)計(jì)為500 kPa，全制動(dòng)時(shí)，動(dòng)車(chē)與拖車(chē)制動(dòng)缸壓力均為350 kPa。

（2）動(dòng)車(chē)單獨(dú)制動(dòng)。根據(jù)用戶(hù)要求，保留了動(dòng)車(chē)的單獨(dú)制動(dòng)功能，能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)車(chē)的單獨(dú)制動(dòng)與單緩。

（3）緊急制動(dòng)。通過(guò)操縱自動(dòng)制動(dòng)閥、緊急制動(dòng)閥或者斷鉤時(shí)，均可使動(dòng)車(chē)組產(chǎn)生緊急制動(dòng)，并自動(dòng)切斷動(dòng)車(chē)動(dòng)力。緊急制動(dòng)時(shí)，動(dòng)車(chē)與拖車(chē)制動(dòng)缸壓力均為380 kPa。

（4）自動(dòng)保壓功能?？梢宰詣?dòng)補(bǔ)償動(dòng)車(chē)制動(dòng)缸壓力的泄漏。

（5）具有階段緩解和直接緩解功能，動(dòng)車(chē)組設(shè)置為階段緩解。

（6）斷鉤保護(hù)功能。斷鉤時(shí)自動(dòng)遮斷動(dòng)車(chē)總風(fēng)管對(duì)列車(chē)管的補(bǔ)風(fēng)。

（7）懲罰制動(dòng)。在動(dòng)車(chē)組超速、警惕時(shí)執(zhí)行懲罰制動(dòng)。制動(dòng)模式設(shè)置為常用制動(dòng)。

（8）電空聯(lián)鎖功能。具有電阻制動(dòng)撤銷(xiāo)后，制動(dòng)缸壓力能自動(dòng)追加與不能追加兩種。動(dòng)車(chē)設(shè)置為不能追加。

（9）單獨(dú)制動(dòng)保護(hù)功能。動(dòng)車(chē)單獨(dú)制動(dòng)時(shí)，動(dòng)車(chē)組不能實(shí)施電阻制動(dòng)；非操作端動(dòng)車(chē)單獨(dú)制動(dòng)時(shí)，動(dòng)車(chē)組牽引封鎖。

（10）停放制動(dòng)保護(hù)功能。拖車(chē)設(shè)置有停放制動(dòng)，動(dòng)車(chē)端能夠?qū)ν宪?chē)停放制動(dòng)進(jìn)行控制，當(dāng)拖車(chē)實(shí)施停放制動(dòng)時(shí)，動(dòng)車(chē)組牽引封鎖。

2　動(dòng)車(chē)組織凍醒能計(jì)算

2.1技術(shù)要求

整列動(dòng)車(chē)組在滿(mǎn)員、速度100 km/h、平直道、清潔軌面運(yùn)行狀態(tài)下，緊急制動(dòng)距離≤800 m。

2.2動(dòng)車(chē)組基本參數(shù)

動(dòng)車(chē)采用單元制動(dòng)器，低摩粉末冶金閘瓦；拖車(chē)采用輪盤(pán)制動(dòng)，采用高摩冶金閘片，閘片摩擦系數(shù)由南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司提供；動(dòng)車(chē)組編組為2動(dòng)4拖。

緊急制動(dòng)時(shí)，動(dòng)車(chē)閘瓦壓力k1計(jì)算：

制動(dòng)缸直徑d=0.1775 m

制動(dòng)倍率γ=4

機(jī)械效率η=0.85

閘缸壓力p=380 kPa

動(dòng)車(chē)閘瓦壓力

2.3緊急制動(dòng)時(shí)間及距離計(jì)算

根據(jù)T B/T 1407《列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程》標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)車(chē)單位基本阻力公式參照DF11G機(jī)車(chē)：

拖車(chē)單位基本阻力公式參照準(zhǔn)高速單層客車(chē)：

動(dòng)車(chē)組單位基本阻力ω0的計(jì)算：其中每節(jié)動(dòng)車(chē)質(zhì)量P1=80 t，每節(jié)拖車(chē)滿(mǎn)員下質(zhì)量P2=43 t：

每節(jié)動(dòng)車(chē)制動(dòng)力b1計(jì)算：其中每節(jié)動(dòng)車(chē)制動(dòng)器數(shù)n1=12，閘瓦壓力k1=31.95 kN，

閘瓦動(dòng)摩擦系數(shù)：每節(jié)拖車(chē)制動(dòng)力b2計(jì)算：其中每節(jié)拖車(chē)閘片n2=4，閘瓦壓力k2=51.2 kN，拖車(chē)閘片動(dòng)摩擦系數(shù)μ2（由南車(chē)南京浦鎮(zhèn)車(chē)輛有限公司提供相關(guān)數(shù)據(jù)）

動(dòng)車(chē)組制動(dòng)力

動(dòng)車(chē)組單位制動(dòng)力：

動(dòng)車(chē)組有效走行時(shí)間：

其中v1，v2為速度分段。

動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)時(shí)間：tz=te+tk，其中tk為空走時(shí)間，取3.5 s。

動(dòng)車(chē)組有效走行距離：

動(dòng)車(chē)組空走距離：sk=tk×v0/3.6，其中v0為制動(dòng)初速度，取100 km/h

動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)距離：

根據(jù)動(dòng)車(chē)組的初速度100 km/h，按每下降5 km/h進(jìn)行分段，計(jì)算速度取分段中間值：

v1取值100，97.5，95，……，7.5，5，2.5

v2取值97.5，95，92.5，……，5，2.5，0

動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)時(shí)間：

動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)距離：

動(dòng)車(chē)組在速度100 km/h、平直道、清潔軌面運(yùn)行狀態(tài)下：緊急制動(dòng)距離為562.4 m，制動(dòng)時(shí)間為34.6 s。

2.4動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)力與黏著力校核

干燥軌面黏著系數(shù)：

動(dòng)車(chē)組黏著力：

動(dòng)車(chē)組制動(dòng)力：

速度v同樣按初速度100 km/h，每下降5 km/h進(jìn)行分段，取分段中間值。分別計(jì)算動(dòng)車(chē)組黏著力F、制動(dòng)力B，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3　動(dòng)車(chē)組制動(dòng)力與黏著力曲線

從計(jì)算結(jié)果可以看出在動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)時(shí)，在任何速度下，動(dòng)車(chē)組黏著力F均大于制動(dòng)力B，能夠保證動(dòng)車(chē)組輪對(duì)不會(huì)出現(xiàn)抱死滑行狀態(tài)。

2.5動(dòng)車(chē)組制動(dòng)一致性計(jì)算

動(dòng)車(chē)組在緊急制動(dòng)時(shí)，動(dòng)車(chē)與拖車(chē)的瞬時(shí)減速度應(yīng)盡量保持一致，以降低制動(dòng)沖擊，為提高乘客舒適度。

首先假設(shè)動(dòng)車(chē)與拖車(chē)分離，分別計(jì)算動(dòng)車(chē)與拖車(chē)的有效制動(dòng)距離，不考慮空走距離。動(dòng)車(chē)有效制動(dòng)距離：

拖車(chē)有效制動(dòng)距離：

動(dòng)車(chē)組有效制動(dòng)距離：

動(dòng)車(chē)瞬時(shí)減速度：

拖車(chē)瞬時(shí)減速度：

動(dòng)車(chē)組瞬時(shí)減速度：

計(jì)算速度v1、v2取值同緊急制動(dòng)距離計(jì)算保持一致。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，曲線圖見(jiàn)圖4。

表2　動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)參數(shù)計(jì)算結(jié)果

圖4　動(dòng)車(chē)組減速度曲線

從圖4中可以看出，在動(dòng)車(chē)組速度從100 km/h降至32.5 km/h的過(guò)程中，動(dòng)車(chē)與拖車(chē)的減速度基本保持了一致，制動(dòng)平穩(wěn)性良好，在速度低于32.5 km/h后，減速度差異開(kāi)始擴(kuò)大。速度低于5 km/h到停車(chē)的過(guò)程中，制動(dòng)沖擊最大。

3　結(jié) 論

（1）動(dòng)車(chē)組風(fēng)源系統(tǒng)與制動(dòng)系統(tǒng)參考出口蘇丹的SD D1型機(jī)車(chē)進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足用戶(hù)當(dāng)?shù)?～50℃高溫、多風(fēng)沙的氣候環(huán)境。

（2）動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)距離，在滿(mǎn)員、平直、潔凈的軌道上計(jì)算結(jié)果是562.4 m，最終在蘇丹用戶(hù)處的試驗(yàn)結(jié)果為600 m左右，滿(mǎn)足合同小于800 m的技術(shù)要求。但參照以前機(jī)車(chē)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，大部分機(jī)車(chē)緊急制動(dòng)距離實(shí)測(cè)值都比計(jì)算值比偏低，蘇丹動(dòng)車(chē)組的實(shí)測(cè)值比計(jì)算值高出約40 m還是出乎了意料。

分析原因，在動(dòng)車(chē)單機(jī)緊急制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)缸壓力從0 kPa上升至（380±10）kPa在8～10 s，而國(guó)內(nèi)的JZ-7型制動(dòng)機(jī)制動(dòng)缸壓力從0 kPa上升至（420～450）kPa時(shí)間在4～6 s，26-L型制動(dòng)機(jī)上閘時(shí)間要慢2～4 s，標(biāo)準(zhǔn)TB/T1407里的空走時(shí)間tk取3.5 s就有點(diǎn)偏短。

當(dāng)取值tk=5.5 s時(shí)，緊急制動(dòng)距離：

參照實(shí)測(cè)結(jié)果600 m，動(dòng)車(chē)組空走時(shí)間tk取值5.5 s較為合適。

（3）動(dòng)車(chē)組制動(dòng)黏著力校核。理論計(jì)算值，在任何速度下動(dòng)車(chē)組黏著力均大于制動(dòng)力，線路測(cè)試結(jié)果，動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)時(shí)自動(dòng)撒沙，動(dòng)車(chē)組并未出現(xiàn)抱死滑行的情況，與計(jì)算相符。

（4）動(dòng)車(chē)組制動(dòng)一致性校核。用戶(hù)對(duì)該項(xiàng)沒(méi)有明確的考核指標(biāo)，測(cè)試結(jié)果表明動(dòng)車(chē)組緊急制動(dòng)平穩(wěn)性較好，未感覺(jué)到明顯的制動(dòng)沖擊，在速度降至25 km/h時(shí)沖擊開(kāi)始顯著，停車(chē)前5 s內(nèi)比較明顯，測(cè)試結(jié)果與計(jì)算基本相符。良好的制動(dòng)平穩(wěn)性得到了用戶(hù)的認(rèn)可。HD100型蘇丹動(dòng)車(chē)組于2013年底順利通過(guò)蘇丹國(guó)鐵線路試驗(yàn)，投入了正式運(yùn)用中。該動(dòng)車(chē)組成功的將滿(mǎn)足AAR標(biāo)準(zhǔn)的制動(dòng)系統(tǒng)集成運(yùn)用并裝車(chē)，為今后小編組、動(dòng)力集中式動(dòng)車(chē)組的制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與集成提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

［1］ 夏寅蓀.ND5型內(nèi)燃機(jī)車(chē)［M］.北京：中國(guó)鐵道出版社，1988.

［2］ TB/T 1407-1998.列車(chē)牽引計(jì)算規(guī)程［S］.

Design of the Air Brake System of HD100 DMU and Analysis of the Braking Capacity

JIANG Ge，ZHANG Bin，HUANG Xuemen
（Research and Development Department，CSR Ziyang Loco motive Co.，Ltd.，Ziyang 641301 Sichuan，China）

The paper introduces the structure and principle of HD100 DMU＇s air brake system which export to Sudan and analyses the emergency braking capacity.

HD100 DMU；air system；AAR braking system；capacity analyzing

U266.35

A doi：10.3969/j.issn.1008-7842.2015.04.08

1008-7842（2015）04-0035-05

?）男，工程師（

2015-01-21）