鐵路機(jī)車車輛用制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)的特點(diǎn)及分析

李衛(wèi)東，董豐收，張廣勇

(中國重型機(jī)械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著我國鐵路在高速以及重載方面的發(fā)展，對(duì)制動(dòng)器的臺(tái)架試驗(yàn)提出了更高的要求。

鐵路機(jī)車車輛用1∶1制動(dòng)動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)目前主要有兩種類型，一種是傳統(tǒng)的純機(jī)械模擬試驗(yàn)臺(tái)(以下簡稱機(jī)械臺(tái))，另一種是機(jī)械模擬+電慣量模擬試驗(yàn)臺(tái)(以下簡稱電慣量臺(tái))。

本文對(duì)這兩種試驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)成、工作原理、設(shè)計(jì)要求、特點(diǎn)進(jìn)行了分析，以期對(duì)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)、選型有一定的助益。

1 機(jī)械模擬臺(tái)

1．1 機(jī)械模擬臺(tái)的主要構(gòu)成及工作原理

機(jī)械臺(tái)如圖1所示，主要由電機(jī)、機(jī)械慣量(由多片飛輪組成，固定分級(jí))、加載系統(tǒng)、摩擦力矩測(cè)量系統(tǒng)等構(gòu)成。

圖1 機(jī)械模擬試驗(yàn)臺(tái)Fig．1 Mechanical flywheel simulation test bench

工作原理:根據(jù)需要模擬的一節(jié)列車的總質(zhì)量和速度，并等效在一個(gè)車輪(或一個(gè)制動(dòng)盤)上，按照在同等速度下能量相等的原則，即試驗(yàn)臺(tái)的飛輪和回轉(zhuǎn)軸系在給定的轉(zhuǎn)速下的動(dòng)能應(yīng)等于列車在相應(yīng)給定的速度和總質(zhì)量下等效在一個(gè)車輪或制動(dòng)盤上的動(dòng)能，設(shè)定試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行參數(shù)，隨之按制動(dòng)要求進(jìn)行制動(dòng)過程并實(shí)時(shí)采集相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、分析。

1．2 機(jī)械模擬臺(tái)特點(diǎn)

(1)組合出的機(jī)械慣量之間有級(jí)差，必須有足夠多的、不同轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的飛輪才能組合出分度值滿足要求的飛輪組，因此難以做到轉(zhuǎn)動(dòng)慣量匹配的自動(dòng)化，否則傳動(dòng)軸系將會(huì)很長;

(2)對(duì)電機(jī)的要求僅是使飛輪組達(dá)到給定的轉(zhuǎn)速，制動(dòng)試驗(yàn)過程中電機(jī)不起任何作用;

(3)若試驗(yàn)臺(tái)組合出的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量Jr和試驗(yàn)程序規(guī)定的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J不同，必須調(diào)整試驗(yàn)程序中規(guī)定的制動(dòng)初始速度v，調(diào)整的原則是速度vk滿足模擬相同能量的要求:

應(yīng)滿足條件:0．95≤K≤1．05;若滿足不了，則說明試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的分度值過大，不能滿足要求;

(4)根據(jù)平均壓緊力和制動(dòng)距離計(jì)算平均摩擦系數(shù)時(shí)需要對(duì)其進(jìn)行修正;

(5)相對(duì)電慣量臺(tái)在沒有加速度(加速度值較小時(shí))要求的條件下，其電機(jī)功率一般較小，正常工作時(shí)電機(jī)運(yùn)行在第一或第三象限;但有加速度(加速度值較大)要求時(shí)，電機(jī)功率會(huì)比相應(yīng)的電慣量臺(tái)大很多，此時(shí)會(huì)造成很大浪費(fèi);

(6)一般情況下投資較少(有加速度要求時(shí)例外)，自動(dòng)化控制和電氣傳動(dòng)控制比較簡單，機(jī)械系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜;

(7)適用于低速制動(dòng)試驗(yàn)。

2 電慣量模擬臺(tái)

2．1 電慣量模擬臺(tái)的主要構(gòu)成及工作原理

電慣量臺(tái)如圖2所示，主要由電機(jī)、扭矩儀(測(cè)量電機(jī)輸出扭矩)、機(jī)械慣量(由相對(duì)機(jī)械臺(tái)較少的飛輪組成，固定分級(jí))、扭矩儀(測(cè)量綜合制動(dòng)扭矩-機(jī)械摩擦與試件風(fēng)阻之和)、加載系統(tǒng)、摩擦力矩測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成。

圖2 電慣量模擬試驗(yàn)臺(tái)Fig．2 Flywheel simulation test bench

工作原理:根據(jù)需要模擬一節(jié)列車的總質(zhì)量和速度并折算到一個(gè)車輪(或一個(gè)制動(dòng)盤)上，按在同等速度下能量相等的原則，即試驗(yàn)臺(tái)的飛輪和回轉(zhuǎn)軸系在給定的轉(zhuǎn)速下的動(dòng)能加上電機(jī)在制動(dòng)過程中補(bǔ)償?shù)哪芰繎?yīng)等于列車在相應(yīng)給定的速度和總質(zhì)量下等效在一個(gè)車輪或制動(dòng)盤上的動(dòng)能，根據(jù)電機(jī)能力設(shè)定試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行參數(shù)，隨之按制動(dòng)要求進(jìn)行制動(dòng)過程并實(shí)時(shí)采集相關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、存儲(chǔ)、分析。

在制動(dòng)過程中，若不考慮系統(tǒng)固有阻力，應(yīng)滿足下式的要求。

式中，TD為電機(jī)輸出扭矩;K為系數(shù);Ts為綜合制動(dòng)力矩。

2．2 電慣量臺(tái)特點(diǎn)

(1)電機(jī)側(cè)高精度扭矩傳感器用于測(cè)量電機(jī)輸出扭矩(測(cè)量電機(jī)在制動(dòng)過程中輸出的能量);同時(shí)還可用于試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械摩擦、風(fēng)阻的標(biāo)定(試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)固有阻力，在不安裝試驗(yàn)件的條件下標(biāo)定。實(shí)際試驗(yàn)時(shí)由于負(fù)載的原因，相關(guān)軸承的功耗會(huì)增加，軸承的負(fù)載愈大其功耗愈大，這是不可避免的，因此機(jī)械摩擦的標(biāo)定存在不可避免的單方向的系統(tǒng)誤差)以及飛輪的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量測(cè)定，若無需測(cè)定實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)慣量時(shí)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量采用設(shè)計(jì)值(盡量要求對(duì)所有回轉(zhuǎn)系的零件進(jìn)行三維實(shí)體設(shè)計(jì)，以便得到精確計(jì)算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量值)，則該扭矩儀可不用;若電慣量模擬直接采用式(3)運(yùn)算，機(jī)械摩擦、風(fēng)阻的標(biāo)定采用慣性運(yùn)行法，但要準(zhǔn)確測(cè)量電機(jī)在制動(dòng)過程中輸出的能量則該扭矩儀是必需的。

(2)在飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與試驗(yàn)慣量有偏差時(shí)，通過電慣量模擬能夠?qū)崿F(xiàn)試驗(yàn)慣量的精確匹配。通過補(bǔ)償系統(tǒng)固有阻力可以實(shí)現(xiàn)更高的試驗(yàn)精度。

(3)便于優(yōu)化配置電機(jī)參數(shù)和飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，并充分發(fā)揮其性能，避免浪費(fèi)。

(4)相對(duì)機(jī)械模擬臺(tái)，其飛輪慣量較小，但電機(jī)功率較大，正常工作時(shí)電機(jī)在四象限運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)更高的加速度。

(5)投資較大，對(duì)自動(dòng)化控制和電氣傳動(dòng)控制要求較高;

(6)高、低速的制動(dòng)試驗(yàn)均可適用。

3 分析

等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和能量的計(jì)算公式如下:

式中，E列車為一節(jié)列車在速度v時(shí)的總動(dòng)能;E'為折算到一節(jié)列車上的附加動(dòng)能(“關(guān)門車”的能量);m為一節(jié)列車的質(zhì)量;J'為一節(jié)列車上在列車運(yùn)行時(shí)其回轉(zhuǎn)輪系的總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;v為列車的運(yùn)行速度;ω為與v對(duì)應(yīng)的車輪角速度;R為車輪的半徑;N為一節(jié)列車的車輪數(shù)或制動(dòng)盤數(shù);m1為折算到一個(gè)車輪或制動(dòng)盤上的等效質(zhì)量，即輪載或盤載;J1為折算到一個(gè)車輪或制動(dòng)盤上的等效轉(zhuǎn)動(dòng)慣量(要求的試驗(yàn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量);E1為折算到一個(gè)車輪或制動(dòng)盤上的等效動(dòng)能(要求的試驗(yàn)臺(tái)飛輪動(dòng)能，亦是要求的制動(dòng)能)。

一般條件下(踏面制動(dòng)或?qū)嵭谋P形制動(dòng)，低速)，制動(dòng)消耗的能量E剎應(yīng)滿足

理想的試驗(yàn)應(yīng)滿足的條件為(機(jī)械臺(tái)和電慣量臺(tái)均適用)制動(dòng)所做的功E剎與試件的風(fēng)阻做的功E阻之和應(yīng)等于E1，即

換言之，制動(dòng)所做的功E剎與試件的風(fēng)阻做的功E阻之和愈接近E1，說明試驗(yàn)精度愈高。

傳統(tǒng)機(jī)械臺(tái)在制動(dòng)過程中所受外力有制動(dòng)力矩、試件的風(fēng)阻、系統(tǒng)固有阻力(飛輪系統(tǒng)的機(jī)械摩擦和風(fēng)阻之和)。因此，在一個(gè)停車制動(dòng)過程中，制動(dòng)所做的功E剎、試件的風(fēng)阻做的功E阻、系統(tǒng)固有阻力做的功E阻1之和應(yīng)等于E1(能量守恒定律)。即

理想狀態(tài)下(沒有風(fēng)阻和機(jī)械摩擦)，制動(dòng)能量應(yīng)等于飛輪的動(dòng)能，即

由于E阻1(試驗(yàn)臺(tái)本身的固有阻力造成的干擾，應(yīng)設(shè)法排除)和E阻無法在試驗(yàn)過程中直接測(cè)量，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為在踏面制動(dòng)或?qū)嵭谋P形制動(dòng)以及低速條件下能量關(guān)系應(yīng)滿足式(8)，此時(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)是可采信的，但是存在如下缺陷:

(1)E剎的計(jì)算值存在最大的系統(tǒng)誤差，接近15%;

(2)臺(tái)架試驗(yàn)要求的制動(dòng)能E1并未被試件全部消耗;

(3)無法測(cè)量綜合制動(dòng)扭矩。

在高速或盤形(通風(fēng)盤)制動(dòng)條件下，考慮到機(jī)械摩擦、風(fēng)阻和轉(zhuǎn)速的關(guān)系以及通風(fēng)盤的影響，顯然式(8)無法得到滿足，需要另外考慮試驗(yàn)數(shù)據(jù)可采信需要滿足的條件。

電慣量模擬臺(tái)在制動(dòng)過程中所受外力為電機(jī)輸出力矩(電慣量模擬、系統(tǒng)固有阻力補(bǔ)償)、制動(dòng)力矩、試件的風(fēng)阻和系統(tǒng)固有阻力(飛輪系統(tǒng)機(jī)械摩擦和風(fēng)阻之和)。

因此，在停車制動(dòng)過程中，電機(jī)所做的功E電、制動(dòng)所做的功E剎、試件的風(fēng)阻做的功E阻、系統(tǒng)固有阻力做的功E阻1、飛輪的動(dòng)能E飛輪、E1應(yīng)滿足

理想狀態(tài)下(沒有風(fēng)阻和機(jī)械摩擦)，按照試驗(yàn)要求應(yīng)滿足

由于電慣量模擬臺(tái)具備了標(biāo)定并補(bǔ)償系統(tǒng)固有阻力的條件(在制動(dòng)過程中可計(jì)算出E阻1)。同時(shí)能夠測(cè)量電機(jī)輸出扭矩(積分運(yùn)算得到E電)、綜合制動(dòng)扭矩(積分運(yùn)算得到E剎+E阻)、機(jī)械摩擦扭矩(積分運(yùn)算得到E剎)，因此式(12)從理論上說應(yīng)得到滿足。實(shí)際應(yīng)用中考慮到儀表測(cè)量精度、控制精度、采樣周期等因素的影響，式(12)應(yīng)修正為

式中，X值待定，X愈小則說明控制和測(cè)量精度愈高，取值1～2之間。

如果省去電機(jī)側(cè)扭矩儀，則式(14)簡化為

在扭矩儀精度能夠滿足試驗(yàn)要求的情況下，可利用式(15)進(jìn)行實(shí)際考核。由于該扭矩儀要承受靜摩擦力矩(一般最大要達(dá)到30 kN·m)，該扭矩儀滿量程值很大，因此在測(cè)量較小力矩時(shí)精度較低。

4 結(jié)論

機(jī)械模擬臺(tái)本身的系統(tǒng)固有阻力無法補(bǔ)償，在高速時(shí)，由于固有阻力增加很快(可近似認(rèn)為與速度的平方成比例關(guān)系)，試驗(yàn)過程中，實(shí)際制動(dòng)能量遠(yuǎn)低于要求的制動(dòng)能量，造成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可采信性大為降低。

電慣量模擬臺(tái)在試驗(yàn)精度(模擬真實(shí)運(yùn)行狀態(tài))、試驗(yàn)?zāi)芰?同樣的電機(jī)和飛輪慣量條件下)等方面均優(yōu)于機(jī)械模擬臺(tái)。同時(shí)，電慣量模擬臺(tái)在設(shè)計(jì)時(shí)可進(jìn)行優(yōu)化配置，避免造成不必要的浪費(fèi)。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，電慣量模擬臺(tái)測(cè)量技術(shù)、電氣傳動(dòng)控制技術(shù)日臻成熟，電慣量臺(tái)取代傳統(tǒng)機(jī)械模擬臺(tái)的趨勢(shì)不可避免。

［1］ Brakes-Disk brakes and their application-General conditions for the approval of brake pads［M］．UIC541-3 2010．

［2］ Brakes with composite brake blocks-General conditions for certification of composite brake blocks［M］．UIC541-4，2010．

［3］ Fragen des Bremswesens-Anforderungen an die Bremsprüfst?nde für die internationale Zulassung von Reibmaterialien［M］．ERRI B126/RP182001．