康晶輝 ，呂寶佳 ，焦標強 ，馬永靖 ，趙 鵬 ，馬 忠 ，陳德峰 ，宋躍超

（1 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094；2 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；3 中車長春軌道客車股份有限公司，長春130062）

我國高速動車組普遍采用微機控制的直通式電空制動系統(tǒng)及盤形基礎制動裝置。車輛的制動過程本質(zhì)上是個能量轉(zhuǎn)換的過程，盤形制動裝置的作用是將列車運動時的動能轉(zhuǎn)化為熱能，從而達到使列車減速或停車的目的。隨著列車運行速度的提高，動能急劇增加，制動時產(chǎn)生的熱能也大大增加，巨大的制動熱負荷使制動盤產(chǎn)生很大的溫度梯度， 并由此產(chǎn)生熱應力。從試驗驗證以及列車實際運用情況來看，目前的鑄鋼盤形制動摩擦副能夠滿足速度350 km/h 運營速度的制動能力需求，但是在長大坡道工況下，如果電制動出現(xiàn)故障，動車組僅依靠摩擦制動恒速下坡，對摩擦副又會產(chǎn)生巨大的熱負荷。

目前，我國中西部地區(qū)有多條已建成通車和在建的客運專線，由于中國西高東低的地理條件，中西部客運專線大多具有坡度大、坡道線路長的特點，如:已開通的蘭新客專持續(xù)100 km 10‰以上坡道；西成客專在新場街站至鄠邑站有長度45km 的25‰坡道。動車組制動系統(tǒng)優(yōu)先使用電制動，當車輛電制動正常時，動車組長大坡道上不需要限速可正常運行；但是電制動異常時（如2015 年蘭新線網(wǎng)壓不穩(wěn)，動車組經(jīng)常只能依靠空氣制動下坡，這直接影響了動車組制動摩擦副的正常運用[1]。），為保障動車組安全運營，需要按照不同坡道工況采取限速運營。因此，能夠按照動車組制動系統(tǒng)能力提出準確的限速值，對車輛安全及線路運營具有十分重要的意義。

結(jié)合國內(nèi)某客運鐵路專線長度45 km 的25‰坡道線路條件，建立國內(nèi)某型號動車組基礎制動熱負荷計算模型，利用1：1 制動動力試驗臺測試結(jié)果對模型仿真結(jié)果進行驗證，研究動車組以不同速度下坡對基礎制動熱負荷的影響。

1 國內(nèi)某客運專線概況

該線路最高運營速度250 km/h。線路地質(zhì)條件復雜，坡道大、坡道長，是典型的山區(qū)高鐵線路。其中，坡度25‰，長度45 km 的連續(xù)坡道，是該客運專線上車輛運行最困難的區(qū)段，該區(qū)段線路縱斷面信息如圖1所示。

2 制動盤仿真計算邊界條件

某型號動車組為8 輛編組，采用4 動4 拖編組方式，車輛最大軸重17 t。動車組緊急制動UB 施加時，空氣制動減速度（不含風阻）見圖2 所示。各級常用制動施加時，減速度（不含風阻）見圖3 所示。

圖1 國內(nèi)某客運專線長大坡道縱斷面圖

圖2 緊急制動UB 減速度曲線

基礎制動采用盤形制動裝置，動車每軸配置2 套外徑750 mm 輪裝鑄鋼制動盤；拖車每軸配置3 套外徑640 mm 軸裝鑄鋼制動盤。閘片安裝接口為UIC 541?3 燕尾結(jié)構(gòu)，閘片材料為粉末冶金材料，為保證制動過程中閘片與制動盤均勻摩擦，閘片摩擦塊采用彈性浮動結(jié)構(gòu)，閘片結(jié)構(gòu)圖4 所示。制動盤仿真計算邊界條件見表1。

圖3 常用制動減速度曲線

圖4 閘片結(jié)構(gòu)示意圖

表1 制動盤仿真計算邊界條件

高速動車組運行時，車輛阻力主要有兩方面來源:其一是車輛自身及與鋼軌的摩擦阻力，其二是空氣阻力，如空氣和列車表面的摩擦阻力，空氣對列車的正面壓力和列車周圍產(chǎn)生的渦流阻力。動車組制動時，車輛阻力會提供一部分減速度，尤其是高速制動時，車輛阻力提供的減速度會占很大部分[2]。因此，在研究在長大坡道線路上車輛恒速下坡制動盤熱負荷情況時，車輛阻力是不能忽略的。

國內(nèi)某8 輛編組動車組車輛阻力與速度關系如圖5 所示。隨著速度增加，車輛阻力明顯增加，速度250 km/h 時車輛阻力達到50 kN。車輛在25‰坡道恒速下坡所需的總制動力為136 kN，其中車輛阻力占到總制動力的36.7%，剩余部分制動力需要車輛電制動或空氣制動提供，占比63.3%。

3 基于長大坡道工況的摩擦副1:1 制動動力試驗工況

根據(jù) 25‰ 坡道，長度 45 km 線路情況，在 1：1 制動動力試驗臺利用外徑750 mm 輪裝鑄鋼制動盤摩擦副進行不同速度級長大坡道恒速運行并在坡底施加一次緊急制動的1：1 制動動力試驗。

圖5 某8 輛編組動車組所受車輛阻力與速度關系

3.1 試驗條件

（1）最高試驗速度250 km/h；

（2）輪徑:920 mm；

（3）輪裝制動盤摩擦半徑:305 mm；

（4）制動盤樣件：外徑750 mm 鑄鋼輪裝制動盤

（5）閘片樣件：UIC 燕尾安裝接口的浮動結(jié)構(gòu)粉末冶金閘片

（6）環(huán)境溫度:10℃

3.2 測溫熱電偶布置

試驗溫度采用熱電偶測量方法。制動盤3 個熱電偶安裝位置為摩擦面以下1 mm，分別分布在盤面120°的3 個位置，如圖6 所示?？拷苿颖P內(nèi)圈、外圈的測點和摩擦環(huán)中部測點徑向距離差40 mm。車輪對面的制動盤同樣位置安裝3 個熱電偶。

閘片摩擦面以下10 mm 安裝4 個熱電偶，熱電偶安裝位置示意如圖7 所示。

熱電偶測溫范圍:0～1 250℃。

3.3 1：1 制動動力試驗考慮車輛阻力的方法

圖6 制動盤熱電偶測點位置示意圖

圖7 閘片熱電偶安裝位置

高速動車組制動系統(tǒng)試驗室的1：1 制動動力試驗臺最高運行速度達到530 km/h，具有制動慣量隨速度實時變化功能。該試驗臺具備試驗過程中考慮車輛阻力影響的功能。

式（1）從總慣量中將車輛阻力部分除去，只保留空氣制動部分的慣量，最終得到試驗慣量隨速度的變化的關系，將該對應關系輸入到試驗設置中，從而考慮了車輛阻力對制動盤1：1 制動動力試驗的影響。

4 仿真及試驗設計

仿真計算及1：1 制動動力試驗時，按照表2 設定的工況進行不同速度下恒功率制動，模擬車輛在25‰坡道恒速下坡45 km，達到持續(xù)制動時間（持續(xù)制動時間根據(jù)列車運行速度和坡道長度計算得出）后，在坡道底部進行一次緊急制動停車。坡道帶閘恒速運行過程中，考慮了不同速度時的車輛阻力情況。

坡道恒速帶閘制動時，1：1 制動動力試驗與整車試驗工況不完全相同。1：1 制動動力試驗采用恒功率制動模式，制動摩擦副熱量輸入穩(wěn)定；整車試驗時，司機通過不同級別制動控制車速，制動摩擦副熱量輸入會有階梯變化。兩種制動模式，摩擦副熱負荷會存在些許差別。

表2 純空氣制動工況下，坡道帶閘恒速運行及緊急制動試驗工況

5 仿真及試驗結(jié)果對比分析

（1）試驗結(jié)果分析

試驗結(jié)果見表3，其中制動盤溫度為盤上6 個熱電偶的平均值；閘片溫度為摩擦塊內(nèi)部4 個熱電偶的平均值。圖 8 為 1：1 制動動力試驗過程中，以 250 km/h 坡道恒速運行時制動盤平均溫度曲線和恒功率控制曲線；表3 是純空氣制動工況下，按照不同運行速度恒速下坡過程中制動盤和閘片最高平均溫度、坡底緊急制動過程中制動盤和閘片最高平均溫度。

表3 模擬坡道帶閘恒速運行至坡底后立即緊急制動試驗溫度結(jié)果

圖8 250 km/h 速度坡道恒速運行時，制動功率和制動盤平均溫度曲線

從圖9 可看出，全列切除電制動、動車組在45 km 長度的25‰坡道上進行恒速運行時:

①以 250 km/h、200 km/h、160 km/h 和 120 km/h速度級帶閘運行至坡底，制動盤溫度差別不大。其中250 km/h 速度運行時，車輛阻力最大，車輛恒速下坡時投入的空氣制動相對較低，制動盤溫度在上述幾個速度級里最低；

②速度低于120 km/h 時，制動盤開始呈現(xiàn)隨速度減小而盤面溫度下降明顯的趨勢，以80 km/h 速度級帶閘運行至坡底，制動盤溫度低于上述250 km/h、200 km/h、160 km/h 和 120 km/h 速度級；

③各速度級的閘片最高溫度均要高于制動盤最高溫度。同一次制動過程中，速度越低，閘片雙側(cè)壓力越大（因為阻力減小，為抵消車輛的下滑力，需要增加閘片壓力），持續(xù)制動時間越長，閘片最高溫度與制動盤最高溫度的差別越小。

從圖10 可看出，全列切除電制動，動車組在25‰坡道上進行恒速運行45 km 后，在坡底進行一次緊急制動停車，隨著速度降低，摩擦副最高平均溫度也會隨之下降，各速度級閘片最高平均溫度均大于制動盤最高平均溫度。

圖9 不同速度恒速運行時摩擦副最高溫度數(shù)值

圖10 不同速度坡底緊急制動時摩擦副最高溫度數(shù)值

（2）仿真計算結(jié)果與1：1 制動動力試驗結(jié)果對比

通過1：1 制動動力試驗，對長大坡道下制動摩擦副仿真計算模型進行了校核，1：1 制動動力試驗工況及邊界條件與仿真計算相同。

仿真與試驗結(jié)果對比見表4 所示。坡道恒速運行階段，仿真結(jié)果比試驗結(jié)果盤面溫度高13 ℃～52 ℃；坡底緊急制動，仿真結(jié)果比試驗結(jié)果盤面溫度高19 ℃～50 ℃，如圖11～圖12 所示。仿真與試驗測試結(jié)果相近，驗證了計算模型的準確性。

6 結(jié) 論

（1）在國內(nèi)首次建立了動車組在坡道恒速下坡制動時，考慮車輛阻力的1：1 制動動力試驗模型。從而使1：1制動動力試驗工況與現(xiàn)車更接近，得到的試驗結(jié)果更符合實際。

表4 模擬坡道帶閘恒速運行至坡底后立即緊急制動試驗溫度結(jié)果

圖11 不同速度恒速運行時摩擦副最高溫度數(shù)值（仿真與試驗測試對比）

圖12 不同速度坡底緊急制動時摩擦副最高溫度數(shù)值（仿真與試驗測試對比）

（2）在國內(nèi)某客運專線長度45 km 的25‰坡道線路工況下，動車組電制動故障，以250 km/h、200 km/h、160 km/h 和120 km/h 速度級帶閘運行至坡底，制動盤熱負荷差別不大。其中250 km/h 速度運行時，車輛阻力最大，車輛恒速下坡時投入的空氣制動相對較低，制動盤溫度在上述幾個速度級里最低；以各速度運行時，閘片最高溫度均要高于制動盤最高溫度，同一次制動過程中，速度越低，閘片雙側(cè)壓力越大（因為阻力減小，為抵消車輛的下滑力，需要增加閘片壓力），持續(xù)制動時間越長，閘片最高溫度與制動盤最高溫度的差別越小。

（3）仿真與試驗結(jié)果對比顯示:坡道恒速運行階段，仿真結(jié)果比試驗結(jié)果盤面溫度高13℃～52℃；坡底緊急制動，仿真結(jié)果比試驗結(jié)果盤面溫度高19℃～50℃，仿真與試驗測試結(jié)果相近，驗證了計算模型的準確性。后續(xù)動車組以不同工況在長達坡道運行時，可依據(jù)仿真計算結(jié)果提出故障工況限速建議。