引言

制動(dòng)系統(tǒng)對(duì)于高鐵列車(chē)的正常運(yùn)行有著非常重要的意義。制動(dòng)系統(tǒng)的基本功能是準(zhǔn)確控制列車(chē)的運(yùn)行速度,并在緊急制動(dòng)時(shí)能夠迅速制動(dòng)停車(chē),保障乘客和貨物的安全。在對(duì)制動(dòng)系統(tǒng)的研究過(guò)程中,試驗(yàn)是一種不可缺少的研究手段,制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)包括線路試驗(yàn)和試驗(yàn)臺(tái)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(tái)試驗(yàn)?zāi)壳岸疾捎脤?shí)物模擬的1:1制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行,試驗(yàn)臺(tái)可模擬各種工況下實(shí)車(chē)的慣量和速度,配合專(zhuān)用試驗(yàn)工裝、測(cè)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(dòng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)研究提供可靠的試驗(yàn)手段。目前我國(guó)高速1:1制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)多為進(jìn)口,國(guó)產(chǎn)的試驗(yàn)臺(tái)僅能滿足低速列車(chē)的模擬試驗(yàn),同時(shí)國(guó)產(chǎn)試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化水平、測(cè)試水平和試驗(yàn)應(yīng)用范圍均有限。而我國(guó)列車(chē)速度越來(lái)越快,高鐵里程逐漸增長(zhǎng),這就對(duì)列車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)提出了更高的要求。為此,開(kāi)發(fā)國(guó)產(chǎn)高速1:1制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)顯得非常重要。本文主要介紹高速1:1制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的基本原理、主要組成和應(yīng)用范圍等內(nèi)容。

1試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)參數(shù)

1:1制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)主要技術(shù)參數(shù)如表1所示。

2試驗(yàn)臺(tái)原理

制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架采用多組飛輪旋轉(zhuǎn)模擬列車(chē)制動(dòng)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(cè)試或驗(yàn)證,試驗(yàn)時(shí),根據(jù)列車(chē)重量換算出所需飛輪的組合,電機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪組和車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng),使車(chē)輪達(dá)到試驗(yàn)要求的轉(zhuǎn)速后,進(jìn)行踏面制動(dòng)、閘片制動(dòng)和旋轉(zhuǎn)渦流制動(dòng)試驗(yàn)。

3試驗(yàn)臺(tái)組成

試驗(yàn)臺(tái)主要由機(jī)械系統(tǒng)、環(huán)境模擬系統(tǒng)、電氣及測(cè)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(dòng)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(dòng)電機(jī)

驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用交流異步電動(dòng)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(cè)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(dòng)試驗(yàn)臺(tái)核心組件,用于機(jī)械模擬列車(chē)負(fù)載。為了和列車(chē)質(zhì)量準(zhǔn)確匹配,試驗(yàn)臺(tái)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(guò)不同組合可實(shí)現(xiàn)多種慣量模擬。考慮到電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)可以對(duì)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(guò)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(dòng)慣量,飛輪及軸采用3D設(shè)計(jì)。飛輪在高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中將產(chǎn)生很大的離心力,為此對(duì)飛輪進(jìn)行了有限元應(yīng)力分析,通過(guò)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(jí)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(wú)損探傷。加工完成后進(jìn)行動(dòng)平衡試驗(yàn),確保飛輪達(dá)到動(dòng)平衡G2.5級(jí)。

為實(shí)現(xiàn)慣量的不同組合,本試驗(yàn)臺(tái)采用氣動(dòng)撥叉離合器,可以實(shí)現(xiàn)飛輪慣量和軸的連接和脫開(kāi),從而實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的調(diào)節(jié),滿足不同轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)齒面造成損傷。撥叉連接和脫開(kāi)位置設(shè)有限位開(kāi)關(guān),以保證撥叉處在試驗(yàn)要求的正確位置?？紤]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(huì)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?dòng)作可實(shí)現(xiàn)飛輪離合的自動(dòng)進(jìn)行,從而極大地提高工作效率,保障試驗(yàn)過(guò)程符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求。

在剎車(chē)制動(dòng)過(guò)程中,可能會(huì)發(fā)生制動(dòng)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(tái)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(dòng)力傳動(dòng)元件,具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)元件聯(lián)合使用,如十字萬(wàn)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(dòng)扭矩和過(guò)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(dòng)軸、軸承座、氣動(dòng)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(dòng)軸脫開(kāi),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(dòng)鏈輪和軸旋轉(zhuǎn),測(cè)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(dòng)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(dòng)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(dòng)框架結(jié)構(gòu),框架上有兩個(gè)可移動(dòng)的橫梁,橫梁的移動(dòng)通過(guò)絲杠完成;制動(dòng)框架可以繞飛輪軸心線旋轉(zhuǎn):制動(dòng)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(dòng)的支座上。制動(dòng)工裝主要有實(shí)車(chē)用盤(pán)形制動(dòng)夾鉗、實(shí)車(chē)用踏面制動(dòng)器和旋轉(zhuǎn)渦流制動(dòng)器,制動(dòng)工裝安裝在制動(dòng)框架一側(cè)上,制動(dòng)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(chē)車(chē)輪達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速后,制動(dòng)工裝對(duì)車(chē)輪形成制動(dòng)力矩,此時(shí)拉壓力傳感器可實(shí)時(shí)檢測(cè)制動(dòng)扭矩,完成剎車(chē)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(lái)接近真實(shí)地模擬列車(chē)的運(yùn)行環(huán)境,以驗(yàn)證在各種工作環(huán)境下制動(dòng)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(cè)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(dòng)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(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的核心,本試驗(yàn)臺(tái)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(jí)差,無(wú)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(lái)的一門(mén)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(chē)輪減速制動(dòng)時(shí),電慣量通過(guò)控制電機(jī)的輸出扭矩,實(shí)現(xiàn)列車(chē)負(fù)載質(zhì)量模擬,試驗(yàn)臺(tái)在電機(jī)輸出軸上安裝有扭矩儀,可實(shí)時(shí)檢測(cè)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(dòng)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(cè)控系統(tǒng)由各種傳感器,如電機(jī)扭矩儀、車(chē)輪轉(zhuǎn)速儀、紅外溫度儀和測(cè)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(dòng)試驗(yàn)臺(tái)既可完成基礎(chǔ)制動(dòng)試驗(yàn),如停車(chē)制動(dòng)、坡道制動(dòng)、靜摩擦試驗(yàn),還可完成電渦流制動(dòng)試驗(yàn)。

4.1停車(chē)制動(dòng)

停車(chē)制動(dòng)是列車(chē)以不同初速度和慣量在制動(dòng)器作用下直至速度降為零的過(guò)程[7]。停車(chē)制動(dòng)試驗(yàn)主要測(cè)試摩擦片的性能和制動(dòng)距離等。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí),首先按照模擬的慣量配置飛輪,不足部分通過(guò)電慣量模擬,電機(jī)啟動(dòng)使飛輪達(dá)到給定的速度,滿足規(guī)定的制動(dòng)條件后,按要求施加閘瓦或閘片加載力,進(jìn)入制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化過(guò)程,直至速度降為零,一次制動(dòng)試驗(yàn)完成。停車(chē)制動(dòng)需要多次重復(fù)進(jìn)行,測(cè)試制動(dòng)系統(tǒng)的可靠性。當(dāng)一次制動(dòng)完成后,由于制動(dòng)完成后車(chē)輪溫度很高,可利用行走風(fēng)模擬系統(tǒng)對(duì)車(chē)輪進(jìn)行冷卻,直至車(chē)輪溫度滿足下一個(gè)制動(dòng)試驗(yàn)要求。試驗(yàn)過(guò)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(dòng)力矩、各檢測(cè)點(diǎn)溫度。

4.2坡道制動(dòng)

坡道制動(dòng)試驗(yàn)?zāi)M列車(chē)在坡道運(yùn)行時(shí)的制動(dòng)性能。坡道制動(dòng)試驗(yàn)可模擬長(zhǎng)坡道持續(xù)制動(dòng),進(jìn)而測(cè)試制動(dòng)系統(tǒng)性能。坡道制動(dòng)分為恒加載力制動(dòng)和恒功率制動(dòng)兩種模式。恒加載力制動(dòng)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(dòng)指當(dāng)飛輪達(dá)到一定速度后,按要求通過(guò)控制閘片或閘瓦加載力保持制動(dòng)力矩恒定,直到規(guī)定的時(shí)間。試驗(yàn)過(guò)程中主要采集制動(dòng)系統(tǒng)的溫升和制動(dòng)力矩?cái)?shù)據(jù)。

4.3停放制動(dòng)(靜摩擦)試驗(yàn)

停放制動(dòng)試驗(yàn)主要測(cè)試制動(dòng)裝置的靜摩擦系數(shù),為設(shè)計(jì)和計(jì)算列車(chē)在坡道上的停放制動(dòng)能力提供依據(jù)。試驗(yàn)時(shí),按要求給車(chē)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(chē)輪和摩擦副產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。測(cè)試系統(tǒng)采集加載力、電機(jī)扭矩值,通過(guò)計(jì)算換算出靜摩擦力。

4.4電渦流制動(dòng)試驗(yàn)

電渦流制動(dòng)是指通過(guò)電磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)與鋼軌或旋轉(zhuǎn)軌道輪產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生制動(dòng)力。這種制動(dòng)方式不同于摩擦片制動(dòng),為非接觸式制動(dòng),具有無(wú)機(jī)械磨損、無(wú)噪聲、無(wú)氣味、制動(dòng)力可控等突出優(yōu)點(diǎn),既可用于緊急制動(dòng),又可用于常用制動(dòng),縮短制動(dòng)距離,提高行車(chē)安全性,并可減少機(jī)械制動(dòng)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(dòng)電磁鐵,軌道輪的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬列車(chē)相對(duì)鋼軌的直線運(yùn)動(dòng),轉(zhuǎn)動(dòng)慣量模擬制動(dòng)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(pán)上感應(yīng)出電渦流,與制動(dòng)電磁鐵相互作用,完成制動(dòng)。試驗(yàn)可得到電磁制動(dòng)力矩、電渦流制動(dòng)器電壓和電流、電渦流制動(dòng)器的磁極吸力及其軌道輪圓盤(pán)的溫度值。

5結(jié)語(yǔ)

國(guó)產(chǎn)化1:1制動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的開(kāi)發(fā)研究,對(duì)我國(guó)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(tái)主要機(jī)械部件結(jié)構(gòu)、制動(dòng)試驗(yàn)應(yīng)用范圍等,對(duì)其下一步工程化應(yīng)用具有一定借鑒意義。