高速動車組轉向架基礎制動防冰雪吹風系統

辛志強

(中國北車 長春軌道客車股份有限公司, 吉林長春 130062)

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高速動車組轉向架基礎制動防冰雪吹風系統

辛志強

(中國北車 長春軌道客車股份有限公司, 吉林長春 130062)

針對近年冬季服役于我國北方寒冷地區的高速動車組頻繁出現的制動盤異常磨耗問題，提出了基礎制動防冰雪吹風系統方案，以減少制動盤異常磨耗情況的出現。通過理論計算、試驗模擬等手段確定系統參數及零部件選型，最終形成完整的系統搭建方案。通過型式試驗和環境模擬試驗，驗證了本系統功能能夠滿足預期要求，充分證明了本系統設計的合理性和有效性。

高速動車組； 基礎制動； 制動盤； 異常磨耗； 防冰雪吹風系統

對于鐵路動車組而言，關乎行車安全的制動系統無疑是最關鍵的系統之一。而對于高速運行的載客列車而言，制動系統的重要性更是不言而喻。隨著近年來高速動車組在我國軌道交通行業的日益普遍，一些高速動車組要在東北等高寒地區服役，這些地區冬季高寒、風雪、結冰等氣候特征，給動車組的正常運行帶來了嚴峻的考驗，冬季運行過程中出現的許多問題是設計之初始料未及的。其中，制動盤異常磨耗就是主要并亟待解決的問題之一。

關于導致高寒地區冬季運營的高速動車組制動盤異常磨耗(以下簡稱制動盤異常磨耗)的原因，業內主要觀點是閘片與制動盤間排屑困難及夾鉗單元動作異常。在國外冬季高寒地區如北歐、俄羅斯、日本等也有高速列車運行，為確保列車冬季的正常運行，上述國家采取了各種融冰除雪措施(如化學除冰或高溫除冰等)。這些措施行之有效但也有局限性，只能在列車回庫后進行，而列車運行時無法實施。也有個別方法如在線路上配備除雪裝置，因設備安裝和維護成本較高，在高寒地區所有線路上全面執行的可行性不高。

綜上所述，找出一種能夠在高速列車運行時緩解冰雪可能導致的夾鉗單元動作異常且成本相對較低的方法，已經成為急需業內研究的重要課題。提出了一種轉向架基礎制動吹風系統(以下簡稱吹風系統)，其原理是通過車上壓縮空氣吹除附著在夾鉗單元、特別是其運動節點附近的冰雪，防止冰雪附著凍結后影響夾鉗單元正常動作，從而有效減少制動盤異常磨耗的發生。

1 吹風系統的設計

安裝吹風系統本質上是對既有高速動車組的改造，故該系統最基本的設計要求是不得對既有動車組造成過多或不良影響。結合該系統的設計初衷，要求其耗風量不得超過既有動車組的供風能力，零部件的安裝不得影響既有部件，供電必須使用既有電源。

1.1 系統設計的邊界條件

既有動車組的供風能力為2臺128 dm3·MPa/min的空氣壓縮機，總風額定壓力為0.85～1 MPa，既有耗風負載如表1所示：

表1 動車組既有設備耗風量

故既有動車組供風能力的裕量為：1 280×2-139.9=116.1 dm3·MPa/min。取安全系數為2，可得出所要增加的吹風系統最大耗風量Qmax=116.1/2 = 58.05 dm3·MPa/min。吹風系統所用風源的最大壓力為1 MPa。

1.2 系統的參數選擇

明確邊界條件后通過以下公式可以暫定吹風系統的通徑D：

式中L為流量，m3/s；D為通徑大小，m；P為工作壓力，Pa;暫定106Pa；P0：標準大氣壓，取105Pa；ρ為空氣密度，取1.293 kg/m3。

可得最大通徑D為3.15 mm。考慮到8輛編組的高速動車組至少有4輛車需要安裝吹風系統，故每輛車吹風系統的通徑D1約為3.15/2=1.57 mm，此結果顯然不合理，不能夠將冰雪吹除，故吹風系統不能夠持續工作，須采用間隔工作的控制策略。

通過試驗尋找合適的通徑D。為了使吹風系統能夠達到更好的吹除冰雪的效果，每個夾鉗單元設置4個吹風噴嘴，分別吹除夾鉗單元上4個轉動節點上的冰雪，如圖1所示。根據對制動盤異常磨耗的統計，在每列車中發生異常磨耗最多的4臺車上設置吹風系統，每臺車設2套吹風系統，每套系統負責1臺轉向架上的6個夾鉗單元。在此基礎上通過試驗測試一系列不同尺寸的通徑D的除冰效果，最終確定每套吹風裝置的通徑D=5.5 mm最為合適，此時耗風量Q5.5為150 dm3·MPa/min(試驗測量結果)。

圖1 夾鉗單元上的噴嘴設置

為了使吹風系統的耗風量能夠滿足邊界條件Qmax為58.05 dm3·MPa/min的要求，須設置合理的系統工作率。

設吹風系統的工作率為N，則有：

式中n1為設置吹風系統的車輛的數量，取4；n2為每輛車上設置吹風系統的數量，取2。則N≤4.84%。

故吹風系統每分鐘內的工作時間不應超過60×4.84%=2.9 s?？紤]到持續吹風2.9 s時間較短，吹除冰雪效果不盡理想，故取每2 min工作時間不超過2×2.9=5.8 s，為便于控制，取為5 s，即每2 min工作5 s。此時全列吹風系統的耗風量Qall為：

Qall=N1×n1×n2×Q5.5=50dm3·MPa/min

N1為修改后的工作率，取5/120 = 4.17%

此時的安全系數為2.32。

增加吹風系統后的全列設備耗風量由139.9 dm3·MPa/min增加至189.9 dm3·MPa/min。通過計算，增加吹風系統后空壓機的工作曲線由圖2更改為圖3的形式。

圖2 增加吹風系統前空壓機的工作曲線

圖3 增加吹風系統后空壓機的工作曲線

根據曲線可知，增加吹風系統后空壓機1的工作率為78.5%，空壓機2的工作率為69.9%。相對于增加吹風系統前的81.6%和27.7%，每臺空壓機平均工作率增加了19.55%。按照每年冬季4個月每月30天、高速動車組每天工作時間10 h、冬季每天均啟用吹風系統(吹風系統僅雪天和雪后1～2天使用)進行計算，增加吹風系統后，每個冬季每臺空壓機工作時間額外增加234.6 h。未安裝吹風系統的高速動車組空壓機年運行時間約為1 350 h，安裝吹風系統后，空壓機年運行時間增加到1 584.6 h，僅增加了17.4%，對空壓機檢修和維護影響相對較小。

1.3 原理設計

根據以上參數選擇設計吹風系統的原理。

系統最小通徑為5.5 mm，由于采用間隔吹風的控制策略，故需設置控制電路和電磁閥，為保證不過多消耗總風壓力，需要設置壓力開關，在總風壓力低時及時關斷吹風系統。為防止電控失效，冗余設置溢流閥，防止吹風系統持續消耗總風，同時，還需設置截斷塞門用于人為關斷吹風系統。吹風系統原理及單車吹風模塊原理圖見圖4～圖5。

為實現每2 min吹風5 s的控制策略，需增加控制電路見圖6。

圖4 吹風系統原理圖

2 吹風系統的試驗和試裝

按照吹風系統的設計原理，進行了吹風系統部件加工和部件試驗，包括溢流閥功能試驗、單車吹風模塊耗

風量測量、電磁閥動作試驗、電磁閥和截斷塞門氣密性試驗、減壓閥功能試驗、整體沖擊振動試驗、整體高低溫試驗、電氣絕緣耐壓試驗及環境模擬試驗等，試驗結果均滿足預期目標。

試驗完成后在高速動車組試驗車上進行了吹風系統的試裝，如圖7所示。

圖5 單車吹風模塊原理圖

圖6 控制電路圖

圖7 吹風系統安裝

3 結束語

提出的高速動車組轉向架基礎制動防冰雪吹風系統經過方案設計、系統設計、詳細設計，并通過了部件試驗、系統試驗，最后完成了裝車試驗。目前系統已通過業內相關部門的評審確認方案可行，近期將進行正線運行試驗。有充分的理論計算和試驗結果作為依據，該系統能正常運作，并切實有效地減少冬季高寒地區高速動車組制動盤異常磨耗的發生。

Icing Against System of Bogie Fundamental Brake Device for EMU

XINZhiqiang

(CNR Changchun Railway Vehicle Co., Ltd., Changchun 130062 Jilin, China)

An icing against system scheme for fundamental brake device is proposed in this paper because of the brake disc's abnormal wear problem appearing frequently on EMU serving in north area of China. The system parameters and parts selection are confirmed by theoretical calculating and testing emulation, and the complete system building scheme is accomplished finally. Type tests and environmental simulative tests can prove the reasonability and availability of this system fully.

EMU; fundamental brake device; brake disc; abnormal wear; icing against system

1008-7842 (2015) 03-0080-03

??)男，工程師(

2014-10-10)

U266.2.8.35

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.20