我国铁道列车紧急制动距离限值核定原则的探讨

第24卷, 第3期 中国铁道科学2003年6月 CH INA RAILWAY SCIENCE

文章编号:1001-4632(2003) 03-0079-10

Vol 24N o 3

June, 2003

我国铁道列车紧急制动距离限值核定原则的探讨

黄问盈1, 杨宁清1, 黄 民2

(1 铁道科学研究院, 北京 100081; 2 石油勘探开发研究院, 北京 100083)

摘 要:列车紧急制动距离限值涉及列车制动限速、信号机布置、速度监控模式等相关重大技术问题, 并受粘着条件、非粘制动介入程度以及制动减速度等条件限制。基于列车动能与列车制动力功(含阻力功) 相等的条件, 建立了普遍的铁道列车紧急制动距离限值的核定原则及计算模式, 分析与选择了回转质量系数、制动粘着系数、粘着系数利用程度、列车单位基本阻力、非粘制动比例系数、安全距离、制动空走时间以及制动减速度等相关参数。描述并阐明:我国制动粘着系数公式(湿轨) 可扩展应用于更高速度范围; 粘着系数利用程度因制动装备技术水平而异; 非粘制动比例系数可达20%~40%; 旅客列车的紧急制动平均减速度宜控制在0 08g ~0 1g 以内, 最大不宜超过0 12g , 货物列车的紧急制动平均减速度可按旅客列车的60%~70%考虑。推荐的核定原则与计算模式适用于所有轮轨系列车。 关键词:铁道列车; 紧急制动; 距离限值; 核定原则 中图分类号:U260 35 文献标识码:A

1 核定原则

1 1 受粘着条件限制及非粘制动介入程度影响的核定原则

列车动能随着速度的提高而急剧增大。列车质量相同时, 300km h -1的列车动能是100km h -1

U =(B 1+B 2+W ) S e (3) 式中, B 1为列车粘着制动力/kN ; B 2为列车非粘制动力/kN ; W 为列车总阻力/kN ; S e 为列车有效制动距离/m 。

我国铁路采用单位重力的作用力(N kN 表述单位制动力与单位阻力(kJ) , 则u =(b 1+b 2+w ) M g 10-3 S e

-1

-1

)

(4)

列车的9倍。制动时, 巨大的列车动能消耗于制动力和阻力所作的总功上。或者说, 根据功能相当原则, 列车制动力功与阻力功总和与列车动能相当。

列车动能E (kJ) 为

2

E =) M v (1+ 2 3 6

=M v 2(1) 25 92

式中, M 为列车总质量/t ; v 为列车运行速度/km h -1; 为回转质量系数。列车比动能E (kJ t -1) 能) 为 E =

(单位列车质量的动

(2)

式中, b 1为单位粘着制动力, b 2为单位非粘制动力; w 为列车单位阻力/N kN ; g 为重力加速度。

由此, 列车制动力与阻力所作比功 U (kJ t -1) (单位列车质量的制动力与阻力功) 为U =(b 1+b 2+w ) g 10-3 S e

(5)

紧急制动为停车制动, 列车速度最大变化范围由最高运营速度v max 降至0, 这样根据功能相当原则, 由式(1) 与式(4) , 或式(2) 与式(5) 相当, 可得列车紧急制动距离限值中的最主要构成部分 紧急制动有效距离S e (m) 为:v 2max S e = b 1+b 2+w 25 92 g 10

=3 934(1+ ) v 2m a x /(b 1+b 2+w ) 式中, v max 为列车运营最高速度/km h -1。

2

v 25 92

列车制动力功与阻力功总和U (kJ) 为

收稿日期:2002-09-05

作者简介:黄问盈(1932 ) , 男, 江西九江人, 研究员

(6)

80

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除磁浮列车(尚无长距离的实际商业运营) 和设想的管道(真空) 列车等外, 铁道列车、地铁列车、市郊列车等均属轮轨系运输工具, 所以包括摩擦制动中的闸瓦制动与盘形制动以及动力制动(涡流轨道制动除外) 等均属粘着制动, 其单独产生或复合产生的制动力均受粘着条件限制, 即 B 1=x

基本阻力w 0; 但也有些国外铁路是以某一下坡道为基准, 则w =w 0+i (注意下坡道坡度千分数为负值) 。

1 2 受制动减速度限制的核定原则

铁道列车的制动减速度a b 以及制动减速度随时间的变化率d a b /d t (或称减减速度) 直接涉及舒适性与安全性。当前, 对铁道列车制动的减减速度(或相对于牵引的加加速度) 的认识和试验研究, 尚未达到可以确立一个评定界限进行核定, 所以现时仍以平均减速度为核定标值较为合适。

制动时, B 1+B 2+W =(1+ ) M a b 式中, a b 为制动减速度/m s -2

(M i b i ) g

(7)

假定制动粘着系数仅为速度的函数, 而且全列车划一时, 则粘着制动力B 1(kN) 为: B 1=x M b g 系数。

由此, 单位粘着制动力b 1(N kN b 1=x b 10

3

-1

式中, x 为粘着系数利用程度, x 1; b 为制动粘着

) 为

(8)

(12)

(包括由各种制动

力、基本阻力, 以及坡道阻力引发的减速度) 。

将式(12) 代入式(3) 并与式(1) 相当可得v 2max S e =(13)

25 92a b

当然, 式(13) 可以直接得出, 这里是为了表明其相互间的关系。

同式(11) 形式类似, 可以得出受制动减速度限制的列车紧急制动距离限值S x (m) 为k max max

S x =++

3 625 92a b

1 3 受摩擦制动功率限制的核定原则

2

在轮轨系运输工具中, 非粘制动(包括磁轨制动, 涡流轨道制动, 翼板制动等) 由于受各种条件制约(如结构、供电、控制、限界限制等) , 故虽不受粘着限制, 暂时只能作为紧急制动时的辅助制动, 一般非粘制动力B 2小于粘着制动力B 1。

令 B 2/B 1=

式中, 为非粘制动力与粘着制动力的比值, 亦即表征其制动能量比, 现称之为非粘制动比例系数, 一般

由此, 单位非粘制动力b 2为 b 2= b 1

动有效距离S e 的另一种计算形态为 S e =3 934(1+ ) v 2max

3 /[(1+ ) x b 10+w ]

(14)

制动功率对摩擦制动单元热负荷承受能力有直

(9)

接关系。

只使用摩擦制动而不考虑非粘制动及动力制动时,

B 1+W =(1+ ) M a b

(10)

式中, B 1为摩擦制动力/kN ; W 为列车总阻力/kN;

由此,

B 1=(1+ ) M a b 1-(1+ ) M a -3

=(1+ ) M a b 1-(1+ ) a b 令k =(1+ ) a b 为列车阻力影响系数,

这样 B 1=(1+ ) (1-k ) M a b 所以摩擦制动功率P (kW) 为 P =

(15)

-3

将式(8) 与式(9) 代入式(6) 可得紧急制

计入制动空走距离S k 和安全距离 后, 就可得出受粘着条件限制及非粘制动介入程度影响的列车紧急制动距离限值S x (m) 为: S x =S k +S e +

t k v max 2=+3 934(1+ ) v m ax

3 6

3

/[(1+ ) x b 10+w ]+ (11)

式中, S k 为紧急制动空走距离/m ; t k 为紧急制动空走时间/s ; 为安全距离/m 。

应当指出, 我国及不少国外铁路核定列车紧急制动距离限值标准时, 是以平直道(i =0) 为基准, ) ((1+ ) (1-k ) M a b v

(16)

3 6

而在长大下坡道上, 如果全部采用摩擦制动来,

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(kW) 应达到

P =M (i -w 0) g 10-3 v /3 6式中, i 为下坡道坡度千分数的绝对值。

受粘着条件制约的最大容许摩擦制动功率P

(kW) 为

P =M b g v /3 6

(18)

摩擦制动功率必须小于等于最大容许值, 这样根据式(16) 和式(18) 联立, 可得纯摩擦制动最大容许减速度(m s

b g

-2

(17)

2 相关参数的分析与选择

2 1 回转质量系数

回转质量系数 因机车车辆型式(结构) 和列车组成而异, 可以通过试验[9]或计算(较繁琐而极少采用) 得出, 一般规律是动力车的 值大于拖车, 机车大于车辆, 电力机车大于内燃机车, 空货车大于客车, 而客车稍大于重货车。组成列车后, 原则上 值应按质量加权平均, 但通常考虑到列车与动力车所

) 为

(19)

a b = b g/[(1+ ) (1-k ) ]

根据式(17) 与式(18) 联立, 可得纯摩擦制动理论上容许的最大下坡道坡度千分数(绝对值) 为 i = b 10+w 0

3

占比例范围, 统一简化处理, 见表1。

表1 不同机车、车辆及列车的 值

电力机车

(或动力车) 0 15~0 25旅客列车与重货物列车0 06

内燃机车(或动力车) 0 10~0 15空货物列车0 10

客车

(或拖车) 0 04~0 06

重货车0 03~0 04动车组

推挽式(动力集中) 0 06~0 08

均牵式(动力分散)

0 08~0 11

空货车0 08~0 10

(20)

参照国外经验[10], 一般可控制最大轴制动功率为244kW (铸铁闸瓦) , 340kW (合成闸瓦) 和760kW(盘形制动) 。也可用每次停车制动时的制动盘温升作为负荷控制参数来评估制动盘的使用寿命

[14]

核定紧急制动距离限值时, 建议旅客列车与重货物列车以及推挽式动车组的 值统一取为0 06, 由此式(10) 可以改写为

S e =(4 17v max ) /[(1+ ) x b 10+w ](21) 而均牵式动车组及空货物列车的 值统一取为0 10, 由此式(10) 可以改写为

3

S e =(4 33v 2) x max ) /[(1+ b 10+w ](22) 2 2 制动粘着系数 b

制动粘着系数与牵引粘着系数的机理互有异同, 而且影响因素较多, 随机性较大。试验结果(测试点足够多时) 总是形成随速度增加而逐步下降的离散带, 而且超过一定速度(如50km h -1) 后, 这种变化趋势越来越趋缓慢。应当指出, 牵引粘着系数即使在无防空转装置及自控条件的历史条件下, 为了充分发挥牵引功率, 通常也采用在正常状态下(如干轨) 的中值曲线或公式, 在不利条件下(如起动、湿轨、通过道岔或曲线时) , 司机根据先兆采用撒砂(增粘) 和回手把(减少牵引力) 的方式来防止空转发生或减少其发生频率或时间。但制动时为了保证安全(滑行不仅延长制动距离还会擦伤车轮) , 尽量杜绝制动滑行, 即使在有防滑器的条件下, 制动粘着系数也考虑湿轨条件, 通常采用接近下限(如5%打滑率) 的曲线或公式。上述两种观点选用的方法, 也说明在实用上牵引和制动粘着系数的差别, 但均考虑到运用实际, 2

3

。根据铸铁轴盘式制动盘试验得出的W hler

3

4

疲劳曲线可以看出, 温升250K 时约可制动10次, 而温升190K 时则可制动10次。当然随着材料的改进, 轴制动盘产生裂纹及其扩展的趋势减小, 从而使使用寿命提高。1 4 综合核定原则

历史上, 由于有一段纯摩擦制动时期存在, 所以摩擦制动最大容许减速度a b b g 成为核定紧急制动距离限值的条件之一。现在, 随着动力制动及非粘制动的介入, 这种制约条件已经有所淡化。但应指出, 摩擦制动功率影响摩擦制动单元的热负荷, 对于粘着制动中动力制动与摩擦制动的匹配, 摩擦制动中盘形制动与闸瓦制动的协调, 都有很大影响, 仍然是具体制动系统设计中不容忽视的问题。总之, 制动减速度受到人体耐受程度与摩擦制动功率的双重制约, 因无间隙的密接式车钩的采用及控制技术的改进等因素导致列车纵向冲动加速度大幅度减少, 所以受人体耐受程度制约的列车制动减速度可以有限度的提高。

由此, 式(11) 与式(14) 就成为核定列车紧急制动距离限值的两种界限, 即既要考虑粘着条件限制及非粘制动介入程度影响, 又要考虑人体耐受能力的影响。就是说, 应取两者之中的较大值为限值。具体处理时, 也可按式(11) 核定, 并将式(13) 转化为a b 2e )

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还应指出, 除了睛雨天气导致轨面干湿外, 车轮踏面状态、轴质大小及其转移程度, 以及通过曲线和隧道时的内外轨状态和载荷变化情况, 还有钢轨不平顺和有缝线路的影响, 都可以导致粘着条件的改变或恶化。俄罗斯采用的制动粘着系数表及公式均表明制动粘着系数随着轴质的减小而增加, 这对较轻轴质的高速动车组更为有利。此外, 粘着制动中闸瓦制动, 盘形制动与动力制动各自或综合对制动粘着系数影响程度尚不清楚。

无论如何, 通用的粘着系数多数处理为随速度增长而逐步下降的变化曲线, 公式形态除少数带后缀( v ) 修正外, 绝大多数采用如下形态 = + /( + v )

(23)

式中, , , , 分别为试验系数; v 为列车运行速度/km h -1。

注意到也有 = ( + v ) /( + v ) 的形式, 不难看出, 二者实质并无差别。

表2及图1分别显示各国铁道车辆制动粘着系

数的比较, 其中我国的制动粘着系数公式是通过近三年[5](1988年7月至1991年1月) , 先后在济南、上海和哈尔滨等铁路局管内的试验研究而得出

的(按5%打滑率, 速度至100km h -1)

。

图1 各国铁道车辆制动粘着系数的比较

表2 制动粘着系数的比较

v /km h -中国日本新干线美国WABCO 法国

干轨 干轨

1

00 2380 1530 320 160 2300 130

500 2090 1200 2010 1010 1580 1010 1550 080

800 1970 1080 1650 0820 1480 0930 1350 075

1000 1890 1020 1470 0740 1430 0880 1250 072

1200 182*0 097*0 133

0 0660 1400 0840 1180 070

1400 176*0 093*0 121

0 0600 1380 0810 1160 069

1600 171*0 089*0 111

0 0560 1350 0800 1150 068

2000 162*0 083*0 095

0 0480 1330 0780 1100 065

2200 157*0 080*

2700 148*0 075*

3000 144*0 073*

b =0 0624+45 6/(260+v )

湿轨 b =0 0405+13 55/(120+v )

b =27 2/(v +85)

湿轨 b =13 6/(v +85) 轨面良好轨面不良干轨湿轨

注:* 外推计算值。

由图1及表2可见, 我国铁路制动粘着系数在50km h -1

闸瓦(如中磷、高磷闸瓦及低摩合成闸瓦) 的摩擦系数还与制动初速有关。这就使粘着系数利用程度的选择更加复杂化, 在相同的速度条件下, 制动初速低的制动力更大, 破坏粘着条件导致滑行的机率较大, 从而影响到实际制动率的选用。

注意到我国铁路使用的各种材质闸瓦(片) 的等效(换算) 摩擦系数形态, 除有无制动初速修正外, 均呈 e = ( + v ) /( + v ) 与粘着系数变化相似的形态, 但并非一致或平行, 这样从理论上讲, 粘着系数利用程度也应当小于1 0。

至于闸瓦摩擦系数的其他形式, 如文献[12]中公式 =k b

3

(干轨) 和5km h -

1

(湿轨) 以后均较

其他国家铁路取值为高。

2 3 粘着系数利用程度x

原则而言, 只要制动粘着系数是按不利条件下的下限选用, 粘着系数利用程度x 就可取为1, 甚至稍高于1。但实际上还涉及到下述制动技术水平(含装备及控制等硬件和软件配套) 问题。2 3 1 实际制动力的变化与粘着力变化趋向

当列车质量一定的条件下, 粘着力的变化显然由粘着系数决定。但是制动力变化却与制动方式直接相关, 复合制动时则要受到参与制动系统的综合影响。

作为粘着制动的主要系统的摩擦(空气) 制动(包括闸瓦制动和盘形制动) 的制动力变化趋向直接与闸瓦(片) 的等效换算摩擦系数相关, 而一些

1/v

3

1/p b , 差异更大。

式中, k b 为试验常数; v 为运行速度; p b 为闸瓦压力(单位面积上的作用力) 。

此外, 当动力制动参与时, 其制动力随速度的

第3期 我国铁道列车紧急制动距离限值核定原则的探讨

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2 3 2 空重车变化的影响

客货车的空重车变化有较大的不同。客车的空重车应当以载客前后为标准。货车当然就是空重车之分, 不过重车还有载质利用系数的差别。

如果不采用空重车调整(闸瓦力) 装置, 并令M 1代表空车质量, M 2代表重车质量, 则

空车的制动力B 1为

B 1=M 1 b g (取x =1到极限值) 重车的制动力B 2为 B 2=x M 2 b g

若无调整装置, 则B 1=B 2(导致重车制动力不足) 。所以, x =M 1/M 2, 即粘着系数利用程度最大只能用到空重车的质量比。

表3所示为我国有代表性的一些客车的空重车质量比。

表3 我国有代表性的一些客车的空重车质量比

客车类型M 1/t 定员/人M 2/t x

22型YZ 44 211855

YW 476052

RW 473249 5

YZ 4211853

25型YW 468052 5

RW 433646

YZ 4511856

25Z 型YZ(双) RZ(双) 5314466

5410463

杂, 但作用均衡可靠, 而且较少受闸瓦压力(闸瓦单位面积的作用力) 限制, 加之这些车辆(包括动车组在内) 都有配属段提供良好的保养维修条件。

快速客车及动车组都采用盘形制动为主, 有的还加上单侧闸瓦(踏面制动单元) , 主要起踏面清扫作用, 以求保持粘着基础, 这样就形成盘形加踏面的混合摩擦制动方式。

我国绝大多数货车采用单侧闸瓦制动(单作用式制动) , 结构较简单, 有利于制造及维修, 但因无配属段, 对维修保养存在不利因素。

有人认为, 如果运营速度要求再升级, 例如与高速(旅客) 列车混跑的140km h -1~160km h -1的快速货物列车(或货运动车组) 的制动方案应向客车靠拢。

2 3 5 我国具体列车粘着系数利用程度x 的变化

可以通过两种渠道来求算我国具体列车粘着系数利用程度的变化。其一是根据 技规 [4]公布的机车与车辆每台(辆) 换算闸瓦力根据不同列车的基本编组确定其等效换算制动率 e , 从而x = e e / b 可得不同速度下的x 值, 其中 e 为基型闸瓦(片) 的等效换算摩擦系数, 由于中磷和高磷闸瓦的摩擦系数还与制动初速有关, 所以其x 值也与制动初速有关。其二是根据不同列车紧急制动试验结果, 由扣除空走距离后的有效制动距离反求作用于列车的单位减速力, 扣除阻力及坡度影响, 可得平均单位制动力, 从而可得出平均速度下的x 值。

(1) 根据机车车辆每台(辆) 换算闸瓦力换算快速客车为盘形制动, 采用高摩合成闸片, 按一般编组计算后, 取 e 0 35; 普通旅客列车为闸瓦制动, 采用中磷闸瓦, 取 e 0 60; 快运货物列车为闸瓦制动, 采用高摩合成闸瓦, 取 e 0 22; 普通货物列车为闸瓦制动, 采用高磷闸瓦, 取 e 0 33。

高摩合成闸片(瓦) 的摩擦系数不受制动初速v 0的影响, 可以将x 值近似处理为运行速度v 的线性关系:

快速列车:x 0 79+8 75 10-4v

(v [160km#h-1) ;

快运货物列车:x U 0145+5@10-4v

(v [120km#h-1) 。

由此可见, 粘着系数利用程度x 随速度变化范围不大。快速列车可取x U 019, 快运货物列车可取x U 015。但是普通列车所用的中磷或高磷闸瓦摩擦系数带有初速修正项, 所以其x 值受制动初速影响40 8040 9040 90 7920 8760 9350 8040 8030 857

如果装用空重车调整(闸瓦力) 装置, 无论是有级或无级调整, 都能基本缓解空重车对制动力要求

不同的矛盾。我国原有客车没有空重车调整装置, 新造的160km h -1的客车, 特别是双层客车装备了无级空重车调整装置。我国主型货车的空重车质量比约为0 28g ~0 31g , 并大都装用两级空重车调整装置, 其效果(特别在过渡区) 原则上不及无级调整方式, 势必会影响到粘着系数利用程度。2 3 3 防滑器的影响

防止制动滑行和防止牵引空转相似, 都是根据滑行(或空转) 判据, 控制减小制动力(或牵引力) , 使其不超过粘着力, 来防止滑行(或空转) 。

无论是机械或电子式防滑器都是控制制动缸排(放) 风阀和制动缸管通路。采用微机控制的防空转防滑行装置可以根据多种判据进行控制, 使其作用更加灵活和可靠。

我国快速客车都装备有T FX1型电子防滑器, 这就给提高粘着系数利用程度创造了有利条件。2 3 4 结构以及保养维修的影响

我国客车及部分特种货车(如保温车) 采用双侧(

84

中 国 铁 道 科 学 第24卷

表4 普通列车粘着系数利用程度与制动初速的关系

制动初速v 0/km#h-x

1

约为1104~1109, 数值偏大。

快速货运列车根据文献[11]提供的紧急制动试验结果近似推算, P65A 型行包快运棚车专列, v 0=100km#h时, 平均x 值约为0140, 而X1K 型快运集装箱平车专列, x 值约为0146~0157(v 0=120km#h-1) , 或0152~0154(100km#h -1) , 以及0152~0155(90km#h-1) 。

21316 核定列车紧急制动距离限值时的x 取值

综上所述, 影响粘着系数利用程度的因素较多, 同一目标速度级别的不同列车(或动车组) 也不尽相同。为核定列车紧急制动距离限值, 可以划定不同级别列车的x 值或其范围如下:

高速列车 x =019~110

快速列车 x =018~019普通旅客列车 x =016~017快运货物列车 x =015普通货物列车 x =014~015214 列车单位基本阻力w 0

文献[8]对我国客货车及机车单位基本阻力进行分析探索, 结合试验结果推荐了具有可外延性的分析) 试验型公式。

在核定列车紧急制动距离限值时采用的列车单位基本阻力分别推荐为:

快速旅客列车及动车组采用有局部流线措施(下部屏蔽整流, 顶部平顺) 的快速双层客车的分析) 试验型公式

w 0=1129+3148@10-3v +161@10-6v 2 普通旅客列车的分析) 试验型公式w 0=1177+4115@10-3v +192@10-6v 2

-1

[1**********]3

8001740149

9001710146

[1**********]

1100165

1200161

普通旅客列车中磷闸瓦0185普通货物列车高磷闸瓦0156

(2) 根据紧急制动试验结果推算

快速列车根据文献[7]提供的试验结果近似推

算, 1995年25B, 25G 型踏面制动客车(中磷闸瓦) 提

速试验推算, 其x 值较低, 制动初速v 0在100km#h -1至150km #h -1之间时, x 值变化由0157~0150。因x 值较低, 即制动力小, 所以制动距离较长, 例如两次120km#h-1的紧急制动距离平均为1100m, 都大大超过了800m 的规定。

按1999年25B, 25G 型盘形制动客车(踏面清扫) 提速试验结果推算, 其x 值约为0179(v 0U 100km#h-1) 和0177(v 0U 120km#h-1) , 说明x 还不到018的水平。

按2000年~2001年25K 型160km#h -1快速客车试验推算, 209HS 转向架客车的制动距离低于SW -160转向架客车, 具有较高的x 值, 约为019(160km#h-1) 和0198(140km#h-1) 和1103(140km#h-1) , 踏面清扫器开通时还会更大。试验中电子防滑器均有排风动作, 说明粘着系数利用程度之高。

按1994年25Z 型160km#h-1快速客车试验结果推算, 长客厂专列在140km#h -1和160km#h-1

初速条件下, 空气制动时x 约为0182~0183, 电空制动时x 约为01865~01866。而四方厂和浦镇厂的专列试验, 一是空气制动时距离过长(个别制动盘温度较低) , 二是空气制动和电空制动数据稍有不同, 但总体范围相差不大。

按1999年国产首列180km#h-1新曙光内燃动车组(2M 9T) 沪宁线制动试验结果推算, 180km#h -1时x 值为0172(空气制动) 和0175(电空制动) 。按2000年180km #h 神州号内燃动车组(2M10T) 京山线试验结果, 空气制动距离小于电空制动距离。环行线试验无论空气还是电空制动, 制动距离相差不大, x 值约为018~0181(180km #h -1) ) 和0178~0182(160km#h-1) 。

1999年200km#h-1国产首列大白鲨交流电动车组(1M 6T) 试验综合处理时, 200km#h -1时的x 值约为0191~0192。2000年对蓝箭号交流电动车组(1M 6T) 试验综合处理时, 200km#h-1时的x 值

-1

(24)

(120km#h-1及以下)

(25)

货物列车采用与/牵规0一致的滚动轴承四轴重货车公式

w 0=0192+418@10-3v +125@10-6v 2

(26)

为便于比较, 表5中列出对应不同运行速度的单位基本阻力数值, 并列出T GV 动车组(法国) 的惰行制动工况的阻力值, 以及/牵规0中双层快客的阻力值等。

TGV 动车组的单位基本阻力(惰行制动工况) [1]为

w 0=01727+8103@10

-3

-3

v +148@10v

-6

2

-62

(27) (28)

/牵规0中双层客车单位基本阻力为[18]w 0=1124+315@10v +157@10v

第3期 我国铁道列车紧急制动距离限值核定原则的探讨

表5 不同列车单位基本阻力的比较

v /km#h -1

式(26) 推荐快客

TGV 公式/牵规0公式式(27) 推荐

普客货车

85

[***********]21421147

[***********][1**********]0

[***********][1**********]6

[***********][1**********]65*

[***********][1**********]30*

[**************]

[**************]

1807113*61976196*

2008143*81258122*

[**************]

9185*12122*13197*16182*22123*[***********]6211679161*11193*13163*16142*21170*

/牵规022型式(28)

/牵规025B 、25G 2168注:*) ) ) 为外推数据。

4104*4189*

由表5可见, 采用式(24) 的阻力公式供快客和»动力制动失效时, 非粘制动应能取代而有余量。¼在极其特殊情况下, 非粘制动可以独立承当停车制动。

按照上述的思路可以考虑如下方案:¹非粘制

动应在高速列车上采用, 快速列车亦可采用。º粘着制动中, 动力制动约占5%~10%, 所以非粘制动比例系数A \10%。»考虑到非常情况, 非粘制动可具有较大的制动能力, 使其制动能力达到粘着制动的40%~50%。¼非粘制动作为辅助制动时, 除非常情况外(如其他制动失效) , 宜在低速区(如50km#h左右) 予以切断。

图2所示是德国ICE 列车制动力分配情况[16], 由此可见, v =250km#h-1时, 列车总阻力约90kN 左右, 约可实现011m#s -2的减速度, 粘着制动力(含动力车的动力制动, 拖车的盘形制动及动力车的盘形制动) 约为900kN 左右, 约可实现110m#s-2左右的制动减速度, 两者相加, 可实现111m#s-2的制动减速度。磁轨制动力约为150kN 左右, 可实现约0117m#s-2的减速度, 三者相加, 可实现约113m#s-2的制动减速度。v =100km #h-1时, 粘着制动力超过1000kN, 加上磁轨制动力可达1400kN 左右, 可实现约116m#s的制动减速度。在200km #h -1~100km#h-1范围内, 非粘制动的磁轨制动力

-2

-1

动车组核定制动距离之用是适宜的。式(24) 不仅在80km#h-1~160km#h-1时的阻力更接近于试验点的分布, 在160km#h以上至高速段比T GV 的阻力略高2%~3%左右。/牵规0公式在180km#h-1以上时反而低于TGV 的阻力, 在350km#h-1时又略超出, 间接说明其不具有外延条件。

应当指出, 在200km#h-1以下的阻力与能实现的粘着制动力相比较(相当w 值与x #L b #10比较, L b 参见表2中国湿轨) , 当x =1即充分利用粘着时, 差1~2个数量级, 对制动距离的影响不大。在200km#h -1时却可达10%, 300km#h-1左右可达20%或更多, 这是因为粘着系数和闸瓦(片) 摩擦系数都随速度上升而下降, 但是阻力却是速度的二阶方程, 在超过100km#h-1以后, 气动阻力就有可能超过机械阻力形成主导, 速度越高, 气动阻力所占比例越大, 甚至高达80%以上。在阻力表达公式中, 认定速度平方项代表气动阻力时, 其所占比例为ccv 2/(ac +bcv +ccv 2) , 其中ac, bc, cc 为系数, 以式(24) 的阻力公式为例, 其气动阻力所占比例如表6所示。

表6 快速双层客车阻力中气动阻力所占比例

v /km#h -1所占比例

10001496

[***********][***********]1887

-3

-1

由表6可见, 超过100km#h后, 气动阻力与机械阻力持平或稍超出, 在150km#h-1时气动阻力

-1

约占总阻力的2/3, 在200km#h-1时, 气动阻力超过总阻力的3/4, 在300km#h-1时气动阻力比例高达86%以上。

215 非粘制动比例系数A

作为紧急制动时的辅助制动, 非粘制动力所占比例是一个现实问题, 对核定列车紧急制动距离限值也是重要的参数。通常的思路是:¹非粘制动应纳入高速(v >200km#h-1) 列车复合制动系统。º

。

图2 ICE 列车制动力分配情况

86

中 国 铁 道 科 学 第24卷

约占粘着制动力的15%~40%, 或占摩擦制动力(盘形制动) 的25%~50%左右。

从X2000动车组的200km#h-1制动试验结果, 可以得出各种制动产生的单位制动力及其比例或相应负担的制动能量比, 见表7。表7可供在制动系统设计时参考。

表7 X2000动车组单位制动力及其制动能量分配

类型

单位制动力/N#kN -1

能量分配

粘着制动空气971176416%

动力6192416%

非粘制动磁轨461253018%

总计150134100%

果是t k =215-0107i j 。218 制动减速度a b

制动减速度受到人体耐受程度与摩擦制动功率的双重制约。

由于密接式车钩(无间隙) 的采用和制动控制技术的改进, 列车冲动大幅度减少, 所以虽然因人而异, 但人体耐受的制动减速度可以提高。当然货物也有一个耐受问题。

一般认为人体耐受的制动平均减速度约为011g ~0112g , 即约为1m#s~112m#s, 从安全和舒适的要求出发, 常用制动的减速度宜为0105g ~0106g 为佳。

由式(19) 的简化a b

U

L b #-2

-2

由表7可见, X2000动车组在200km#h

-1

时,

磁轨制动力与粘着制动力(摩擦+动力) 和摩擦制动力之比分别为1B4414和1B4716。216 安全距离

安全距离的设定是基于制动系统作用正常时紧急制动距离限值的安全保障。安全距离设定过低, 有可能限值偏短, 裕量过小, 影响安全。但若设定过高, 则限值偏长, 裕量太大, 形成浪费。安全距离可以有3种选择考虑, 一是取为定数, 二是按制动距离计算值的比例选取, 三是按安全秒数(对应制动初速) 。可见第二、第三种选择考虑均与制动初速有关。表达方式如下:

(1) $=定数。一般取$=50m (120km#h -及其以下) , $=100m(120km#h-1以上) 。

(2) $=(S k +S e ) y 。式中y 为比例系数, 一般y =2%~10%。

(3) $=t $#v max /316。式中t $为安全秒数, 一般t$=1s ~2s , 也就是相当将空走时间延长1s~2s 。

217 制动空走时间t k

制动空走时间与制动装置、控制方式等有关。例如, 通用的空气摩擦制动与制动缸的充量过程有关。电空制动时t k =1s~2s, 5牵规6规定的旅客列车紧急制动时, t k =315-0108i j , 货物列车紧急制动时(主体为GK 阀) , t k =(116+01065n) (1-01028i j ) 。由此核定紧急制动距离限值时

旅客列车 t k =315s

货物列车 t k =116+01065n (n 为编组辆数)

另据对P65A 组成的120制动机列车试验, t k

=412+01035n 较主体代表GK 阀的t k =116+) 1

g , 对照我国湿轨的

制动粘着系数(参见表2) , 受粘着限制的平均制动

减速度约为0108g ~0112g , 虽然非粘制动的介入, 这种限制有所淡化, 但目前通常只是将非粘制动作为辅助制动, 甚至是冗余制动, 所以这种限制还是应予重视。

英国铁路制动减速度的最大值取为约112m#s -2[12]

。

[17]

俄国铁路电空制动的旅客列车紧急制动减速度容许达1m#s-2~113m#s-2, 并指出这是受舒适条件制约。

国外高速列车考虑的紧急制动减速度, 根据最高速度和制动距离推算的平均值约为(空走时间取为1s) :

日本新干线列车 0177m #s -2~0180m #s

-2

法国TGV 019m#s-2~1102m#s-德国ICE 1107m#s-2~1112m#s-

22

应当注意的是, 由于高速时粘着系数的降低, 容许的瞬时减速度也相应减小, 例如300km#h时容许的瞬时减速度(湿轨) 为017g , 但对应平均速度150km#h-1的平均减速度(湿轨) 仍可达019g 左右。

此外, 文献[6]提供的较早数据表明, 平均制动减速度约为:货物列车0145m#s-2, 旅客列车0170m#s-2, 德国试验的高速列车(Knorr 制动机) 019m#s , 泛欧联运快车110m#s(盘形制动) 和1145m #s-2(加磁轨制动) , 一种VT 电动车组甚至可达119m#s-2(闸瓦加磁轨) 。文献[15]提供的磁浮列车气动制动的减速度可达1198m#s-1(012g ) , 文献[1]指出最大的制动减速度不应超过2m#s-2。

-2

-2

-1

第3期 我国铁道列车紧急制动距离限值核定原则的探讨

87

异, 所谓平均制动减速度, 是指按距离平均的减速度a bs =Q a d s/S e , 而不是指按时间平均的减速度a bt =Q a d t/t e 。考虑到a =d v /d t 和d S =v d t, 则a bs =Q v d v /S e , 紧急制动是停车制动, 积分上下限为v max /316和0(计入速度常用单位为km#h-1) , 由此

22

a bs =v 2max /(2@316S e ) =v max /(25192S e ) , 这就

术水平, 受制动力变化(与制动方式以及制动摩擦副材料等有关) 与粘着力的匹配影响, 还与基础制动装置和空重车调整装置等结构和运用维修条件有关,

建议按不同级别划分和要求应达到的水平。

(4) 尽管列车基本阻力对列车制动减速也有局部作用(基本阻力引发的减速度a =(w 0

-3

#

g #

10) /(1+C ) , 高速时的减速作用更大一些。但为了减小牵引阻力, 提高速度, 降低能耗, 高速列车的流线化和轻量化尤为重要。注意到我国旅客列车速度超过100km#h-1后, 气动阻力已占主导, 所以普通和快速客车的流线化措施也不能忽视。

(5) 可以利用气动制动(Aerodynamic Brake) 或称翼板制动作为高速列车的一种非粘辅助制动。航天飞机、舰载机以及高速赛车等使用的制动伞也是一种气动制动方式。日本磁浮列车5辆编组, 有6台转向架上方顶部试验加装6套液力控制的制动翼板[15]。在山梨试验线隧道内试验测定其气动制动性能, v =500km#h时, 制动减速度可达012g (全部翼板展开) 和0116g (首位闭合, 其余5位展开) , 说明高速时, 气动制动作用之大, 而且因无磨耗件, 无摩擦热, 具有高可靠性和少维修等优点。(6) 旅客列车容许的制动减速度主要受人体耐受程度限制, 当然与车辆钩缓装置和制动技术相关。紧急制动的平均减速度宜控制在0108g ~011g 以内, 最大不宜超过0112g 。常用制动时的平均减速度约控制在紧急制动时的一半, 约在0105g ~0106g 为佳, 这是兼顾了安全与舒适的需求。货物列车也要考虑货物(含鲜活货物) 的影响, 由于货车结构不同, 容许的平均制动减速度较旅客列车为低, 可按旅客列车的60%~70%考虑。文

献

-1

是式(13) 。

作为粘着制动的主力))) 空气(摩擦) 制动采用金属闸瓦(中磷和高磷) 时, 因其摩擦系数随着速度的降低而提高较粘着系数的变化快, 尤其当制动初速不高的低速情况更加如此。这样, 当没有压力调整装置和增粘措施时, 低速更易造成制动滑行。也应指出, 无论采用何种增粘措施和材料, 也不宜视作粘限的突破, 作为安全的冗余保证更为可靠。

3 结论及建议

(1) 列车紧急制动距离限值的影响因素众多, 高

速列车还要考虑非粘制动方式的选择及其介入程度问题。本文提出的铁道列车紧急制动距离限值的通用核定原则和方法, 考虑到了各种影响因素及其选择, 适用于不同速度目标值的各种铁道列车, 也可适用于所有轮轨系的列车。

(2) 列车紧急制动距离限值的核定应首先考虑受粘着条件限制, 并可将受制动减速度限制作为校验条件。高速列车应加装非粘制动, 但是否在核定时计入非粘制动影响, 可根据需要选择。至于摩擦制动功率限制宜在具体制动设计中予以协调。

(3) 粘着系数利用程度反映出列车制动装备技

参

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Study on Verification Principle of Emergency Brake

Distance Limit of Chinese Railway Train

HU ANG Wen -ying 1, YANG N ing -qing 1, HU AN G M in 2

(1. China Academy of Railw ay Sciences, Beijing 100081, China;

2. P etro leum Ex plor at ion and Development Research I nstitute, Beijing 100083, China)

Abstract:The railw ay train emergency brake distance limit involves such major technical issues as train braking speed restriction, arrangement of cab signal and train speed monitoring mode. It is affected by the adhesion con -ditions and the application of non -adhesion brake and braking deceleration. On the basis of equal train kinetic en -ergy and the w ork of braking force (including the w ork of resistance) , the general verifying principle and calcu -lation mode of train emerg ency brake distance limit are established. The relative parameters such as rotary mass coefficient, braking adhesion coefficient, level of adhesion used, train unit basic resistance, non -adhesion brake ratio, safety distance, idle running time and braking deceleration are analyzed and selected. T he authors describe

and explain that the formula of braking adhesion coefficient of the Chinese railw ay (wet rail) may be used for higher speed operation; the level of adhesion used varies w ith the technical level of the brake equipment; the non -adhesion ratio m ay be selected from 20%to 40%; the mean braking deceleration of passenger train could be in the range of 0108g ) 011g but not over 0112g . The mean em ergency braking deceleration of freight train could be between 60%to 70%of that of the passenger train. T he suggested verifying principle and calculation mode are applicable to all w heel/rail trains.

Key words:Railw ay train; Emergency brake; Distance limit; Verification principle

(责任编辑 杨宁清)