1:1高速动车组制动试验台的开发

引言

制动系统对于高铁列车的正常运行有着非常重要的意义。制动系统的基本功能是准确控制列车的运行速度,并在紧急制动时能够迅速制动停车,保障乘客和货物的安全。在对制动系统的研究过程中,试验是一种不可缺少的研究手段,制动系统试验包括线路试验和试验台试验。其中,线路试验成本高,效率低,并且试验数据采集困难:试验台试验目前都采用实物模拟的1:1制动试验台进行,试验台可模拟各种工况下实车的惯量和速度,配合专用试验工装、测试系统、环境模拟系统等,可方便地进行各种验证和试验,为制动系统的开发研究提供可靠的试验手段。目前我国高速1:1制动试验台多为进口,国产的试验台仅能满足低速列车的模拟试验,同时国产试验台自动化水平、测试水平和试验应用范围均有限。而我国列车速度越来越快,高铁里程逐渐增长,这就对列车制动系统试验提出了更高的要求。为此,开发国产高速1:1制动试验台显得非常重要。本文主要介绍高速1:1制动试验台的基本原理、主要组成和应用范围等内容。

1试验台技术参数

1:1制动试验台主要技术参数如表1所示。

2试验台原理

制动试验台架采用多组飞轮旋转模拟列车制动质量的方式进行摩擦副磨损性能及热容量等相关性能参数的测试或验证,试验时,根据列车重量换算出所需飞轮的组合,电机驱动飞轮组和车轮转动,使车轮达到试验要求的转速后,进行踏面制动、闸片制动和旋转涡流制动试验。

3试验台组成

试验台主要由机械系统、环境模拟系统、电气及测控系统三部分组成。

3.1机械系统

机械系统主要由驱动电机、飞轮惯量组、静摩擦试验装置和试验工位等组成,如图1所示。

3.1.1驱动电机

驱动电机采用交流异步电动机,和飞轮惯量及试验工位一起安装在基础框架上,电机输出轴和飞轮箱输入轴采用膜片联轴器连接,膜片联轴器上安装有扭矩仪,可实时检测电机输出扭矩,为电惯量模拟提供反馈数据。

3.1.2飞轮惯量组

飞轮惯量组为制动试验台核心组件,用于机械模拟列车负载。为了和列车质量准确匹配,试验台配置了3个飞轮惯量,其中基础飞轮0为固定飞轮惯量,其余两个为可切换飞轮,通过不同组合可实现多种惯量模拟。考虑到电机拖动系统可以对电惯量进行正、负等值补偿,为充分发挥电机性能,设计飞轮参数如表2所示。

轴承座支撑,轴穿过空心飞轮,不承担飞轮重量,只传递扭矩。为了精确计算出飞轮的转动惯量,飞轮及轴采用3D设计。飞轮在高速旋转过程中将产生很大的离心力,为此对飞轮进行了有限元应力分析,通过优化设计确定了飞轮结构和基本尺寸。飞轮选用高级合金钢材料锻制,要求采用精密机床加工,并在各加工工序间进行无损探伤。加工完成后进行动平衡试验,确保飞轮达到动平衡G2.5级。

为实现惯量的不同组合,本试验台采用气动拨叉离合器,可以实现飞轮惯量和轴的连接和脱开,从而实现不同转动惯量的调节,满足不同转动惯量的试验要求。拨叉的外齿设计成鼓型齿,避免由于加工和装配误差对齿面造成损伤。拨叉连接和脱开位置设有限位开关,以保证拨叉处在试验要求的正确位置。考虑到常规拨叉与拨叉槽之间存在机械摩擦,这样拨叉与拨叉槽就成为易损件,更换很麻烦,同时在设备工作时会产生噪声,因此采用自锁气缸,确保离合后拨叉在拨叉槽中间位置,避免和拨叉槽接触。控制气缸等动作可实现飞轮离合的自动进行,从而极大地提高工作效率,保障试验过程符合相关标准的要求。

在刹车制动过程中,可能会发生制动力矩超限的情况,为了保护飞轮轴和系统其他元件,本试验台在飞轮箱输出轴侧设置了液压安全联轴器。液压安全联轴器是一种新型的动力传动元件,具有结构紧凑、重量轻、转动惯量小、易于组装、安全可靠等特点,并且可以很灵活地和其他多种传动元件联合使用,如十字万向联轴器、鼓型齿联轴器、挠性联轴器等,起到连接、固定、限制传动扭矩和过载保护的作用。

3.1.3静摩擦试验装置

静摩擦试验装置主要由带电机的行星减速器、链轮、链条、传动轴、轴承座、气动拨叉离合器等组成。其基本工作原理是:不做静摩擦试验时,借助离合器使链轮与传动轴脱开,飞轮组工作时,链轮静止。当进行静摩擦试验时,离合器将链轮与轴结合,带电机的行星减速器工作,控制电机的输出力矩按要求加载,最终带动链轮和轴旋转,测得的最大力矩即静摩擦力矩。为减小减速器的速比,降低减速器成本,采用了两个链轮大小配置的结构。另外,为避免误动作损坏设备,静摩擦试验装置电机与飞轮电机在电气控制上互锁。

3.1.4试验工位

试验工位由轴承座、制动框架、试验工装和环境模拟系统等组成。其采用上置式制动框架结构,框架上有两个可移动的横梁,横梁的移动通过丝杠完成;制动框架可以绕飞轮轴心线旋转:制动框架一端装在飞轮轴端的空心轴上,另一端装在可沿飞轮轴心线方向前后移动的支座上。制动工装主要有实车用盘形制动夹钳、实车用踏面制动器和旋转涡流制动器,制动工装安装在制动框架一侧上,制动框架另一侧安装拉压力传感器,根据不同的试验要求,列车车轮达到要求的转速后,制动工装对车轮形成制动力矩,此时拉压力传感器可实时检测制动扭矩,完成刹车片某种形式的试验。

3.2环境模拟系统

环境模拟系统用来接近真实地模拟列车的运行环境,以验证在各种工作环境下制动系统的性能。其主要由通风系统和环境控制系统两部分组成,可模拟包括常温、气流、干燥、潮湿、降雨、低温等气候条件。

3.3电气及测控系统

电气系统主要实现主电机、静摩擦驱动电机、环境舱电机、液压站等控制功能。主电机的控制是整个制动试验台的核心,本试验台机械惯量由3个飞轮提供,最多可提供4种惯量组合,惯量之间存在级差,无法满足任意惯量的模拟。电惯量模拟作为基于计算机控制技术发展起来的一门新技术,配合机械惯量可以很好地实现任意惯量的模拟,当车轮减速制动时,电惯量通过控制电机的输出扭矩,实现列车负载质量模拟,试验台在电机输出轴上安装有扭矩仪,可实时检测电机输出扭矩,并将数据反馈给控制器,控制器比较输入值和输出值的差值,动态调整电机扭矩给定值,使电机输出的扭矩准确达到试验要求,从而实现电惯量准确模拟,进而消除惯量极差,提高试验精度,减少机械飞轮组数量。测控系统由各种传感器,如电机扭矩仪、车轮转速仪、红外温度仪和测控软件系统等组成,各种传感器采集的数据不仅形成试验数据报告,有的传感器还参与电气控制,如扭矩仪。

4应用范围

制动试验台既可完成基础制动试验,如停车制动、坡道制动、静摩擦试验,还可完成电涡流制动试验。

4.1停车制动

停车制动是列车以不同初速度和惯量在制动器作用下直至速度降为零的过程[7]。停车制动试验主要测试摩擦片的性能和制动距离等。试验开始时,首先按照模拟的惯量配置飞轮,不足部分通过电惯量模拟,电机启动使飞轮达到给定的速度,满足规定的制动条件后,按要求施加闸瓦或闸片加载力,进入制动能量转化过程,直至速度降为零,一次制动试验完成。停车制动需要多次重复进行,测试制动系统的可靠性。当一次制动完成后,由于制动完成后车轮温度很高,可利用行走风模拟系统对车轮进行冷却,直至车轮温度满足下一个制动试验要求。试验过程中采集电机转速、电机输出扭矩、闸瓦或闸片加载力、机械摩擦制动力矩、各检测点温度。

4.2坡道制动

坡道制动试验模拟列车在坡道运行时的制动性能。坡道制动试验可模拟长坡道持续制动,进而测试制动系统性能。坡道制动分为恒加载力制动和恒功率制动两种模式。恒加载力制动指当飞轮达到试验要求速度时,按要求施加闸瓦或闸片恒定的力直到速度为零。恒功率制动指当飞轮达到一定速度后,按要求通过控制闸片或闸瓦加载力保持制动力矩恒定,直到规定的时间。试验过程中主要采集制动系统的温升和制动力矩数据。

4.3停放制动(静摩擦)试验

停放制动试验主要测试制动装置的静摩擦系数,为设计和计算列车在坡道上的停放制动能力提供依据。试验时,按要求给车轮施加一定的加载力,然后给静摩擦电机逐渐增大扭矩,直至车轮和摩擦副产生相对运动。测试系统采集加载力、电机扭矩值,通过计算换算出静摩擦力。

4.4电涡流制动试验

电涡流制动是指通过电磁铁产生的磁场与钢轨或旋转轨道轮产生的磁场相互作用产生制动力。这种制动方式不同于摩擦片制动,为非接触式制动,具有无机械磨损、无噪声、无气味、制动力可控等突出优点,既可用于紧急制动,又可用于常用制动,缩短制动距离,提高行车安全性,并可减少机械制动的磨耗,运行经济性良好。试验工装采用轨道轮模拟钢轨,用于与轨道轮弧形相配的电磁铁模拟制动电磁铁,轨道轮的转动模拟列车相对钢轨的直线运动,转动惯量模拟制动质量。试验时,当轨道轮达到试验要求的转速后,电磁通电励磁,轨道轮圆盘上感应出电涡流,与制动电磁铁相互作用,完成制动。试验可得到电磁制动力矩、电涡流制动器电压和电流、电涡流制动器的磁极吸力及其轨道轮圆盘的温度值。

5结语

国产化1:1制动试验台的开发研究,对我国提高高铁装备制造业自主创新能力具有重大意义。本文主要介绍了试验台主要机械部件结构、制动试验应用范围等,对其下一步工程化应用具有一定借鉴意义。