金文偉 王常川 馮 昆 楊 川

(1.中車戚墅堰機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)能設計中的重要原則。目前，高鐵車輛設計中常用的節(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量[1]，一個是降低動車組運行阻力，其中主要是風阻。而降低風阻則主要是對動車組車體流線進行優(yōu)化，其效果相當明顯，對其牽引功率和能耗具有相當大的影響。然而，風阻對動車組制動系統的補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，避免因人為提升設計條件要求而導致產品安全余量過大，從而形成設計浪費。

1 風阻系數

動車組的風阻計算公式一般來源于風洞試驗數據擬合，不同動車組車體對風阻影響較大，如新研發(fā)的“復興號”標準動車組風阻相比于和諧號動車組低了11%，從而使其功耗降低了約17%。風阻系數影響參數主要包括車型系數(車體形狀)，運行速度，環(huán)境氣流速度等，一般來說，主要根據不同車型簡化風阻系數表達為運行速度的函數，不同動車組的風阻系數曲線如圖1所示，風阻系數越大，則產生的風阻就越大，車輛運營的能耗就越大。

圖1 列車風阻系數

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化為制動熱能的嚴苛情況，但風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化成風阻做功，起到協助列車停車的目的，因此，可以假設列車動能大部分轉為制動熱能和一部分風阻做功，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阻做功；M為列車質量，t。

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

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

(2)換熱系數

為保證仿真結果的有效性，采用考慮車輪旋轉和列車平動的對流系數換算關系，具體如下[2]：

Hf=A×[(wr+V)r/v]0.925×λf/r

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

(3)仿真工況

為驗證風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系，對表1所示工況進行熱容量對比仿真?？紤]到制動盤結構和受力對稱，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)采用耦合結點進行計算，實現與整個盤體模型等效。

表1 制動仿真工況

(4)仿真結果

根據表1所示工況，選取同一型號制動盤為對象分別進行是否考慮風阻2種條件下，制動盤熱容量仿真分析,分析數據如表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，兩者仿真結果相差了46 ℃，不考慮風阻時溫升已經接近允許極限，特別是坡道制動工況，不考慮風阻時溫升高了近15%，影響較大。

表2 仿真分析結果

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阻條件進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 ℃，由于不考慮風阻影響，溫升相比升高了近8%，制動距離長了近300 m。結果表明，在高速制動試驗時，風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 結論

通過開展動車組風阻對制動盤熱容量影響仿真和試驗研究可以發(fā)現：

(1)動車組風阻系數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阻系數而導致設計失敗和成本的增加；

(3)風阻系數不僅影響溫升、熱應力等制動盤熱容量指標，同時影響制動摩擦副摩擦磨損性能的設計，在高速制動過程需要特別關注。