金文偉 王常川 馮 昆 楊 川

(1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011；2.中車長春軌道客車股份有限公司 吉林 長春 130000)

0 概述

降低軌道交通車輛特別是時速350 km以上等級動車組的運用能耗是高鐵綠色、環(huán)保、節(jié)能設(shè)計中的重要原則。目前，高鐵車輛設(shè)計中常用的節(jié)能方法主要有兩個，一個是減輕動車組本身特別是簧下質(zhì)量[1]，一個是降低動車組運行阻力，其中主要是風(fēng)阻。而降低風(fēng)阻則主要是對動車組車體流線進(jìn)行優(yōu)化，其效果相當(dāng)明顯，對其牽引功率和能耗具有相當(dāng)大的影響。然而，風(fēng)阻對動車組制動系統(tǒng)的補(bǔ)充能力特別是對制動盤的影響卻很少有人提及。隨著我國高速鐵路的不斷發(fā)展，時速400 km等級動車組也將下線，而速度的提升帶來的風(fēng)阻影響也不再忽略不計，因此，需要研究制動仿真過程中制動部件特別是制動盤在有無風(fēng)阻條件下的熱影響情況，從而優(yōu)化制動盤仿真分析條件，避免因人為提升設(shè)計條件要求而導(dǎo)致產(chǎn)品安全余量過大，從而形成設(shè)計浪費。

1 風(fēng)阻系數(shù)

動車組的風(fēng)阻計算公式一般來源于風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)擬合，不同動車組車體對風(fēng)阻影響較大，如新研發(fā)的“復(fù)興號”標(biāo)準(zhǔn)動車組風(fēng)阻相比于和諧號動車組低了11%，從而使其功耗降低了約17%。風(fēng)阻系數(shù)影響參數(shù)主要包括車型系數(shù)(車體形狀)，運行速度，環(huán)境氣流速度等，一般來說，主要根據(jù)不同車型簡化風(fēng)阻系數(shù)表達(dá)為運行速度的函數(shù)，不同動車組的風(fēng)阻系數(shù)曲線如圖1所示，風(fēng)阻系數(shù)越大，則產(chǎn)生的風(fēng)阻就越大，車輛運營的能耗就越大。

圖1 列車風(fēng)阻系數(shù)

2 熱容量仿真

(1)熱輸入模型

在制動盤熱容量仿真過程中，一般考慮列車運行動能全部轉(zhuǎn)化為制動熱能的嚴(yán)苛情況，但風(fēng)阻在列車運行中所扮演的角色亦不容忽視，其動能一部分還會轉(zhuǎn)化成風(fēng)阻做功，起到協(xié)助列車停車的目的，因此，可以假設(shè)列車動能大部分轉(zhuǎn)為制動熱能和一部分風(fēng)阻做功，因而其熱量折算公式則可修正為如下公式表示：

式中：v0列車初速度，m/s；vt為制動過程中某一時刻速度，m/s；t為總制動時間，s；WF(t)為列車制動過程中風(fēng)阻做功；M為列車質(zhì)量，t。

根據(jù)熱流密度的定義，同時考慮存在輪軌摩擦、閘片吸收熱能等因素，可得帶風(fēng)阻系數(shù)的熱流密度q(t)公式如下：

式中：S為單個摩擦面的摩擦面積，m2；η為能量轉(zhuǎn)化系數(shù)；α為列車減速度，m/s2；aF為風(fēng)阻產(chǎn)生的減速度，m/s2；n為參與制動的摩擦面數(shù)。

(2)換熱系數(shù)

為保證仿真結(jié)果的有效性，采用考慮車輪旋轉(zhuǎn)和列車平動的對流系數(shù)換算關(guān)系，具體如下[2]：

Hf=A×[(wr+V)r/v]0.925×λf/r

式中：Hf為換熱系數(shù)，w/(m2)；λf為空氣的導(dǎo)熱系數(shù)，w/(m·k)；r為制動半徑，m；w為制動盤旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；V為空氣的平動速度，m/s；v為空氣黏度，m2/s；A為怒賽特數(shù)的比例系數(shù)。

(3)仿真工況

為驗證風(fēng)阻對動車組在不同速度等級，不同運用工況條件下制動時制動盤熱容量的影響關(guān)系，對表1所示工況進(jìn)行熱容量對比仿真?？紤]到制動盤結(jié)構(gòu)和受力對稱，為提高計算效率，采用1/12模型，同時施加對稱邊界條件，并在扇形區(qū)采用耦合結(jié)點進(jìn)行計算，實現(xiàn)與整個盤體模型等效。

表1 制動仿真工況

(4)仿真結(jié)果

根據(jù)表1所示工況，選取同一型號制動盤為對象分別進(jìn)行是否考慮風(fēng)阻2種條件下，制動盤熱容量仿真分析,分析數(shù)據(jù)如表2所示。圖2(a)、(b)、(c)所示為各制動工況條件下制動盤溫升曲線。從仿真曲線可以看出，在初始速度為250 km/h制動時，是否考慮風(fēng)阻對制動盤溫升影響很小，僅7 ℃，在初始速度為350 km/h制動時，兩者仿真結(jié)果相差了46 ℃，不考慮風(fēng)阻時溫升已經(jīng)接近允許極限，特別是坡道制動工況，不考慮風(fēng)阻時溫升高了近15%，影響較大。

表2 仿真分析結(jié)果

圖2 制動盤溫升曲線

3 試驗驗證

采用1∶1制動動力試驗臺按是否考慮風(fēng)阻條件進(jìn)行制動盤初始速度為350 km/h的緊急制動模擬試驗，如圖3所示。試驗后分別檢測制動盤盤面最高溫度為679 ℃和628 ℃，兩種工況相差51 ℃，由于不考慮風(fēng)阻影響，溫升相比升高了近8%，制動距離長了近300 m。結(jié)果表明，在高速制動試驗時，風(fēng)阻對制動盤熱容量的影響較大，還間接影響著摩擦磨損性能，不能忽略其對車輛制動的影響。

圖3 制動盤試驗照片

4 結(jié)論

通過開展動車組風(fēng)阻對制動盤熱容量影響仿真和試驗研究可以發(fā)現(xiàn)：

(1)動車組風(fēng)阻系數(shù)對制動盤熱容量影響隨著其運用速度的提高而增大，在250 km/h及以下等級緊急制動工況可以忽略，而350 km/h及以上等級緊急制動工況則不可以忽略；其對坡道持續(xù)制動等工況影響極大，不可以忽略；

(2)在高速制動和坡道制動過程制動盤熱容量很有可能因不考慮風(fēng)阻系數(shù)而導(dǎo)致設(shè)計失敗和成本的增加；

(3)風(fēng)阻系數(shù)不僅影響溫升、熱應(yīng)力等制動盤熱容量指標(biāo)，同時影響制動摩擦副摩擦磨損性能的設(shè)計，在高速制動過程需要特別關(guān)注。