高速動車組制動距離及制動減速度參數(shù)研究*

章 陽， 呂寶佳， 金 哲

(1 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

我國各型高速動車組均采用微機控制的直通式電空制動系統(tǒng)，制動過程中優(yōu)先使用電制動，電制動力不足時補充空氣制動?？諝庵苿邮怯砷l片和制動盤之間的摩擦作用來實現(xiàn)，所以制動盤承擔(dān)了動車組施加空氣制動時產(chǎn)生的熱負荷。

目前我國各型高速動車組制動系統(tǒng)能夠滿足250 km/h和350 km/h運營速度的制動能力需求，但是，由于動車組的制動動能與速度的平方成正比，動車組在更高運用速度時，施加空氣制動會產(chǎn)生更大的熱負荷，在現(xiàn)有的制動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距離和減速度曲線。

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

1 速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組制動距離和減速度曲線分析

1.1 速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組制動距離要求

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

制動初速度350 km/h時 ≤6 500 m

制動初速度300 km/h時 ≤3 800 m

制動初速度250 km/h時 ≤3 200 m

制動初速度200 km/h時 ≤2 000 m

制動初速度160 km/h時 ≤1 400 m

制動初速度120 km/h時 ≤800 m

1.2 速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組減速度曲線

速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組制動系統(tǒng)基于黏著限制、制動距離要求、風(fēng)阻，設(shè)計控制減速度-速度曲線，常用制動(1～7級)、電制特性、緊急制動EB、純空氣緊急制動UB減速度如圖1所示，并與TSI濕軌曲線進行對比。

1.3 速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組制動距離計算

以CR400BF為模型，含轉(zhuǎn)動質(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)計算不同初速度和不同車重條件下，速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組純空氣緊急制動EB、緊急制動UB的制動距離如表1、表2所示。

1.4 速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組制動盤熱負荷計算

基礎(chǔ)制動熱負荷按照靜態(tài)最大設(shè)計軸重17 t，并考慮動態(tài)旋轉(zhuǎn)質(zhì)量進行計算，計算工況為平直道進行連續(xù)兩次緊急制動。

圖1 速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組減速度曲線

動車軸重(動態(tài))：17.45 t；

拖車軸重(動態(tài))：17.31 t；

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

閘片材料：粉末冶金材料；

制動盤初始溫度：40 ℃；

制動盤瞬時溫度極限：700 ℃；

制動盤和閘片長時間運營溫度極限：550 ℃。

表1 不同初速度下純空氣緊急制動EB的制動距離(含阻力)

表2 不同初速度下緊急制動UB的制動距離(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

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

2 速度400 km/h動車組制動距離和減速度參數(shù)研究

2.1 速度400 km/h動車組制動距離研究

按照制動盤熱負荷極限值計算，初速度400 km/h緊急制動距離約為9 100 m，目前350 km/h動車組制動距離要求為6 500 m，實際值基本在5 700 m，制動距離安全余量約12%。由于閘片本身的摩擦系數(shù)存在一定的波動性，同一型號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)的波動必然帶來制動距離的變化，因此，初速度400 km/h制動距離應(yīng)考慮足夠的安全余量，按照15%的余量計算，為10 465 m，故建議定為10 500 m。

為保證速度400 km/h動車組在既有線路上能夠正常運用，在初速度350 km/h及以下時候，建議與速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組保持一致：

制動初速度400 km/h時 ≤10 500 m

制動初速度350 km/h時 ≤6 500 m

制動初速度300 km/h時 ≤3 800 m

制動初速度250 km/h時 ≤3 200 m

制動初速度200 km/h時 ≤2 000 m

制動初速度160 km/h時 ≤1 400 m

制動初速度120 km/h時 ≤800 m

2.2 速度400 km/h動車組制動減速度參數(shù)設(shè)計

2.2.1速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組制動減速度趨勢延長分析

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

圖4 按趨勢延長的減速度曲線

按照前述CR400BF軸重參數(shù)、制動初速度為400 km/h時進行仿真計算：純空氣緊急制動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，則會對制動盤造成無法逆轉(zhuǎn)的損壞，故需要調(diào)整緊急制動減速度控制參數(shù)。

2.2.2緊急制動EB減速度調(diào)整方案

(1)方案1動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控制方式，TBM按照整車的減速度控制曲線在全列內(nèi)進行制動力分配。動拖車采用相同的減速度控制參數(shù)，保證制動初速度350 km/h及以下的制動距離。

為保證制動初速度300 km/h的制動距離不超過3 800 m，在速度300 km/h以下，仍然采用速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組的減速度曲線；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的制動距離不超過6 500 m；在初速度400 km/h時的制動距離，期望在10 500 m以內(nèi)，并且保證整個制動過程的制動盤熱負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時的純空氣緊急制動EB制動距離為10 260 m，但是連續(xù)兩次制動之后，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。相較于調(diào)整之前的減速度參數(shù)，熱負荷雖有一定的改善，但輪盤和軸盤承擔(dān)的熱負荷不均衡，且仍然無法滿足連續(xù)兩次緊急制動的要求。

圖5 動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，動車輪裝制動盤溫度變化曲線

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

(2)方案2動拖車采用不同的減速度控制參數(shù)

進一步分析，由于拖車制動盤比動車制動盤數(shù)量多，緊急制動時的制動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)更大的制動力，以降低動車摩擦副承受較大熱負荷而出現(xiàn)摩擦性能衰減的程度，而拖車摩擦副的熱負荷也控制在可承受范圍之內(nèi)。這樣，可以考慮動車和拖車采用不同的控制減速度曲線，各車獨立進行制動力分配的方案，見圖8。

在此方案下，初速度400 km/h時的純空氣緊急制動EB制動距離為9 276 m，見表3。同時，在平直軌道上進行連續(xù)兩次純空氣緊急制動EB，動車輪裝制動盤盤面最高溫度為651 ℃和699 ℃，見圖9；拖車制動盤盤面最高溫度為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)制動熱容量許用極限。

圖8 動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，動車輪裝制動盤溫度變化曲線

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，拖車軸裝制動盤溫度變化曲線

2.2.3緊急制動UB減速度調(diào)整方案

(1)方案1動拖車采用不同高低壓切換點的UB控制減速度

為保證制動初速度350 km/h以下的制動距離仍然符合速度350 km/h中國標(biāo)準(zhǔn)動車組的技術(shù)條件要求，而在初速度400 km/h時的制動距離，期望在10 500 m以內(nèi)，并且保證整個制動過程的制動盤熱負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,不調(diào)整中繼閥變比，見圖11。

圖11 動拖車采用不同高低壓切換點的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距離(含阻力)

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

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

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

(2)方案2動拖車采用相同高低壓切換點的UB控制減速度

為進一步降低熱負荷，且保證各速度點均滿足制動距離要求，調(diào)整動拖車中繼閥變比，令動拖車的高低階切換速度點相同，以期望在整個制動過程中動車和拖車的制動盤熱負荷基本相當(dāng)，最高溫度在其可承受范圍之內(nèi)，見圖14。

圖14 動拖車采用相同高低壓切換點的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距離(含阻力)

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

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

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

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

分別將以上兩個EB和UB減速度控制參數(shù)方案的熱負荷仿真計算結(jié)果和制動距離計算結(jié)果進行對比，見表6～表9。從對比結(jié)果來看，對于緊急制動EB，按照2個調(diào)整后的EB減速度方案進行仿真計算，進行400 km/h緊急EB制動時，制動距離均能滿足技術(shù)條件要求，制動盤盤面最高溫度均低于700 ℃，且第2個方案能夠充分發(fā)揮輪盤和軸盤的制動能力，實現(xiàn)連續(xù)兩次緊急EB制動，為較優(yōu)方案。對于緊急制動UB，按照兩個調(diào)整后的UB減速度方案進行仿真計算，進行初速度400 km/h緊急UB制動時，制動距離均能滿足技術(shù)條件要求，制動盤盤面最高溫度均低于700 ℃，且第2個方案能夠充分發(fā)揮輪盤和軸盤的制動能力，實現(xiàn)連續(xù)兩次緊急UB制動，為較優(yōu)方案。

3 建 議

根據(jù)理論計算，結(jié)合既有基礎(chǔ)制動的熱負荷能力，建議初速度400 km/h的緊急制動距離定為10 500 m，制動控制減速度可按照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緊急制動工況下，既有基礎(chǔ)制動能力已經(jīng)接近極限值，需要增加拖車制動盤數(shù)量或開展基礎(chǔ)制動能力提升技術(shù)研究和相關(guān)試驗驗證。為防止制動系統(tǒng)承擔(dān)熱負荷過大和超黏著制動等因素影響動車組運用安全，建議開展渦流制動等其他制動方式的研究。

表6 2個EB減速度調(diào)整方案的熱負荷計算結(jié)果對比

表7 2個EB減速度調(diào)整方案的理論制動距離

表8 2個UB減速度調(diào)整方案的熱負荷計算結(jié)果對比

表9 2個UB減速度調(diào)整方案的理論制動距離對比