侯 賓

(南昌鐵路局 車輛處,江西南昌330002)

1 問題提出

溫州—福州(溫福線)鐵路于2009年9月28日開通運營,南昌鐵路局福州動車所配屬的3組CRH 1B型動車組在該線路投入運用以來,日常檢修中閘片消耗量特別大,尤其是拖車閘片使用壽命短、消耗量大,增加了動車組運用檢修成本。

2 研究對象

為了研究CRH 1B型動車組拖車閘片實際使用壽命,以CRH 1 051B車組為研究對象,對其拖車閘片的使用壽命進行了全過程跟蹤統(tǒng)計。為了消除偏磨等影響因素,采用BST公司福州售后服務(wù)站的測量方法,用多點測量、求平均值的方法來跟蹤計算拖車閘片的平均壽命。圖1是拖車閘片選擇的8個測量點。

圖1 黑點是測量點

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計

選擇CRH 1 051B車組10號車(T2車)自3月13日換上新的拖車閘片開始跟蹤,約每周測量一次。一個壽命周期共進行了4次測量,測量的平均值見表1。

表1 閘片試驗數(shù)據(jù)

經(jīng)測算,拖車閘片的平均使用壽命約為6.6萬km,壽命周期是偏短的。對上海鐵路局南翔動車所所屬CRH 1 047B車組拖車閘片的磨耗情況進行分析,車組在滬寧線運行,拖車閘片的平均壽命約為15萬km,考慮到運行速度、運行區(qū)段等因素不同,CRH1047B車組的數(shù)據(jù)只作為拖車閘片使用壽命的參考值。對杭州動車所CRH 1 057B車組拖車閘片的損耗情況進行分析,由于該列車也在溫福線運行,運行速度、客流量、線路條件等運行工況與CRH1051B車組相似,因此具有可比性。使用同樣的測算方法統(tǒng)計,該動車組拖車閘片的平均壽命約為12萬km,這個壽命周期在正常范圍。為什么相近運行條件下的這兩組動車組的拖車閘片壽命周期相差很大,對其原因進行了分析。

4 原因分析

動車組的制動過程是一個能量轉(zhuǎn)換過程,動車組制動主要由牽引電機轉(zhuǎn)換成發(fā)電機而產(chǎn)生再生制動、制動盤與閘片摩擦而產(chǎn)生機械(熱)制動兩種制動方式組成。

(1)制動能耗分析比較

根據(jù)能量守恒原理,制動過程是動能轉(zhuǎn)化為電能和機械(熱)能的過程,因此我們從上述兩組車(CRH1 051B、CRH1 057B)在閘片的一個壽命周期所對應(yīng)消耗的動能入手,進行能耗比較。

①福州動車所CRH 1 051B車組制動能耗計算。其運行交路為D3102-D3101-D3110-D3109-D3104-D3103,每2天一個循環(huán),運行里程約4 160 km,具體時刻見表2。

表2 福州動車所CRH1 051B運行時刻表

通過對運行區(qū)段速度、?？空緮?shù)量統(tǒng)計分析,列車每運行4 160 km大約要進行41次速度從250～0 km/h的制動和22次速度從200～0 km/h的制動。根據(jù)E(動能)=1/2 mv2,以每次列車從200～0 km/h制動消耗的動能E200做為基本對比單位:

當v200=200 km/h時,E200=1/2 mv2002

當v250=250 km/h=1.125 v200時,E250=1/2 mv2502=1.562 5 E200

列車速度從250～0 km/h的制動消耗的動能是速度從200～0 km/h制動消耗動能的1.562 5倍,即

E250=1.562 5E200

CRH 1 051B車組在一個循環(huán)即每運行4 160 km的制動過程中,對應(yīng)的制動消耗的動能E趟約為:

在CRH 1 051B拖車制動閘片6.6萬km的全壽命周期中,運行循環(huán)次數(shù)N約為

N=6.6÷0.416=15.865次對應(yīng)的制動消耗的動能E總約為

②杭州動車所CRH 1 057B車組制動能耗計算。其運行交路為D3111-D3108-D 3107-D3112,每 2天一個循環(huán),運行里程約3 340 km,具體時刻見表3。

據(jù)統(tǒng)計,列車每運行3 340 km的里程大約要進行23次速度從250～0 km/h的制動和11次速度約在200 km/h的制動,同樣按照E動能=1/2mv2方式計算,其一個循環(huán)共計消耗掉的動能是46.94 E200;在閘片整個壽命周期中對應(yīng)的消耗總動能E總=1 686.47 E200。

表3 杭州動車所CRH1 057B時刻表

③對比分析。1 365.4 E200(CRH1 051B拖車閘片壽命周期對應(yīng)的消耗動能)＜1 686.47 E200(CRH1 057B拖車閘片壽命周期對應(yīng)的消耗動能)。從數(shù)據(jù)上來看,福州動車所的車組閘片不如杭州動車所的車組閘片耐用,而閘片完全一樣,運行線路、區(qū)段也相同,壽命不同可能與司機操作有關(guān),對制動過程中再生制動與機械制動比例進一步分析。

(2)再生制動與機械制動比例分析

分析發(fā)現(xiàn)南昌鐵路局的運行圖點緊張,為了貼線運行,司機經(jīng)常在高速運行至接近車站時使用7級制動減速,而上海鐵路局的司機基本上提前使用3級或4級制動減速。為此,對制動過程中電能與機械能比例進行分析,制動過程中動能轉(zhuǎn)化為電能和機械能,即:

在平滑的制動區(qū)段內(nèi),如果忽略微小的軌道高低不平順的理想狀態(tài)下:

機械系統(tǒng)做功即為制動系統(tǒng)消耗的能量和空氣阻力消耗能量總和。由此可以得到:

上式說明在制動過程中列車的動能主要有3部分消耗:列車發(fā)電即再生制動;空氣阻力和列車機械制動。

根據(jù)能量守恒

由于 Ek(動能)是恒量,所以只有 E電能 +W空氣阻力值最大時,W機械制動力值最小。也即閘片磨耗最少。

對于不同制動等級,對應(yīng)的a不同。對于CRH1B型車,各級制動時列車的加速度如下:

1級制動時,a=-0.1 m/s2;2級制動時,a=-0.18m/s2;3級制動時,a=-0.26m/s2;4級制動時,a=-0.36m/s2;5級制動時,a=-0.44 m/s2;6級制動時,a=-0.63m/s2;7級制動時,a=-0.68m/s。

可以看出,采用的制動級別越低,制動距離 S越大,此時 E電能+W空氣阻力值也越大,其相應(yīng) W制動阻力最小,閘片磨耗最少。

(3)通過直接計算靜態(tài)閘片推力和制動缸壓力的方法進行求證。

靜態(tài)閘片推力K可采用下列公式計算:

式中 d為制動缸直徑,m;γ為制動倍率;F制動缸壓力為制動缸壓力,kPa;F緩解彈簧力為緩解彈簧力,動車取 500 N,拖車取630 N。

看出靜態(tài)閘片推力K直接與制動缸壓力成正比,制動缸壓力越大,閘片推力越大,因此對制動缸壓力進行分析。圖2～圖5分別為1,3,4,7級制動力分配曲線。紅色為電制動力,藍色為拖車機械制動力,黃色為動車機械制動力,綠色為空氣阻力。從圖中可以看出,制動級位越低,機械制動力越小,其對應(yīng)的制動缸壓力越小;制動級位越高機械制動力越大,其對應(yīng)的制動缸壓力越大?？梢娭苿蛹墑e越高閘片承受的負荷越大,其磨耗也越快。溫福線上福州動車組司機經(jīng)常使用7級制動,使動車組在制動過程中,W制動力值趨向最大值,機械制動力做功多,從而減少了制動閘片使用壽命。上述分析印證了常用7級制動操縱導(dǎo)致閘片磨耗過快的原因。

從另一個方面來說,采取高級別制動還容易使制動盤產(chǎn)生熱裂紋。對比了溫福線與滬昆線上運行的CRH 1型動車組的制動盤表面情況,在運行里程相近的情況下,滬昆線上動車組制動盤出現(xiàn)的熱裂紋明顯較少。據(jù)了解,國外(日本)曾有要求,當動車組使用快速制動后,必須立即對全列車機械制動系統(tǒng)進行檢查,確認無異狀后方可繼續(xù)運行,這也是基于對高級別制動客觀存在一定危害而做出的安全要求。

圖2 1級常用制動的制動力分配曲線

圖3 3級常用制動的制動力分配曲線

圖4 4級常用制動的制動力分配曲線

圖5 7級常用制動的制動力分配曲線

因此,無論從閘片磨損、制動盤熱損、安全性、經(jīng)濟性及旅客舒適度來看,都應(yīng)當盡量采用由低到高、遞進式的制動方式,既可最大限度利用電制動能量,又可減少閘片磨損。

5 幾點建議

(1)在編制運行圖時,合理制訂運行標尺,適當增加起停附加時分,使司機在進站前有條件采取低級別制動減速。

(2)接觸網(wǎng)設(shè)計中,在靠近車站兩端盡量不設(shè)分相區(qū),使動車組進站減速時可最大程度利用再生制動。

(3)從動車組設(shè)計角度,進一步研究動、拖車制動力分配比例和閘片材質(zhì),使動車與拖車制動閘片使用壽命、經(jīng)濟價值更為合理、安全。

[1]龐巴迪.CRH1型時速200～250 km 16輛編組座車動車組綜合性能試驗大綱[R].2009.

[2]龐巴迪.CRH1B16輛編組座車電動車組供貨技術(shù)條件[R].2009.

[3]龐巴迪.CRH項目TCMS 2.1版軟件圖[R].2010.

[4]龐巴迪.CRH項目TCMS 2.1版軟件說明,制動部分系統(tǒng)[R].2010.