康晶輝 ，呂寶佳 ，焦標(biāo)強(qiáng) ，馬永靖 ，趙 鵬 ，馬 忠 ，陳德峰 ，宋躍超

（1 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094；2 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；3 中車長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司，長(zhǎng)春130062）

我國(guó)高速動(dòng)車組普遍采用微機(jī)控制的直通式電空制動(dòng)系統(tǒng)及盤形基礎(chǔ)制動(dòng)裝置。車輛的制動(dòng)過程本質(zhì)上是個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程，盤形制動(dòng)裝置的作用是將列車運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達(dá)到使列車減速或停車的目的。隨著列車運(yùn)行速度的提高，動(dòng)能急劇增加，制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的熱能也大大增加，巨大的制動(dòng)熱負(fù)荷使制動(dòng)盤產(chǎn)生很大的溫度梯度， 并由此產(chǎn)生熱應(yīng)力。從試驗(yàn)驗(yàn)證以及列車實(shí)際運(yùn)用情況來看，目前的鑄鋼盤形制動(dòng)摩擦副能夠滿足速度350 km/h 運(yùn)營(yíng)速度的制動(dòng)能力需求，但是在長(zhǎng)大坡道工況下，如果電制動(dòng)出現(xiàn)故障，動(dòng)車組僅依靠摩擦制動(dòng)恒速下坡，對(duì)摩擦副又會(huì)產(chǎn)生巨大的熱負(fù)荷。

目前，我國(guó)中西部地區(qū)有多條已建成通車和在建的客運(yùn)專線，由于中國(guó)西高東低的地理?xiàng)l件，中西部客運(yùn)專線大多具有坡度大、坡道線路長(zhǎng)的特點(diǎn)，如:已開通的蘭新客專持續(xù)100 km 10‰以上坡道；西成客專在新場(chǎng)街站至鄠邑站有長(zhǎng)度45km 的25‰坡道。動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)優(yōu)先使用電制動(dòng)，當(dāng)車輛電制動(dòng)正常時(shí)，動(dòng)車組長(zhǎng)大坡道上不需要限速可正常運(yùn)行；但是電制動(dòng)異常時(shí)（如2015 年蘭新線網(wǎng)壓不穩(wěn)，動(dòng)車組經(jīng)常只能依靠空氣制動(dòng)下坡，這直接影響了動(dòng)車組制動(dòng)摩擦副的正常運(yùn)用[1]。），為保障動(dòng)車組安全運(yùn)營(yíng)，需要按照不同坡道工況采取限速運(yùn)營(yíng)。因此，能夠按照動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)能力提出準(zhǔn)確的限速值，對(duì)車輛安全及線路運(yùn)營(yíng)具有十分重要的意義。

結(jié)合國(guó)內(nèi)某客運(yùn)鐵路專線長(zhǎng)度45 km 的25‰坡道線路條件，建立國(guó)內(nèi)某型號(hào)動(dòng)車組基礎(chǔ)制動(dòng)熱負(fù)荷計(jì)算模型，利用1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試結(jié)果對(duì)模型仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，研究動(dòng)車組以不同速度下坡對(duì)基礎(chǔ)制動(dòng)熱負(fù)荷的影響。

1 國(guó)內(nèi)某客運(yùn)專線概況

該線路最高運(yùn)營(yíng)速度250 km/h。線路地質(zhì)條件復(fù)雜，坡道大、坡道長(zhǎng)，是典型的山區(qū)高鐵線路。其中，坡度25‰，長(zhǎng)度45 km 的連續(xù)坡道，是該客運(yùn)專線上車輛運(yùn)行最困難的區(qū)段，該區(qū)段線路縱斷面信息如圖1所示。

2 制動(dòng)盤仿真計(jì)算邊界條件

某型號(hào)動(dòng)車組為8 輛編組，采用4 動(dòng)4 拖編組方式，車輛最大軸重17 t。動(dòng)車組緊急制動(dòng)UB 施加時(shí)，空氣制動(dòng)減速度（不含風(fēng)阻）見圖2 所示。各級(jí)常用制動(dòng)施加時(shí)，減速度（不含風(fēng)阻）見圖3 所示。

圖1 國(guó)內(nèi)某客運(yùn)專線長(zhǎng)大坡道縱斷面圖

圖2 緊急制動(dòng)UB 減速度曲線

基礎(chǔ)制動(dòng)采用盤形制動(dòng)裝置，動(dòng)車每軸配置2 套外徑750 mm 輪裝鑄鋼制動(dòng)盤；拖車每軸配置3 套外徑640 mm 軸裝鑄鋼制動(dòng)盤。閘片安裝接口為UIC 541?3 燕尾結(jié)構(gòu)，閘片材料為粉末冶金材料，為保證制動(dòng)過程中閘片與制動(dòng)盤均勻摩擦，閘片摩擦塊采用彈性浮動(dòng)結(jié)構(gòu)，閘片結(jié)構(gòu)圖4 所示。制動(dòng)盤仿真計(jì)算邊界條件見表1。

圖3 常用制動(dòng)減速度曲線

圖4 閘片結(jié)構(gòu)示意圖

表1 制動(dòng)盤仿真計(jì)算邊界條件

高速動(dòng)車組運(yùn)行時(shí)，車輛阻力主要有兩方面來源:其一是車輛自身及與鋼軌的摩擦阻力，其二是空氣阻力，如空氣和列車表面的摩擦阻力，空氣對(duì)列車的正面壓力和列車周圍產(chǎn)生的渦流阻力。動(dòng)車組制動(dòng)時(shí)，車輛阻力會(huì)提供一部分減速度，尤其是高速制動(dòng)時(shí)，車輛阻力提供的減速度會(huì)占很大部分[2]。因此，在研究在長(zhǎng)大坡道線路上車輛恒速下坡制動(dòng)盤熱負(fù)荷情況時(shí)，車輛阻力是不能忽略的。

國(guó)內(nèi)某8 輛編組動(dòng)車組車輛阻力與速度關(guān)系如圖5 所示。隨著速度增加，車輛阻力明顯增加，速度250 km/h 時(shí)車輛阻力達(dá)到50 kN。車輛在25‰坡道恒速下坡所需的總制動(dòng)力為136 kN，其中車輛阻力占到總制動(dòng)力的36.7%，剩余部分制動(dòng)力需要車輛電制動(dòng)或空氣制動(dòng)提供，占比63.3%。

3 基于長(zhǎng)大坡道工況的摩擦副1:1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)工況

根據(jù) 25‰ 坡道，長(zhǎng)度 45 km 線路情況，在 1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)利用外徑750 mm 輪裝鑄鋼制動(dòng)盤摩擦副進(jìn)行不同速度級(jí)長(zhǎng)大坡道恒速運(yùn)行并在坡底施加一次緊急制動(dòng)的1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)。

圖5 某8 輛編組動(dòng)車組所受車輛阻力與速度關(guān)系

3.1 試驗(yàn)條件

（1）最高試驗(yàn)速度250 km/h；

（2）輪徑:920 mm；

（3）輪裝制動(dòng)盤摩擦半徑:305 mm；

（4）制動(dòng)盤樣件：外徑750 mm 鑄鋼輪裝制動(dòng)盤

（5）閘片樣件：UIC 燕尾安裝接口的浮動(dòng)結(jié)構(gòu)粉末冶金閘片

（6）環(huán)境溫度:10℃

3.2 測(cè)溫?zé)犭娕疾贾?/h3>

試驗(yàn)溫度采用熱電偶測(cè)量方法。制動(dòng)盤3 個(gè)熱電偶安裝位置為摩擦面以下1 mm，分別分布在盤面120°的3 個(gè)位置，如圖6 所示?？拷苿?dòng)盤內(nèi)圈、外圈的測(cè)點(diǎn)和摩擦環(huán)中部測(cè)點(diǎn)徑向距離差40 mm。車輪對(duì)面的制動(dòng)盤同樣位置安裝3 個(gè)熱電偶。

閘片摩擦面以下10 mm 安裝4 個(gè)熱電偶，熱電偶安裝位置示意如圖7 所示。

熱電偶測(cè)溫范圍:0～1 250℃。

3.3 1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)考慮車輛阻力的方法

圖6 制動(dòng)盤熱電偶測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖7 閘片熱電偶安裝位置

高速動(dòng)車組制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)室的1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)最高運(yùn)行速度達(dá)到530 km/h，具有制動(dòng)慣量隨速度實(shí)時(shí)變化功能。該試驗(yàn)臺(tái)具備試驗(yàn)過程中考慮車輛阻力影響的功能。

式（1）從總慣量中將車輛阻力部分除去，只保留空氣制動(dòng)部分的慣量，最終得到試驗(yàn)慣量隨速度的變化的關(guān)系，將該對(duì)應(yīng)關(guān)系輸入到試驗(yàn)設(shè)置中，從而考慮了車輛阻力對(duì)制動(dòng)盤1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)的影響。

4 仿真及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

仿真計(jì)算及1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)時(shí)，按照表2 設(shè)定的工況進(jìn)行不同速度下恒功率制動(dòng)，模擬車輛在25‰坡道恒速下坡45 km，達(dá)到持續(xù)制動(dòng)時(shí)間（持續(xù)制動(dòng)時(shí)間根據(jù)列車運(yùn)行速度和坡道長(zhǎng)度計(jì)算得出）后，在坡道底部進(jìn)行一次緊急制動(dòng)停車。坡道帶閘恒速運(yùn)行過程中，考慮了不同速度時(shí)的車輛阻力情況。

坡道恒速帶閘制動(dòng)時(shí)，1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)與整車試驗(yàn)工況不完全相同。1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)采用恒功率制動(dòng)模式，制動(dòng)摩擦副熱量輸入穩(wěn)定；整車試驗(yàn)時(shí)，司機(jī)通過不同級(jí)別制動(dòng)控制車速，制動(dòng)摩擦副熱量輸入會(huì)有階梯變化。兩種制動(dòng)模式，摩擦副熱負(fù)荷會(huì)存在些許差別。

表2 純空氣制動(dòng)工況下，坡道帶閘恒速運(yùn)行及緊急制動(dòng)試驗(yàn)工況

5 仿真及試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

（1）試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見表3，其中制動(dòng)盤溫度為盤上6 個(gè)熱電偶的平均值；閘片溫度為摩擦塊內(nèi)部4 個(gè)熱電偶的平均值。圖 8 為 1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)過程中，以 250 km/h 坡道恒速運(yùn)行時(shí)制動(dòng)盤平均溫度曲線和恒功率控制曲線；表3 是純空氣制動(dòng)工況下，按照不同運(yùn)行速度恒速下坡過程中制動(dòng)盤和閘片最高平均溫度、坡底緊急制動(dòng)過程中制動(dòng)盤和閘片最高平均溫度。

表3 模擬坡道帶閘恒速運(yùn)行至坡底后立即緊急制動(dòng)試驗(yàn)溫度結(jié)果

圖8 250 km/h 速度坡道恒速運(yùn)行時(shí)，制動(dòng)功率和制動(dòng)盤平均溫度曲線

從圖9 可看出，全列切除電制動(dòng)、動(dòng)車組在45 km 長(zhǎng)度的25‰坡道上進(jìn)行恒速運(yùn)行時(shí):

①以 250 km/h、200 km/h、160 km/h 和 120 km/h速度級(jí)帶閘運(yùn)行至坡底，制動(dòng)盤溫度差別不大。其中250 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，車輛阻力最大，車輛恒速下坡時(shí)投入的空氣制動(dòng)相對(duì)較低，制動(dòng)盤溫度在上述幾個(gè)速度級(jí)里最低；

②速度低于120 km/h 時(shí)，制動(dòng)盤開始呈現(xiàn)隨速度減小而盤面溫度下降明顯的趨勢(shì)，以80 km/h 速度級(jí)帶閘運(yùn)行至坡底，制動(dòng)盤溫度低于上述250 km/h、200 km/h、160 km/h 和 120 km/h 速度級(jí)；

③各速度級(jí)的閘片最高溫度均要高于制動(dòng)盤最高溫度。同一次制動(dòng)過程中，速度越低，閘片雙側(cè)壓力越大（因?yàn)樽枇p小，為抵消車輛的下滑力，需要增加閘片壓力），持續(xù)制動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，閘片最高溫度與制動(dòng)盤最高溫度的差別越小。

從圖10 可看出，全列切除電制動(dòng)，動(dòng)車組在25‰坡道上進(jìn)行恒速運(yùn)行45 km 后，在坡底進(jìn)行一次緊急制動(dòng)停車，隨著速度降低，摩擦副最高平均溫度也會(huì)隨之下降，各速度級(jí)閘片最高平均溫度均大于制動(dòng)盤最高平均溫度。

圖9 不同速度恒速運(yùn)行時(shí)摩擦副最高溫度數(shù)值

圖10 不同速度坡底緊急制動(dòng)時(shí)摩擦副最高溫度數(shù)值

（2）仿真計(jì)算結(jié)果與1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

通過1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)，對(duì)長(zhǎng)大坡道下制動(dòng)摩擦副仿真計(jì)算模型進(jìn)行了校核，1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)工況及邊界條件與仿真計(jì)算相同。

仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表4 所示。坡道恒速運(yùn)行階段，仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果盤面溫度高13 ℃～52 ℃；坡底緊急制動(dòng)，仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果盤面溫度高19 ℃～50 ℃，如圖11～圖12 所示。仿真與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相近，驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。

6 結(jié) 論

（1）在國(guó)內(nèi)首次建立了動(dòng)車組在坡道恒速下坡制動(dòng)時(shí)，考慮車輛阻力的1：1 制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。從而?：1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)工況與現(xiàn)車更接近，得到的試驗(yàn)結(jié)果更符合實(shí)際。

表4 模擬坡道帶閘恒速運(yùn)行至坡底后立即緊急制動(dòng)試驗(yàn)溫度結(jié)果

圖11 不同速度恒速運(yùn)行時(shí)摩擦副最高溫度數(shù)值（仿真與試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比）

圖12 不同速度坡底緊急制動(dòng)時(shí)摩擦副最高溫度數(shù)值（仿真與試驗(yàn)測(cè)試對(duì)比）

（2）在國(guó)內(nèi)某客運(yùn)專線長(zhǎng)度45 km 的25‰坡道線路工況下，動(dòng)車組電制動(dòng)故障，以250 km/h、200 km/h、160 km/h 和120 km/h 速度級(jí)帶閘運(yùn)行至坡底，制動(dòng)盤熱負(fù)荷差別不大。其中250 km/h 速度運(yùn)行時(shí)，車輛阻力最大，車輛恒速下坡時(shí)投入的空氣制動(dòng)相對(duì)較低，制動(dòng)盤溫度在上述幾個(gè)速度級(jí)里最低；以各速度運(yùn)行時(shí)，閘片最高溫度均要高于制動(dòng)盤最高溫度，同一次制動(dòng)過程中，速度越低，閘片雙側(cè)壓力越大（因?yàn)樽枇p小，為抵消車輛的下滑力，需要增加閘片壓力），持續(xù)制動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，閘片最高溫度與制動(dòng)盤最高溫度的差別越小。

（3）仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比顯示:坡道恒速運(yùn)行階段，仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果盤面溫度高13℃～52℃；坡底緊急制動(dòng)，仿真結(jié)果比試驗(yàn)結(jié)果盤面溫度高19℃～50℃，仿真與試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果相近，驗(yàn)證了計(jì)算模型的準(zhǔn)確性。后續(xù)動(dòng)車組以不同工況在長(zhǎng)達(dá)坡道運(yùn)行時(shí)，可依據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果提出故障工況限速建議。