邵 林

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

采用閘瓦與踏面、制動(dòng)盤與閘片兩種形式的摩擦制動(dòng)，是鐵道機(jī)車車輛主要采用的制動(dòng)方式，其制動(dòng)力穩(wěn)定可控、在高低壓失電條件下仍可作用，是車輛根據(jù)需求制動(dòng)力減速或緊急情況迅速停車的最終保障。無(wú)論采用以上哪種摩擦制動(dòng)的方式，摩擦部件的摩擦系數(shù)都是制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，直接決定了制動(dòng)力的大小。

根據(jù)《列車牽引計(jì)算規(guī)程》[1]，對(duì)于機(jī)車牽引式列車，實(shí)算摩擦系數(shù)與閘瓦或閘片壓力、制動(dòng)初速度和當(dāng)前速度相關(guān)，這是因?yàn)樵谥苿?dòng)過(guò)程中摩擦材料的性能在不斷發(fā)生變化，而其中最主要的因素就是摩擦部件的溫度。機(jī)車車輛制動(dòng)需要消耗運(yùn)行的動(dòng)能，能量主要通過(guò)摩擦部件耗散從而產(chǎn)生較高的溫度積累(或稱熱負(fù)荷)。動(dòng)車組摩擦部件為制動(dòng)盤與制動(dòng)閘片，其熱負(fù)荷條件較其他低速車輛更為嚴(yán)苛。摩擦系數(shù)在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中不為恒定值，給動(dòng)車組制動(dòng)力的精確控制帶來(lái)了困難，因此，有必要對(duì)高速動(dòng)車組制動(dòng)盤與閘片的摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。

1 摩擦系數(shù)的試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試

制動(dòng)盤與閘片摩擦系數(shù)測(cè)試分為部件級(jí)的試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)和整車級(jí)測(cè)試。

目前國(guó)內(nèi)動(dòng)車組制動(dòng)盤與閘片在裝車前，應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《動(dòng)車組制動(dòng)盤(暫行)》[2]、《動(dòng)車組閘片(暫行)》[3]分別在試驗(yàn)臺(tái)上完成檢驗(yàn)。制動(dòng)盤應(yīng)在預(yù)定的試驗(yàn)序列中，對(duì)緊固件狀態(tài)、裂紋情況、異常磨耗情況進(jìn)行檢驗(yàn)，并試驗(yàn)中測(cè)試摩擦系數(shù)；閘片應(yīng)在預(yù)定的試驗(yàn)序列中，對(duì)制動(dòng)摩擦系數(shù)、磨耗量、試驗(yàn)過(guò)程中閘片狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)。

試驗(yàn)臺(tái)通過(guò)以下公式間接測(cè)量摩擦系數(shù)：

(1)

其中μ為摩擦系數(shù)，T制動(dòng)為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，由試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)置傳感器直接測(cè)得；r為制動(dòng)盤平均摩擦半徑；F正為制動(dòng)閘片產(chǎn)生正壓力，由試驗(yàn)臺(tái)內(nèi)置傳感器直接測(cè)得，預(yù)埋于制動(dòng)缸位置。

在試驗(yàn)過(guò)程中，最嚴(yán)苛工況為最高速度下連續(xù)施加兩次制動(dòng)，此時(shí)設(shè)定正壓力為2段或3段的階梯式投入，類比于動(dòng)車組施加緊急制動(dòng)UB。

試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試摩擦系數(shù)方法成熟，內(nèi)置傳感器測(cè)試穩(wěn)定，可以做為對(duì)制動(dòng)盤和閘片部件進(jìn)行合格性檢驗(yàn)。但試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試不能完全反映裝車運(yùn)用中的摩擦系數(shù)變化情況，主要因?yàn)槟壳案咚賱?dòng)車組摩擦制動(dòng)在純空氣緊急制動(dòng)EB時(shí)，較緊急制動(dòng)UB更為嚴(yán)苛，緊急制動(dòng)EB的制動(dòng)力受制動(dòng)軟件的控制，在整車調(diào)試前的部件試驗(yàn)臺(tái)階段中，無(wú)法體現(xiàn)緊急制動(dòng)EB的試驗(yàn)條件；另外，受限于摩擦部件裝車后的散熱環(huán)境、動(dòng)拖車不同的制動(dòng)力等因素，試驗(yàn)臺(tái)結(jié)果對(duì)整車適用性也受到局限。綜合以上因素，有必要對(duì)整車運(yùn)行中的制動(dòng)摩擦系數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

2 摩擦系數(shù)在整車運(yùn)行中的傳統(tǒng)測(cè)試方法

傳統(tǒng)的整車運(yùn)行中摩擦系數(shù)測(cè)試方式，是通過(guò)制動(dòng)缸壓力、整車減速度等實(shí)測(cè)值，結(jié)合列車及制動(dòng)系統(tǒng)各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行間接測(cè)試，計(jì)算前假設(shè)動(dòng)拖車產(chǎn)生縱向制動(dòng)力相等、且動(dòng)車和拖車的制動(dòng)摩擦系數(shù)變化規(guī)律相同。按以下各式進(jìn)行計(jì)算。

(2)

F夾鉗=P×A×γ×η

(3)

n軸×F軸=M×(1+r慣量)×a-f阻力

(4)

式中：μ為摩擦系數(shù)；F軸為單軸縱向制動(dòng)力，kN；n夾鉗為該軸夾鉗個(gè)數(shù)；F夾鉗為單夾鉗夾緊力，計(jì)雙側(cè)，kN；r為該軸制動(dòng)盤平均摩擦半徑，mm；R為車輪半徑，mm；P為該軸制動(dòng)缸壓力，kPa；A為該軸制動(dòng)缸有效面積，m2；γ為夾鉗倍率；η為傳動(dòng)效率，動(dòng)態(tài)下傳動(dòng)效率近似取靜態(tài)實(shí)測(cè)值；n軸為車軸數(shù)量；M為整車質(zhì)量，t；r慣量為轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；a為實(shí)際整車減速度；f阻力為整車阻力，kN。

根據(jù)以上方法，鑒于計(jì)算假設(shè)前提，可以近似測(cè)得各車摩擦系數(shù)的平均值。而對(duì)于高速動(dòng)車組而言，動(dòng)車一般配置2個(gè)輪盤，拖車配置3～4個(gè)制動(dòng)盤，動(dòng)車在純空氣制動(dòng)工況下承受著更高的制動(dòng)能量，其摩擦系數(shù)下降應(yīng)更嚴(yán)重，需要分別測(cè)得動(dòng)車和拖車的摩擦系數(shù)。

3 采用轉(zhuǎn)矩測(cè)量輪對(duì)的測(cè)試方法研究

測(cè)試單個(gè)車軸產(chǎn)生的縱向力(即轉(zhuǎn)矩)，可以通過(guò)在車軸表面貼應(yīng)變橋的方法，通過(guò)軸端集流環(huán)，將旋轉(zhuǎn)電信號(hào)轉(zhuǎn)化為非旋轉(zhuǎn)電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)在整車運(yùn)行試驗(yàn)中的實(shí)時(shí)測(cè)試。應(yīng)用此方法，應(yīng)在被測(cè)輪對(duì)裝于車輛上之前進(jìn)行預(yù)先加工，包含貼片、打線孔、輪對(duì)力標(biāo)定等工作。

當(dāng)車軸加載轉(zhuǎn)矩時(shí)，被測(cè)軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，與軸線成±45°夾角方向上產(chǎn)生最大的剪應(yīng)變。因此，將電阻應(yīng)變片粘貼在動(dòng)車組車軸表面上，接入測(cè)量電橋，隨著車軸受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得相應(yīng)變形，從而使電路的電阻發(fā)生變化。電阻變化與車軸表面的應(yīng)變成正比，通過(guò)測(cè)量阻值的變化量，就可以反映出旋轉(zhuǎn)軸表面應(yīng)變的大小。根據(jù)車軸所產(chǎn)生的應(yīng)變，可求得相應(yīng)的剪應(yīng)力，根據(jù)剪應(yīng)力就可以計(jì)算出車軸輸出的轉(zhuǎn)矩。

測(cè)試時(shí)可沿主應(yīng)力方向粘貼相互垂直的兩個(gè)應(yīng)變片，組成二軸90°應(yīng)變片，再在與該應(yīng)變片對(duì)應(yīng)的軸的對(duì)面以同樣方式組成一個(gè)應(yīng)變片，組成一個(gè)橋式電路。

圖1所示為應(yīng)變片的全橋接法[4]，4個(gè)應(yīng)變片分別接電橋的4個(gè)橋臂。

有如下特性：

(5)

采用90°接法測(cè)試轉(zhuǎn)矩的橋式電路及沿旋轉(zhuǎn)方向平面展開(kāi)圖見(jiàn)圖2所示。

圖1 應(yīng)變片的全橋連接

圖2 轉(zhuǎn)矩測(cè)量橋式電路圖

由圖2可見(jiàn)，在車軸的任意橫截面上，會(huì)產(chǎn)生3種作用力或力矩：以橫截面法向?yàn)檩S的轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩Mn；平行于橫截面的彎矩M；垂直于橫截面的軸力。根據(jù)式(5)，僅在扭矩Mn產(chǎn)生方向上，Ra、Rc與Rb、Rd的應(yīng)變分量方向相反,測(cè)量時(shí)可以疊加應(yīng)變橋輸出電壓；在軸力F及彎矩M方向上，Ra、Rb與Rc、Rd的應(yīng)變分量方向相同，測(cè)量時(shí)可以抵消輸出電壓。經(jīng)式(5)計(jì)算，輸出電壓正比于扭矩Mn，即該軸在牽引或制動(dòng)情況下產(chǎn)生的扭矩，其比例系數(shù)可在試驗(yàn)臺(tái)上加載縱向力并通過(guò)輸出電壓測(cè)得。

另外，需要說(shuō)明的是若輪對(duì)上采用的是輪盤而非軸盤制動(dòng)形式，制動(dòng)作用直接通過(guò)車輪產(chǎn)生，車軸上并不存在扭矩，因此，采用輪盤制動(dòng)的輪對(duì)不能通過(guò)測(cè)量車軸的扭矩來(lái)間接測(cè)量輪軌間的制動(dòng)力。計(jì)算輪盤制動(dòng)輪對(duì)的制動(dòng)力，需要提前假設(shè)一列動(dòng)車組的所有動(dòng)車和拖車的摩擦系數(shù)分別按各自同一規(guī)律變化，通過(guò)對(duì)式(4)進(jìn)行調(diào)整，從而得到式(6)來(lái)計(jì)算。

n輪盤軸數(shù)×F輪盤單軸力+N軸盤軸數(shù)×軸盤單軸力=

M×(1+r慣量)×a-f阻力

(6)

4 應(yīng)用轉(zhuǎn)矩測(cè)量輪對(duì)的試驗(yàn)結(jié)果分析

在某型動(dòng)車組的拖車軸上，通過(guò)以上方法安裝橋式應(yīng)變片以測(cè)量輪周制動(dòng)力(或制動(dòng)轉(zhuǎn)矩)。該拖車軸配置3套軸裝制動(dòng)盤，分別在最外側(cè)軸盤與車輪間的車軸上安裝兩組應(yīng)變橋。可以通過(guò)拖車軸制動(dòng)力和不計(jì)阻力的總制動(dòng)力反推動(dòng)車軸制動(dòng)力，動(dòng)車軸安裝2套輪裝制動(dòng)盤。該動(dòng)車組的設(shè)計(jì)理念是在緊急制動(dòng)時(shí)，控制各車產(chǎn)生制動(dòng)力接近，從而平均利用黏著，同時(shí)降低各車之間的沖動(dòng)。(這樣的設(shè)計(jì)不同于某些動(dòng)車組采用單元內(nèi)電制動(dòng)優(yōu)先的做法，緊急制動(dòng)在實(shí)際運(yùn)用中較少實(shí)施，與多利用電制動(dòng)饋能減少摩擦的理念不矛盾。)由此可見(jiàn)，在緊急制動(dòng)時(shí)，動(dòng)車2套制動(dòng)盤將承受更大的制動(dòng)力并吸收更多的制動(dòng)能量。

根據(jù)實(shí)測(cè)制動(dòng)距離結(jié)果可見(jiàn)，在350 km/h速度級(jí)制動(dòng)工況下，緊急空氣制動(dòng)EB的制動(dòng)距離較緊急制動(dòng)UB縮短14%。動(dòng)車組的總制動(dòng)能量與質(zhì)量和初速度有關(guān)，而更短的制動(dòng)距離(時(shí)間)意味著瞬時(shí)制動(dòng)功率更大，即更嚴(yán)苛的摩擦材料狀態(tài)。因此，選取各速度級(jí)下的緊急空氣制動(dòng)EB進(jìn)行分析，可以代表摩擦系數(shù)下降最嚴(yán)重的情況。

試驗(yàn)按以下順序進(jìn)行：

(1)動(dòng)車組惰行工況下，對(duì)輪對(duì)制動(dòng)力進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，同時(shí)驗(yàn)證測(cè)量方法有效性；

(2) 動(dòng)車組進(jìn)行各速度級(jí)位的緊急制動(dòng)試驗(yàn)，測(cè)量并統(tǒng)計(jì)摩擦系數(shù)變化規(guī)律。

4.1 惰行工況的零點(diǎn)標(biāo)定

在動(dòng)車組惰行時(shí)，輪周應(yīng)不存在制動(dòng)力，此時(shí)對(duì)兩組應(yīng)變橋輸出進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，同時(shí)測(cè)量制動(dòng)力輸出進(jìn)行驗(yàn)證，見(jiàn)圖3所示。

圖3 惰行工況下，兩端應(yīng)變橋輸出及總力試驗(yàn)曲線

由圖3可見(jiàn)，在惰行工況下，理論上不存在輪周制動(dòng)力，但位于兩側(cè)軸盤與車輪間的一段車軸上有不規(guī)則的應(yīng)力，而二者總和基本保持在0點(diǎn)附近，這表明在運(yùn)行的過(guò)程中，受振動(dòng)影響，兩端車軸上存在隨機(jī)的轉(zhuǎn)矩，但兩端之和基本可以反映總的輪周縱向力，說(shuō)明應(yīng)用此方法測(cè)力時(shí)，必須在兩端均布置應(yīng)變橋求得應(yīng)變輸出之和，才能反映出整個(gè)軸的縱向力測(cè)量結(jié)果。

4.2 各速度級(jí)緊急制動(dòng)摩擦系數(shù)測(cè)試

在不同速度級(jí)下，進(jìn)行緊急空氣制動(dòng)EB試驗(yàn)，測(cè)試拖車與動(dòng)車軸制動(dòng)力，進(jìn)而計(jì)算出拖車與動(dòng)車的制動(dòng)摩擦系數(shù)，將測(cè)試所得瞬時(shí)摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與摩擦系數(shù)上限與下限值進(jìn)行比較[3]，見(jiàn)圖4～圖9所示。同時(shí)統(tǒng)計(jì)摩擦系數(shù)衰減后的最小值，見(jiàn)表1所示。

圖4 初速度120 km/h緊急空氣制動(dòng)EB，拖車與動(dòng)車瞬時(shí)摩擦系數(shù)測(cè)試曲線

圖5 初速度160 km/h緊急空氣制動(dòng)EB，拖車與動(dòng)車瞬時(shí)摩擦系數(shù)測(cè)試曲線

圖6 初速度200 km/h緊急空氣制動(dòng)EB，拖車與動(dòng)車瞬時(shí)摩擦系數(shù)測(cè)試曲線

圖7 初速度250 km/h緊急空氣制動(dòng)EB，拖車與動(dòng)車瞬時(shí)摩擦系數(shù)測(cè)試曲線

由圖4～圖9和表1可見(jiàn)，在初速度120～250 km/h的緊急空氣制動(dòng)EB試驗(yàn)中，測(cè)得的拖車和動(dòng)車制動(dòng)摩擦系數(shù)均在設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍內(nèi)，距上下限值都有一定的余量，且二者相差不大，說(shuō)明此速度范圍內(nèi)的摩擦熱量對(duì)摩擦材料狀態(tài)影響較輕微。在初速度300，350 km/h的試驗(yàn)中，動(dòng)車的摩擦系數(shù)下降明顯，已低至摩擦系數(shù)下限值的附近，最低降至0.24，而拖車仍較下限值有一定余量，這與動(dòng)拖車各軸制動(dòng)力均勻分配的前提下，動(dòng)軸制動(dòng)盤更少，從而吸收制動(dòng)能量更多導(dǎo)致摩擦條件更嚴(yán)苛的推論相一致。通過(guò)試驗(yàn)中對(duì)制動(dòng)盤和閘片溫度的測(cè)試，可以對(duì)此進(jìn)行佐證，初速度350 km/h的緊急空氣制動(dòng)EB過(guò)程中，動(dòng)車制動(dòng)盤和閘片溫度普遍高于拖車約100℃。

圖8 初速度300 km/h緊急空氣制動(dòng)EB，拖車與動(dòng)車瞬時(shí)摩擦系數(shù)測(cè)試曲線

圖9 初速度350 km/h緊急空氣制動(dòng)EB，拖車與動(dòng)車瞬時(shí)摩擦系數(shù)測(cè)試曲線

試驗(yàn)工況制動(dòng)初速度/(km·h-1)拖車摩擦系數(shù)最低值動(dòng)車摩擦系數(shù)最低值緊急空氣制動(dòng)EB3500.340.243000.280.262500.300.322000.360.341600.330.311200.340.31

5 結(jié)束語(yǔ)

制動(dòng)盤與閘片的摩擦系數(shù)是制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。傳統(tǒng)方法可以通過(guò)監(jiān)測(cè)制動(dòng)缸壓力、整車減速度等參數(shù)，在動(dòng)車組運(yùn)行過(guò)程中，間接測(cè)試不同速度級(jí)下動(dòng)拖車的平均摩擦系數(shù)。而通過(guò)拖車動(dòng)態(tài)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩測(cè)量的方式，可以分別計(jì)算出不同速度下動(dòng)拖車制動(dòng)摩擦系數(shù)， 從理論和實(shí)測(cè)角度對(duì)此試驗(yàn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，在實(shí)際進(jìn)行的高速緊急制動(dòng)試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)動(dòng)車制動(dòng)摩擦系數(shù)下降較拖車更為嚴(yán)重，與理論分析結(jié)論一致。在未來(lái)工作中，在有條件實(shí)施此法測(cè)量的情況下，將進(jìn)一步積累摩擦系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試進(jìn)行對(duì)比，為制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。