动车组风阻对制动盘设计影响研究

2020-05-22金文伟王常川

轨道交通装备与技术 2020年1期

金文伟王常川冯昆杨川

(1.中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏常州 213011；2.中车长春轨道客车股份有限公司吉林长春 130000)

0 概述

降低轨道交通车辆特别是时速350 km以上等级动车组的运用能耗是高铁绿色、环保、节能设计中的重要原则。目前，高铁车辆设计中常用的节能方法主要有两个，一个是减轻动车组本身特别是簧下质量[1]，一个是降低动车组运行阻力，其中主要是风阻。而降低风阻则主要是对动车组车体流线进行优化，其效果相当明显，对其牵引功率和能耗具有相当大的影响。然而，风阻对动车组制动系统的补充能力特别是对制动盘的影响却很少有人提及。随着我国高速铁路的不断发展，时速400 km等级动车组也将下线，而速度的提升带来的风阻影响也不再忽略不计，因此，需要研究制动仿真过程中制动部件特别是制动盘在有无风阻条件下的热影响情况，从而优化制动盘仿真分析条件，避免因人为提升设计条件要求而导致产品安全余量过大，从而形成设计浪费。

1 风阻系数

动车组的风阻计算公式一般来源于风洞试验数据拟合，不同动车组车体对风阻影响较大，如新研发的“复兴号”标准动车组风阻相比于和谐号动车组低了11%，从而使其功耗降低了约17%。风阻系数影响参数主要包括车型系数(车体形状)，运行速度，环境气流速度等，一般来说，主要根据不同车型简化风阻系数表达为运行速度的函数，不同动车组的风阻系数曲线如图1所示，风阻系数越大，则产生的风阻就越大，车辆运营的能耗就越大。

图1 列车风阻系数

2 热容量仿真

(1)热输入模型

在制动盘热容量仿真过程中，一般考虑列车运行动能全部转化为制动热能的严苛情况，但风阻在列车运行中所扮演的角色亦不容忽视，其动能一部分还会转化成风阻做功，起到协助列车停车的目的，因此，可以假设列车动能大部分转为制动热能和一部分风阻做功，因而其热量折算公式则可修正为如下公式表示：

式中：v0列车初速度，m/s；vt为制动过程中某一时刻速度，m/s；t为总制动时间，s；WF(t)为列车制动过程中风阻做功；M为列车质量，t。

根据热流密度的定义，同时考虑存在轮轨摩擦、闸片吸收热能等因素，可得带风阻系数的热流密度q(t)公式如下：

式中：S为单个摩擦面的摩擦面积，m2；η为能量转化系数；α为列车减速度，m/s2；aF为风阻产生的减速度，m/s2；n为参与制动的摩擦面数。

(2)换热系数

为保证仿真结果的有效性，采用考虑车轮旋转和列车平动的对流系数换算关系，具体如下[2]：

Hf=A×[(wr+V)r/v]0.925×λf/r

式中：Hf为换热系数，w/(m2)；λf为空气的导热系数，w/(m·k)；r为制动半径，m；w为制动盘旋转角速度，rad/s；V为空气的平动速度，m/s；v为空气黏度，m2/s；A为怒赛特数的比例系数。

(3)仿真工况

为验证风阻对动车组在不同速度等级，不同运用工况条件下制动时制动盘热容量的影响关系，对表1所示工况进行热容量对比仿真。考虑到制动盘结构和受力对称，为提高计算效率，采用1/12模型，同时施加对称边界条件，并在扇形区采用耦合结点进行计算，实现与整个盘体模型等效。

表1 制动仿真工况

(4)仿真结果

根据表1所示工况，选取同一型号制动盘为对象分别进行是否考虑风阻2种条件下，制动盘热容量仿真分析,分析数据如表2所示。图2(a)、(b)、(c)所示为各制动工况条件下制动盘温升曲线。从仿真曲线可以看出，在初始速度为250 km/h制动时，是否考虑风阻对制动盘温升影响很小，仅7 ℃，在初始速度为350 km/h制动时，两者仿真结果相差了46 ℃，不考虑风阻时温升已经接近允许极限，特别是坡道制动工况，不考虑风阻时温升高了近15%，影响较大。

表2 仿真分析结果

图2 制动盘温升曲线

3 试验验证

采用1∶1制动动力试验台按是否考虑风阻条件进行制动盘初始速度为350 km/h的紧急制动模拟试验，如图3所示。试验后分别检测制动盘盘面最高温度为679 ℃和628 ℃，两种工况相差51 ℃，由于不考虑风阻影响，温升相比升高了近8%，制动距离长了近300 m。结果表明，在高速制动试验时，风阻对制动盘热容量的影响较大，还间接影响着摩擦磨损性能，不能忽略其对车辆制动的影响。