梁德龍
(中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司 電氣開(kāi)發(fā)部, 山東青島 266111)
動(dòng)車組運(yùn)營(yíng)過(guò)程中,特別是惡劣環(huán)境條件及復(fù)雜工況下,制動(dòng)的安全性、可靠性要求越來(lái)越高。目前動(dòng)車組主要是采用黏著制動(dòng)方式,列車能否實(shí)現(xiàn)有效的制動(dòng),輪軌黏著條件起關(guān)鍵作用。因此,在惡劣環(huán)境下,改善輪軌黏著條件,是提升動(dòng)車組制動(dòng)安全性的一種有效方式。研究表明[1-2],撒沙可提高輪軌間的表面粗糙度,破壞輪軌之間的水膜或油膜,從而有效改善黏著。根據(jù)地面試驗(yàn)結(jié)果,水介質(zhì)工況下,撒沙可增加輪軌黏著系數(shù)50%~65%[3];干軌工況,撒沙對(duì)黏著系數(shù)的影響較小。
針對(duì)前期動(dòng)車組在惡劣黏著工況下發(fā)生了制動(dòng)距離不同程度延長(zhǎng)的問(wèn)題,選取配置不同增黏裝置的動(dòng)車組進(jìn)行80 km/h制動(dòng)初速度、干軌及濕軌工況下的低速制動(dòng)距離對(duì)比測(cè)試。其中動(dòng)車組1配置研磨子增黏裝置,濕軌工況增黏后的制動(dòng)距離相對(duì)干軌制動(dòng)距離延長(zhǎng)25%;動(dòng)車組2配置撒沙增黏裝置,濕軌工況自動(dòng)撒沙增黏后的制動(dòng)距離相對(duì)干軌制動(dòng)距離延長(zhǎng)17%,手動(dòng)撒沙增黏后的制動(dòng)距離相對(duì)干軌制動(dòng)距離延長(zhǎng)3%。通過(guò)低速對(duì)比測(cè)試,可以看出撒沙增黏效果最為明顯。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證撒沙對(duì)黏著條件改善的效果,考慮實(shí)際線路與地面試驗(yàn)存在速度等級(jí)、車下走行風(fēng)、振動(dòng)等方面的差異,基于已加裝撒沙裝置的CRH380A型動(dòng)車組,按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及方法[4-7]開(kāi)展了200 km/h、250 km/h、300 km/h等速度等級(jí)的干軌、噴灑減摩液工況的線路撒沙專項(xiàng)試驗(yàn)。各工況分別進(jìn)行切除撒沙、自動(dòng)撒沙、手動(dòng)撒沙的組合試驗(yàn),驗(yàn)證各工況下撒沙對(duì)制動(dòng)距離、瞬時(shí)減速度等參數(shù)的改善效果。
主要通過(guò)制動(dòng)距離、瞬時(shí)減速度、平均減速度等參數(shù)對(duì)撒沙改善黏著的效果進(jìn)行評(píng)估,因此在這種復(fù)雜工況下,準(zhǔn)確地獲取上述參數(shù)尤為重要。文中采用車輛軸速度、非接觸式GPS和陀螺儀相結(jié)合的方法對(duì)上述參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量。
制動(dòng)試驗(yàn)區(qū)間均存在一定的坡度(最大坡度為3‰),考慮線路坡度和實(shí)際制動(dòng)初速的偏差影響,對(duì)制動(dòng)距離的修正公式為式(1):
(1)
式中L1為修正后的制動(dòng)距離,m;L為實(shí)測(cè)走行距離,m;v0為目標(biāo)制動(dòng)初速度,km/h;v為實(shí)測(cè)制動(dòng)初速度,km/h;i為線路坡度,‰;R0為慣量系數(shù)。式(1)中,R0一般取0.08,在i前的“+”表示下坡,“-”表示上坡。
根據(jù)制動(dòng)初速、走行距離計(jì)算平均減速度的公式為式(2):
(2)
式中a為平均減速度,m/s2;v為制動(dòng)初速度,m/s;S為走行距離,m。
試驗(yàn)用列車裝有2套灑水裝置、2套視頻監(jiān)控設(shè)備、2套cRIO采集設(shè)備及1套VBOX采集設(shè)備,對(duì)撒沙試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。
頭尾車安裝的灑水裝置,分別用于不同主控車方向,輪軌低黏著工況的模擬。撒沙狀態(tài)的監(jiān)控,通過(guò)帶有夜視功能的攝像頭與視屏記錄設(shè)備,將實(shí)時(shí)畫(huà)面?zhèn)鬏斨溜@示器并存儲(chǔ)于本地硬盤(pán)。cRIO采集設(shè)備采集1車、2車、7車及8車的制動(dòng)信息及滑行數(shù)據(jù)。VBOX采集設(shè)備采集整車的制動(dòng)距離、瞬時(shí)減速度等信號(hào)?;谝陨媳O(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),綜合評(píng)估撒沙功能對(duì)輪軌黏著關(guān)系的改善效果。試驗(yàn)設(shè)備如圖1所示。
圖1 測(cè)試方案示意圖
CRH380A型動(dòng)車組配置有自動(dòng)撒沙與手動(dòng)撒沙功能,撒沙系統(tǒng)由制動(dòng)控制器(BCU)、撒沙控制閥、干燥系統(tǒng)、沙箱及撒沙口等部分組成。分別在T1車3軸、M1車2軸和3軸、M6車2軸和3軸、T2車2軸設(shè)置有撒沙裝置,撒沙裝置配置情況如圖下2所示。
圖2 撒沙裝置位置及方向控制示意圖
圖2中,撒沙控制系統(tǒng)根據(jù)車輛的運(yùn)行方向,控制對(duì)應(yīng)的撒沙裝置。前向(T1車主控)控制T1車3軸、M1車3軸和M6車3軸撒沙裝置,后向(T2車主控)控制M1車2軸、M6車2軸和T2車2軸撒沙裝置。撒沙控制包括手動(dòng)撒沙和自動(dòng)撒沙,司機(jī)控制臺(tái)設(shè)有手動(dòng)撒沙按鈕,BCU檢測(cè)到手動(dòng)撒沙信號(hào)后,根據(jù)列車的前進(jìn)方向控制相應(yīng)的撒沙裝置執(zhí)行撒沙動(dòng)作;BCU檢測(cè)出車輛發(fā)生嚴(yán)重滑行后,輸出自動(dòng)撒沙請(qǐng)求信號(hào),網(wǎng)絡(luò)綜合各車的自動(dòng)撒沙請(qǐng)求信號(hào)后向BCU發(fā)送自動(dòng)撒沙控制信號(hào),BCU根據(jù)列車的前進(jìn)方向控制相應(yīng)的撒沙裝置執(zhí)行撒沙動(dòng)作。
高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)的減速度需要基于黏著系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),同時(shí)綜合考慮高速、中速及低速運(yùn)行階段的制動(dòng)性能,最終實(shí)現(xiàn)滿足各個(gè)速度等級(jí)的制動(dòng)距離要求。CRH380A型動(dòng)車組設(shè)計(jì)減速度綜合參考了TSI及日本新干線的黏著系數(shù),在高速區(qū)段的減速度設(shè)定相對(duì)較低,而低速區(qū)段的減速度設(shè)定相對(duì)較高。減速度曲線設(shè)定如圖3所示。
通過(guò)圖3可以看出,與TSI干軌黏著系數(shù)相比,緊急制動(dòng)EB的減速度設(shè)定值在20 km/h至70 km/h區(qū)段剩余可用黏著余量最小,隨著速度的增加,余量增大;與新干線干軌黏著系數(shù)相比,緊急制動(dòng)EB的減速度設(shè)定值在100 km/h至200 km/h區(qū)段剩余可用黏著余量最小,隨著速度的增加或減少,余量均增大。通過(guò)與TSI及日本新干線的黏著系數(shù)進(jìn)行對(duì)比,可以看出在相同的軌面黏著條件下,中低速制動(dòng)工況動(dòng)車組更容易發(fā)生滑行。
根據(jù)車下撒沙裝置處所安裝監(jiān)控裝置的視頻記錄,160 km/h以下低速工況,設(shè)定撒沙壓力小,撒沙量較少,視頻截圖如圖4所示,撒沙裝置能夠有效的將沙礫噴灑至輪對(duì)與軌道中間,撒沙狀態(tài)良好。160 km/h以上高速工況,設(shè)定撒沙壓力大,撒沙量較多,視頻截圖如圖5所示,由于車下走行風(fēng)風(fēng)速較大及撒沙壓力的增加,有部分沙礫被吹至輪軌外側(cè),但大部分沙礫有效保留于輪對(duì)與軌道中間,撒沙裝置仍然能夠保持良好的撒沙效果。
圖3 CRH380A動(dòng)車組減速度設(shè)計(jì)
圖4 低速工況撒沙狀態(tài)
圖5 高速工況撒沙狀態(tài)
分別選取200 km/h、250 km/h及300 km/h制動(dòng)初速度,緊急制動(dòng)EB工況,干軌、切除撒沙功能噴灑減摩液、設(shè)置自動(dòng)撒沙功能噴灑減摩液及設(shè)置手動(dòng)撒沙功能噴灑減摩液條件下,撒沙對(duì)制動(dòng)距離影響的效果分析,詳細(xì)測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。
表1 不同制動(dòng)初速下撒沙對(duì)制動(dòng)距離影響
根據(jù)上表數(shù)據(jù),可以看出:撒沙能夠有效地改善輪軌黏著條件,明顯縮短制動(dòng)距離,撒沙對(duì)低速制動(dòng)工況下的輪軌黏著改善更為明顯,在同種制動(dòng)工況下手動(dòng)撒沙改善效果更加明顯。
車輛的瞬時(shí)減速度能夠直接反映車輛的實(shí)際制動(dòng)力,通過(guò)撒沙前后一段時(shí)間內(nèi)車輛瞬時(shí)減速度的變化數(shù)據(jù),分析輪軌間的黏著狀態(tài)變化情況。圖6為200 km/h制動(dòng)初速度、緊急制動(dòng)EB級(jí)位、噴灑減摩液、自動(dòng)撒沙工況下的典型減速度響應(yīng)曲線。
圖6 撒沙對(duì)瞬時(shí)減速度影響
圖6中,在制動(dòng)開(kāi)始時(shí)刻A,車輛未發(fā)生滑行,瞬時(shí)減速度迅速上升并達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在B速度區(qū)段,隨著速度的降低、設(shè)計(jì)減速度的增加,制動(dòng)力大于黏著力,車輛發(fā)生滑行,瞬時(shí)減速度減小并低于設(shè)計(jì)值,同時(shí)車輛伴有一定的抖動(dòng)。C時(shí)刻(圖中速度降低至83.3 km/h),隨著滑行的加劇,車輛實(shí)時(shí)減速度急劇下降,發(fā)生嚴(yán)重滑行,此時(shí)BCU控制輸出撒沙信號(hào),開(kāi)始撒沙,經(jīng)撒沙增黏,輪軌間黏著關(guān)系得到一定的改善,車輛滑行減輕,瞬時(shí)減速度開(kāi)始增加。D時(shí)刻,輪軌黏著關(guān)系進(jìn)一步改善,嚴(yán)重滑行解除、停止撒沙,同時(shí)殘留在輪對(duì)與軌道中的沙礫,對(duì)輪軌間黏著關(guān)系的改善持續(xù)了一段時(shí)間,實(shí)時(shí)減速度繼續(xù)增加(E區(qū)段)。
綜合以上對(duì)制動(dòng)距離和瞬時(shí)減速度的測(cè)量和分析,得出主要結(jié)論如下:
(1)在輪軌黏著條件較差的工況下,撒沙能夠有效地改善輪軌間的黏著條件,減小制動(dòng)力的損失,縮短車輛制動(dòng)距離,提高車輛的制動(dòng)性能,從而保障運(yùn)輸能力和行車安全。
(2)結(jié)合CRH380A型動(dòng)車組的減速度曲線設(shè)定情況,在高速區(qū)段,動(dòng)車組減速度設(shè)定值較低,要求的黏著系數(shù)略?。辉谥械退賲^(qū)段,動(dòng)車組減速度設(shè)定值較高,要求的黏著系數(shù)更高,動(dòng)車組發(fā)生滑行的概率及滑行深度較高速時(shí)更大;另外,速度較高時(shí)對(duì)走行距離的貢獻(xiàn)更大,總制動(dòng)距離將更長(zhǎng)。因此,在特定的試驗(yàn)條件下,從制動(dòng)距離的角度,撒沙對(duì)低速工況下輪軌黏著的改善效果更為明顯,制動(dòng)距離縮減率更大。
(3)CRH380A型動(dòng)車組手動(dòng)撒沙為制動(dòng)全過(guò)程人工控制進(jìn)行撒沙;自動(dòng)撒沙為BCU檢測(cè)到車輛發(fā)生一定程度的滑行后(列車減速度已經(jīng)發(fā)生一定程度的降低)才進(jìn)行動(dòng)作,此過(guò)程會(huì)導(dǎo)致制動(dòng)距離產(chǎn)生一定的增加,因此手動(dòng)撒沙較自動(dòng)撒沙對(duì)制動(dòng)距離的改善效果更優(yōu)。