CR200J動力集中電動車組(短編)制動計算與試驗驗證

孫新海, 金 哲, 郭彥峰

(1 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；2 北京縱橫機電科技有限公司， 北京 100094)

CR200J動力集中電動車組實現了列車的雙端操縱，大幅減少了調車和折返作業時間，可有利提升鐵路運輸組織效率，提高列車的利用率，加快普速鐵路的捷運化升級。CR200J動力集中電動車組的空氣制動系統沿用了自動制動機的控制模式，與既有機車、客車制動系統兼容，技術經濟性良好。其空氣制動的控制模式與現有機客列車的空氣制動原理基本相同，即以列車管壓力變化來控制自動制動機的動作實現動車組的制動與緩解，也就是通常所說的純空氣制動。空氣制動過程中由基礎裝置將巨大的運行動能通過摩擦方式轉化成熱能，并在很短時間內消散到大氣中，實現列車的調速和停車。動力車的停放制動采用帶停放制動的制動夾鉗單元實現，拖車和控制車的停放制動通過車輛手制動機進行人力施加。

1 技術要求

1.1 編組形式

電動車(短編)編組：1MC+3T+1Tb+3T+1TC，參見圖1所示。

其中：MC為帶司機室的動力車；T為普通拖車；Tb為帶餐吧的拖車；TC為帶司機室的拖車，即控制車。

圖1 CR200J動力集中電動車(短編)編組示意圖

1.2 制動距離

電動車組應能夠保證超過定員載荷30%工況時，在平直道上空氣制動緊急制動距離滿足《鐵路技術管理規程》的規定限值。

即：制動初速度160 km/h時，S≤1 400 m[1]；制動初速度120 km/h時，S≤800 m。

1.3 停放制動[1]

(1)動力車停放制動應能保證本車在30‰坡道上安全停放；

(2)拖車和控制車手制動應能保證本車定員載荷下在12‰坡道上安全停放；

(3)動力車的停放制動、拖車和控制車的手制動共同作用時，應保證動車組在定員載荷下12‰坡道無動力停放要求的規定。

2 車輛基本信息

2.1 動力車

(1)車輪直徑(新輪)/mm 1 250

(2)軸重(設計標稱值)/t 19.5

(3)車軸數量： 4

(4)緊急制動制動缸風壓/kPa 450

2.2 拖車和控制車

(1)車輪直徑(新輪)/mm 915

(2)軸重(設計標稱值)/t 16.5

(3)車軸數量 4

(4)緊急制動制動缸風壓/kPa 420

3 基礎制動配置

3.1 動力車

動力車基礎制動裝置采用輪裝式盤形制動裝置，主要包括輪裝制動盤、制動夾鉗單元和閘片等，參見圖2所示。制動夾鉗單元采用3點吊掛方式，根據功能可分為帶停放制動夾鉗單元和不帶停放制動夾鉗單元兩種。每輛動力車配置8套盤形制動裝置，其中每軸配置1套帶停放制動夾鉗單元。

圖2 動力車盤形制動裝置組成

基本參數：

(1)制動盤有效摩擦半徑/mm 460

(2)制動夾鉗杠桿制動倍率 2.0

(3)制動缸有效直徑/mm 254

(4)停放制動閘片托輸出力/kN ≥35

(5)閘片標準平均摩擦系數

120 km/h制動初速度 0.36

160 km/h制動初速度 0.35

(6)靜摩擦系數 ≥0.35

3.2 拖車和控制車

拖車和控制車基礎制動裝置采用相同的軸裝式盤形制動裝置，主要包括軸裝制動盤、制動夾鉗單元和閘片等，參見圖3所示。制動夾鉗單元采用3點吊掛方式，根據功能可分為帶手制動夾鉗單元和不帶手制動夾鉗單元兩種。每輛拖車和控制車均配置8套盤形制動裝置，其中每輛車配置1套帶手制動夾鉗單元。

圖3 拖車和控制車盤形制動裝置組成

基本參數：

(1)制動盤有效摩擦半徑/mm 247

(2)制動夾鉗杠桿制動倍率 3.38

(3)制動缸有效直徑/mm 203

(4)手制動夾鉗閘片托輸出力/kN ≥63

(5)閘片標準平均摩擦系數

120 km/h制動初速度 0.36

160 km/h制動初速度 0.36

(6)靜摩擦系數 ≥0.35

4 制動計算

4.1 參考依據

依據TB/T 1407-1998《列車牽引計算規程》、TJ/JW 055-2014《交流傳動機車粉末冶金閘片暫行技術條件》、TJ/CL561-2018《鐵路客車粉末冶金閘片暫行技術條件》和主機廠提供的動力車、拖車和控制車的車輛信息(包括質量和運行阻力等)。

4.2 列車模型

列車模型見表1。

表1 列車模型

4.3 車輛模型

4.3.1車輪與載荷模型

車輪與載荷模型見表2。

表2 車輪與載荷模型

4.3.2制動夾鉗單元模型

制動夾鉗單元模型見表3。

表3 制動夾鉗單元模型

4.3.3摩擦副模型

摩擦副模型見表4。

表4 摩擦副模型

4.4 緊急制動計算

4.4.1制動力

制動力計算見式(1)。

(1)

式中，FB_AW_j為不同載荷下的每輛車制動力，kN；(j=0,3)。

制動初速度120km/h工況時，動車組制動力曲線見圖4所示；制動初速度160 km/h工況時，動車組制動力曲線參見圖5所示。

圖4 制動力變化曲線(初速度=120 km/h)

圖5 制動力變化曲線(初速度=160 km/h)

4.4.2制動減速度

制動減速度計算見式(2)。

aB_AW_j=FB_AW_j/(MAW_j+MAW_0·Jz)

(2)

式中，aB_AW_j為不同載荷下的制動減速度，m/s2；MAW_j為載荷質量，t。

制動初速度120 km/h工況時，動車組減速度曲線見圖6所示；制動初速度160 km/h工況時，動車組減速度曲線見圖7所示。

圖6 減速度曲線(初速度=120 km/h)

4.4.3制動距離與平均減速度

(1)制動距離

制動距離計算見式(3)，制動距離計算結果參見表5。

圖7 減速度曲線(初速度=160 km/h)

(3)

式中，SZ_AW_j為不同載荷下的制動距離，m；

vk為離散化速度，km/h；

k為離散點編號；

Ns為離散點數量，個；

v0為制動初速度，km/h。

(2)平均減速度

平均減速度計算見式(4)，平均減速度計算結果參見表5。

(4)

式中，aBa_AW_j為不同載荷下的平均減速度，m/s2。

表5 不同初速度下的制動距離與平均減速度

4.5 停放制動計算

動力車和拖車(包括控制車)停放制動的技術指標要求不同，停放制動的裝置和施加方式也不一樣，按車種分別進行停放制動計算。拖車(包括控制車)按照最大設計軸重(16.5 t)進行停放制動計算。

4.5.1坡道要求

停放制動坡道要求見表6。

表6 停放制動坡道要求

4.5.2基本配置

停放制動基本配置見表7。

表7 停放制動基本配置參數

4.5.3停放制動力

停放制動力計算見式(5)，停放制動力計算結果見表8。

(5)

表8 停放制動力

4.5.4坡道下滑力

動力車和拖車(包括控制車)坡道下滑力計算見式(6)和式(7)，坡道下滑力計算結果見表9。

Ft_R_AW_0=MAW_0·9.8·sinip_AW_0

(6)

和

Ft_R_AW_3=MAW_3·9.8·sinip_AW_3

(7)

表9 車輛坡道下滑力

4.5.5坡道防滾安全余量

動力車和拖車(包括控制車)坡道防滾安全余量計算見式(8)和式(9)，坡道防滾安全余量計算結果見表10。

δR_AW_0=MAW_0=FPB/Ft_R_AW_0

(8)

和

δR_AW_3=MAW_0=FPB/Ft_R_AW_3

(9)

表10 坡道防滾安全余量

5 試驗驗證

5.1 緊急制動試驗

2017年10月22日在中國鐵道科學研究院集團有限公司國家鐵道試驗中心進行了由中車大連機車車輛有限公司和中車南京浦鎮車輛有限公司聯合制造的CR200J動力集中電動車組(短編)樣車的制動運行試驗。

參試電動車組編組信息見表11所示。純空氣緊急制動試驗結果見表12和表13。

表11 參試電動車組編組信息

表12 純空氣緊急制動試驗結果(動力車控制)

表13 純空氣緊急制動試驗結果(控制車控制)

5.2 停放制動試驗

動力車3001帶停放制動夾鉗單元閘片托輸出力、控制車400208手制動機制動手柄輸入300 N帶手制動夾鉗單元閘片托輸出力測試結果見表14。

使用全車停放制動(手制動)閘片托輸出力按計算式(10)進行計算，閘片靜態系數按照最小值0.35選取、控制車總質量按照最大值66 t(軸重16.5 t)選取，得出動力車和控制車實算最小停放坡度和最小防滾安全余量值，計算結果見表15。

表14 停放制動(手制動)閘片托輸出力實測結果

(10)

式中，iP為車輛載荷下實算停放坡度，‰；

FP_Q為全車停放制動(手制動)閘片托輸出力，kN；

MAW_j為車輛總質量，kN，(j=0,3)；

g為重力加速度，9.81 m/s2。

表15 動力車和控制車實算停放制動結果

6 結 論

通過制動設計計算和實車試驗驗證，表明CR200J動力集中電動車組(短編)的基礎制動配置合理，并得出如下結論：

(1)電動車組超過定員載荷30%，初速度為120 km/h時的緊急制動距離設計計算值為689m，經運行試驗實測純空氣緊急制動距離分別為677 m(動力車控制)和640 m(控制車控制)，設計計算值與試驗實測值相符，滿足《鐵路技術管理規程》的S≤800 m規定限值，并留有一定的距離安全余量；

(2)電動車組超過定員載荷30%，初速度為160 km/h時的緊急制動距離設計計算值為1 162 m，經運行試驗實測純空氣緊急制動距離分別為1 113 m(動力車控制)和1 123 m(控制車控制)，設計計算值與試驗實測值相符，滿足《鐵路技術管理規程》的S≤1 400 m規定限值，并留有一定的距離安全余量；

(3)動力車停放制動力在30‰坡道上的防滾安全余量設計最小計算值為1.55，經實車測試防滾安全余量最小值為1.693，均滿足TJ/CL534-2017《時速160 km動力集中電動車組暫行技術條件》中關于動力車停放制動施加時，應能保證動力車在30‰坡道上安全停放的規定要求；

(4)拖車和控制車手制動力在12‰坡道上的防滾安全余量設計最小計算值為1.53，經控制車實車測試防滾安全余量最小值為1.829，滿足TJ/CL534-2017《時速160公里動力集中電動車組暫行技術條件》中關于拖車和控制車手制動機輸入力300 N時，應保證在定員載荷下停放在12‰的坡道上不溜逸的規定要求；

(5)動力車的停放制動、拖車和控制車的手制動共同作用時，可以滿足TJ/CL534-2017《時速160公里動力集中電動車組暫行技術條件》中應保證動車組在定員載荷下12‰坡道無動力停放要求的規定。