新型160 km/h城際動車組制動性能的計算分析

徐 帥，王 紅，梁建全，商躍進(jìn)，李化明

(1.蘭州交通大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070;2.唐山軌道客車有限責(zé)任公司產(chǎn)品研發(fā)中心，河北唐山 063035)

1 引言

隨著城際鐵路的推廣普及，城際動車組在對形成我國軌道交通層次架構(gòu)、改變?nèi)藗兊某鲂蟹绞?、提高旅客周轉(zhuǎn)效率等方面將具有重大意義［1］。新型160 km/h城際動車組是為滿足區(qū)域經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展和城市群崛起對城際軌道交通的需求，而研發(fā)設(shè)計的一種新型運(yùn)輸工具，最高運(yùn)營速度為160 km/h，既能在新建城際線路上運(yùn)營，又能在既有客運(yùn)專線和電氣化鐵路上運(yùn)營。

制動是列車運(yùn)行的重要工況之一，制動系統(tǒng)的有效性和制動性能的好壞直接影響到列車的安全運(yùn)行［2］。制動盤熱負(fù)荷對車輛的制動能力和制動盤的使用壽命有重要的影響，制動距離直接影響到列車的準(zhǔn)確、及時地停車和運(yùn)行安全［3］，因此制動性能必須滿足車輛相應(yīng)的設(shè)計要求。筆者根據(jù)160 km/h城際動車組制動系統(tǒng)的設(shè)計要求，運(yùn)用有限元法對制動盤進(jìn)行熱負(fù)荷計算分析，以及對緊急制動距離進(jìn)行計算，分析驗證160 km/h城際車制動性能否滿足動車組的正常運(yùn)營要求。

2 制動系統(tǒng)與性能要求

我國某公司設(shè)計的新型160 km/h城際動車組為最高運(yùn)營速度為160 km/h的電動車組，由4輛車進(jìn)行編組運(yùn)行，圖1所示為車輛組成。

圖1 車輛組成

160 km/h城際動車組制動系統(tǒng)包括供風(fēng)系統(tǒng)、制動控制系統(tǒng)、基礎(chǔ)制動裝置等主要部分。供風(fēng)系統(tǒng)由空氣壓縮機(jī)、干燥器、安全閥及壓縮空氣后處理裝置等組成，空氣壓縮機(jī)產(chǎn)生的壓縮空氣滿足制動系統(tǒng)、衛(wèi)生間、空氣彈簧等設(shè)備的用風(fēng)要求［4］。制動控制系統(tǒng)主要由制動控制模塊、防滑裝置和回送裝置組成?；A(chǔ)制動裝置傳送制動原動力并產(chǎn)生制動力，主要由制動夾鉗單元、制動盤、制動閘片等組成，最終實現(xiàn)常用制動、緊急制動、停放制動等制動功能［5］。

根據(jù)車輛的總體技術(shù)要求，制動系統(tǒng)須滿足以下設(shè)計要求:最大常用制動減速度≥1.0 m/s2;最大沖擊限度0.75 m/s3;緊急制動減速度≥1.2 m/s2;制動初速為160 km/h時的純空氣緊急制動距離(包括響應(yīng)時間)≤850 m;制動響應(yīng)時間≤1.5 s;制動響應(yīng)時間:從制動指令發(fā)出開始到制動缸壓力達(dá)到最大壓力的90%的時間。

3 制動盤熱負(fù)荷計算

基礎(chǔ)制動系統(tǒng)中動車為2套輪裝鍛鋼制動盤，拖車為2套軸裝鍛鋼制動盤。選取軸裝式制動盤為熱負(fù)荷分析對象，運(yùn)用有限元法建立軸裝制動盤有限元模型(圖2所示)，該模型共有282 872個單元和12 783個節(jié)點組成。

圖2 制動盤的網(wǎng)格劃分

3.1 計算工況

根據(jù)160 km/h城際動車組制動盤的技術(shù)要求和制動裝置的配置，計算以下兩種極限工況下制動盤的熱負(fù)荷狀況:

(1)連續(xù)兩次純空氣緊急制動工況，初速度為160 km/h;

(2)僅使用空氣制動，最大載荷工況下模擬城際線路一個往返運(yùn)營工況。

模擬運(yùn)營線路為某城市規(guī)劃線路，列車以車輛站間距所允許最高速度運(yùn)行，站停時間25 s，全線共17個車站，一個往返連續(xù)32次純空氣最大常用制動。

3.2 計算參數(shù)與邊界條件

輪裝制動盤外徑680 mm，鍛鋼制動盤材料參數(shù)如表1 所列［6］。

表1 制動盤相關(guān)材料參數(shù)

閘片材質(zhì)為粉末冶金，制動盤初始溫度為40℃。整個制動過程中將輻射忽略不計，計算主要考慮熱流密度和對流換熱兩種載荷。動車軸重為17.375 t，拖車軸重為 17.090 t。

熱流密度為:

式中:m為每個盤承載的制動質(zhì)量;v0為制動初速度;A為閘片掃過的面積，aa為平均減速度，t為制動時間。

對流換熱系數(shù)為:

式中:Pr為普朗特常數(shù);λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù);v為空氣的運(yùn)動黏度;r為徑向尺寸;L為壁面長度，v0為列車的初始速度，a為制動減速度;t制動時間;R車輪直徑。

3.3 計算結(jié)果

圖3是初速度為160 km/h，連續(xù)2次緊急工況下輪盤的溫度-時間歷程。計算結(jié)果顯示，第一次緊急制動時最高溫度為298℃，第二次緊急制動盤面最高溫度達(dá)到392℃;

圖4為模擬線路運(yùn)營工況下(1次往返)輪盤的溫度-時間歷程。計算結(jié)果顯示，在1次往返工況中，輪盤最高溫度出現(xiàn)在第11次制動過程中，輪盤最高溫度為403℃。

計算結(jié)果顯示兩種極限工況下制動盤最高溫度均未超過鍛鋼材料制動盤的極限溫度630℃［7］。

圖3 連續(xù)2次緊急制動溫度曲線

圖4 模擬線路運(yùn)營工況溫度曲線

4 制動距離計算

制動距離是綜合反映列車制動裝置性能和實際制動效果的主要計算指標(biāo)。純空氣制動時，根據(jù)給定的初始制動減速度計算整列初始制動力，取最大載荷工況，并按車輛重量分配每輛車的制動力［8］。

空氣制動力:

式中:Mv(i)為空車質(zhì)量;Mp(i)為乘客質(zhì)量;Jz(i)為回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù);i為車輛編號;N為編組數(shù)量;aB為空氣制動減速度。

車輛運(yùn)行阻力:

式中:g為重力加速度;dv為逆風(fēng)速度;v為運(yùn)行速度。

制動減速度(含運(yùn)行阻力):

制動距離:

式中:v0運(yùn)行初速度;vk離散化速度;k離散點編號;Ns離散點數(shù)量;tk為緊急制動空走時間;tu為常用制動空走時間。

平均減速度:

經(jīng)計算，不同初速度下的制動距離與平均減速度計算結(jié)果如表2所列，計算結(jié)果表明，最大載重工況下，初速度為160 km/h時緊急制動最大制動距離為823 m，平均減速度為1.2 m/s2。滿足制動距離不大于850 m、平均減速度不小于1.2 m/s2的設(shè)計要求。

5 結(jié)論

(1)初速度為160 km/h時，連續(xù)兩次緊急制動工況下，制動盤面最高溫度為389℃;模擬線路運(yùn)營工況下，制動盤最高溫度為403℃，滿足鍛鋼制動盤對溫度的性能要求。

表2 制動距離與平均減速度

(2)初速度為160 km/h時，最大載荷工況下的緊急制動距離為823 m，平均減速度為1.2 m/s2，滿足制動系統(tǒng)的設(shè)計的要求。

［1］ 徐建華.開啟城際列車新速度［N］.中國質(zhì)量報，2012.

［2］ 胡準(zhǔn)慶.動車組制動系統(tǒng)［M］.北京:北京交通大學(xué)出版社，2012.

［3］ 李和平，林祜亭.高速列車基礎(chǔ)制動系統(tǒng)的設(shè)計研究［J］.中國鐵道科學(xué)，2003，24(2):8-13.

［4］ 楊偉君，李邦國，范偉巍，等.和諧號動車組風(fēng)源系統(tǒng)及其管理［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31(5):55-60.

［5］ 李和平，曹宏發(fā)，楊偉均，等.和諧號動車組制動技術(shù)概述［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31(5):1-11.

［6］ 張 濤，王夢昕，丁亞琦，等.動車組制動盤溫度場和熱應(yīng)力場的耦合分析［J］.蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2011，30(6):119-122.

［7］ 顧磊磊，左建永，朱劍月，等.基于有限元法的動車組制動盤制動能力分析［J］.機(jī)車電傳動，2009(5):7-9.

［8］ 金 哲，武青海，李和平.和諧號動車組制動計算方法［J］.鐵道機(jī)車車輛，2011，31(5):80-96.