车辆阻力对高速动车组制动盘热负荷的影响*

吕宝佳， 李继山， 焦标强， 陈德峰， 顾磊磊， 宋跃超

(1 北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094；2 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京 100081)



车辆阻力对高速动车组制动盘热负荷的影响*

吕宝佳1,2， 李继山1,2， 焦标强1,2， 陈德峰1， 顾磊磊1,2， 宋跃超1

(1 北京纵横机电技术开发公司， 北京 100094；2 中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京 100081)

动车组高速制动时，由于车辆自身阻力及风阻作用，制动盘承受的热负荷会降低。建立了高速制动时考虑车辆阻力的1∶1制动动力试验模型。利用高速1∶1制动动力试验台，研究了制动初速度350 km/h时车辆阻力对制动盘热负荷的影响，使1∶1制动动力试验工况与现车更接近，得到的试验结果更符合实际。

制动盘； 阻力； 热负荷

国内外高速列车基础制动系统普遍采用盘型制动装置，盘形制动装置是动车组的重要组成部分。随着列车速度的提高，制动盘承受的热负荷越来越大[1]。因此，高速动车组设计阶段，如何得到准确的制动盘温升，对评价高速动车组制动盘配置方案是否合理，以及指导制动盘结构和材料的改进优化具有十分重要的意义。目前，国内制动盘热负荷研究方法主要是有限元仿真和1∶1制动动力试验，两种研究方法均未考虑高速阶段车辆所受阻力对制动盘热负荷的影响[2-3]，因此两种方法得到的制动盘温升比实际要大。本文将列车阻力考虑到制动盘1∶1制动动力试验中，通过试验方法得到车辆阻力对制动盘温升的具体影响。

1 车辆阻力

高速动车组运行时，车辆阻力主要有两方面来源：其一是车辆自身及与钢轨的摩擦阻力，其二是空气阻力，如空气和列车表面的摩擦阻力，空气对列车的正面压力和列车周围产生的涡流阻力。动车组制动时，车辆阻力会提供一部分减速度，尤其是高速制动时，车辆阻力提供的减速度会占很大部分。因此，在研究高速纯空气制动工况下制动盘热负荷情况时，车辆阻力是不能忽略的。

国内某8辆编组动车组车辆阻力与速度关系如图1所示。随着速度增加，车辆阻力明显增加，350 km/h时车辆阻力达到75 kN。而350 km/h紧急制动时车辆总制动力为326 kN，其中车辆阻力占到总制动力的23%。

2 制动盘1∶1制动动力试验

2.1 试验目的及内容

1∶1制动动力试验台的作用是通过模拟高速动车组制动的方法，模拟高速动车组制动盘在不同工况的停车制动，考核制动盘材质的力学性能、热物理性能以及摩擦磨损等性能，并根据试验结果对制动盘摩擦副改进和优化，最终使制动盘材料和结构达到最优。

图1 某8辆编组动车组所受车辆阻力与速度关系

为了达到改进和优化制动盘的目的，1∶1制动动力试验工况要尽量与现车一致。低速阶段，车辆阻力较小，进行1∶1制动动力试验时可忽略其影响。但高速阶段，尤其是200 km/h以上，车辆阻力增长明显，为了使1∶1制动动力试验工况与现车一致，车辆阻力的影响不可忽略。因此，为了准确得到高速制动时车辆阻力对制动盘热负荷影响，进行了相同工况下未考虑车辆阻力和考虑车辆阻力两种试验对比。

2.2 1∶1制动动力试验考虑车辆阻力的方法

高速动车组制动系统试验室的1∶1制动动力试验台最高运行速度达到530 km/h，具有制动惯量随速度实时变化功能。该试验台具备试验过程中考虑车辆阻力影响的功能。

式(1)从总惯量中将车辆阻力部分除去，只保留空气制动部分的惯量，最终得到试验惯量随速度的变化的关系，将该对应关系输入到试验设置中，从而考虑了车辆阻力对制动盘1∶1制动动力试验的影响。

(1)

2.3 试验工况

试验速度 350 km/h

轮径 920 mm

制动盘初始温度 60℃

闸片双侧夹紧力 22/39 kN(压力转换点：250 km/h)

制动盘类型 铸钢轮装制动盘

制动盘外径 750 mm

制动盘摩擦半径 305 mm

闸片材料 粉末冶金

未考虑车辆阻力 轴重=17 t

考虑车辆阻力 按式(1)计算轴重

2.4 试验结果对比

两种试验结果见表1所示。两次制动时，制动初速度均为350 km/h，双侧闸片压力均为22/39 kN，制动盘初始温度均为60℃，只有轴重不同。试验轴重1是不考虑车辆阻力，轴重恒定为17 t；试验轴重2是考虑车辆阻力，轴重按式1设置。

表1 试验数据

试验结果显示：考虑车辆阻力后，制动盘盘面最高温度比恒轴重工况低了65℃，制动盘热负荷降低了10%，图2为两种工况制动盘温度对比曲线。由于热负荷降低，闸片平均摩擦系数提高了0.01，图3为两种工况闸片瞬时摩擦系数对比曲线，闸片承受热负荷降低，相应摩擦系数有所提高。

图4是未考虑车辆阻力工况，试验后制动盘盘面状态；图5是考虑车辆阻力工况，试验后制动盘盘面状态。两种工况试验后，制动盘盘面状态良好，无热斑、裂纹等不良缺陷。

图2 两种工况下制动盘温度曲线

图3 两种工况下闸片瞬时摩擦系数曲线

图4 未考虑车辆阻力工况，试验后制动盘盘面状态

图5 考虑车辆阻力工况，试验后制动盘盘面状态

3 结 论

(1)在国内首次建立了高速制动时，考虑车辆阻力的1∶1制动动力试验模型。从而使1∶1制动动力试验工况与现车更接近，得到的试验结果更符合实际。

(2)初速度350 km/h制动时，考虑车辆阻力后，制动盘盘面最高温度比未考虑车辆阻力工况低了65℃，制动盘热负荷降低了10%。

(3)初速度350 km/h制动时，考虑车辆阻力后，制动摩擦副热负荷降低，闸片平均摩擦系数提高了0.01，1∶1制动动力试验测得的闸片摩擦系数更准确，有利于车辆制动控制。

[1] 李和平，林祜亭．高速列车基础制动系统的设计研究[J]，中国铁道科学，2003, 24(2):8-13.

[2] 李继山. 高速动车组制动摩擦副的仿真分析[J]，铁道机车车辆，2011，31(10):93-96.

[3] 焦标强. 高速动车组制动盘试验研究分析[J]，铁道机车车辆，2011，31(10):97-99.

Influence of High Speed EMU Resistance on Brake Disc Thermal Load

LYUBaojia1,2,LIJishan1,2,JIAOBiaoqiang1,2,CHENDefeng1,GULeilei1,2,SONGYuechao1

(1 Beijing Zongheng Electro-Mechanical Technology Development Co, Beijing 100094, China 2 Lowmotive & Car Reasearch Institute China Academy of Railway Science, Beijing 100081, China)

When high-speed braking, due to the vehicle itself resistance and wind resistance, brake disc's thermal load is reduced. This paper establishes the full scaled dynamometer test model considering vehicle resistance. Using the full scaled dynamometer test bench, this paper gets the influence of high speed EMU resistance on brake disc's thermal load, makes the full scaled dynamometer test condition close to the real vehicle, and gets the test result close to actual.

brake disc; resistance; thermal load

1008-7842 (2015) 03-0031-02

*中国铁路总公司科技开发计划项目(2013J008-B、2014J004-G);中国铁道科学研究院基金项目(2013YJ022)

��)男，助理研究员(

2014-12-04)

U270.351

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.07