新型160 km/h城际动车组制动性能的计算分析

徐 帅，王 红，梁建全，商跃进，李化明

(1.兰州交通大学机电工程学院，甘肃兰州 730070;2.唐山轨道客车有限责任公司产品研发中心，河北唐山 063035)

1 引言

随着城际铁路的推广普及，城际动车组在对形成我国轨道交通层次架构、改变人们的出行方式、提高旅客周转效率等方面将具有重大意义［1］。新型160 km/h城际动车组是为满足区域经济快速发展和城市群崛起对城际轨道交通的需求，而研发设计的一种新型运输工具，最高运营速度为160 km/h，既能在新建城际线路上运营，又能在既有客运专线和电气化铁路上运营。

制动是列车运行的重要工况之一，制动系统的有效性和制动性能的好坏直接影响到列车的安全运行［2］。制动盘热负荷对车辆的制动能力和制动盘的使用寿命有重要的影响，制动距离直接影响到列车的准确、及时地停车和运行安全［3］，因此制动性能必须满足车辆相应的设计要求。笔者根据160 km/h城际动车组制动系统的设计要求，运用有限元法对制动盘进行热负荷计算分析，以及对紧急制动距离进行计算，分析验证160 km/h城际车制动性能否满足动车组的正常运营要求。

2 制动系统与性能要求

我国某公司设计的新型160 km/h城际动车组为最高运营速度为160 km/h的电动车组，由4辆车进行编组运行，图1所示为车辆组成。

图1 车辆组成

160 km/h城际动车组制动系统包括供风系统、制动控制系统、基础制动装置等主要部分。供风系统由空气压缩机、干燥器、安全阀及压缩空气后处理装置等组成，空气压缩机产生的压缩空气满足制动系统、卫生间、空气弹簧等设备的用风要求［4］。制动控制系统主要由制动控制模块、防滑装置和回送装置组成。基础制动装置传送制动原动力并产生制动力，主要由制动夹钳单元、制动盘、制动闸片等组成，最终实现常用制动、紧急制动、停放制动等制动功能［5］。

根据车辆的总体技术要求，制动系统须满足以下设计要求:最大常用制动减速度≥1.0 m/s2;最大冲击限度0.75 m/s3;紧急制动减速度≥1.2 m/s2;制动初速为160 km/h时的纯空气紧急制动距离(包括响应时间)≤850 m;制动响应时间≤1.5 s;制动响应时间:从制动指令发出开始到制动缸压力达到最大压力的90%的时间。

3 制动盘热负荷计算

基础制动系统中动车为2套轮装锻钢制动盘，拖车为2套轴装锻钢制动盘。选取轴装式制动盘为热负荷分析对象，运用有限元法建立轴装制动盘有限元模型(图2所示)，该模型共有282 872个单元和12 783个节点组成。

图2 制动盘的网格划分

3.1 计算工况

根据160 km/h城际动车组制动盘的技术要求和制动装置的配置，计算以下两种极限工况下制动盘的热负荷状况:

(1)连续两次纯空气紧急制动工况，初速度为160 km/h;

(2)仅使用空气制动，最大载荷工况下模拟城际线路一个往返运营工况。

模拟运营线路为某城市规划线路，列车以车辆站间距所允许最高速度运行，站停时间25 s，全线共17个车站，一个往返连续32次纯空气最大常用制动。

3.2 计算参数与边界条件

轮装制动盘外径680 mm，锻钢制动盘材料参数如表1 所列［6］。

表1 制动盘相关材料参数

闸片材质为粉末冶金，制动盘初始温度为40℃。整个制动过程中将辐射忽略不计，计算主要考虑热流密度和对流换热两种载荷。动车轴重为17.375 t，拖车轴重为 17.090 t。

热流密度为:

式中:m为每个盘承载的制动质量;v0为制动初速度;A为闸片扫过的面积，aa为平均减速度，t为制动时间。

对流换热系数为:

式中:Pr为普朗特常数;λ为空气导热系数;v为空气的运动黏度;r为径向尺寸;L为壁面长度，v0为列车的初始速度，a为制动减速度;t制动时间;R车轮直径。

3.3 计算结果

图3是初速度为160 km/h，连续2次紧急工况下轮盘的温度-时间历程。计算结果显示，第一次紧急制动时最高温度为298℃，第二次紧急制动盘面最高温度达到392℃;

图4为模拟线路运营工况下(1次往返)轮盘的温度-时间历程。计算结果显示，在1次往返工况中，轮盘最高温度出现在第11次制动过程中，轮盘最高温度为403℃。

计算结果显示两种极限工况下制动盘最高温度均未超过锻钢材料制动盘的极限温度630℃［7］。

图3 连续2次紧急制动温度曲线

图4 模拟线路运营工况温度曲线

4 制动距离计算

制动距离是综合反映列车制动装置性能和实际制动效果的主要计算指标。纯空气制动时，根据给定的初始制动减速度计算整列初始制动力，取最大载荷工况，并按车辆重量分配每辆车的制动力［8］。

空气制动力:

式中:Mv(i)为空车质量;Mp(i)为乘客质量;Jz(i)为回转质量系数;i为车辆编号;N为编组数量;aB为空气制动减速度。

车辆运行阻力:

式中:g为重力加速度;dv为逆风速度;v为运行速度。

制动减速度(含运行阻力):

制动距离:

式中:v0运行初速度;vk离散化速度;k离散点编号;Ns离散点数量;tk为紧急制动空走时间;tu为常用制动空走时间。

平均减速度:

经计算，不同初速度下的制动距离与平均减速度计算结果如表2所列，计算结果表明，最大载重工况下，初速度为160 km/h时紧急制动最大制动距离为823 m，平均减速度为1.2 m/s2。满足制动距离不大于850 m、平均减速度不小于1.2 m/s2的设计要求。

5 结论

(1)初速度为160 km/h时，连续两次紧急制动工况下，制动盘面最高温度为389℃;模拟线路运营工况下，制动盘最高温度为403℃，满足锻钢制动盘对温度的性能要求。

表2 制动距离与平均减速度

(2)初速度为160 km/h时，最大载荷工况下的紧急制动距离为823 m，平均减速度为1.2 m/s2，满足制动系统的设计的要求。

［1］ 徐建华.开启城际列车新速度［N］.中国质量报，2012.

［2］ 胡准庆.动车组制动系统［M］.北京:北京交通大学出版社，2012.

［3］ 李和平，林祜亭.高速列车基础制动系统的设计研究［J］.中国铁道科学，2003，24(2):8-13.

［4］ 杨伟君，李邦国，范伟巍，等.和谐号动车组风源系统及其管理［J］.铁道机车车辆，2011，31(5):55-60.

［5］ 李和平，曹宏发，杨伟均，等.和谐号动车组制动技术概述［J］.铁道机车车辆，2011，31(5):1-11.

［6］ 张 涛，王梦昕，丁亚琦，等.动车组制动盘温度场和热应力场的耦合分析［J］.兰州交通大学学报，2011，30(6):119-122.

［7］ 顾磊磊，左建永，朱剑月，等.基于有限元法的动车组制动盘制动能力分析［J］.机车电传动，2009(5):7-9.

［8］ 金 哲，武青海，李和平.和谐号动车组制动计算方法［J］.铁道机车车辆，2011，31(5):80-96.