辛志強(qiáng)

(中國北車 長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司, 吉林長(zhǎng)春 130062)

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高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)防冰雪吹風(fēng)系統(tǒng)

辛志強(qiáng)

(中國北車 長(zhǎng)春軌道客車股份有限公司, 吉林長(zhǎng)春 130062)

針對(duì)近年冬季服役于我國北方寒冷地區(qū)的高速動(dòng)車組頻繁出現(xiàn)的制動(dòng)盤異常磨耗問題，提出了基礎(chǔ)制動(dòng)防冰雪吹風(fēng)系統(tǒng)方案，以減少制動(dòng)盤異常磨耗情況的出現(xiàn)。通過理論計(jì)算、試驗(yàn)?zāi)M等手段確定系統(tǒng)參數(shù)及零部件選型，最終形成完整的系統(tǒng)搭建方案。通過型式試驗(yàn)和環(huán)境模擬試驗(yàn)，驗(yàn)證了本系統(tǒng)功能能夠滿足預(yù)期要求，充分證明了本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和有效性。

高速動(dòng)車組； 基礎(chǔ)制動(dòng)； 制動(dòng)盤； 異常磨耗； 防冰雪吹風(fēng)系統(tǒng)

對(duì)于鐵路動(dòng)車組而言，關(guān)乎行車安全的制動(dòng)系統(tǒng)無疑是最關(guān)鍵的系統(tǒng)之一。而對(duì)于高速運(yùn)行的載客列車而言，制動(dòng)系統(tǒng)的重要性更是不言而喻。隨著近年來高速動(dòng)車組在我國軌道交通行業(yè)的日益普遍，一些高速動(dòng)車組要在東北等高寒地區(qū)服役，這些地區(qū)冬季高寒、風(fēng)雪、結(jié)冰等氣候特征，給動(dòng)車組的正常運(yùn)行帶來了嚴(yán)峻的考驗(yàn)，冬季運(yùn)行過程中出現(xiàn)的許多問題是設(shè)計(jì)之初始料未及的。其中，制動(dòng)盤異常磨耗就是主要并亟待解決的問題之一。

關(guān)于導(dǎo)致高寒地區(qū)冬季運(yùn)營(yíng)的高速動(dòng)車組制動(dòng)盤異常磨耗(以下簡(jiǎn)稱制動(dòng)盤異常磨耗)的原因，業(yè)內(nèi)主要觀點(diǎn)是閘片與制動(dòng)盤間排屑困難及夾鉗單元?jiǎng)幼鳟惓?。在國外冬季高寒地區(qū)如北歐、俄羅斯、日本等也有高速列車運(yùn)行，為確保列車冬季的正常運(yùn)行，上述國家采取了各種融冰除雪措施(如化學(xué)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(jìn)行，而列車運(yùn)行時(shí)無法實(shí)施。也有個(gè)別方法如在線路上配備除雪裝置，因設(shè)備安裝和維護(hù)成本較高，在高寒地區(qū)所有線路上全面執(zhí)行的可行性不高。

綜上所述，找出一種能夠在高速列車運(yùn)行時(shí)緩解冰雪可能導(dǎo)致的夾鉗單元?jiǎng)幼鳟惓Ｇ页杀鞠鄬?duì)較低的方法，已經(jīng)成為急需業(yè)內(nèi)研究的重要課題。提出了一種轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)吹風(fēng)系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱吹風(fēng)系統(tǒng))，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(yùn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)附近的冰雪，防止冰雪附著凍結(jié)后影響夾鉗單元正常動(dòng)作，從而有效減少制動(dòng)盤異常磨耗的發(fā)生。

1 吹風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

安裝吹風(fēng)系統(tǒng)本質(zhì)上是對(duì)既有高速動(dòng)車組的改造，故該系統(tǒng)最基本的設(shè)計(jì)要求是不得對(duì)既有動(dòng)車組造成過多或不良影響。結(jié)合該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初衷，要求其耗風(fēng)量不得超過既有動(dòng)車組的供風(fēng)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(tǒng)設(shè)計(jì)的邊界條件

既有動(dòng)車組的供風(fēng)能力為2臺(tái)128 dm3·MPa/min的空氣壓縮機(jī)，總風(fēng)額定壓力為0.85～1 MPa，既有耗風(fēng)負(fù)載如表1所示：

表1 動(dòng)車組既有設(shè)備耗風(fēng)量

故既有動(dòng)車組供風(fēng)能力的裕量為：1 280×2-139.9=116.1 dm3·MPa/min。取安全系數(shù)為2，可得出所要增加的吹風(fēng)系統(tǒng)最大耗風(fēng)量Qmax=116.1/2 = 58.05 dm3·MPa/min。吹風(fēng)系統(tǒng)所用風(fēng)源的最大壓力為1 MPa。

1.2 系統(tǒng)的參數(shù)選擇

明確邊界條件后通過以下公式可以暫定吹風(fēng)系統(tǒng)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)車組至少有4輛車需要安裝吹風(fēng)系統(tǒng)，故每輛車吹風(fēng)系統(tǒng)的通徑D1約為3.15/2=1.57 mm，此結(jié)果顯然不合理，不能夠?qū)⒈┐党?，故吹風(fēng)系統(tǒng)不能夠持續(xù)工作，須采用間隔工作的控制策略。

通過試驗(yàn)尋找合適的通徑D。為了使吹風(fēng)系統(tǒng)能夠達(dá)到更好的吹除冰雪的效果，每個(gè)夾鉗單元設(shè)置4個(gè)吹風(fēng)噴嘴，分別吹除夾鉗單元上4個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)節(jié)點(diǎn)上的冰雪，如圖1所示。根據(jù)對(duì)制動(dòng)盤異常磨耗的統(tǒng)計(jì)，在每列車中發(fā)生異常磨耗最多的4臺(tái)車上設(shè)置吹風(fēng)系統(tǒng)，每臺(tái)車設(shè)2套吹風(fēng)系統(tǒng)，每套系統(tǒng)負(fù)責(zé)1臺(tái)轉(zhuǎn)向架上的6個(gè)夾鉗單元。在此基礎(chǔ)上通過試驗(yàn)測(cè)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(fēng)裝置的通徑D=5.5 mm最為合適，此時(shí)耗風(fēng)量Q5.5為150 dm3·MPa/min(試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果)。

圖1 夾鉗單元上的噴嘴設(shè)置

為了使吹風(fēng)系統(tǒng)的耗風(fēng)量能夠滿足邊界條件Qmax為58.05 dm3·MPa/min的要求，須設(shè)置合理的系統(tǒng)工作率。

設(shè)吹風(fēng)系統(tǒng)的工作率為N，則有：

式中n1為設(shè)置吹風(fēng)系統(tǒng)的車輛的數(shù)量，取4；n2為每輛車上設(shè)置吹風(fēng)系統(tǒng)的數(shù)量，取2。則N≤4.84%。

故吹風(fēng)系統(tǒng)每分鐘內(nèi)的工作時(shí)間不應(yīng)超過60×4.84%=2.9 s?？紤]到持續(xù)吹風(fēng)2.9 s時(shí)間較短，吹除冰雪效果不盡理想，故取每2 min工作時(shí)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(shí)全列吹風(fēng)系統(tǒng)的耗風(fēng)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(shí)的安全系數(shù)為2.32。

增加吹風(fēng)系統(tǒng)后的全列設(shè)備耗風(fēng)量由139.9 dm3·MPa/min增加至189.9 dm3·MPa/min。通過計(jì)算，增加吹風(fēng)系統(tǒng)后空壓機(jī)的工作曲線由圖2更改為圖3的形式。

圖2 增加吹風(fēng)系統(tǒng)前空壓機(jī)的工作曲線

圖3 增加吹風(fēng)系統(tǒng)后空壓機(jī)的工作曲線

根據(jù)曲線可知，增加吹風(fēng)系統(tǒng)后空壓機(jī)1的工作率為78.5%，空壓機(jī)2的工作率為69.9%。相對(duì)于增加吹風(fēng)系統(tǒng)前的81.6%和27.7%，每臺(tái)空壓機(jī)平均工作率增加了19.55%。按照每年冬季4個(gè)月每月30天、高速動(dòng)車組每天工作時(shí)間10 h、冬季每天均啟用吹風(fēng)系統(tǒng)(吹風(fēng)系統(tǒng)僅雪天和雪后1～2天使用)進(jìn)行計(jì)算，增加吹風(fēng)系統(tǒng)后，每個(gè)冬季每臺(tái)空壓機(jī)工作時(shí)間額外增加234.6 h。未安裝吹風(fēng)系統(tǒng)的高速動(dòng)車組空壓機(jī)年運(yùn)行時(shí)間約為1 350 h，安裝吹風(fēng)系統(tǒng)后，空壓機(jī)年運(yùn)行時(shí)間增加到1 584.6 h，僅增加了17.4%，對(duì)空壓機(jī)檢修和維護(hù)影響相對(duì)較小。

1.3 原理設(shè)計(jì)

根據(jù)以上參數(shù)選擇設(shè)計(jì)吹風(fēng)系統(tǒng)的原理。

系統(tǒng)最小通徑為5.5 mm，由于采用間隔吹風(fēng)的控制策略，故需設(shè)置控制電路和電磁閥，為保證不過多消耗總風(fēng)壓力，需要設(shè)置壓力開關(guān)，在總風(fēng)壓力低時(shí)及時(shí)關(guān)斷吹風(fēng)系統(tǒng)。為防止電控失效，冗余設(shè)置溢流閥，防止吹風(fēng)系統(tǒng)持續(xù)消耗總風(fēng)，同時(shí)，還需設(shè)置截?cái)嗳T用于人為關(guān)斷吹風(fēng)系統(tǒng)。吹風(fēng)系統(tǒng)原理及單車吹風(fēng)模塊原理圖見圖4～圖5。

為實(shí)現(xiàn)每2 min吹風(fēng)5 s的控制策略，需增加控制電路見圖6。

圖4 吹風(fēng)系統(tǒng)原理圖

2 吹風(fēng)系統(tǒng)的試驗(yàn)和試裝

按照吹風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理，進(jìn)行了吹風(fēng)系統(tǒng)部件加工和部件試驗(yàn)，包括溢流閥功能試驗(yàn)、單車吹風(fēng)模塊耗

風(fēng)量測(cè)量、電磁閥動(dòng)作試驗(yàn)、電磁閥和截?cái)嗳T氣密性試驗(yàn)、減壓閥功能試驗(yàn)、整體沖擊振動(dòng)試驗(yàn)、整體高低溫試驗(yàn)、電氣絕緣耐壓試驗(yàn)及環(huán)境模擬試驗(yàn)等，試驗(yàn)結(jié)果均滿足預(yù)期目標(biāo)。

試驗(yàn)完成后在高速動(dòng)車組試驗(yàn)車上進(jìn)行了吹風(fēng)系統(tǒng)的試裝，如圖7所示。

圖5 單車吹風(fēng)模塊原理圖

圖6 控制電路圖

圖7 吹風(fēng)系統(tǒng)安裝

3 結(jié)束語

提出的高速動(dòng)車組轉(zhuǎn)向架基礎(chǔ)制動(dòng)防冰雪吹風(fēng)系統(tǒng)經(jīng)過方案設(shè)計(jì)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)，并通過了部件試驗(yàn)、系統(tǒng)試驗(yàn)，最后完成了裝車試驗(yàn)。目前系統(tǒng)已通過業(yè)內(nèi)相關(guān)部門的評(píng)審確認(rèn)方案可行，近期將進(jìn)行正線運(yùn)行試驗(yàn)。有充分的理論計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果作為依據(jù)，該系統(tǒng)能正常運(yùn)作，并切實(shí)有效地減少冬季高寒地區(qū)高速動(dòng)車組制動(dòng)盤異常磨耗的發(fā)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