高速动车组转向架基础制动防冰雪吹风系统

辛志强

(中国北车 长春轨道客车股份有限公司, 吉林长春 130062)



高速动车组转向架基础制动防冰雪吹风系统

辛志强

(中国北车 长春轨道客车股份有限公司, 吉林长春 130062)

针对近年冬季服役于我国北方寒冷地区的高速动车组频繁出现的制动盘异常磨耗问题，提出了基础制动防冰雪吹风系统方案，以减少制动盘异常磨耗情况的出现。通过理论计算、试验模拟等手段确定系统参数及零部件选型，最终形成完整的系统搭建方案。通过型式试验和环境模拟试验，验证了本系统功能能够满足预期要求，充分证明了本系统设计的合理性和有效性。

高速动车组； 基础制动； 制动盘； 异常磨耗； 防冰雪吹风系统

对于铁路动车组而言，关乎行车安全的制动系统无疑是最关键的系统之一。而对于高速运行的载客列车而言，制动系统的重要性更是不言而喻。随着近年来高速动车组在我国轨道交通行业的日益普遍，一些高速动车组要在东北等高寒地区服役，这些地区冬季高寒、风雪、结冰等气候特征，给动车组的正常运行带来了严峻的考验，冬季运行过程中出现的许多问题是设计之初始料未及的。其中，制动盘异常磨耗就是主要并亟待解决的问题之一。

关于导致高寒地区冬季运营的高速动车组制动盘异常磨耗(以下简称制动盘异常磨耗)的原因，业内主要观点是闸片与制动盘间排屑困难及夹钳单元动作异常。在国外冬季高寒地区如北欧、俄罗斯、日本等也有高速列车运行，为确保列车冬季的正常运行，上述国家采取了各种融冰除雪措施(如化学除冰或高温除冰等)。这些措施行之有效但也有局限性，只能在列车回库后进行，而列车运行时无法实施。也有个别方法如在线路上配备除雪装置，因设备安装和维护成本较高，在高寒地区所有线路上全面执行的可行性不高。

综上所述，找出一种能够在高速列车运行时缓解冰雪可能导致的夹钳单元动作异常且成本相对较低的方法，已经成为急需业内研究的重要课题。提出了一种转向架基础制动吹风系统(以下简称吹风系统)，其原理是通过车上压缩空气吹除附着在夹钳单元、特别是其运动节点附近的冰雪，防止冰雪附着冻结后影响夹钳单元正常动作，从而有效减少制动盘异常磨耗的发生。

1 吹风系统的设计

安装吹风系统本质上是对既有高速动车组的改造，故该系统最基本的设计要求是不得对既有动车组造成过多或不良影响。结合该系统的设计初衷，要求其耗风量不得超过既有动车组的供风能力，零部件的安装不得影响既有部件，供电必须使用既有电源。

1.1 系统设计的边界条件

既有动车组的供风能力为2台128 dm3·MPa/min的空气压缩机，总风额定压力为0.85～1 MPa，既有耗风负载如表1所示：

表1 动车组既有设备耗风量

故既有动车组供风能力的裕量为：1 280×2-139.9=116.1 dm3·MPa/min。取安全系数为2，可得出所要增加的吹风系统最大耗风量Qmax=116.1/2 = 58.05 dm3·MPa/min。吹风系统所用风源的最大压力为1 MPa。

1.2 系统的参数选择

明确边界条件后通过以下公式可以暂定吹风系统的通径D：

式中L为流量，m3/s；D为通径大小，m；P为工作压力，Pa;暂定106Pa；P0：标准大气压，取105Pa；ρ为空气密度，取1.293 kg/m3。

可得最大通径D为3.15 mm。考虑到8辆编组的高速动车组至少有4辆车需要安装吹风系统，故每辆车吹风系统的通径D1约为3.15/2=1.57 mm，此结果显然不合理，不能够将冰雪吹除，故吹风系统不能够持续工作，须采用间隔工作的控制策略。

通过试验寻找合适的通径D。为了使吹风系统能够达到更好的吹除冰雪的效果，每个夹钳单元设置4个吹风喷嘴，分别吹除夹钳单元上4个转动节点上的冰雪，如图1所示。根据对制动盘异常磨耗的统计，在每列车中发生异常磨耗最多的4台车上设置吹风系统，每台车设2套吹风系统，每套系统负责1台转向架上的6个夹钳单元。在此基础上通过试验测试一系列不同尺寸的通径D的除冰效果，最终确定每套吹风装置的通径D=5.5 mm最为合适，此时耗风量Q5.5为150 dm3·MPa/min(试验测量结果)。

图1 夹钳单元上的喷嘴设置

为了使吹风系统的耗风量能够满足边界条件Qmax为58.05 dm3·MPa/min的要求，须设置合理的系统工作率。

设吹风系统的工作率为N，则有：

式中n1为设置吹风系统的车辆的数量，取4；n2为每辆车上设置吹风系统的数量，取2。则N≤4.84%。

故吹风系统每分钟内的工作时间不应超过60×4.84%=2.9 s。考虑到持续吹风2.9 s时间较短，吹除冰雪效果不尽理想，故取每2 min工作时间不超过2×2.9=5.8 s，为便于控制，取为5 s，即每2 min工作5 s。此时全列吹风系统的耗风量Qall为：

Qall=N1×n1×n2×Q5.5=50dm3·MPa/min

N1为修改后的工作率，取5/120 = 4.17%

此时的安全系数为2.32。

增加吹风系统后的全列设备耗风量由139.9 dm3·MPa/min增加至189.9 dm3·MPa/min。通过计算，增加吹风系统后空压机的工作曲线由图2更改为图3的形式。

图2 增加吹风系统前空压机的工作曲线

图3 增加吹风系统后空压机的工作曲线

根据曲线可知，增加吹风系统后空压机1的工作率为78.5%，空压机2的工作率为69.9%。相对于增加吹风系统前的81.6%和27.7%，每台空压机平均工作率增加了19.55%。按照每年冬季4个月每月30天、高速动车组每天工作时间10 h、冬季每天均启用吹风系统(吹风系统仅雪天和雪后1～2天使用)进行计算，增加吹风系统后，每个冬季每台空压机工作时间额外增加234.6 h。未安装吹风系统的高速动车组空压机年运行时间约为1 350 h，安装吹风系统后，空压机年运行时间增加到1 584.6 h，仅增加了17.4%，对空压机检修和维护影响相对较小。

1.3 原理设计

根据以上参数选择设计吹风系统的原理。

系统最小通径为5.5 mm，由于采用间隔吹风的控制策略，故需设置控制电路和电磁阀，为保证不过多消耗总风压力，需要设置压力开关，在总风压力低时及时关断吹风系统。为防止电控失效，冗余设置溢流阀，防止吹风系统持续消耗总风，同时，还需设置截断塞门用于人为关断吹风系统。吹风系统原理及单车吹风模块原理图见图4～图5。

为实现每2 min吹风5 s的控制策略，需增加控制电路见图6。

图4 吹风系统原理图

2 吹风系统的试验和试装

按照吹风系统的设计原理，进行了吹风系统部件加工和部件试验，包括溢流阀功能试验、单车吹风模块耗

风量测量、电磁阀动作试验、电磁阀和截断塞门气密性试验、减压阀功能试验、整体冲击振动试验、整体高低温试验、电气绝缘耐压试验及环境模拟试验等，试验结果均满足预期目标。

试验完成后在高速动车组试验车上进行了吹风系统的试装，如图7所示。

图5 单车吹风模块原理图

图6 控制电路图

图7 吹风系统安装

3 结束语

提出的高速动车组转向架基础制动防冰雪吹风系统经过方案设计、系统设计、详细设计，并通过了部件试验、系统试验，最后完成了装车试验。目前系统已通过业内相关部门的评审确认方案可行，近期将进行正线运行试验。有充分的理论计算和试验结果作为依据，该系统能正常运作，并切实有效地减少冬季高寒地区高速动车组制动盘异常磨耗的发生。

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，工程师(

2014-10-10)

U266.2.8.35

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.20