高速动车组制动距离及制动减速度参数研究*

2020-07-13吕宝佳

铁道机车车辆 2020年3期

章阳，吕宝佳，金哲

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081；2 北京纵横机电科技有限公司，北京 100094)

我国各型高速动车组均采用微机控制的直通式电空制动系统，制动过程中优先使用电制动，电制动力不足时补充空气制动。空气制动是由闸片和制动盘之间的摩擦作用来实现，所以制动盘承担了动车组施加空气制动时产生的热负荷。

目前我国各型高速动车组制动系统能够满足250 km/h和350 km/h运营速度的制动能力需求，但是，由于动车组的制动动能与速度的平方成正比，动车组在更高运用速度时，施加空气制动会产生更大的热负荷，在现有的制动盘的耐热裂性能和抗热衰退性能前提下，需要研究合理的制动距离和减速度曲线。

我们根据速度350 km/h动车组制动系统技术特性和基础制动配置方式(动车每轴配置2套铸钢轮盘，拖车每轴配置3套铸钢轴盘)进行了相关计算和可行性分析，提出400 km/h动车组制动距离和减速度曲线的建议方案。同时，我们建议增加拖车制动盘数量，对制动盘、闸片的新材料和新结构等基础制动装置能力提升技术进行研究和试验验证；另外，为防止制动系统承担的制动热负荷过大和超黏着制动等因素影响动车组运用安全，建议开展涡流制动等其他制动方式的研究。

1 速度350 km/h中国标准动车组制动距离和减速度曲线分析

1.1 速度350 km/h中国标准动车组制动距离要求

根据速度350 km/h中国标准动车组技术条件要求，在平直轨道上的紧急制动距离如下所示：

制动初速度350 km/h时 ≤6 500 m

制动初速度300 km/h时 ≤3 800 m

制动初速度250 km/h时 ≤3 200 m

制动初速度200 km/h时 ≤2 000 m

制动初速度160 km/h时 ≤1 400 m

制动初速度120 km/h时 ≤800 m

1.2 速度350 km/h中国标准动车组减速度曲线

速度350 km/h中国标准动车组制动系统基于黏着限制、制动距离要求、风阻，设计控制减速度-速度曲线，常用制动(1～7级)、电制特性、紧急制动EB、纯空气紧急制动UB减速度如图1所示，并与TSI湿轨曲线进行对比。

1.3 速度350 km/h中国标准动车组制动距离计算

以CR400BF为模型，含转动质量的车重参数为：空车AW0为481 t，重车AW2为530 t。

根据上述参数计算不同初速度和不同车重条件下，速度350 km/h中国标准动车组纯空气紧急制动EB、紧急制动UB的制动距离如表1、表2所示。

1.4 速度350 km/h中国标准动车组制动盘热负荷计算

基础制动热负荷按照静态最大设计轴重17 t，并考虑动态旋转质量进行计算，计算工况为平直道进行连续两次紧急制动。

图1 速度350 km/h中国标准动车组减速度曲线

动车轴重(动态)：17.45 t；

拖车轴重(动态)：17.31 t；

制动方式：盘形制动，动车为每轴配置2套轮装铸钢制动盘(外径750 mm)；拖车每轴配置3套轴装铸钢制动盘(外径640 mm)；

闸片材料：粉末冶金材料；

制动盘初始温度：40 ℃；

制动盘瞬时温度极限：700 ℃；

制动盘和闸片长时间运营温度极限：550 ℃。

表1 不同初速度下纯空气紧急制动EB的制动距离(含阻力)

表2 不同初速度下紧急制动UB的制动距离(含阻力)

图2 初速度350 km/h连续两次UB轮盘温度曲线

图3 初速度350 km/h连续两次UB轴盘温度曲线

由计算结果可知，制动初速度350 km/h，连续两次纯空气紧急制动UB，轮装制动盘盘面最高温度686 ℃，见图2；轴装制动盘盘面最高温度593 ℃，见图3；在铸钢制动盘许用范围之内，满足运营要求。

2 速度400 km/h动车组制动距离和减速度参数研究

2.1 速度400 km/h动车组制动距离研究

按照制动盘热负荷极限值计算，初速度400 km/h紧急制动距离约为9 100 m，目前350 km/h动车组制动距离要求为6 500 m，实际值基本在5 700 m，制动距离安全余量约12%。由于闸片本身的摩擦系数存在一定的波动性，同一型号闸片不同批次的摩擦系数也不可能完全相同，摩擦系数的波动必然带来制动距离的变化，因此，初速度400 km/h制动距离应考虑足够的安全余量，按照15%的余量计算，为10 465 m，故建议定为10 500 m。

为保证速度400 km/h动车组在既有线路上能够正常运用，在初速度350 km/h及以下时候，建议与速度350 km/h中国标准动车组保持一致：

制动初速度400 km/h时 ≤10 500 m

制动初速度350 km/h时 ≤6 500 m

制动初速度300 km/h时 ≤3 800 m

制动初速度250 km/h时 ≤3 200 m

制动初速度200 km/h时 ≤2 000 m

制动初速度160 km/h时 ≤1 400 m

制动初速度120 km/h时 ≤800 m

2.2 速度400 km/h动车组制动减速度参数设计

2.2.1速度350 km/h中国标准动车组制动减速度趋势延长分析

将速度350 km/h中国标准动车组制动系统的控制减速度按曲线趋势延长到最高制动初速度400 km/h，见图4。这样，理论上可以保证制动初速度350 km/h、300 km/h、250 km/h、200 km/h时，制动距离仍能满足速度350 km/h中国标准动车组制动系统技术条件的要求。而当制动初速度400 km/h时，理论计算得到紧急制动EB制动距离S=8 201 m，紧急制动UB制动距离S=8 576 m。

图4 按趋势延长的减速度曲线

按照前述CR400BF轴重参数、制动初速度为400 km/h时进行仿真计算：纯空气紧急制动UB，轮盘盘面最高温度为707 ℃，轴盘盘面最高温度为676 ℃；纯空气紧急制动EB，轮盘盘面最高温度为714 ℃，轴盘盘面最高温度为680 ℃。这两种工况下，制动盘盘面最高温度均超过其能承受的温度极限，若要连续施加两次以上的紧急制动，则会对制动盘造成无法逆转的损坏，故需要调整紧急制动减速度控制参数。

2.2.2紧急制动EB减速度调整方案

(1)方案1动拖车采用相同的减速度控制参数

依据目前列车采用等黏着的制动控制方式，TBM按照整车的减速度控制曲线在全列内进行制动力分配。动拖车采用相同的减速度控制参数，保证制动初速度350 km/h及以下的制动距离。

为保证制动初速度300 km/h的制动距离不超过3 800 m，在速度300 km/h以下，仍然采用速度350 km/h中国标准动车组的减速度曲线；在300 km/h至350 km/h区间，降低减速度，但仍保证初速度350 km/h的制动距离不超过6 500 m；在初速度400 km/h时的制动距离，期望在10 500 m以内，并且保证整个制动过程的制动盘热负荷在其可承受范围之内，见图5。

在此方案下，初速度400 km/h时的纯空气紧急制动EB制动距离为10 260 m，但是连续两次制动之后，轮盘最高温度分别为673 ℃和724 ℃；轴盘最高温度分别为601 ℃和661 ℃，见图6和图7。空车AW0工况可满足1次初速度400 km/h紧急EB制动。相较于调整之前的减速度参数，热负荷虽有一定的改善，但轮盘和轴盘承担的热负荷不均衡，且仍然无法满足连续两次紧急制动的要求。

图5 动拖车采用相同的减速度控制参数

图6 初速度400 km/h连续两次纯空气EB，动车轮装制动盘温度变化曲线

图7 初速度400 km/h连续两次纯空气EB，拖车轴装制动盘温度变化曲线

(2)方案2动拖车采用不同的减速度控制参数

进一步分析，由于拖车制动盘比动车制动盘数量多，紧急制动时的制动力分配方式可以倾向于在拖车不超黏着的前提下，让拖车承担更大的制动力，以降低动车摩擦副承受较大热负荷而出现摩擦性能衰减的程度，而拖车摩擦副的热负荷也控制在可承受范围之内。这样，可以考虑动车和拖车采用不同的控制减速度曲线，各车独立进行制动力分配的方案，见图8。

在此方案下，初速度400 km/h时的纯空气紧急制动EB制动距离为9 276 m，见表3。同时，在平直轨道上进行连续两次纯空气紧急制动EB，动车轮装制动盘盘面最高温度为651 ℃和699 ℃，见图9；拖车制动盘盘面最高温度为679 ℃和691 ℃，见图10。摩擦副热容量能够满足该工况要求，但已经接近基础制动热容量许用极限。

图8 动拖车采用不同的减速度控制参数

图9 初速度400 km/h连续两次纯空气EB，动车轮装制动盘温度变化曲线

表3 EB减速度控制参数下不同初速度的制动距离(含阻力)

图10 400 km/h连续两次纯空气EB，拖车轴装制动盘温度变化曲线

2.2.3紧急制动UB减速度调整方案

(1)方案1动拖车采用不同高低压切换点的UB控制减速度

为保证制动初速度350 km/h以下的制动距离仍然符合速度350 km/h中国标准动车组的技术条件要求，而在初速度400 km/h时的制动距离，期望在10 500 m以内，并且保证整个制动过程的制动盘热负荷在其可承受范围之内，高低阶压力切换仍然设置在300 km/h和250 km/h的速度点,不调整中继阀变比，见图11。

图11 动拖车采用不同高低压切换点的UB减速度

表4 方案1 UB减速度控制参数下不同初速度的制动距离(含阻力)

图12 初速度400 km/h连续两次UB动车轮装制动盘温度变化曲线

图13 初速度400 km/h连续两次UB拖车轴装制动盘温度变化曲线

在此方案下，初速度400 km/h时的紧急制动UB制动距离为9 232 m，见表4。同时，在平直轨道上进行连续两次紧急制动UB，动车轮装制动盘盘面最高温度分别为648 ℃和677 ℃，见图12；拖车轴装制动盘盘面最高温度分别为687 ℃和694 ℃，见图13。制动盘热容量能力满足该工况下连续两次紧急制动的要求。但由于两次制动过程的基础制动温度都过高，可能导致摩擦系数衰减并影响制动盘使用寿命，因此我们需要寻求更优的紧急制动UB控制参数。

(2)方案2动拖车采用相同高低压切换点的UB控制减速度

为进一步降低热负荷，且保证各速度点均满足制动距离要求，调整动拖车中继阀变比，令动拖车的高低阶切换速度点相同，以期望在整个制动过程中动车和拖车的制动盘热负荷基本相当，最高温度在其可承受范围之内，见图14。

图14 动拖车采用相同高低压切换点的UB减速度

表5 方案2 UB减速度控制参数下不同初速度的制动距离(含阻力)

图15 初速度400 km/h连续两次UB动车轮装制动盘温度变化曲线

在此方案下，在平直轨道上初速度400 km/h时的紧急制动UB制动距离为9 028 m，见表5。同时，进行连续两次紧急制动UB，动车轮装制动盘盘面最高温度分别为656 ℃和695 ℃，见图15；拖车轴装制动盘盘面最高温度分别为654 ℃和662 ℃，见图16。制动盘热容量能力满足该工况下连续两次紧急制动的要求。

图16 初速度400 km/h连续两次UB拖车轴装制动盘温度变化曲线

2.2.4初速度400 km/h制动减速度控制参数调整方案小结

分别将以上两个EB和UB减速度控制参数方案的热负荷仿真计算结果和制动距离计算结果进行对比，见表6～表9。从对比结果来看，对于紧急制动EB，按照2个调整后的EB减速度方案进行仿真计算，进行400 km/h紧急EB制动时，制动距离均能满足技术条件要求，制动盘盘面最高温度均低于700 ℃，且第2个方案能够充分发挥轮盘和轴盘的制动能力，实现连续两次紧急EB制动，为较优方案。对于紧急制动UB，按照两个调整后的UB减速度方案进行仿真计算，进行初速度400 km/h紧急UB制动时，制动距离均能满足技术条件要求，制动盘盘面最高温度均低于700 ℃，且第2个方案能够充分发挥轮盘和轴盘的制动能力，实现连续两次紧急UB制动，为较优方案。

3 建议

根据理论计算，结合既有基础制动的热负荷能力，建议初速度400 km/h的紧急制动距离定为10 500 m，制动控制减速度可按照EB控制减速度参数调整方案2和UB控制减速度参数调整方案2设置。但在连续两次初速度400 km/h紧急制动工况下，既有基础制动能力已经接近极限值，需要增加拖车制动盘数量或开展基础制动能力提升技术研究和相关试验验证。为防止制动系统承担热负荷过大和超黏着制动等因素影响动车组运用安全，建议开展涡流制动等其他制动方式的研究。