CRH2－300動車組制動摩擦系數優化試驗研究

楊 欣，徐 磊，邵 軍，段明民

（1 中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081；2 中國南車集團 青島四方機車車輛股份有限公司 技術中心，青島266111）

1 試驗背景

CRH2型動車組制動系統采用減速度控制模式，在制動過程中，BCU（制動控制單元）根據制動級位、載荷狀態和當前速度，計算制動缸壓力，控制動車組按照設置的制動減速度進行減速制動。動車組設7級常用制動，最大常用制動為B7，其他6個常用制動級位基本是最大常用制動減速度的等分；快速制動減速度根據制動距離要求和黏著系數限制綜合確定。動車組實施制動時，實際制動減速度應與設計制動減速度基本一致，不能過大或過小。

CRH2－300動車組（采用CRH2061C動車組）在京津城際型式試驗時，動車組B7級空氣制動實際減速度遠遠高于設計減速度，最大超出50%以上，如圖1所示。

圖1 CRH 2061C動車組常用7級空氣制動實測減速度與設計減速度比較曲線

問題主要是由于BCU內部制動計算輸出制動壓力時所采用的計算摩擦系數與制動盤片實際摩擦系數存在較大偏差造成的。

根據參考文獻［2］，BCU按式（1）進行制動缸壓力控制：

式中PBC為BCU輸出的制動缸壓力；k與基礎制動有關的參數；β為目標減速度；μ為計算摩擦系數。

從式1可知，在目標減速度不變的前提下，計算摩擦系數與制動缸壓力為反比關系，即計算摩擦系數取值越低，輸出的制動缸壓力越大，在一定條件下，實際的制動力會大于設計制動力，最終反映為實際制動減速度過大。

CRH2－300型動車組制動設計時采用的計算摩擦系數見表1。

表1 CRH2－300型動車組計算摩擦系數值

CRH2－300型動車組基礎制動裝置臺架試驗時，B7空氣制動平均瞬時摩擦系數如圖2所示。從圖中可見，盤片實際摩擦系數遠高于BCU內計算摩擦系數，制動設計偏于保守，因此造成動車組實施B7級制動時，實際減速度大于設計減速度。

為了使CRH2－300動車組B7常用制動減速度接近設計減速度，在制動系統硬件不做調整的基礎上，青島四方機車車輛股份有限公司和中國鐵道科學研究院機車車輛研究所組織制定了優化方案，通過軟件調整BCU內部的計算摩擦系數。2009－07在武廣客運專線，進行了摩擦系數利用方案的優化試驗研究，檢驗摩擦系數調整后B7制動實際減速度與設計減速度是否能夠基本一致，同時檢驗快速制動距離是否滿足標準要求。

圖2 CRH2型動車組不同初速度下制動時的試驗平均摩擦系數值關系圖

2 優化方案

試驗前，根據基礎制動臺架試驗的摩擦系數試驗數據，制定了兩版優化軟件，分別命名為VER.D和VER.E版本，具體見表2和表3。

表2 VER.D版本軟件摩擦系數利用方案

表3 VER.E版本軟件摩擦系數利用方案

根據制動盤片實際摩擦系數變化的規律，優化軟件在常用制動時不再采用在全速度范圍內一個恒定的摩擦系數的方法，而采用了分段式計算摩擦系數，以充分利用各速度段下的盤片實際摩擦系數。

從表2和表3可見，常用制動時，兩個優化方案軟件計算摩擦系數利用方案相同，均高于原方案的計算摩擦系數。

常用7級制動缸壓力低于快速制動壓力，根據圖3試驗數據，實際摩擦系數卻較快速制動時高，VER.D和VER.E計劃利用該特性，適當提高計算摩擦系數，以降低制動缸壓力，在仍滿足制動距離要求的前提下，降低基礎制動裝置的機械負荷。在設計時，為確保制動距離要求，兩個版本軟件分別采用了兩種不同的快速制動計算摩擦系數值。

通過兩版優化軟件方案，一是驗證摩擦系數的選取方法及可行性。二是解決動車組實際制動減速度高于設計減速度的不足。為此，在設計試驗方案時，選取了復合制動和純空氣制動兩種試驗工況，B7制動初速度分別為300 km／h和250 km／h，快速制動初速度分別為300 km／h和200 km／h。

圖3 臺架試驗常用7級和快速制動摩擦系數比較曲線

3 試驗概況

試驗在武廣客運專線武漢—咸寧北區間K1278～K1285進行，動車組制動系統分別安裝VER.D和VER.E版本軟件。試驗動車組為CRH2067C動車組，全列按設計載荷進行裝載。

為了全面反映試驗中動車組制動系統的狀態，試驗中監測了動車組1號車制動缸和空氣彈簧（AS1和AS2）、2號車制動缸和空氣彈簧、3號車制動缸、總風缸和空氣彈簧、4號車的制動缸和空氣彈簧處的空氣壓力，以及采集了動車組速度、制動指令、制動時間、制動減速度、制動距離等信號。

4 試驗結果分析

4.1 初速300 km／h B7空氣制動試驗

CRH2067C動車組VER.D和VER.E軟件版本與京津城際鐵路試驗時CRH2061C動車組（原方案）試驗曲線比較見圖4。

圖4 VER.D方案與原方案制動缸壓力和瞬時減速度比較圖

從圖5可見，VER.D和VER.E常用制動時摩擦系數利用方案一致。與原方案相比，采用兩優化方案的常用7級空氣制動試驗，制動缸壓力下降約14%～16%，瞬時減速度較原方案下降約13%～18%；VER.D方案平均減速度為0.597 m／s2，VER.E方案平均減速度為0.607 m／s2，均小于原方案平均減速度0.675 m／s2。

圖5 VER.E方案與原方案制動缸壓力和瞬時減速度比較圖

VER.D和VER.E純制動減速度（去除基本阻力引起的減速度）與設計減速度比較曲線見圖6。

圖6 常用7級減速度比較曲線

根據圖6瞬時減速度曲線來看，在不計動車組惰行阻力的情況下，制動初速度300 km／h的B7空氣制動工況，VER.D和VER.E方案較相同工況的原方案更接近設計減速度曲線，尤其在118 km／h以上的高速區域，實測減速度與設計減速度已非常吻合，基本達到設計要求。

運用實際減速度與設計減速度之差的均方根平均值，可定量描述二者的吻合程度，其值越小代表吻合程度越高，數學描述如下：

設有兩組樣本x1，x2，…，x n及y1，y2，…，y n，構造二者之差樣本z1，z2，…，z n，則樣本z均方根平均值A如下式定義：

式中z i為（x i－y i）；n為樣本數量。

由武廣客運專線VER.D和VER.E方案試驗減速度與設計減速度值之差，可得A1＝0.075 548；由京津城際鐵路原方案試驗減速度值與設計減速度值之差，可得A2＝0.171 527，可見A1＜A2，因此優化方案與原方案相比，優化方案較原方案減速度曲線與設計曲線吻合度有一定提高。由于實際摩擦系數受影響的因素較多及實際中的控制難度問題，此摩擦系數優化方案實際減速度試驗數據在可接受范圍內。

4.2 初速300 km／h快速空氣制動試驗

本試驗目的是為了比較VER.D和VER.E方案快速空氣制動計算摩擦系數利用方案，驗證優化方案快速空氣制動距離是否滿足標準的要求，進而選擇較優方案進行裝車。

VER.D和VER.E方案與原方案試驗結果見表4，試驗曲線比較見圖7。

表4 原方案和VER.D、VER.E快速空氣制動試驗數據表

從圖7、表4可知，VER.D版本由于BCU計算摩擦系數設定值較高，制動缸壓力偏低，全速度范圍瞬時減速度均低于原方案，造成制動距離損失較大，兩次試驗平均減速度為0.868 m／s2和0.874 m／s2，最大瞬時減速度為1.670 m／s2，制動初速度300 km／h時的制動距離超過標準規定不大于3 800 m的要求，可見，VER.D版本方案不可行。

而VER.E版本試驗時制動缸壓力有一定降低，但由于前文所述摩擦系數利用優化的原因，瞬時摩擦系數上升的緣故，高速區域瞬時減速度值與原方案相同或略高，總制動力和制動距離與原方案基本一致，制動初速度300 km／h時的制動距離滿足標準規定不大于3 800 m的要求，兩次試驗平均減速度為0.915 m／s2和0.927 m／s2，且最大減速度為1.744 m／s2，較CRH2061C動車組原方案的1.923 m／s2下降約10.3%。

圖7 快速空氣制動試驗曲線比較圖

按圖7所示的CRH2061C動車組原方案和安裝VER.E方案的CRH2067C動車組的制動缸壓力曲線和瞬時減速度曲線，結合動車組的基礎制動參數，可用下式計算兩次試驗的瞬時摩擦系數。

式中μ為瞬時摩擦系數；m為動車組總重，均按CRH2－300動車組實際稱重試驗結果計算，t；R為回轉質量系數；a i為瞬時減速度，按圖7的數據取值，m／s2；Pi為某一時刻動車或拖車制動缸壓力，按圖7的數據取值，k Pa；dt為拖車制動缸直徑，m；γ為制動倍率；n為制動缸數量；η為傳動效率；Dt為拖車制動盤平均摩擦直徑，m；dd為動車制動缸直徑，m；D為動車組車輪直徑，m；Dd為動車制動盤平均摩擦直徑，m。

由式（4）得出的實際瞬時摩擦系數曲線如圖8所示。

圖8 快速空氣制動瞬時摩擦系數曲線

從瞬時摩擦系數計算結果可見，采用VER.E版本計算摩擦系數優化方案后，適當降低制動缸壓力，快速制動時的瞬時摩擦系數較原方案高約0.015，充分利用了制動盤片的摩擦性能，并再次印證了圖3所示的臺架摩擦系數試驗的結論。

可見，從常用制動時瞬時摩擦系數與設計值的一致性、快速空氣制動試驗結果，以及瞬時摩擦系數計算結果可見，VER.E版本改進摩擦系數利用方案是可行的，基本達到了預期的目的。

5 結束語

摩擦系數優化方案的實車B7級空氣制動試驗結果表明，實測制動減速度與設計減速度曲線吻合程度較原方案已大有改進，一定程度上降低了制動盤片的機械負荷和熱負荷。VER.E版本摩擦系數優化方案的實車快速制動試驗結果表明，實測制動距離滿足制動距離限值的要求，該版改進方案基本達到了預期的目的。

通過試驗驗證，制動速度范圍較大的機車車輛在制動系統設計時，計算摩擦系數可以分段選取，可以充分利用盤片的實際摩擦性能，有效降低盤片磨耗。

［1］王月明.動車組制動技術［M］.北京：中國鐵道出版社，2010.

［2］徐 磊.CRH2型動車組制動系統摩擦系數優化設計［J］.鐵道機車車輛，2009，29（4）：51－53.

［3］武廣客運專線動車組專項研究試驗報告［R］.北京：中國鐵道科學研究院，2009.

［4］CRH2－300動車組型式試驗報告（2008），JL字第 W－252號［R］.北京：鐵道部產品質量監督檢驗中心機車車輛檢驗站，2008.