楊胤

鄭州局集團(tuán)公司鄭州動(dòng)車(chē)段，中國(guó)·河南 鄭州 450000

制動(dòng)原理；純空氣制動(dòng)；煙火報(bào)警

1 引言

2018年5月31日，G2046次（廈門(mén)北—鄭州東，CRH380B-5887動(dòng)車(chē)組01車(chē)主控）運(yùn)行途中588701車(chē)報(bào)“CCU（TD）接觸網(wǎng)欠壓（故障代碼：63E2）”故障，原因?yàn)楣收习l(fā)生區(qū)段接觸網(wǎng)壓異常波動(dòng)導(dǎo)致。動(dòng)車(chē)組施加最大常用制動(dòng)時(shí)，由于動(dòng)車(chē)組主斷斷開(kāi)，此時(shí)動(dòng)車(chē)組無(wú)電制動(dòng)，制動(dòng)力全部由空氣制動(dòng)提供。動(dòng)車(chē)組制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤(pán)間劇烈摩擦，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)出現(xiàn)過(guò)熱情況，產(chǎn)生煙霧，由于動(dòng)車(chē)組行駛過(guò)程中空調(diào)處于通風(fēng)工作狀態(tài)，煙霧隨空氣通過(guò)08 車(chē)新風(fēng)口風(fēng)道進(jìn)入客室內(nèi)，客室內(nèi)煙感探頭檢測(cè)到煙霧濃度超標(biāo)，導(dǎo)致08 車(chē)報(bào)火警。

2 動(dòng)車(chē)組純空氣制動(dòng)

CRH380B 型動(dòng)車(chē)組采用微機(jī)控制直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，每4 車(chē)廂為一個(gè)制動(dòng)控制單元，這4 節(jié)車(chē)廂中2 節(jié)車(chē)廂是動(dòng)車(chē)，2 節(jié)車(chē)廂是拖動(dòng)。制動(dòng)包括空電復(fù)合制動(dòng)與純空氣制動(dòng)兩種控制模式，由制動(dòng)控制單元（BCU）根據(jù)實(shí)際情況來(lái)響應(yīng)。

2.1 制動(dòng)原理

空電復(fù)合制動(dòng)。這種模式的制動(dòng)是通過(guò)再生制動(dòng)和空氣制動(dòng)的復(fù)合來(lái)實(shí)現(xiàn)，由于這種制動(dòng)模式有電制動(dòng)的施加，減少了摩擦制動(dòng)的利用率，能實(shí)現(xiàn)能量回收。對(duì)空電復(fù)合方式而言，在高速段進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，電制動(dòng)力和空氣制動(dòng)力同時(shí)施加。

純空氣制動(dòng)。在動(dòng)車(chē)組無(wú)法采用電制動(dòng)時(shí)，動(dòng)車(chē)組采用純空氣制動(dòng)模式，此時(shí)只有純空氣制動(dòng)力施加。

一般情況動(dòng)車(chē)組制動(dòng)采用空電復(fù)合制動(dòng)，電制動(dòng)優(yōu)先，當(dāng)電制動(dòng)無(wú)法滿足制動(dòng)需求時(shí)空氣制動(dòng)補(bǔ)充。但是當(dāng)動(dòng)車(chē)組電制動(dòng)失效時(shí)，制動(dòng)力完全由空氣制動(dòng)施加。

2.2 CH380B 型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)距離分析

2.2.1 制動(dòng)距離理論計(jì)算公式

在動(dòng)車(chē)組制動(dòng)距離的計(jì)算過(guò)程中，減速度是高速列車(chē)制動(dòng)距離的一個(gè)重要參數(shù)。根據(jù)動(dòng)力學(xué)原理，有效制動(dòng)距離Se和減速度a 的關(guān)系式可表示為：

式中：v0、vm 為所取速度間隔的初速和末速；a 為所取速度間隔的平均減速度。

2.2.2 CH380B 型動(dòng)車(chē)組純空氣制動(dòng)實(shí)驗(yàn)

動(dòng)車(chē)組在試運(yùn)行時(shí)，進(jìn)行純空氣制動(dòng)試驗(yàn)，列車(chē)從某一速度施加純空氣制動(dòng)，直至列車(chē)停下，得到列車(chē)的制動(dòng)距離，如表1所示。

表1 CH380B 型動(dòng)車(chē)組試運(yùn)行純空氣最大常用制動(dòng)試驗(yàn)記錄

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，CH380B 型動(dòng)車(chē)組試運(yùn)行純空氣制動(dòng)時(shí)，緊急制動(dòng)與最大常用制動(dòng)相比，緊急制動(dòng)制動(dòng)時(shí)間短，制動(dòng)距離短，制動(dòng)力大。緊急制動(dòng)與最大常用制動(dòng)制動(dòng)距離都符合制動(dòng)距離要求。

2.2.3 CH380B-5887 動(dòng)車(chē)組制動(dòng)距離分析

根據(jù)制動(dòng)距離計(jì)算公式可計(jì)算出試驗(yàn)時(shí)最大常用（300Km/h）制動(dòng)減速度a，如表2所示。

表2 純空氣最大常用（300Km/h）制動(dòng)減速度a

查看CRH380B-5887 數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)：17 時(shí)07 分48 秒，動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度為275 Km/h，司機(jī)施加最大常用制動(dòng)，17 時(shí)09分31 秒，動(dòng)車(chē)組速度為0Km/h。從動(dòng)車(chē)組施加最大常用制動(dòng)到停穩(wěn)，共計(jì)運(yùn)行時(shí)間103 秒，運(yùn)行距離4328 米。

根據(jù)計(jì)算出試驗(yàn)時(shí)最大常用（300Km/h）制動(dòng)減速度a，可算出當(dāng)速度為275 Km/h 時(shí)，施加最大常用制動(dòng)的理論制動(dòng)距離，如表3所示。

表3 速度275Km/h 時(shí)純空氣最大常用制動(dòng)理論制動(dòng)距離

CH380B-5887 動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度為275 Km/h，施加最大常用制動(dòng)的實(shí)際制動(dòng)距離4328m，與理論最大值4406m、理論最小值4097m、標(biāo)準(zhǔn)最大制動(dòng)距離5882m 相比，CH380B-5887 動(dòng)車(chē)組制動(dòng)距離符合要求[1]。

2.3 CH380B 型動(dòng)車(chē)組制動(dòng)力分析

CH380B 動(dòng)車(chē)組試運(yùn)行施加純空氣最大常用制動(dòng)，CH380B-5887 動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)施加純空氣最大常用制動(dòng)停車(chē)，制動(dòng)力隨速度變化而變化，詳細(xì)信息如表4所示。

表4 動(dòng)車(chē)組純空氣最大常用制動(dòng)力與速度關(guān)系

動(dòng)車(chē)組純空氣最大常用制動(dòng)力隨速度減小而增大，動(dòng)車(chē)組5887、試運(yùn)行動(dòng)車(chē)組的變化趨勢(shì)相同。但5887 動(dòng)車(chē)組純空氣最大常用制動(dòng)力比試運(yùn)行動(dòng)車(chē)組純空氣最大常用制動(dòng)力大。原因?yàn)?887 動(dòng)車(chē)組為載客運(yùn)營(yíng)動(dòng)車(chē)組，試運(yùn)行動(dòng)車(chē)組為空載，5887 動(dòng)車(chē)組質(zhì)量大，相同的制動(dòng)減速度，質(zhì)量大的動(dòng)車(chē)組所需要的制動(dòng)力大。

2.4 CH380B 型動(dòng)車(chē)組純空氣制動(dòng)分析

從CH380B 型動(dòng)車(chē)組試運(yùn)行純空氣制動(dòng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，CH380B 型動(dòng)車(chē)組試運(yùn)行純空氣制動(dòng)時(shí)，緊急制動(dòng)與最大常用制動(dòng)相比，緊急制動(dòng)制動(dòng)時(shí)間短，制動(dòng)距離短，制動(dòng)力大。

CH380B 型動(dòng)車(chē)組施加純空氣最大常用制動(dòng)，動(dòng)車(chē)組質(zhì)量越大施加的制動(dòng)力越大。

CH380B-5887 動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度為275 Km/h，施加純空氣最大常用制動(dòng)，制動(dòng)距離符合要求，制動(dòng)力變化趨勢(shì)正常，制動(dòng)系統(tǒng)正常[2]。

3 動(dòng)車(chē)組純空氣制動(dòng)時(shí)發(fā)生煙火報(bào)警

動(dòng)車(chē)組制動(dòng)閘片與制動(dòng)盤(pán)間劇烈摩擦，會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)出現(xiàn)過(guò)熱情況，產(chǎn)生煙霧。由于動(dòng)車(chē)組行駛過(guò)程中空調(diào)處于通風(fēng)工作狀態(tài)，煙霧隨空氣通過(guò)08 車(chē)新風(fēng)口風(fēng)道進(jìn)入客室內(nèi)，客室內(nèi)煙感探頭檢測(cè)到煙霧濃度超標(biāo)，導(dǎo)致08 車(chē)報(bào)火警。

3.1 純空氣制動(dòng)產(chǎn)生大量熱量

對(duì)380Km/h 純空氣制動(dòng)制動(dòng)盤(pán)進(jìn)行溫度場(chǎng)的仿真分析，從制動(dòng)過(guò)程中盤(pán)面和筋部節(jié)點(diǎn)溫度隨時(shí)間變化曲線（圖1）來(lái)看，盤(pán)面的最高溫度出現(xiàn)在制動(dòng)后96s 左右。此時(shí)，盤(pán)面溫度達(dá)到最大，約795℃；停車(chē)時(shí)刻，盤(pán)面最高溫度降為748℃，而筋部溫度繼續(xù)上升約為485℃。溫度較高的區(qū)域在制動(dòng)盤(pán)上螺栓孔附近的摩擦區(qū)域，原因在于在制度盤(pán)表面平整的情況下，螺栓孔周?chē)鸀槟Σ林行膮^(qū)域，溫度較高，而輪盤(pán)內(nèi)外圓周附近散熱面積較大，熱量從摩擦區(qū)域傳遞有時(shí)間差，圖2為制動(dòng)盤(pán)摩擦面溫度分布，顏色越紅代表溫度越高。

圖2 制動(dòng)盤(pán)摩擦面溫度分布

動(dòng)車(chē)組高速運(yùn)行時(shí)動(dòng)能很大，制動(dòng)盤(pán)與閘片在純空氣制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱也急劇增加，導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)出現(xiàn)過(guò)熱情況，從而產(chǎn)生煙霧。

3.2 動(dòng)車(chē)組空氣外流場(chǎng)分布

動(dòng)車(chē)組輪對(duì)在轉(zhuǎn)動(dòng)條件下，氣流主要從輪頂分離并形成規(guī)則渦流向后發(fā)展和脫落，同時(shí)車(chē)輪帶動(dòng)車(chē)輪后部氣流上揚(yáng)，使后部流速較快。空氣帶著制動(dòng)盤(pán)產(chǎn)生的煙霧向后快速流動(dòng)，如圖3所示。

圖3 動(dòng)車(chē)組輪對(duì)在轉(zhuǎn)條件下氣流分布

動(dòng)車(chē)組空氣部分流場(chǎng)，除了車(chē)頭部位的正壓、司機(jī)室上方弧頂?shù)呢?fù)壓和一些干擾部件處的正壓之外，中間部位壓力分布均勻。氣流在流經(jīng)鼻錐后被導(dǎo)向車(chē)頂和車(chē)底的兩個(gè)方向，氣流在接近動(dòng)車(chē)組鼻錐時(shí)逐漸減速，在鼻錐前端滯止為零，在動(dòng)車(chē)組頭車(chē)鼻錐位置形成駐點(diǎn)和高壓區(qū)，在尾車(chē)行成低壓區(qū)。

圖4 動(dòng)車(chē)組對(duì)稱(chēng)面上空氣壓力云圖

圖4上圖為動(dòng)車(chē)組對(duì)稱(chēng)面上整體空氣壓力分布，中圖為頭車(chē)空氣壓力分布，下圖為尾車(chē)空氣壓力分布，顏色越紅代表壓力越大，越藍(lán)代表壓力越小。

氣流在靠近鼻錐前急劇減速，在鼻錐處滯止為零，然后向上下分流，向上的氣流在變截面曲率最大處速度達(dá)到最大值，接著減速后慢慢趨于均勻分布。轉(zhuǎn)向架周?chē)臀曹?chē)鼻錐處出現(xiàn)了繞流，流動(dòng)比較混亂，造成壓差阻力的增大[3]。

圖5 動(dòng)車(chē)組對(duì)稱(chēng)面上空氣速度矢量圖

圖5上圖為動(dòng)車(chē)組對(duì)稱(chēng)面上空氣速度分布，中圖為頭車(chē)空氣速度分布，下圖為尾車(chē)空氣速度分布，顏色越紅代表空氣流速越快，越藍(lán)代表空氣流速越慢。

3.3 動(dòng)車(chē)組純空氣制動(dòng)時(shí)煙火報(bào)警分析

動(dòng)車(chē)組純空氣制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)盤(pán)與閘片在純空氣制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱也急劇增加，導(dǎo)致制動(dòng)盤(pán)出現(xiàn)過(guò)熱情況，從而產(chǎn)生煙霧。因運(yùn)用中輪緣潤(rùn)滑的使用，使制動(dòng)盤(pán)上有殘留部分潤(rùn)滑油，潤(rùn)滑油加劇了煙霧的產(chǎn)生，如果動(dòng)車(chē)組運(yùn)行中制動(dòng)盤(pán)散熱筋處夾雜樹(shù)葉等雜物，制動(dòng)盤(pán)高溫使雜物燃燒或焦化，也會(huì)加劇煙霧的產(chǎn)生。

因?yàn)樵趧?dòng)車(chē)組尾部產(chǎn)生低壓區(qū)，空氣流速變慢，尾部擾流的影響，使制動(dòng)產(chǎn)生的煙霧容易在尾車(chē)聚集。由于動(dòng)車(chē)組行駛過(guò)程中空調(diào)處于通風(fēng)工作狀態(tài)，煙霧隨空氣通過(guò)尾車(chē)新風(fēng)口風(fēng)道進(jìn)入客室內(nèi)，當(dāng)客室內(nèi)煙感探頭檢測(cè)到煙霧濃度達(dá)到100 時(shí)，觸發(fā)客室煙火報(bào)警。CRH380B-5887 動(dòng)車(chē)組08 車(chē)客室內(nèi)煙感探測(cè)器檢測(cè)煙霧值達(dá)到137，從而觸發(fā)客室煙火報(bào)警。

4 預(yù)防措施

①一二檢修時(shí)，及時(shí)清理制動(dòng)盤(pán)散熱筋處夾雜樹(shù)葉等雜物以及制動(dòng)盤(pán)上的油污。

②當(dāng)動(dòng)車(chē)組電制動(dòng)失效時(shí)，隨車(chē)機(jī)械師提醒司機(jī)盡量避免大級(jí)位制動(dòng)，減小制動(dòng)力，進(jìn)而減小制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的摩擦熱。

③隨車(chē)機(jī)械師在發(fā)現(xiàn)煙感探頭報(bào)警信息后，要立即趕赴現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，加強(qiáng)信息反饋，做到迅速反應(yīng)。