用户登录区
期刊检索
编辑推荐 更多>>
下载中心 更多>>
访问统计
总访问人数
2020192
当前在线人数
37030

首页>首页轮播图

基于提高列车运行品质的制动盘轻量化技术研究

来源:现代城市轨道交通 作者:焦标强

  随着城市轨道交通(以下简称“城轨”)列车轻量化要求的日益提高,制动盘的轻量化设计及其应用技术越来越受到业内重视,但针对轻量化制动盘对整车性能的影响还缺少量化的研究成果。结合铝基复合材料的应用,介绍制动盘轻量化的设计理念;以仿真计算和线路试验为手段,以量化数据的对比分析为方法,详细阐述轻量化制动盘对列车运行品质的影响。

   制动盘是城轨列车制动系统的重要组成部分,影响着列车运行的可靠性和安全性。目前,城轨列车制动盘主要以传统的铸铁、铸钢、锻钢及铸铁- 锻钢组合材料为主。随着城轨列车轻量化要求的日益提高,制动盘的轻量化设计及其应用技术越来越受到业内重视。但当前大部分研究成果主要集中在轻量化材料的开发及制备方面,针对轻量化制动盘对整车性能的影响还缺少量化的研究成果。本文结合轻量化复合材料的应用,介绍制动盘轻量化的设计理念;同时联合北京地铁、广州地铁及中国中车股份有限公司相关单位,通过仿真计算和线路试验,从列车牵引能耗、摩擦副磨耗量及列车动力学特性等方面,探究轻量化制动盘对列车运行品质的影响,为整车的性能优化提供新的设计思路。

01

制动盘轻量化设计理念


随着城轨列车速度的不断提高和轻量化的需要,铝基复合材料作为一种轻量化设计的理想材料受到了业内人士关注,该材料以高硅铝合金作为制动盘基体,同时在基体中加入一定量的碳化硅(SiC)颗粒以提高材料耐磨性。由于铝合金密度远远小于铸铁和铸钢材料,因此采用铝基复合材料制动盘(以下简称“铝合金制动盘”,图1)可显著减小城轨车辆质量,特别是簧下质量。铝合金制动盘与铸铁制动盘相比质量减小50%以上,具体如表1所示。

图1 铝合金制动盘样件


表1 铝合金制动盘质量减小情况

02

铝合金制动盘牵引能耗计算


为了研究铝合金制动盘对列车牵引能耗的影响,本文以北京地铁昌平线列车为研究对象,通过理论计算,对比列车分别安装铸铁制动盘和铝合金制动盘时的牵引能耗。列车在牵引启动过程中,将电能转化成列车的动能,其中部分能量转化成制动盘的平动Ep平和旋转动能Ep转。根据动力学公式,牵引过程中制动盘消耗的总能量E为:

列车运行一年期间,计算由制动盘消耗的牵引能量。计算结果显示,制动盘作为旋转部件,减重后其平动能和旋转动能均有所降低,节能效果较转向架其他部件更为明显。安装铝合金制动盘与安装铸铁制动盘相比,一列车一年可节约电能大约5万kW · h。制动盘牵引能耗如表2所示。


表2 制动盘牵引能耗计算


03

铝合金制动盘及闸片的磨耗特性


制动盘和闸片的磨耗量决定了列车摩擦副的服役寿命和维修成本。为了研究铝合金制动盘及闸片的磨耗特性,本文以北京地铁昌平线CP002车为研究对象,其中1车2位转向架(拖车)和2车1位转向架(动车)换装铝合金制动盘及对偶闸片(图2),闸片型号分为A、B、C3 种,通过装车运用考核和跟踪测量,研究铝合金制动盘及闸片的摩擦磨耗特性。列车载客运营35万km,期间通过非接触式激光测量仪和游标卡尺分别跟踪测量了制动盘和闸片的磨耗数据,如表3和图3所示。



图2 铝合金制动盘换装位置示意


表3 制动盘磨耗数据(单位:mm)


图3 每百万千米闸片磨耗量对比


测量结果显示,铝合金制动盘的磨耗量约为铸铁制动盘磨耗量的50%,这是因为铝合金制动盘材料中添加了耐磨的SiC颗粒。铝合金制动盘匹配的不同型号闸片表现出不同的磨耗特性:型号A闸片低于铸铁制动盘闸片磨耗量;型号B 闸片与铸铁制动盘闸片磨耗量相当;型号C 闸片高于铸铁制动盘闸片磨耗量。由此也可以看出,闸片的磨耗量取决于闸片自身的材料特性。根据具体工况选择合适的闸片,可以达到与铸铁制动盘闸片相当甚至低于其闸片的磨耗量。


04

铝合金制动盘

对列车动力学特性的影响


为了研究铝合金制动盘对列车动力学特性的影响,本文以广州地铁5号线055056车为研究对象,通过动力学仿真计算和线路试验,研究列车分别安装铝合金制动盘和铸铁制动盘2种状态下的动力学特性。


4.1 仿真计算

根据5号线055056车配置,建立列车的动力学模型,计算在新轮、新轨的轮轨关系下,列车的运动稳定性、运行平稳性和曲线通过安全性。


4.1.1 稳定性对比

仿真计算结果显示,列车安装铝合金制动盘时,临界速度为181 km/h;列车安装铸铁制动盘时,临界速度为180km/h。由计算结果可以看出,制动盘质量减小对列车的运行稳定性影响不大。


4.1.2 平稳性对比

列车平稳性仿真计算结果如图4所示。列车在直线段以20~100km/h惰行时,列车的横向平稳性、垂向平稳性和乘坐舒适度均随列车运行速度的增加而提高,当列车分别安装铝合金制动盘和铸铁制动盘做仿真对比时,列车平稳性的3个指标无明显区别。


图4 列车平稳性对比


4.1.3 安全性对比

列车安全性仿真计算结果如图5所示。当列车以速度40~80km/h 惰行通过半径500m曲线时,轮轨横向力随列车速度的增加而提高。轮轨垂向力、轮重减载率和脱轨系数3个指标在列车速度<70km/h时,基本上保持不变;在列车速度>70km/h时,以上3个指标随列车速度的增加而提高。列车安装铝合金制动盘与安装铸铁制动盘相比,其轮轨横向力和脱轨系数相差不大,轮轨垂向力降低,轮重减载率有所改善。


图5 列车安全性对比


4.2 线路试验

通过线路试验测试列车相关位置的振动参数,研究铝合金制动盘对列车的动力学性能的影响。以055056车为研究对象,其中头车(05A055车)换装铝合金制动盘,尾车(05A056 车)作为对比车,保留原装铸铁制动盘;并分别在头车和尾车的轴箱、构架、车体相关位置布置加速度传感器,测试列车各位置的动力学参数,具体的试验方案如表4所示。


表4 线路试验方案


4.2.1 轴箱位置振动特性

轴箱位置振动加速度试验结果如图6所示。头车换装铝合金制动盘前,头车轴箱位置的纵向和垂向加速度整体大于尾车;头车换装铝合金制动盘后,头车轴箱位置的纵向和垂向加速度整体小于尾车。由此可见,头车换装铝合金制动盘后,簧下质量减小,并且轴箱部位的振动加速度得到改善。


图6 轴箱位置振动加速度试验结果


4.2.2 构架位置振动特性

构架位置试验结果如图7所示,头车换装铝合金制动盘前,头、尾车构架横向和垂向加速度值均相近;头车换装铝合金制动盘后,构架垂向加速度值明显小于尾车垂向加速度值,横向加速度无明显变化。由此可见,头车换装铝合金制动盘后,对构架位置的垂向振动加速度值有改善作用。


图7 构架位置振动加速度试验结果


4.2.3 车体位置平稳性

055056车的头车分别安装铝合金制动盘和铸铁制动盘时,在相同轮轨条件下,对车体的横向平稳性进行测试对比。测试结果显示,列车换装铝合金制动盘后,车体平稳性得到改善,测试结果如图8所示。


图8 头车换装铝合金制动盘前后车体平稳性对比


4.2.4 列车噪声测试

(1)转向架位置噪声。测试列车在正线空载运营条件下转向架位置的噪声,测试结果如表5 所示。头车换装铝合金制动盘前后,头、尾车的噪声值均相近,由此说明,在正线空载运营工况下,列车安装铝合金制动盘对转向架位置处的噪声影响不大。


表5 换装前后头、尾车转向架位置噪声值


(2)客室位置噪声。头车换装铝合金制动盘,尾车安装铸铁制动盘,测试列车制动工况下客室位置的噪声值,测试结果如表6所示。头车换装铝合金制动盘后,客室的噪声值略小于尾车的噪声值,但差别不大。由此说明,制动工况下,列车安装铝合金制动盘对客室噪声值影响不大。


表6 换装后头、尾车客室噪声值


4.2.5 轮轨间相互作用

列车换装铝合金制动盘前后,采用城轨车辆运行品质轨边动态监测系统(MTPDS)对车轮多边形及车轮与钢轨间的相互作用进行测试,MTPDS设备及安装位置如图9所示。


图9 MTPDS 设备及安装位置

采集头车换装铝合金制动盘前后各7次的轮轨间相互作用数据进行对比,试验结果如表7所示。A1、A2、A7、A8位车轮表现出明显的多边形,同时轮轨间存在一定的冲击当量;A3、A4、A5、A6位车轮无明显多边形,冲击当量为0。


表7 车轮多边形及轮轨间冲击当量


对A1、A2、A7、A8位车轮的冲击当量进行对比可以看出,头车换装铝合金制动盘后,车轮的轮轨间冲击当量有所降低。由此可见,当车轮存在多边形磨耗时,安装铝合金制动盘对轮轨间的动态冲击有一定改善作用,从而可以降低轮轨的损伤速度。


05

结 论


本文介绍了基于铝基复合材料的制动盘轻量化设计理念,通过仿真计算和装车运用考核,研究了铝合金制动盘对列车运行品质的影响,形成以下结论。


(1)城轨列车安装铝合金制动盘与铸铁制动盘相比,可以减少列车牵引能耗,从而降低列车运营成本。


(2)铝合金制动盘单位里程磨耗量约为传统铸铁制动盘的一半,铝合金制动盘闸片可以达到与铸铁制动盘闸片相当甚至低于铸铁制动盘闸片的磨耗量。


(3)仿真结果显示,列车换装铝合金制动盘对轮轨垂向力和减载率有所改善,对轮轨横向力和脱轨系数总体影响较小。


(4)仿真结果显示,新轮、新轨条件下,列车换装铝合金制动盘对车体平稳性变化不大;实际线路试验条件下,列车换装铝合金制动盘后车体平稳性得到改善。后续将结合轮轨状态,继续深入研究铝合金制动盘对车体平稳性的影响。


(5)列车换装铝合金制动盘后轮轨间的动态冲击作用有所降低,轮对振动状态得到改善,从而可以降低线路的不良影响,延长轮轨运维周期。


(6)列车换装铝合金制动盘后,构架位置及客室内噪声值变化不大。



参考文献

曹建行,梁洪,薛江,等. 基于提高列车运行品质的制动盘轻量化技术研究[J].现代城市轨道交通,2019(11):47-53.