劉東杰,陳 閣,張永壘
(中車(chē)青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛股份有限公司,山東青島 266111)
國(guó)內(nèi)某地鐵線(xiàn)采用8輛編組,6動(dòng)2拖,受電弓DC1 500 V供電,設(shè)計(jì)速度90 km/h,運(yùn)營(yíng)速度80 km/h,基礎(chǔ)制動(dòng)采用盤(pán)式制動(dòng)(鋁合金制動(dòng)盤(pán)、有機(jī)材料閘片),閘片初始厚度24 mm,磨耗到限厚度不低于5 mm,制動(dòng)力分配原則為等粘著。車(chē)輛運(yùn)行5 000 km左右時(shí),拖車(chē)閘片磨損嚴(yán)重,動(dòng)車(chē)閘片幾乎無(wú)損傷,其中拖車(chē)1架閘片中最薄的厚度為5 mm左右,磨耗為38 mm/萬(wàn)km,動(dòng)車(chē)閘片厚度均在23 mm左右,具體如圖1所示。
圖1 拖車(chē)1架閘片磨耗到限
同樣是粘著制動(dòng)的北京某線(xiàn),閘片磨耗情況如表1所示,最大磨損為0.393 mm/萬(wàn)km,此地鐵為38 mm/萬(wàn)km,可見(jiàn)此車(chē)輛閘片出現(xiàn)了異常磨損現(xiàn)象[1]。
表1 車(chē)輛閘片磨損
地鐵車(chē)輛的制動(dòng)力一般由電制動(dòng)和空氣制動(dòng)提供,為減小磨耗,一般優(yōu)先采用電制動(dòng),電制動(dòng)力不足時(shí),由空氣制動(dòng)補(bǔ)足[2]??諝庵苿?dòng)補(bǔ)足一般采用下面2個(gè)原則:一為等粘著制動(dòng)力分配原則,即當(dāng)需施加空氣制動(dòng)時(shí),優(yōu)先使用拖車(chē)的空氣制動(dòng),當(dāng)拖車(chē)的制動(dòng)力達(dá)到粘著極限時(shí),再補(bǔ)充動(dòng)車(chē)上的空氣制動(dòng)。二為等磨耗制動(dòng)力分配原則,即所需彌補(bǔ)的空氣制動(dòng),在達(dá)到粘著極限之前,平均分配,當(dāng)動(dòng)車(chē)達(dá)到粘著極限時(shí),仍需的制動(dòng)力在拖車(chē)上補(bǔ)足。“在車(chē)輪、閘瓦等磨耗分配原則下,車(chē)輪踏面的工作環(huán)境大為改善,可以大幅度降低車(chē)輪踏面異常磨耗帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)及其他副作用[3]。
此地鐵車(chē)輛使用的是等粘著制動(dòng)力分配原則,其中的4輛車(chē)作為一個(gè)制動(dòng)單元,制動(dòng)時(shí),實(shí)際施加的制動(dòng)力根據(jù)制動(dòng)請(qǐng)求、單元重量、粘著極限以及電制動(dòng)能力給出,在每個(gè)單元內(nèi)[4]:?jiǎn)卧獌?nèi)的電制動(dòng)優(yōu)先施加;剩余的制動(dòng)力需求由拖車(chē)提供,直到拖車(chē)達(dá)到粘著極限;如果上述制動(dòng)力仍然不足,所需的制動(dòng)力平均分配到每個(gè)動(dòng)車(chē)軸。其中頭車(chē)2架作為自由軸安裝信號(hào)速度傳感器,只有在緊急制動(dòng)時(shí)施加制動(dòng)。電制動(dòng)能力不足時(shí),等粘著制動(dòng),拖車(chē)1架的閘片較動(dòng)車(chē)會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的磨損。
此地鐵車(chē)輛的額定電壓為DC1 500 V,地鐵車(chē)輛在牽引工況時(shí),作為電動(dòng)機(jī),消耗電能,會(huì)拉低電網(wǎng)電壓,當(dāng)電網(wǎng)電壓為DC1 500 V時(shí),正常牽引時(shí)電網(wǎng)電壓會(huì)降低到約DC1 350 V。當(dāng)施加電制動(dòng)時(shí),相當(dāng)于發(fā)電機(jī),將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,抬高電網(wǎng)電壓,當(dāng)電網(wǎng)電壓的抬升到約DC1 710 V時(shí),VVVF會(huì)進(jìn)行保護(hù),限制電制動(dòng)的進(jìn)一步發(fā)揮[5]。表2是M1(空載)情況下,地鐵車(chē)輛設(shè)計(jì)的電制動(dòng)性能[6]。
表2 電制動(dòng)性能
圖2 制動(dòng)工況參數(shù)界面
圖2 是車(chē)輛實(shí)際運(yùn)行時(shí)Bmax下的電壓與電流情況,圖上顯示的是6個(gè)動(dòng)車(chē)(M車(chē))在制動(dòng)時(shí)的電網(wǎng)電壓,與相應(yīng)的制動(dòng)電流(4個(gè)電機(jī)的電流之和),圖上最大的制動(dòng)電流為435 A,理論上系統(tǒng)能夠發(fā)揮的電流為656 A(4×164 A),實(shí)際電流為總電流的66.3%,電制動(dòng)力與制動(dòng)電流為正相關(guān),電制動(dòng)沒(méi)有充分發(fā)揮,車(chē)輛在相對(duì)高速下投入了空氣制動(dòng),造成閘片過(guò)度磨損。并且電網(wǎng)電壓已達(dá)到了1 700 V(理論電壓應(yīng)為DC1 550 V),制動(dòng)電流沒(méi)有再進(jìn)一步增加。此種情況的可能原因有以下2種[7]:一、地面吸收裝置吸收閥值設(shè)置不合理,當(dāng)母線(xiàn)電壓大于吸收電壓閥值下限時(shí),吸收裝置開(kāi)始吸收,當(dāng)母線(xiàn)電壓大于滿(mǎn)載吸收門(mén)檻電壓時(shí),吸收裝置開(kāi)始滿(mǎn)載吸收,合適的參數(shù)可以充分發(fā)揮地面吸收裝置的功能,參數(shù)調(diào)整可在試驗(yàn)線(xiàn)調(diào)試驗(yàn)收中進(jìn)行優(yōu)化;二、地面吸收裝置容量不足導(dǎo)致,容量需要在試驗(yàn)線(xiàn)的建設(shè)初期進(jìn)行考慮。
電制動(dòng)發(fā)揮不良以及空氣制動(dòng)的分配原則導(dǎo)致頭車(chē)1架的閘片頻繁施加制動(dòng),熱負(fù)荷超標(biāo),鋁盤(pán)出現(xiàn)剝落現(xiàn)象,當(dāng)列車(chē)在制動(dòng)施加階段,從頭車(chē)1架位置傳來(lái)焦臭味,此時(shí)溫度可以達(dá)到300~350℃以上[8],高溫使材料變軟,會(huì)進(jìn)一步加劇磨損磨耗。熱容量計(jì)算時(shí),在M4(重載工況下)從vmax=80 km/h起,純空氣制動(dòng),制動(dòng)減速度b=1.29 m/s2,當(dāng)最大溫度達(dá)到330℃時(shí),已不推薦運(yùn)行。
從車(chē)輛制動(dòng)力分配原則、車(chē)輛牽引變電站配置、閘片與制動(dòng)盤(pán)熱容量計(jì)算3個(gè)方面對(duì)國(guó)內(nèi)某地鐵車(chē)輛閘片異常磨損現(xiàn)象進(jìn)行原因探究分析,可以得出以下結(jié)論:(1)從與北京某線(xiàn)線(xiàn)車(chē)輛的對(duì)比中可以看出,正常情況下由于電制動(dòng)的充分發(fā)揮,等粘著制動(dòng)并不會(huì)造成閘片的異常磨損,但是當(dāng)電制動(dòng)發(fā)揮不良時(shí),等粘著制動(dòng)對(duì)于拖車(chē)上的閘片磨損就會(huì)加劇,造成摩擦面過(guò)熱、鋁盤(pán)磨損加劇、剝落;(2)線(xiàn)路建設(shè)時(shí)要考慮地面吸收裝置的設(shè)置,包括最大容量、參數(shù)設(shè)置等,合理的參數(shù)設(shè)置能夠充分發(fā)揮地面吸收裝置的功能;(3)當(dāng)電制動(dòng)不能充分發(fā)揮時(shí),熱負(fù)荷會(huì)進(jìn)一步惡化摩擦環(huán)境,形成惡性循環(huán)。