溫福線CRH1B型動車組拖車閘片磨耗問題分析

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(yùn)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(yùn)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(yùn)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(shí)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(jìn)行了全過程跟蹤統(tǒng)計(jì)。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(diǎn)測量、求平均值的方法來跟蹤計(jì)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(diǎn)。

圖1 黑點(diǎn)是測量點(diǎn)

3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

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(jìn)行了4次測量,測量的平均值見表1。

表1 閘片試驗(yàn)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(jìn)行分析,車組在滬寧線運(yùn)行,拖車閘片的平均壽命約為15萬km,考慮到運(yùn)行速度、運(yùn)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(jìn)行分析,由于該列車也在溫福線運(yùn)行,運(yùn)行速度、客流量、線路條件等運(yùn)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(jì),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(yùn)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(jìn)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(jī)轉(zhuǎn)換成發(fā)電機(jī)而產(chǎn)生再生制動、制動盤與閘片摩擦而產(chǎn)生機(jī)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(jī)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(jìn)行能耗比較。

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

表2 福州動車所CRH1 051B運(yùn)行時(shí)刻表

通過對運(yùn)行區(qū)段速度、?？空緮?shù)量統(tǒng)計(jì)分析,列車每運(yùn)行4 160 km大約要進(jìn)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(dāng)v200=200 km/h時(shí),E200=1/2 mv2002

當(dāng)v250=250 km/h=1.125 v200時(shí),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(yùn)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(yùn)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(jì)算。其運(yùn)行交路為D3111-D3108-D 3107-D3112,每 2天一個循環(huán),運(yùn)行里程約3 340 km,具體時(shí)刻見表3。

據(jù)統(tǒng)計(jì),列車每運(yùn)行3 340 km的里程大約要進(jìn)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(jì)算,其一個循環(huán)共計(jì)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(shí)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(yùn)行線路、區(qū)段也相同,壽命不同可能與司機(jī)操作有關(guān),對制動過程中再生制動與機(jī)械制動比例進(jìn)一步分析。

(2)再生制動與機(jī)械制動比例分析

分析發(fā)現(xiàn)南昌鐵路局的運(yùn)行圖點(diǎn)緊張,為了貼線運(yùn)行,司機(jī)經(jīng)常在高速運(yùn)行至接近車站時(shí)使用7級制動減速,而上海鐵路局的司機(jī)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(jī)械能比例進(jìn)行分析,制動過程中動能轉(zhuǎn)化為電能和機(jī)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(jī)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(jī)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(shí),W機(jī)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(shí)列車的加速度如下:

1級制動時(shí),a=-0.1 m/s2;2級制動時(shí),a=-0.18m/s2;3級制動時(shí),a=-0.26m/s2;4級制動時(shí),a=-0.36m/s2;5級制動時(shí),a=-0.44 m/s2;6級制動時(shí),a=-0.63m/s2;7級制動時(shí),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(shí) 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(jì)算靜態(tài)閘片推力和制動缸壓力的方法進(jìn)行求證。

靜態(tài)閘片推力K可采用下列公式計(jì)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(jìn)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(lán)色為拖車機(jī)械制動力,黃色為動車機(jī)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(jī)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(jī)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(fù)荷越大,其磨耗也越快。溫福線上福州動車組司機(jī)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(jī)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(yùn)行的CRH 1型動車組的制動盤表面情況,在運(yùn)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(dāng)動車組使用快速制動后,必須立即對全列車機(jī)械制動系統(tǒng)進(jìn)行檢查,確認(rèn)無異狀后方可繼續(xù)運(yùn)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(jì)性及旅客舒適度來看,都應(yīng)當(dāng)盡量采用由低到高、遞進(jìn)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(diǎn)建議

(1)在編制運(yùn)行圖時(shí),合理制訂運(yùn)行標(biāo)尺,適當(dāng)增加起停附加時(shí)分,使司機(jī)在進(jìn)站前有條件采取低級別制動減速。

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

(3)從動車組設(shè)計(jì)角度,進(jìn)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(jì)價(jià)值更為合理、安全。

[1]龐巴迪.CRH1型時(shí)速200～250 km 16輛編組座車動車組綜合性能試驗(yàn)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(xiàng)目TCMS 2.1版軟件圖[R].2010.

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