姚風(fēng)龍， 王 磊， 王志龍， 廖紹輝

(中車長春軌道客車股份有限公司 電氣研發(fā)部， 長春 130062)

混合動(dòng)力動(dòng)車組最高運(yùn)營速度160 km/h，每列車采用3輛編組，其中Mc01、Mc03為動(dòng)車，Tp02為拖車。同型動(dòng)車組可重聯(lián)，如圖1所示。最大常用制動(dòng)平均減速度(半磨耗)≥1.0 m/s2；緊急制動(dòng)平均減速度(半磨耗)≥1.2 m/s2；列車縱向沖擊率≤0.75 m/s3；動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)。每輛車配有一套制動(dòng)控制單元(Brake Control Unit)，簡稱BCU，除實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制、防滑控制外，還具有自診斷和故障記錄等功能，車輛的軸重及各種工況條件，空載AW0，額定負(fù)載AW2、超載AW3的載荷情況見表1。

圖1 混合動(dòng)力動(dòng)車組編組圖

軸重≤17 tFM/tFT/t總重/tAW0整備5555165AW2定員6363189AW3超員6868204

其中M車慣量系數(shù)JZ=0.065，Tp車慣量系數(shù)JZ=0.046，單車及整列車的動(dòng)靜摩擦系數(shù)均為ξ=ξ0=0.35。

1 常用制動(dòng)力分配原則

常用制動(dòng)時(shí)采用電制動(dòng)和空氣制動(dòng)兩種制動(dòng)力實(shí)現(xiàn)方式，其中電制動(dòng)具有優(yōu)先權(quán)，應(yīng)能盡最大能力充分發(fā)揮電制動(dòng)作用(電制動(dòng)能力不足時(shí)，才使用空氣制動(dòng))。常用制動(dòng)受縱向沖擊率限制，按目標(biāo)距離一次連續(xù)速度控制的模式控制動(dòng)車組減速或停車。其制動(dòng)力隨輸入指令大小無級(jí)控制，并可隨載重變化自動(dòng)調(diào)整。

緊急制動(dòng)(Urgent Brake)UB 時(shí)，采用純空氣制動(dòng)的方式，其制動(dòng)力大小是由空重車調(diào)整閥根據(jù)空氣彈簧壓力來進(jìn)行控制的，即將空氣彈簧壓力通過空、電轉(zhuǎn)換裝置得到與該轉(zhuǎn)向架載重相對應(yīng)電信號(hào)，進(jìn)而計(jì)算車輛載荷，以便根據(jù)車輛載荷情況對列車制動(dòng)力進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

緊急制動(dòng)(Emergency Brake)EB 時(shí)，采用電、空復(fù)合制動(dòng)的方式，在電制動(dòng)充分發(fā)揮作用的基礎(chǔ)上，不足制動(dòng)力由空氣制動(dòng)力補(bǔ)償?；旌蟿?dòng)力動(dòng)車組制動(dòng)力分配遵循以下幾種策略。

①優(yōu)先使用動(dòng)車電制力。

②如果列車總制動(dòng)力不足時(shí)，優(yōu)先補(bǔ)充施加拖車摩擦制動(dòng)力，直至拖車摩擦制動(dòng)利用黏著系數(shù)達(dá)到0.03。

③如果拖車摩擦制動(dòng)利用黏著系數(shù)達(dá)到0.03，且列車總制動(dòng)力仍不足時(shí)，在全列平均分配剩余制動(dòng)力，直至拖車制動(dòng)盤的摩擦制動(dòng)功率達(dá)到250 kW。

④如果拖車制動(dòng)盤的摩擦制動(dòng)功率達(dá)到250 kW，且列車總制動(dòng)力仍不足時(shí)，在動(dòng)車平均分配剩余制動(dòng)力，直至動(dòng)車制動(dòng)盤的摩擦制動(dòng)功率達(dá)到250 kW。

⑤如果拖車、動(dòng)車制動(dòng)盤的摩擦制動(dòng)功率都達(dá)到250 kW，且列車總制動(dòng)力仍不足時(shí)，在全列平均分配剩余制動(dòng)力。其分配流程圖如圖2所示。

2 常用制動(dòng)與緊急制動(dòng)EB位減速度曲線

混合動(dòng)力動(dòng)車組的制動(dòng)特點(diǎn)是將黏著系數(shù)作為空氣制動(dòng)力分配的最優(yōu)先保證參數(shù)，以此作為電、空復(fù)合減速度設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，制動(dòng)方式為盤型制動(dòng)，車重?cái)?shù)據(jù)按AW2定員計(jì)算，混合動(dòng)力動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的常用制動(dòng)和緊急制動(dòng)EB采用減速度-速度曲線為控制目標(biāo)，設(shè)計(jì)遵循以下原則：

①緊急制動(dòng)EB在速度范圍內(nèi)采用恒定減速度控制。

②常用制動(dòng)各級(jí)位在速度范圍內(nèi)采用變減速控制。

③電制動(dòng)力正常時(shí)，1級(jí)和2級(jí)在速度范圍內(nèi)僅使用電制動(dòng)力。

④各個(gè)級(jí)位的平均減速度(含風(fēng)阻)定義為：1級(jí)，0.1 m/s2；2級(jí)，0.25 m/s2；3級(jí)，0.4 m/s2；4級(jí)，0.55 m/s2；5級(jí)，0.7 m/s2；6級(jí)，0.85 m/s2；7級(jí)，1.0 m/s2；緊急EB/UB，1.2 m/s2。

整列車制動(dòng)力計(jì)算公式為：

FAW_j=(MAW_j+MAW·JZ)aAW_j

(1)

式中j為載荷工況編號(hào)。

實(shí)際利用的黏著系數(shù)：

(2)

式中i為車輛編號(hào)。

不同初速度下的制動(dòng)距離與平均減速度計(jì)算如下：

沖動(dòng)極限要求的升壓時(shí)間為：

tU_I=aB_k/Im_max

(3)

式中aB_k為制動(dòng)缸壓力從零上升至目標(biāo)值時(shí)的制動(dòng)減速度。

圖2 混合動(dòng)力制動(dòng)力分配流程圖

制動(dòng)距離為：

(4)

式中vk為離散化速度；k為離散點(diǎn)編號(hào)；Ns離散點(diǎn)數(shù)量；v0為制動(dòng)初速度；tU_Max為制動(dòng)缸升壓時(shí)間tU和沖動(dòng)限制要求的升壓時(shí)間tU_I中取最大值。

平均減速度為：

(5)

根據(jù)牽引電機(jī)的電制動(dòng)特性曲線(3輛編組)如圖3所示。

列車單位阻力公式：

R=0.000 755mg+52.650 5(v+dv)+

3.429 125(v+dv)2

(6)

其中v為速度m/s；m為動(dòng)車組質(zhì)量kg；g為重力加速度m/s2；dv為風(fēng)速4.17 m/s。

常用制動(dòng)空走時(shí)間tu_SB=1 s，常用制動(dòng)缸升壓時(shí)間tu_SB=2 s。

以上計(jì)算公式及設(shè)計(jì)原則作為輸入條件，得到制動(dòng)各級(jí)別設(shè)計(jì)減速度曲線(不含風(fēng)阻)如圖4所示，制動(dòng)各級(jí)別設(shè)計(jì)減速度值(不含風(fēng)阻)，見表2。

圖3 混合動(dòng)力牽引電機(jī)特性曲線

制動(dòng)各級(jí)別設(shè)計(jì)減速度曲線(含風(fēng)阻)如圖5所示。

考慮空走時(shí)間和風(fēng)阻，各制動(dòng)極位實(shí)際平均減速度計(jì)算值為：

1級(jí)，0.101 m/s2；2級(jí)，0.25 m/s2；3級(jí)，0.401 m/s2；4級(jí)，0.55 m/s2；5級(jí)，0.701 m/s2；6級(jí)，0.85 m/s2；7級(jí)，1.01 m/s2；緊急EB，1.201 m/s2。

圖4 混合動(dòng)力設(shè)計(jì)減速度曲線(不含風(fēng)阻)

制動(dòng)級(jí)位減速度值/(m·s-2)0111 km/h160 km/h10.0680.0680.04720.2360.2360.16530.4120.4120.28840.5920.5920.41550.7790.7790.54560.9700.9700.67971.1801.1800.826EB1.3061.3061.306

圖5 混合動(dòng)力設(shè)計(jì)減速度曲線(含風(fēng)阻)

常用制動(dòng)采用兩段式折線，轉(zhuǎn)折點(diǎn)為111 km/h。由于電制力較小且特性曲線的恒力-恒功轉(zhuǎn)折速度較低，僅能保證常用制動(dòng)1級(jí)和2級(jí)在AW2時(shí)全速度范圍內(nèi)不超過電制最大能力。各級(jí)位的最大減速度對應(yīng)的黏著系數(shù)均處于合理范圍。

3 制動(dòng)熱容量報(bào)告

混合動(dòng)力動(dòng)車組車輛動(dòng)車和拖車都采用鑄鋼輪裝制動(dòng)盤，下面進(jìn)行摩擦副熱容量計(jì)算如下：

在AW3載荷下，車輛動(dòng)態(tài)軸重為：動(dòng)車軸重(動(dòng)態(tài))：17+0.894=17.894(t)

(7)

拖車軸重(動(dòng)態(tài))：17+0.633=17.633 (t)

(8)

顯然，純空氣制動(dòng)情況下動(dòng)車制動(dòng)摩擦副承受的熱負(fù)荷要高于拖車制動(dòng)摩擦副，因此在下面計(jì)算中車輛軸重均設(shè)定為動(dòng)車AW3載荷下的動(dòng)態(tài)軸重。

混合動(dòng)力車全列配置6套停放制動(dòng)缸(每節(jié)車配置2套停放制動(dòng)缸)，整列車的停放制動(dòng)力為61.2 kN，而緊急制動(dòng)UB時(shí)整車制動(dòng)力為255.6 kN，疊加后制動(dòng)力共316.8 kN，可計(jì)算制動(dòng)力疊加后的列車減速度為1.48 m/s2。由于動(dòng)車的緊急UB制動(dòng)力較大，帶停放制動(dòng)的動(dòng)車輪盤承受了較大的停放制動(dòng)力與緊急制動(dòng)力的疊加。因此，下面根據(jù)得到的減速度及停放制動(dòng)力與緊急制動(dòng)力疊加進(jìn)行帶停放制動(dòng)的動(dòng)車輪盤熱容量仿真計(jì)算。

表3 AW3 工況下緊急制動(dòng)力

表4 每車停放制動(dòng)力

由于動(dòng)車的動(dòng)態(tài)軸重大于拖車的動(dòng)態(tài)軸重，動(dòng)車輪盤比拖車輪盤承受的熱負(fù)荷大，純空氣工況下動(dòng)車輪盤溫度要高于拖車輪盤溫度，因此只對熱負(fù)荷更大的動(dòng)車輪盤進(jìn)行仿真分析，其中閘片材料為粉末冶金材料制動(dòng)盤初始溫度設(shè)置為40℃，按照 UIC 541-3中的規(guī)定，粉末冶金閘片應(yīng)能夠承受550℃以下的溫度而不使閘片特性變壞為判斷依據(jù)，進(jìn)行了以下3種工況的模擬仿真分析。

圖6 純空氣，初速度160 km/h,2次連續(xù)UB 輪盤溫度曲線

工況1在初速度160 km/h，純空氣2次連續(xù)UB純空氣制動(dòng)情況下，緊急制動(dòng)減速度為1.2 m/s2，動(dòng)車輪盤盤面溫度為333℃，輪盤溫度曲線如圖6所示，仿真結(jié)果顯示輪裝制動(dòng)盤盤面最高溫度均未超過粉末冶金閘片允許的最高溫度。

工況2在初速度160 km/h，施加最大常用制動(dòng)情況下，純空氣全程模擬運(yùn)營環(huán)境，其中，全程距離為500 km，站間距15 km，停車1 min，最大常用制動(dòng)減速度為1.0 m/s2，動(dòng)車輪盤盤面溫度為280℃，輪盤溫度曲線如圖7所示，輪裝制動(dòng)盤盤面最高溫度均未超過粉末冶金閘片允許的最高溫度。

圖7 純空氣，初速度160 km/h,模擬運(yùn)營輪盤溫度曲線

工況3在初速度160 km/h，停放制動(dòng)力與UB緊急制動(dòng)力同時(shí)施加工況下，帶停放制動(dòng)的動(dòng)車輪盤承受較大的熱負(fù)荷，帶停放制動(dòng)的動(dòng)車輪盤盤面溫度為420℃，輪盤溫度曲線如圖8所示，未超過粉末冶金閘片允許的最高溫度。但由于緊急制動(dòng)過程中停放制動(dòng)意外施加是故障工況，在出現(xiàn)此故障后，列車需要盡快維修排除故障。

上述對于工況1,2,3進(jìn)行了制動(dòng)盤熱容量計(jì)算，盤面溫度都在粉末冶金閘片允許的最高溫度之內(nèi)，符合要求。

圖8 停放制動(dòng)與UB緊急制動(dòng)同時(shí)施加時(shí)帶停放制動(dòng)的動(dòng)車輪盤溫度曲線

4 結(jié) 論

(1)系統(tǒng)研究制定了混合動(dòng)力動(dòng)車組制動(dòng)力分配原則。

(2)在充分利用輪軌間的黏著系數(shù)條件下結(jié)合制動(dòng)力分配原則設(shè)計(jì)出混合動(dòng)力動(dòng)車組各級(jí)制動(dòng)力下的減速度值。

(3)通過仿真分析證明了在AW3載荷下，制動(dòng)盤及閘片的熱容量性能滿足UIC 541-3要求。