章 陽(yáng)， 呂寶佳， 金 哲

(1 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司， 北京 100094)

我國(guó)各型高速動(dòng)車組均采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)過程中優(yōu)先使用電制動(dòng)，電制動(dòng)力不足時(shí)補(bǔ)充空氣制動(dòng)?？諝庵苿?dòng)是由閘片和制動(dòng)盤之間的摩擦作用來實(shí)現(xiàn)，所以制動(dòng)盤承擔(dān)了動(dòng)車組施加空氣制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱負(fù)荷。

目前我國(guó)各型高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)能夠滿足250 km/h和350 km/h運(yùn)營(yíng)速度的制動(dòng)能力需求，但是，由于動(dòng)車組的制動(dòng)動(dòng)能與速度的平方成正比，動(dòng)車組在更高運(yùn)用速度時(shí)，施加空氣制動(dòng)會(huì)產(chǎn)生更大的熱負(fù)荷，在現(xiàn)有的制動(dòng)盤的耐熱裂性能和抗熱衰退性能前提下，需要研究合理的制動(dòng)距離和減速度曲線。

我們根據(jù)速度350 km/h動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)特性和基礎(chǔ)制動(dòng)配置方式(動(dòng)車每軸配置2套鑄鋼輪盤，拖車每軸配置3套鑄鋼軸盤)進(jìn)行了相關(guān)計(jì)算和可行性分析，提出400 km/h動(dòng)車組制動(dòng)距離和減速度曲線的建議方案。同時(shí)，我們建議增加拖車制動(dòng)盤數(shù)量，對(duì)制動(dòng)盤、閘片的新材料和新結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)制動(dòng)裝置能力提升技術(shù)進(jìn)行研究和試驗(yàn)驗(yàn)證；另外，為防止制動(dòng)系統(tǒng)承擔(dān)的制動(dòng)熱負(fù)荷過大和超黏著制動(dòng)等因素影響動(dòng)車組運(yùn)用安全，建議開展渦流制動(dòng)等其他制動(dòng)方式的研究。

1 速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)距離和減速度曲線分析

1.1 速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)距離要求

根據(jù)速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組技術(shù)條件要求，在平直軌道上的緊急制動(dòng)距離如下所示：

制動(dòng)初速度350 km/h時(shí) ≤6 500 m

制動(dòng)初速度300 km/h時(shí) ≤3 800 m

制動(dòng)初速度250 km/h時(shí) ≤3 200 m

制動(dòng)初速度200 km/h時(shí) ≤2 000 m

制動(dòng)初速度160 km/h時(shí) ≤1 400 m

制動(dòng)初速度120 km/h時(shí) ≤800 m

1.2 速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組減速度曲線

速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)基于黏著限制、制動(dòng)距離要求、風(fēng)阻，設(shè)計(jì)控制減速度-速度曲線，常用制動(dòng)(1～7級(jí))、電制特性、緊急制動(dòng)EB、純空氣緊急制動(dòng)UB減速度如圖1所示，并與TSI濕軌曲線進(jìn)行對(duì)比。

1.3 速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)距離計(jì)算

以CR400BF為模型，含轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的車重參數(shù)為：空車AW0為481 t，重車AW2為530 t。

根據(jù)上述參數(shù)計(jì)算不同初速度和不同車重條件下，速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組純空氣緊急制動(dòng)EB、緊急制動(dòng)UB的制動(dòng)距離如表1、表2所示。

1.4 速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)盤熱負(fù)荷計(jì)算

基礎(chǔ)制動(dòng)熱負(fù)荷按照靜態(tài)最大設(shè)計(jì)軸重17 t，并考慮動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算工況為平直道進(jìn)行連續(xù)兩次緊急制動(dòng)。

圖1 速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組減速度曲線

動(dòng)車軸重(動(dòng)態(tài))：17.45 t；

拖車軸重(動(dòng)態(tài))：17.31 t；

制動(dòng)方式：盤形制動(dòng)，動(dòng)車為每軸配置2套輪裝鑄鋼制動(dòng)盤(外徑750 mm)；拖車每軸配置3套軸裝鑄鋼制動(dòng)盤(外徑640 mm)；

閘片材料：粉末冶金材料；

制動(dòng)盤初始溫度：40 ℃；

制動(dòng)盤瞬時(shí)溫度極限：700 ℃；

制動(dòng)盤和閘片長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)營(yíng)溫度極限：550 ℃。

表1 不同初速度下純空氣緊急制動(dòng)EB的制動(dòng)距離(含阻力)

表2 不同初速度下緊急制動(dòng)UB的制動(dòng)距離(含阻力)

圖2 初速度350 km/h連續(xù)兩次UB輪盤溫度曲線

圖3 初速度350 km/h連續(xù)兩次UB軸盤溫度曲線

由計(jì)算結(jié)果可知，制動(dòng)初速度350 km/h，連續(xù)兩次純空氣緊急制動(dòng)UB，輪裝制動(dòng)盤盤面最高溫度686 ℃，見圖2；軸裝制動(dòng)盤盤面最高溫度593 ℃，見圖3；在鑄鋼制動(dòng)盤許用范圍之內(nèi)，滿足運(yùn)營(yíng)要求。

2 速度400 km/h動(dòng)車組制動(dòng)距離和減速度參數(shù)研究

2.1 速度400 km/h動(dòng)車組制動(dòng)距離研究

按照制動(dòng)盤熱負(fù)荷極限值計(jì)算，初速度400 km/h緊急制動(dòng)距離約為9 100 m，目前350 km/h動(dòng)車組制動(dòng)距離要求為6 500 m，實(shí)際值基本在5 700 m，制動(dòng)距離安全余量約12%。由于閘片本身的摩擦系數(shù)存在一定的波動(dòng)性，同一型號(hào)閘片不同批次的摩擦系數(shù)也不可能完全相同，摩擦系數(shù)的波動(dòng)必然帶來制動(dòng)距離的變化，因此，初速度400 km/h制動(dòng)距離應(yīng)考慮足夠的安全余量，按照15%的余量計(jì)算，為10 465 m，故建議定為10 500 m。

為保證速度400 km/h動(dòng)車組在既有線路上能夠正常運(yùn)用，在初速度350 km/h及以下時(shí)候，建議與速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組保持一致：

制動(dòng)初速度400 km/h時(shí) ≤10 500 m

制動(dòng)初速度350 km/h時(shí) ≤6 500 m

制動(dòng)初速度300 km/h時(shí) ≤3 800 m

制動(dòng)初速度250 km/h時(shí) ≤3 200 m

制動(dòng)初速度200 km/h時(shí) ≤2 000 m

制動(dòng)初速度160 km/h時(shí) ≤1 400 m

制動(dòng)初速度120 km/h時(shí) ≤800 m

2.2 速度400 km/h動(dòng)車組制動(dòng)減速度參數(shù)設(shè)計(jì)

2.2.1速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)減速度趨勢(shì)延長(zhǎng)分析

將速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的控制減速度按曲線趨勢(shì)延長(zhǎng)到最高制動(dòng)初速度400 km/h，見圖4。這樣，理論上可以保證制動(dòng)初速度350 km/h、300 km/h、250 km/h、200 km/h時(shí)，制動(dòng)距離仍能滿足速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)技術(shù)條件的要求。而當(dāng)制動(dòng)初速度400 km/h時(shí)，理論計(jì)算得到緊急制動(dòng)EB制動(dòng)距離S=8 201 m，緊急制動(dòng)UB制動(dòng)距離S=8 576 m。

圖4 按趨勢(shì)延長(zhǎng)的減速度曲線

按照前述CR400BF軸重參數(shù)、制動(dòng)初速度為400 km/h時(shí)進(jìn)行仿真計(jì)算：純空氣緊急制動(dòng)UB，輪盤盤面最高溫度為707 ℃，軸盤盤面最高溫度為676 ℃；純空氣緊急制動(dòng)EB，輪盤盤面最高溫度為714 ℃，軸盤盤面最高溫度為680 ℃。這兩種工況下，制動(dòng)盤盤面最高溫度均超過其能承受的溫度極限，若要連續(xù)施加兩次以上的緊急制動(dòng)，則會(huì)對(duì)制動(dòng)盤造成無法逆轉(zhuǎn)的損壞，故需要調(diào)整緊急制動(dòng)減速度控制參數(shù)。

2.2.2緊急制動(dòng)EB減速度調(diào)整方案

(1)方案1動(dòng)拖車采用相同的減速度控制參數(shù)

依據(jù)目前列車采用等黏著的制動(dòng)控制方式，TBM按照整車的減速度控制曲線在全列內(nèi)進(jìn)行制動(dòng)力分配。動(dòng)拖車采用相同的減速度控制參數(shù)，保證制動(dòng)初速度350 km/h及以下的制動(dòng)距離。

為保證制動(dòng)初速度300 km/h的制動(dòng)距離不超過3 800 m，在速度300 km/h以下，仍然采用速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的減速度曲線；在300 km/h至350 km/h區(qū)間，降低減速度，但仍保證初速度350 km/h的制動(dòng)距離不超過6 500 m；在初速度400 km/h時(shí)的制動(dòng)距離，期望在10 500 m以內(nèi)，并且保證整個(gè)制動(dòng)過程的制動(dòng)盤熱負(fù)荷在其可承受范圍之內(nèi)，見圖5。

在此方案下，初速度400 km/h時(shí)的純空氣緊急制動(dòng)EB制動(dòng)距離為10 260 m，但是連續(xù)兩次制動(dòng)之后，輪盤最高溫度分別為673 ℃和724 ℃；軸盤最高溫度分別為601 ℃和661 ℃，見圖6和圖7?？哲嘇W0工況可滿足1次初速度400 km/h緊急EB制動(dòng)。相較于調(diào)整之前的減速度參數(shù)，熱負(fù)荷雖有一定的改善，但輪盤和軸盤承擔(dān)的熱負(fù)荷不均衡，且仍然無法滿足連續(xù)兩次緊急制動(dòng)的要求。

圖5 動(dòng)拖車采用相同的減速度控制參數(shù)

圖6 初速度400 km/h連續(xù)兩次純空氣EB，動(dòng)車輪裝制動(dòng)盤溫度變化曲線

圖7 初速度400 km/h連續(xù)兩次純空氣EB，拖車軸裝制動(dòng)盤溫度變化曲線

(2)方案2動(dòng)拖車采用不同的減速度控制參數(shù)

進(jìn)一步分析，由于拖車制動(dòng)盤比動(dòng)車制動(dòng)盤數(shù)量多，緊急制動(dòng)時(shí)的制動(dòng)力分配方式可以傾向于在拖車不超黏著的前提下，讓拖車承擔(dān)更大的制動(dòng)力，以降低動(dòng)車摩擦副承受較大熱負(fù)荷而出現(xiàn)摩擦性能衰減的程度，而拖車摩擦副的熱負(fù)荷也控制在可承受范圍之內(nèi)。這樣，可以考慮動(dòng)車和拖車采用不同的控制減速度曲線，各車獨(dú)立進(jìn)行制動(dòng)力分配的方案，見圖8。

在此方案下，初速度400 km/h時(shí)的純空氣緊急制動(dòng)EB制動(dòng)距離為9 276 m，見表3。同時(shí)，在平直軌道上進(jìn)行連續(xù)兩次純空氣緊急制動(dòng)EB，動(dòng)車輪裝制動(dòng)盤盤面最高溫度為651 ℃和699 ℃，見圖9；拖車制動(dòng)盤盤面最高溫度為679 ℃和691 ℃，見圖10。摩擦副熱容量能夠滿足該工況要求，但已經(jīng)接近基礎(chǔ)制動(dòng)熱容量許用極限。

圖8 動(dòng)拖車采用不同的減速度控制參數(shù)

圖9 初速度400 km/h連續(xù)兩次純空氣EB，動(dòng)車輪裝制動(dòng)盤溫度變化曲線

表3 EB減速度控制參數(shù)下不同初速度的制動(dòng)距離(含阻力)

圖10 400 km/h連續(xù)兩次純空氣EB，拖車軸裝制動(dòng)盤溫度變化曲線

2.2.3緊急制動(dòng)UB減速度調(diào)整方案

(1)方案1動(dòng)拖車采用不同高低壓切換點(diǎn)的UB控制減速度

為保證制動(dòng)初速度350 km/h以下的制動(dòng)距離仍然符合速度350 km/h中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組的技術(shù)條件要求，而在初速度400 km/h時(shí)的制動(dòng)距離，期望在10 500 m以內(nèi)，并且保證整個(gè)制動(dòng)過程的制動(dòng)盤熱負(fù)荷在其可承受范圍之內(nèi)，高低階壓力切換仍然設(shè)置在300 km/h和250 km/h的速度點(diǎn),不調(diào)整中繼閥變比，見圖11。

圖11 動(dòng)拖車采用不同高低壓切換點(diǎn)的UB減速度

表4 方案1 UB減速度控制參數(shù)下不同初速度的制動(dòng)距離(含阻力)

圖12 初速度400 km/h連續(xù)兩次UB動(dòng)車輪裝制動(dòng)盤溫度變化曲線

圖13 初速度400 km/h連續(xù)兩次UB拖車軸裝制動(dòng)盤溫度變化曲線

在此方案下，初速度400 km/h時(shí)的緊急制動(dòng)UB制動(dòng)距離為9 232 m，見表4。同時(shí)，在平直軌道上進(jìn)行連續(xù)兩次緊急制動(dòng)UB，動(dòng)車輪裝制動(dòng)盤盤面最高溫度分別為648 ℃和677 ℃，見圖12；拖車軸裝制動(dòng)盤盤面最高溫度分別為687 ℃和694 ℃，見圖13。制動(dòng)盤熱容量能力滿足該工況下連續(xù)兩次緊急制動(dòng)的要求。但由于兩次制動(dòng)過程的基礎(chǔ)制動(dòng)溫度都過高，可能導(dǎo)致摩擦系數(shù)衰減并影響制動(dòng)盤使用壽命，因此我們需要尋求更優(yōu)的緊急制動(dòng)UB控制參數(shù)。

(2)方案2動(dòng)拖車采用相同高低壓切換點(diǎn)的UB控制減速度

為進(jìn)一步降低熱負(fù)荷，且保證各速度點(diǎn)均滿足制動(dòng)距離要求，調(diào)整動(dòng)拖車中繼閥變比，令動(dòng)拖車的高低階切換速度點(diǎn)相同，以期望在整個(gè)制動(dòng)過程中動(dòng)車和拖車的制動(dòng)盤熱負(fù)荷基本相當(dāng)，最高溫度在其可承受范圍之內(nèi)，見圖14。

圖14 動(dòng)拖車采用相同高低壓切換點(diǎn)的UB減速度

表5 方案2 UB減速度控制參數(shù)下不同初速度的制動(dòng)距離(含阻力)

圖15 初速度400 km/h連續(xù)兩次UB動(dòng)車輪裝制動(dòng)盤溫度變化曲線

在此方案下，在平直軌道上初速度400 km/h時(shí)的緊急制動(dòng)UB制動(dòng)距離為9 028 m，見表5。同時(shí)，進(jìn)行連續(xù)兩次緊急制動(dòng)UB，動(dòng)車輪裝制動(dòng)盤盤面最高溫度分別為656 ℃和695 ℃，見圖15；拖車軸裝制動(dòng)盤盤面最高溫度分別為654 ℃和662 ℃，見圖16。制動(dòng)盤熱容量能力滿足該工況下連續(xù)兩次緊急制動(dòng)的要求。

圖16 初速度400 km/h連續(xù)兩次UB拖車軸裝制動(dòng)盤溫度變化曲線

2.2.4初速度400 km/h制動(dòng)減速度控制參數(shù)調(diào)整方案小結(jié)

分別將以上兩個(gè)EB和UB減速度控制參數(shù)方案的熱負(fù)荷仿真計(jì)算結(jié)果和制動(dòng)距離計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，見表6～表9。從對(duì)比結(jié)果來看，對(duì)于緊急制動(dòng)EB，按照2個(gè)調(diào)整后的EB減速度方案進(jìn)行仿真計(jì)算，進(jìn)行400 km/h緊急EB制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)距離均能滿足技術(shù)條件要求，制動(dòng)盤盤面最高溫度均低于700 ℃，且第2個(gè)方案能夠充分發(fā)揮輪盤和軸盤的制動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)連續(xù)兩次緊急EB制動(dòng)，為較優(yōu)方案。對(duì)于緊急制動(dòng)UB，按照兩個(gè)調(diào)整后的UB減速度方案進(jìn)行仿真計(jì)算，進(jìn)行初速度400 km/h緊急UB制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)距離均能滿足技術(shù)條件要求，制動(dòng)盤盤面最高溫度均低于700 ℃，且第2個(gè)方案能夠充分發(fā)揮輪盤和軸盤的制動(dòng)能力，實(shí)現(xiàn)連續(xù)兩次緊急UB制動(dòng)，為較優(yōu)方案。

3 建 議

根據(jù)理論計(jì)算，結(jié)合既有基礎(chǔ)制動(dòng)的熱負(fù)荷能力，建議初速度400 km/h的緊急制動(dòng)距離定為10 500 m，制動(dòng)控制減速度可按照EB控制減速度參數(shù)調(diào)整方案2和UB控制減速度參數(shù)調(diào)整方案2設(shè)置。但在連續(xù)兩次初速度400 km/h緊急制動(dòng)工況下，既有基礎(chǔ)制動(dòng)能力已經(jīng)接近極限值，需要增加拖車制動(dòng)盤數(shù)量或開展基礎(chǔ)制動(dòng)能力提升技術(shù)研究和相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。為防止制動(dòng)系統(tǒng)承擔(dān)熱負(fù)荷過大和超黏著制動(dòng)等因素影響動(dòng)車組運(yùn)用安全，建議開展渦流制動(dòng)等其他制動(dòng)方式的研究。

表6 2個(gè)EB減速度調(diào)整方案的熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表7 2個(gè)EB減速度調(diào)整方案的理論制動(dòng)距離

表8 2個(gè)UB減速度調(diào)整方案的熱負(fù)荷計(jì)算結(jié)果對(duì)比

表9 2個(gè)UB減速度調(diào)整方案的理論制動(dòng)距離對(duì)比