安裝風(fēng)阻制動(dòng)裝置的高速列車制動(dòng)距離研究

馬 飛，尹崇宏，劉中華，楊 磊，周宇航，王 帥

(1.中車青島四方車輛研究所有限公司， 山東 青島 266031;2.中車唐山機(jī)車車輛有限公司， 河北 唐山063035)

高速列車的制動(dòng)能量分別由再生制動(dòng)、空氣制動(dòng)和少量列車阻力構(gòu)成。正常工況下，當(dāng)緊急制動(dòng)發(fā)生時(shí)，高速列車應(yīng)發(fā)揮全部的再生制動(dòng)力，不足部分由空氣制動(dòng)補(bǔ)充。極端工況下，當(dāng)列車經(jīng)過無電區(qū)間或電制動(dòng)發(fā)生故障時(shí)，空氣制動(dòng)仍是最后的安全保障。因此，在純空氣制動(dòng)工況下高速列車緊急制動(dòng)距離仍要符合相關(guān)要求。

目前，高速列車純空氣制動(dòng)主要由產(chǎn)生機(jī)械摩擦制動(dòng)的制動(dòng)盤實(shí)現(xiàn)。其主要原理是將列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，并將其逸散。純空氣制動(dòng)的制動(dòng)力等于輪軌接觸點(diǎn)的切向力，這個(gè)切向力的上限值稱為黏著力。制動(dòng)黏著系數(shù)直接通過輪軌間的黏著狀態(tài)影響列車“黏著力”。目前，國內(nèi)對(duì)于速度大于120 km/h的高速輪軌黏著研究尚屬空白，各車型分別以國外原型車的黏著系數(shù)值進(jìn)行制動(dòng)力設(shè)計(jì)。以CRH380AL動(dòng)車組為例，其緊急制動(dòng)實(shí)際利用黏著系數(shù)曲線(圖1)已貼近日本新干線干軌黏著系數(shù)曲線，超過濕軌黏著系數(shù)且沒有余量[1-2]，在天氣狀態(tài)較差的條件下增加了滑行和擦輪的危險(xiǎn)。

圖1 CRH380AL緊急制動(dòng)實(shí)際利用黏著系數(shù)

為提升高速列車緊急制動(dòng)時(shí)的安全性，縮短緊急制動(dòng)距離，不依賴輪軌間黏著的非黏著制動(dòng)方式越來越受到技術(shù)人員的重視。非黏著制動(dòng)是指不依賴于車輛與鋼軌接觸產(chǎn)生的黏著力而完成制動(dòng)的方式，包括磁軌制動(dòng)、渦流制動(dòng)和風(fēng)阻制動(dòng)等。相對(duì)磁軌制動(dòng)和渦流制動(dòng)，風(fēng)阻制動(dòng)裝置質(zhì)量較輕，結(jié)構(gòu)簡單，在高速段制動(dòng)效果尤其明顯。因此，作為高速列車黏著制動(dòng)的補(bǔ)充，風(fēng)阻制動(dòng)是一種非常合理的制動(dòng)方式。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

日本學(xué)者吉春等[3-4]最早介紹了應(yīng)用于宮崎試驗(yàn)線500 km時(shí)速M(fèi)LU002N型磁浮列車的風(fēng)阻制動(dòng)裝置，后通過空氣動(dòng)力學(xué)計(jì)算和機(jī)構(gòu)優(yōu)化，在山梨試驗(yàn)線上設(shè)計(jì)了一種新型的風(fēng)阻制動(dòng)裝置，并評(píng)估了500 km/h工況下，6套風(fēng)阻制動(dòng)裝置全開時(shí)可提供的制動(dòng)減速度。2005 年，JR東日本公司與川崎重工公司共同開發(fā)了安裝在 E954/E955系列試驗(yàn)電動(dòng)車上的“貓耳朵”型空氣動(dòng)力制動(dòng)裝置(圖2)，該型風(fēng)阻制動(dòng)裝置在以360 km/h的初速度開始進(jìn)行高減速度緊急制動(dòng)試驗(yàn)時(shí)，達(dá)到了縮短停車距離 300 m的效果[5]。近年來，日本鐵道總研(RTRI)高見創(chuàng)[6]又針對(duì)傳統(tǒng)風(fēng)阻制動(dòng)方式開啟慢、占用空間大、質(zhì)量偏大等缺點(diǎn)，開發(fā)了基于E954型試驗(yàn)車的小型分散式風(fēng)阻制動(dòng)裝置。該裝置能做到雙向開啟，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果的估算表明，在300 km/h運(yùn)行速度條件下，根據(jù)風(fēng)阻制動(dòng)裝置在車頂不同的布置情況，明線上能夠提供0.178～0.286 m/s2的制動(dòng)減速度。

圖2 分布式風(fēng)阻制動(dòng)裝置安裝實(shí)例

國內(nèi)對(duì)于風(fēng)阻制動(dòng)的技術(shù)應(yīng)用研究由同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司等共同展開。田春、吳萌嶺等[7-12]進(jìn)一步對(duì)風(fēng)阻制動(dòng)的基本原理、翼型、車頂布置等進(jìn)行了大量的仿真計(jì)算分析。2014年，安裝3套該型風(fēng)阻制動(dòng)裝置的試驗(yàn)列車在滬昆線南昌段完成了時(shí)速350 km工況的緊急制動(dòng)試驗(yàn)，縮短列車緊急制動(dòng)距離約150 m。

不難發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外目前對(duì)于風(fēng)阻制動(dòng)技術(shù)的研究集中在機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、單機(jī)阻力特性和風(fēng)阻制動(dòng)裝置的車頂分布方案等方面，而對(duì)于風(fēng)阻制動(dòng)裝置的布置方案對(duì)列車緊急制動(dòng)距離的影響缺乏直接的計(jì)算評(píng)估。本文基于中車青島四方車輛研究所有限公司和西南交通大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的新型分布式風(fēng)阻制動(dòng)裝置，依托計(jì)算流體力學(xué)(CFD)工具和制動(dòng)力綜合模型搭建，直接對(duì)不同風(fēng)阻制動(dòng)裝置布置方案下的列車緊急制動(dòng)距離進(jìn)行分析研究，評(píng)估風(fēng)阻制動(dòng)的適用速度區(qū)間和制動(dòng)效果，并總結(jié)出一般性結(jié)論。

2 風(fēng)阻制動(dòng)裝置

風(fēng)阻制動(dòng)裝置有很多種形式，但其基本原理均是利用列車高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的空氣阻力提供制動(dòng)力。本文研究對(duì)象為新型分布式風(fēng)阻制動(dòng)裝置，其基本尺寸由列車限界、列車橫截面布置及車內(nèi)空調(diào)風(fēng)道等因素確定。

本文研究的高速列車用分布式風(fēng)阻制動(dòng)裝置安裝基座沉入車體，參考了既有空調(diào)安裝接口，最大高度為100 mm，占用空間小，布置靈活。風(fēng)阻板關(guān)閉時(shí)兩端邊緣處有輕微弧度，與車體上表面保持平齊，從而保證正常行駛時(shí)車頂安裝的風(fēng)阻制動(dòng)裝置不增加阻力。風(fēng)阻板尺寸為1 272 mm×378 mm，按照75°角打開時(shí)風(fēng)阻板迎風(fēng)面高度為365 mm。風(fēng)阻制動(dòng)裝置有2塊對(duì)稱布置的風(fēng)阻板和相應(yīng)內(nèi)部機(jī)構(gòu)，安裝在同一塊固定基座上。

圖3為風(fēng)阻制動(dòng)裝置的基本機(jī)構(gòu)，其主要部件包含風(fēng)阻板、底部框架、風(fēng)阻板轉(zhuǎn)軸、拉桿、電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元、液壓緩沖器、直線導(dǎo)軌、電插鎖及限位開關(guān)等。整個(gè)機(jī)構(gòu)風(fēng)阻板起始位置為風(fēng)阻板與機(jī)身貼合位置，極限位置為風(fēng)阻板張開75°的位置。

圖3 風(fēng)阻制動(dòng)裝置機(jī)構(gòu)示意

3 制動(dòng)力計(jì)算

為準(zhǔn)確計(jì)算不同的風(fēng)阻制動(dòng)裝置布置方案對(duì)列車制動(dòng)距離的影響，本文將列車模型簡化后，采用1∶1尺度模型對(duì)列車制動(dòng)力進(jìn)行仿真計(jì)算評(píng)估。通過直接對(duì)多套風(fēng)阻制動(dòng)裝置布置方案進(jìn)行制動(dòng)力計(jì)算，可以將風(fēng)阻板之間的串聯(lián)干涉作用考慮在內(nèi)，得到更精確的結(jié)果。本文研究的對(duì)象為8輛編組的400 km/h高速列車。考慮到車頂?shù)膶?shí)際空間，本文設(shè)計(jì)了以下4種不同工況：

(1) 工況1：未安裝風(fēng)阻板；

(2) 工況2：每節(jié)車布置1套，共8套；

(3) 工況3：每節(jié)車布置2套，共16套；

(4) 工況4：每節(jié)車布置3套，共24套。

通過CFD計(jì)算分析得到以上4種工況下可提供的風(fēng)阻制動(dòng)力如表1所示，風(fēng)阻制動(dòng)裝置布置方案仿真計(jì)算流線及速度云圖如圖4所示。

表1 不同工況下風(fēng)阻板提供的制動(dòng)力 kN

圖4 風(fēng)阻制動(dòng)裝置布置方案仿真計(jì)算結(jié)果

4 制動(dòng)距離評(píng)估

圖5為車輛具體編組形式。除編組形式外，制動(dòng)距離評(píng)估中也考慮了車輛參數(shù)和除風(fēng)阻制動(dòng)裝置以外的基礎(chǔ)制動(dòng)裝置參數(shù)。列車緊急制動(dòng)的計(jì)算條件為清潔、干燥的平直道。對(duì)于時(shí)速400 km的高速列車，按照要求在300～ 400 km/h速度區(qū)間內(nèi)，其緊急制動(dòng)平均減速度a≥0.361 m/s2；在0～300 km/h速度區(qū)間內(nèi)，其緊急制動(dòng)平均減速度a≥0.933 m/s2。

Tc.帶司機(jī)室的拖車;M.動(dòng)車;Tp.帶受電弓的拖車。

計(jì)算全列車制動(dòng)力時(shí)需加上運(yùn)行阻力，根據(jù)CR400BF列車實(shí)測(cè)值，擬合得到列車基本阻力公式：F=1.32+0.018 5v+0.000 508v2，其中v是列車運(yùn)行速度。由于本文研究的分布式風(fēng)阻制動(dòng)裝置開啟時(shí)間極短(0.1 s左右)，為便于計(jì)算，認(rèn)為風(fēng)阻板實(shí)時(shí)開啟且對(duì)列車運(yùn)行阻力系數(shù)沒有影響。故直接將風(fēng)阻制動(dòng)力和運(yùn)行阻力相加，可得到不同風(fēng)阻制動(dòng)裝置布置方案下風(fēng)阻制動(dòng)的阻力公式(表2)。最后通過積分可得出不同速度區(qū)間的制動(dòng)距離。表3為空車緊急制動(dòng)距離。表4為列車速度400 km/h時(shí)空車風(fēng)阻制動(dòng)效果分析。

表2 風(fēng)阻制動(dòng)阻力公式

表3 空車緊急制動(dòng)距離 m

表4 列車速度400 km/h時(shí)空車風(fēng)阻制動(dòng)效果分析

由表3、表4可知，在設(shè)計(jì)速度400 km/h緊急制動(dòng)時(shí)，風(fēng)阻制動(dòng)裝置可以起到較好的制動(dòng)效果。在工況4下，可縮短緊急制動(dòng)距離600 m左右；在每節(jié)車僅安裝1套風(fēng)阻制動(dòng)裝置的工況2下，亦可有效縮短緊急制動(dòng)距離約300 m；在速度300 km/h緊急制動(dòng)時(shí)，即使在工況4下減小的緊急制動(dòng)距離仍不足70 m，說明在速度300 km/h以下時(shí)風(fēng)阻制動(dòng)基本失效，其有效制動(dòng)區(qū)間集中在350～400 km/h速度段。在每節(jié)車安裝的風(fēng)阻制動(dòng)裝置從1套(工況2)逐漸增加至3套(工況4)的過程中，由于各風(fēng)阻板之間存在氣動(dòng)串聯(lián)干涉現(xiàn)象，新增的風(fēng)阻制動(dòng)裝置無法發(fā)揮原裝置100%的效果，且存在邊際效用遞減的現(xiàn)象。

5 總結(jié)

本文研究了安裝風(fēng)阻制動(dòng)裝置的400 km/h高速列車制動(dòng)距離，綜合加裝風(fēng)阻制動(dòng)后不同工況下對(duì)制動(dòng)距離的改善情況，得到以下結(jié)論：

(1) 在設(shè)計(jì)速度400 km/h進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，風(fēng)阻制動(dòng)裝置可以起到較好的制動(dòng)效果。在每節(jié)車布置3套風(fēng)阻制動(dòng)裝置的工況下，可縮短緊急制動(dòng)距離600 m左右。

(2) 列車速度超過350 km/h進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，風(fēng)阻制動(dòng)效果較為明顯，可有效縮短緊急制動(dòng)距離300 m以上；在300 km/h速度等級(jí)以下制動(dòng)效果不明顯。

(3) 當(dāng)車頂布置多套風(fēng)阻制動(dòng)裝置時(shí)，由于各風(fēng)阻板之間存在干涉現(xiàn)象，新增加的風(fēng)阻制動(dòng)裝置無法提供已有裝置100%的效果，且隨著安裝數(shù)量增加，邊際效用遞減。