引言

制動系統(tǒng)對于高鐵列車的正常運(yùn)行有著非常重要的意義。制動系統(tǒng)的基本功能是準(zhǔn)確控制列車的運(yùn)行速度,并在緊急制動時(shí)能夠迅速制動停車,保障乘客和貨物的安全。在對制動系統(tǒng)的研究過程中,試驗(yàn)是一種不可缺少的研究手段,制動系統(tǒng)試驗(yàn)包括線路試驗(yàn)和試驗(yàn)臺試驗(yàn)。其中,線路試驗(yàn)成本高,效率低,并且試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集困難:試驗(yàn)臺試驗(yàn)?zāi)壳岸疾捎脤?shí)物模擬的1:1制動試驗(yàn)臺進(jìn)行,試驗(yàn)臺可模擬各種工況下實(shí)車的慣量和速度,配合專用試驗(yàn)工裝、測試系統(tǒng)、環(huán)境模擬系統(tǒng)等,可方便地進(jìn)行各種驗(yàn)證和試驗(yàn),為制動系統(tǒng)的開發(fā)研究提供可靠的試驗(yàn)手段。目前我國高速1:1制動試驗(yàn)臺多為進(jìn)口,國產(chǎn)的試驗(yàn)臺僅能滿足低速列車的模擬試驗(yàn),同時(shí)國產(chǎn)試驗(yàn)臺自動化水平、測試水平和試驗(yàn)應(yīng)用范圍均有限。而我國列車速度越來越快,高鐵里程逐漸增長,這就對列車制動系統(tǒng)試驗(yàn)提出了更高的要求。為此,開發(fā)國產(chǎn)高速1:1制動試驗(yàn)臺顯得非常重要。本文主要介紹高速1:1制動試驗(yàn)臺的基本原理、主要組成和應(yīng)用范圍等內(nèi)容。

1試驗(yàn)臺技術(shù)參數(shù)

1:1制動試驗(yàn)臺主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2試驗(yàn)臺原理

制動試驗(yàn)臺架采用多組飛輪旋轉(zhuǎn)模擬列車制動質(zhì)量的方式進(jìn)行摩擦副磨損性能及熱容量等相關(guān)性能參數(shù)的測試或驗(yàn)證,試驗(yàn)時(shí),根據(jù)列車重量換算出所需飛輪的組合,電機(jī)驅(qū)動飛輪組和車輪轉(zhuǎn)動,使車輪達(dá)到試驗(yàn)要求的轉(zhuǎn)速后,進(jìn)行踏面制動、閘片制動和旋轉(zhuǎn)渦流制動試驗(yàn)。

3試驗(yàn)臺組成

試驗(yàn)臺主要由機(jī)械系統(tǒng)、環(huán)境模擬系統(tǒng)、電氣及測控系統(tǒng)三部分組成。

3.1機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)主要由驅(qū)動電機(jī)、飛輪慣量組、靜摩擦試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)工位等組成,如圖1所示。

3.1.1驅(qū)動電機(jī)

驅(qū)動電機(jī)采用交流異步電動機(jī),和飛輪慣量及試驗(yàn)工位一起安裝在基礎(chǔ)框架上,電機(jī)輸出軸和飛輪箱輸入軸采用膜片聯(lián)軸器連接,膜片聯(lián)軸器上安裝有扭矩儀,可實(shí)時(shí)檢測電機(jī)輸出扭矩,為電慣量模擬提供反饋數(shù)據(jù)。

3.1.2飛輪慣量組

飛輪慣量組為制動試驗(yàn)臺核心組件,用于機(jī)械模擬列車負(fù)載。為了和列車質(zhì)量準(zhǔn)確匹配,試驗(yàn)臺配置了3個(gè)飛輪慣量,其中基礎(chǔ)飛輪0為固定飛輪慣量,其余兩個(gè)為可切換飛輪,通過不同組合可實(shí)現(xiàn)多種慣量模擬?？紤]到電機(jī)拖動系統(tǒng)可以對電慣量進(jìn)行正、負(fù)等值補(bǔ)償,為充分發(fā)揮電機(jī)性能,設(shè)計(jì)飛輪參數(shù)如表2所示。

軸承座支撐,軸穿過空心飛輪,不承擔(dān)飛輪重量,只傳遞扭矩。為了精確計(jì)算出飛輪的轉(zhuǎn)動慣量,飛輪及軸采用3D設(shè)計(jì)。飛輪在高速旋轉(zhuǎn)過程中將產(chǎn)生很大的離心力,為此對飛輪進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析,通過優(yōu)化設(shè)計(jì)確定了飛輪結(jié)構(gòu)和基本尺寸。飛輪選用高級合金鋼材料鍛制,要求采用精密機(jī)床加工,并在各加工工序間進(jìn)行無損探傷。加工完成后進(jìn)行動平衡試驗(yàn),確保飛輪達(dá)到動平衡G2.5級。

為實(shí)現(xiàn)慣量的不同組合,本試驗(yàn)臺采用氣動撥叉離合器,可以實(shí)現(xiàn)飛輪慣量和軸的連接和脫開,從而實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)動慣量的調(diào)節(jié),滿足不同轉(zhuǎn)動慣量的試驗(yàn)要求。撥叉的外齒設(shè)計(jì)成鼓型齒,避免由于加工和裝配誤差對齒面造成損傷。撥叉連接和脫開位置設(shè)有限位開關(guān),以保證撥叉處在試驗(yàn)要求的正確位置。考慮到常規(guī)撥叉與撥叉槽之間存在機(jī)械摩擦,這樣撥叉與撥叉槽就成為易損件,更換很麻煩,同時(shí)在設(shè)備工作時(shí)會產(chǎn)生噪聲,因此采用自鎖氣缸,確保離合后撥叉在撥叉槽中間位置,避免和撥叉槽接觸?？刂茪飧椎葎幼骺蓪?shí)現(xiàn)飛輪離合的自動進(jìn)行,從而極大地提高工作效率,保障試驗(yàn)過程符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在剎車制動過程中,可能會發(fā)生制動力矩超限的情況,為了保護(hù)飛輪軸和系統(tǒng)其他元件,本試驗(yàn)臺在飛輪箱輸出軸側(cè)設(shè)置了液壓安全聯(lián)軸器。液壓安全聯(lián)軸器是一種新型的動力傳動元件,具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動慣量小、易于組裝、安全可靠等特點(diǎn),并且可以很靈活地和其他多種傳動元件聯(lián)合使用,如十字萬向聯(lián)軸器、鼓型齒聯(lián)軸器、撓性聯(lián)軸器等,起到連接、固定、限制傳動扭矩和過載保護(hù)的作用。

3.1.3靜摩擦試驗(yàn)裝置

靜摩擦試驗(yàn)裝置主要由帶電機(jī)的行星減速器、鏈輪、鏈條、傳動軸、軸承座、氣動撥叉離合器等組成。其基本工作原理是:不做靜摩擦試驗(yàn)時(shí),借助離合器使鏈輪與傳動軸脫開,飛輪組工作時(shí),鏈輪靜止。當(dāng)進(jìn)行靜摩擦試驗(yàn)時(shí),離合器將鏈輪與軸結(jié)合,帶電機(jī)的行星減速器工作,控制電機(jī)的輸出力矩按要求加載,最終帶動鏈輪和軸旋轉(zhuǎn),測得的最大力矩即靜摩擦力矩。為減小減速器的速比,降低減速器成本,采用了兩個(gè)鏈輪大小配置的結(jié)構(gòu)。另外,為避免誤動作損壞設(shè)備,靜摩擦試驗(yàn)裝置電機(jī)與飛輪電機(jī)在電氣控制上互鎖。

3.1.4試驗(yàn)工位

試驗(yàn)工位由軸承座、制動框架、試驗(yàn)工裝和環(huán)境模擬系統(tǒng)等組成。其采用上置式制動框架結(jié)構(gòu),框架上有兩個(gè)可移動的橫梁,橫梁的移動通過絲杠完成;制動框架可以繞飛輪軸心線旋轉(zhuǎn):制動框架一端裝在飛輪軸端的空心軸上,另一端裝在可沿飛輪軸心線方向前后移動的支座上。制動工裝主要有實(shí)車用盤形制動夾鉗、實(shí)車用踏面制動器和旋轉(zhuǎn)渦流制動器,制動工裝安裝在制動框架一側(cè)上,制動框架另一側(cè)安裝拉壓力傳感器,根據(jù)不同的試驗(yàn)要求,列車車輪達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速后,制動工裝對車輪形成制動力矩,此時(shí)拉壓力傳感器可實(shí)時(shí)檢測制動扭矩,完成剎車片某種形式的試驗(yàn)。

3.2環(huán)境模擬系統(tǒng)

環(huán)境模擬系統(tǒng)用來接近真實(shí)地模擬列車的運(yùn)行環(huán)境,以驗(yàn)證在各種工作環(huán)境下制動系統(tǒng)的性能。其主要由通風(fēng)系統(tǒng)和環(huán)境控制系統(tǒng)兩部分組成,可模擬包括常溫、氣流、干燥、潮濕、降雨、低溫等氣候條件。

3.3電氣及測控系統(tǒng)

電氣系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)主電機(jī)、靜摩擦驅(qū)動電機(jī)、環(huán)境艙電機(jī)、液壓站等控制功能。主電機(jī)的控制是整個(gè)制動試驗(yàn)臺的核心,本試驗(yàn)臺機(jī)械慣量由3個(gè)飛輪提供,最多可提供4種慣量組合,慣量之間存在級差,無法滿足任意慣量的模擬。電慣量模擬作為基于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)發(fā)展起來的一門新技術(shù),配合機(jī)械慣量可以很好地實(shí)現(xiàn)任意慣量的模擬,當(dāng)車輪減速制動時(shí),電慣量通過控制電機(jī)的輸出扭矩,實(shí)現(xiàn)列車負(fù)載質(zhì)量模擬,試驗(yàn)臺在電機(jī)輸出軸上安裝有扭矩儀,可實(shí)時(shí)檢測電機(jī)輸出扭矩,并將數(shù)據(jù)反饋給控制器,控制器比較輸入值和輸出值的差值,動態(tài)調(diào)整電機(jī)扭矩給定值,使電機(jī)輸出的扭矩準(zhǔn)確達(dá)到試驗(yàn)要求,從而實(shí)現(xiàn)電慣量準(zhǔn)確模擬,進(jìn)而消除慣量極差,提高試驗(yàn)精度,減少機(jī)械飛輪組數(shù)量。測控系統(tǒng)由各種傳感器,如電機(jī)扭矩儀、車輪轉(zhuǎn)速儀、紅外溫度儀和測控軟件系統(tǒng)等組成,各種傳感器采集的數(shù)據(jù)不僅形成試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告,有的傳感器還參與電氣控制,如扭矩儀。

4應(yīng)用范圍

制動試驗(yàn)臺既可完成基礎(chǔ)制動試驗(yàn),如停車制動、坡道制動、靜摩擦試驗(yàn),還可完成電渦流制動試驗(yàn)。

4.1停車制動

停車制動是列車以不同初速度和慣量在制動器作用下直至速度降為零的過程[7]。停車制動試驗(yàn)主要測試摩擦片的性能和制動距離等。試驗(yàn)開始時(shí),首先按照模擬的慣量配置飛輪,不足部分通過電慣量模擬,電機(jī)啟動使飛輪達(dá)到給定的速度,滿足規(guī)定的制動條件后,按要求施加閘瓦或閘片加載力,進(jìn)入制動能量轉(zhuǎn)化過程,直至速度降為零,一次制動試驗(yàn)完成。停車制動需要多次重復(fù)進(jìn)行,測試制動系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)一次制動完成后,由于制動完成后車輪溫度很高,可利用行走風(fēng)模擬系統(tǒng)對車輪進(jìn)行冷卻,直至車輪溫度滿足下一個(gè)制動試驗(yàn)要求。試驗(yàn)過程中采集電機(jī)轉(zhuǎn)速、電機(jī)輸出扭矩、閘瓦或閘片加載力、機(jī)械摩擦制動力矩、各檢測點(diǎn)溫度。

4.2坡道制動

坡道制動試驗(yàn)?zāi)M列車在坡道運(yùn)行時(shí)的制動性能。坡道制動試驗(yàn)可模擬長坡道持續(xù)制動,進(jìn)而測試制動系統(tǒng)性能。坡道制動分為恒加載力制動和恒功率制動兩種模式。恒加載力制動指當(dāng)飛輪達(dá)到試驗(yàn)要求速度時(shí),按要求施加閘瓦或閘片恒定的力直到速度為零。恒功率制動指當(dāng)飛輪達(dá)到一定速度后,按要求通過控制閘片或閘瓦加載力保持制動力矩恒定,直到規(guī)定的時(shí)間。試驗(yàn)過程中主要采集制動系統(tǒng)的溫升和制動力矩?cái)?shù)據(jù)。

4.3停放制動(靜摩擦)試驗(yàn)

停放制動試驗(yàn)主要測試制動裝置的靜摩擦系數(shù),為設(shè)計(jì)和計(jì)算列車在坡道上的停放制動能力提供依據(jù)。試驗(yàn)時(shí),按要求給車輪施加一定的加載力,然后給靜摩擦電機(jī)逐漸增大扭矩,直至車輪和摩擦副產(chǎn)生相對運(yùn)動。測試系統(tǒng)采集加載力、電機(jī)扭矩值,通過計(jì)算換算出靜摩擦力。

4.4電渦流制動試驗(yàn)

電渦流制動是指通過電磁鐵產(chǎn)生的磁場與鋼軌或旋轉(zhuǎn)軌道輪產(chǎn)生的磁場相互作用產(chǎn)生制動力。這種制動方式不同于摩擦片制動,為非接觸式制動,具有無機(jī)械磨損、無噪聲、無氣味、制動力可控等突出優(yōu)點(diǎn),既可用于緊急制動,又可用于常用制動,縮短制動距離,提高行車安全性,并可減少機(jī)械制動的磨耗,運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性良好。試驗(yàn)工裝采用軌道輪模擬鋼軌,用于與軌道輪弧形相配的電磁鐵模擬制動電磁鐵,軌道輪的轉(zhuǎn)動模擬列車相對鋼軌的直線運(yùn)動,轉(zhuǎn)動慣量模擬制動質(zhì)量。試驗(yàn)時(shí),當(dāng)軌道輪達(dá)到試驗(yàn)要求的轉(zhuǎn)速后,電磁通電勵(lì)磁,軌道輪圓盤上感應(yīng)出電渦流,與制動電磁鐵相互作用,完成制動。試驗(yàn)可得到電磁制動力矩、電渦流制動器電壓和電流、電渦流制動器的磁極吸力及其軌道輪圓盤的溫度值。

5結(jié)語

國產(chǎn)化1:1制動試驗(yàn)臺的開發(fā)研究,對我國提高高鐵裝備制造業(yè)自主創(chuàng)新能力具有重大意義。本文主要介紹了試驗(yàn)臺主要機(jī)械部件結(jié)構(gòu)、制動試驗(yàn)應(yīng)用范圍等,對其下一步工程化應(yīng)用具有一定借鑒意義。