金文偉,張 寧,黃 彪,杜利清
(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司,江蘇常州213011)
隨著高鐵線路不斷向內(nèi)陸城市延伸,逐步進入高海拔、多山區(qū)、氣候復雜等運營工況的城市或區(qū)域,對高鐵路線的設(shè)計帶來了極大的挑戰(zhàn)。比如川藏鐵路線[1]沿途地形落差極大,全線地勢落差達3 000 多m,在線路設(shè)計過程中將面臨線路坡道坡度以及坡道長度等協(xié)調(diào)設(shè)計,這種大而長的坡道混合設(shè)計對高速列車運營要求特別是列車制動系統(tǒng)設(shè)計帶來極大的挑戰(zhàn),更為突出的是高速列車坡道持續(xù)制動[2],制動盤溫升能否滿足要求,能否通過協(xié)調(diào)線路坡道參數(shù)解決高速列車長大坡道運用難題,都是亟待解決的關(guān)鍵問題。因此,文中將從坡道參數(shù)對制動盤溫升影響關(guān)系角度提出高鐵線路坡道設(shè)計的建議。
高速動車組在長大坡道上等速持續(xù)運營時的受力情況和坡道參數(shù)設(shè)置如圖1 所示。可以看出,在坡道上勻速持續(xù)運行,其制動做功主要是抵消列車勢能轉(zhuǎn)化而成的動能,從而保證動車組勻速運行,其相關(guān)坡道運行影響參數(shù)主要有風速V,坡度α,坡長L,車速v等,車輛受力主要包括重力G,制動力Fb,迎風阻力R等。
圖1 坡道運行車輛受力示意圖
在常規(guī)制動工況制動盤熱容量仿真分析時,一般會忽略迎風阻力[3]影響,而坡道持續(xù)制動工況特殊,需要考察是否可以忽略迎風阻力對熱容量的影響。
采取250 km/h 坡道持續(xù)制動工況考察迎風阻力對熱容量計算仿真結(jié)果的影響關(guān)系,其他坡道參數(shù)設(shè)置相同,結(jié)果如圖2 所示。從溫升曲線可以看出,無迎風阻力工況制動盤溫升速度明顯高于帶迎風阻力工況,在模擬運營650 s 時,溫差近15%。
仿真結(jié)果表明,忽略迎風阻力會導致制動盤溫升虛高而影響熱容量分析結(jié)果的判斷,為保證計算結(jié)果的準確性,坡道持續(xù)制動工況進行熱容量仿真分析時應建立迎風阻力模型。
迎風阻力大小主要取決于列車頭車形狀,運行速度,環(huán)境氣流速度等,一般來源于風洞試驗數(shù)據(jù)擬合,根據(jù)經(jīng)驗,迎風阻力可以表達成隨車輛運營速度v而變化的函數(shù)R,具體計算模型為式(1),單位為kN。
式中:A、B、C為系數(shù),主要取決于不同動車組頭形,一般由風洞試驗測得。
圖2 制動盤溫升曲線
根據(jù)能量守恒定律,假設(shè)列車動能和勢能全部轉(zhuǎn)化為熱能,則制動過程中閘片與制動盤摩擦產(chǎn)生的熱量為式(2):
式中:M為車輛軸重,kg;g為 重力加速度,m/s2;v(t)為車輛瞬時運行速度。
根據(jù)能量轉(zhuǎn)化定義得到熱流密度公式為式(3):
式中:η為輸入到車輪的熱量分配系數(shù);Sf為閘片在制動盤上掃過的面積,m2;
式中,λw,λb,aw,ab分別代表車輪和閘瓦的導熱系數(shù)和導溫系數(shù);n為每軸所對應的摩擦面?zhèn)€數(shù);Pd(t)為熱生成功率;坡道持續(xù)制動為:Pd(t)=Mgvα。
制動盤在制動時承受了80%以上的摩擦熱,而后散失到空氣中,其熱散失主要是靠與空氣間的對流換熱以及熱輻射方式。
(1)對流換熱模型
在制動過程中盤體對流散熱時,空氣流動的Re 數(shù)[4-5]為式(4):
式中:V為空氣來流速度,m/s;l為盤的特征長度,其值為l=2πr,其中r為所求點的半徑,υ為空氣運動黏滯系數(shù)。
層流和紊流混合狀態(tài)換熱公式為式(5):
式中:Prm為普朗特常數(shù),λm為空氣導熱系數(shù)。(2)熱輻射模型
熱輻射能常用Stefan-Boltzmann 方程來計算,輻射流率[6-7]為式(7):
式中:T為制動盤瞬時溫度,℃;T0為環(huán)境溫度,℃;ε 為 輻 射 率;σ 為Stefan-Boltzmann 常 數(shù),約5.67×10-8W/(m2·℃4);
(3)綜合換熱系數(shù)
制動盤表面換熱系數(shù)由表面與環(huán)境的對流換熱和輻射換熱兩部分組成,根據(jù)表面綜合換熱系數(shù)可以表達對流換熱系數(shù)與輻射換熱系數(shù)之和,即為式(8):
采用運用較為廣泛的軸裝制動盤進行熱容量影響分析,分別針對行車速度、坡度以及坡長的參數(shù)在不同條件下進行熱容量仿真計算,考察參數(shù)變化對制動盤制動熱容量的影響關(guān)系,其仿真工況見表1。
表1 制動仿真參數(shù)設(shè)置
針 對16‰、20‰ 兩 種 坡 道 情 況 下200 km/h、250 km/h、300 km/h 速度條件下持續(xù)制動熱容量分析結(jié)果如圖3、圖4 所示,設(shè)置坡道長度80 km,從圖中可以發(fā)現(xiàn),在坡道參數(shù)相同的情況下制動盤溫升并未隨著運營速度的變化而有很大差異,而是隨著坡道運營時間的增加,各工況下制動盤溫升基本達到能量平衡,且最高溫度基本持平,只是溫度上升的速率略有差異,速度越高,溫升速率越慢。
圖3 16‰坡道制動,盤面溫度變化
圖4 20‰坡道制動,盤面溫度變化
250 km/h、350 km/h 兩種制動初速條件下,進行16‰、20‰、30‰ 3 種不同坡度持續(xù)制動仿真分析如圖5、圖6 所示。從圖中可以看出,相同速度下,坡度越大則制動溫升越迅速,同時溫度平衡點也最高;而2 種速度條件下制動溫升曲線基本吻合。因此可以看出,線路坡度對制動溫升的影響起決定性作用。
從圖3、圖4 仿真結(jié)果可以看出,在坡道持續(xù)制動中坡長主要影響溫升最高點,在坡長達到40 km以上對制動盤溫升影響基本不大,此時制動溫升已經(jīng)處于平衡狀態(tài),不再大幅上升;在坡道短于40 km 時,制動溫升隨著坡長的變化較為明顯,坡長越短,而制動溫升越小。
圖5 制動速度250 km/h,盤面溫度變化
圖6 制動速度350 km/h,盤面溫度變化
長大坡道參數(shù)對溫升的影響關(guān)系如圖7 所示,可以看出:車輛制動溫升隨著制動速度的上升是先升后降,但整體變化不大;制動溫升隨坡度增大影響明顯。
圖7 坡道參數(shù)影響曲線
通過針對高鐵運營線路對列車制動溫升影響仿真分析,可以得出結(jié)論:坡度對制動溫升影響最為明顯;坡長參數(shù)在40 km 以內(nèi)時隨著坡長增加而制動溫升增加明顯,但坡長達到40 km 以上后,制動溫升基本穩(wěn)定;同工況下速度變化對制動溫升影響較小。
因此,基于坡道持續(xù)制動熱容量仿真分析結(jié)果,建議高鐵運營線路坡道設(shè)計在允許的條件下,可考慮采用降低線路坡度、延長坡道長度的方法來替代大坡度短線路設(shè)計,這樣可降低坡道運用制動溫升,從而降低高速列車制動系統(tǒng)設(shè)計難度。