車輛阻力對高速動車組制動盤熱負荷的影響*

呂寶佳， 李繼山， 焦標強， 陳德峰， 顧磊磊， 宋躍超

(1 北京縱橫機電技術開發公司， 北京 100094；2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京 100081)

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車輛阻力對高速動車組制動盤熱負荷的影響*

呂寶佳1,2， 李繼山1,2， 焦標強1,2， 陳德峰1， 顧磊磊1,2， 宋躍超1

(1 北京縱橫機電技術開發公司， 北京 100094；2 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京 100081)

動車組高速制動時，由于車輛自身阻力及風阻作用，制動盤承受的熱負荷會降低。建立了高速制動時考慮車輛阻力的1∶1制動動力試驗模型。利用高速1∶1制動動力試驗臺，研究了制動初速度350 km/h時車輛阻力對制動盤熱負荷的影響，使1∶1制動動力試驗工況與現車更接近，得到的試驗結果更符合實際。

制動盤； 阻力； 熱負荷

國內外高速列車基礎制動系統普遍采用盤型制動裝置，盤形制動裝置是動車組的重要組成部分。隨著列車速度的提高，制動盤承受的熱負荷越來越大[1]。因此，高速動車組設計階段，如何得到準確的制動盤溫升，對評價高速動車組制動盤配置方案是否合理，以及指導制動盤結構和材料的改進優化具有十分重要的意義。目前，國內制動盤熱負荷研究方法主要是有限元仿真和1∶1制動動力試驗，兩種研究方法均未考慮高速階段車輛所受阻力對制動盤熱負荷的影響[2-3]，因此兩種方法得到的制動盤溫升比實際要大。本文將列車阻力考慮到制動盤1∶1制動動力試驗中，通過試驗方法得到車輛阻力對制動盤溫升的具體影響。

1 車輛阻力

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。因此，在研究高速純空氣制動工況下制動盤熱負荷情況時，車輛阻力是不能忽略的。

國內某8輛編組動車組車輛阻力與速度關系如圖1所示。隨著速度增加，車輛阻力明顯增加，350 km/h時車輛阻力達到75 kN。而350 km/h緊急制動時車輛總制動力為326 kN，其中車輛阻力占到總制動力的23%。

2 制動盤1∶1制動動力試驗

2.1 試驗目的及內容

1∶1制動動力試驗臺的作用是通過模擬高速動車組制動的方法，模擬高速動車組制動盤在不同工況的停車制動，考核制動盤材質的力學性能、熱物理性能以及摩擦磨損等性能，并根據試驗結果對制動盤摩擦副改進和優化，最終使制動盤材料和結構達到最優。

圖1 某8輛編組動車組所受車輛阻力與速度關系

為了達到改進和優化制動盤的目的，1∶1制動動力試驗工況要盡量與現車一致。低速階段，車輛阻力較小，進行1∶1制動動力試驗時可忽略其影響。但高速階段，尤其是200 km/h以上，車輛阻力增長明顯，為了使1∶1制動動力試驗工況與現車一致，車輛阻力的影響不可忽略。因此，為了準確得到高速制動時車輛阻力對制動盤熱負荷影響，進行了相同工況下未考慮車輛阻力和考慮車輛阻力兩種試驗對比。

2.2 1∶1制動動力試驗考慮車輛阻力的方法

高速動車組制動系統試驗室的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。

(1)

2.3 試驗工況

試驗速度 350 km/h

輪徑 920 mm

制動盤初始溫度 60℃

閘片雙側夾緊力 22/39 kN(壓力轉換點：250 km/h)

制動盤類型 鑄鋼輪裝制動盤

制動盤外徑 750 mm

制動盤摩擦半徑 305 mm

閘片材料 粉末冶金

未考慮車輛阻力 軸重=17 t

考慮車輛阻力 按式(1)計算軸重

2.4 試驗結果對比

兩種試驗結果見表1所示。兩次制動時，制動初速度均為350 km/h，雙側閘片壓力均為22/39 kN，制動盤初始溫度均為60℃，只有軸重不同。試驗軸重1是不考慮車輛阻力，軸重恒定為17 t；試驗軸重2是考慮車輛阻力，軸重按式1設置。

表1 試驗數據

試驗結果顯示：考慮車輛阻力后，制動盤盤面最高溫度比恒軸重工況低了65℃，制動盤熱負荷降低了10%，圖2為兩種工況制動盤溫度對比曲線。由于熱負荷降低，閘片平均摩擦系數提高了0.01，圖3為兩種工況閘片瞬時摩擦系數對比曲線，閘片承受熱負荷降低，相應摩擦系數有所提高。

圖4是未考慮車輛阻力工況，試驗后制動盤盤面狀態；圖5是考慮車輛阻力工況，試驗后制動盤盤面狀態。兩種工況試驗后，制動盤盤面狀態良好，無熱斑、裂紋等不良缺陷。

圖2 兩種工況下制動盤溫度曲線

圖3 兩種工況下閘片瞬時摩擦系數曲線

圖4 未考慮車輛阻力工況，試驗后制動盤盤面狀態

圖5 考慮車輛阻力工況，試驗后制動盤盤面狀態

3 結 論

(1)在國內首次建立了高速制動時，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車更接近，得到的試驗結果更符合實際。

(2)初速度350 km/h制動時，考慮車輛阻力后，制動盤盤面最高溫度比未考慮車輛阻力工況低了65℃，制動盤熱負荷降低了10%。

(3)初速度350 km/h制動時，考慮車輛阻力后，制動摩擦副熱負荷降低，閘片平均摩擦系數提高了0.01，1∶1制動動力試驗測得的閘片摩擦系數更準確，有利于車輛制動控制。

[1] 李和平，林祜亭．高速列車基礎制動系統的設計研究[J]，中國鐵道科學，2003, 24(2):8-13.

[2] 李繼山. 高速動車組制動摩擦副的仿真分析[J]，鐵道機車車輛，2011，31(10):93-96.

[3] 焦標強. 高速動車組制動盤試驗研究分析[J]，鐵道機車車輛，2011，31(10):97-99.

Influence of High Speed EMU Resistance on Brake Disc Thermal Load

LYUBaojia1,2,LIJishan1,2,JIAOBiaoqiang1,2,CHENDefeng1,GULeilei1,2,SONGYuechao1

(1 Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co, Beijing 100094, China 2 Lowmotive & Car Reasearch Institute China Academy of Railway Science, Beijing 100081, China)

When high-speed braking, due to the vehicle itself resistance and wind resistance, brake disc's thermal load is reduced. This paper establishes the full scaled dynamometer test model considering vehicle resistance. Using the full scaled dynamometer test bench, this paper gets the influence of high speed EMU resistance on brake disc's thermal load, makes the full scaled dynamometer test condition close to the real vehicle, and gets the test result close to actual.

brake disc; resistance; thermal load

1008-7842 (2015) 03-0031-02

*中國鐵路總公司科技開發計劃項目(2013J008-B、2014J004-G);中國鐵道科學研究院基金項目(2013YJ022)

??)男，助理研究員(

2014-12-04)

U270.351

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.07