城市軌道交通列車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置溫度測(cè)試方案

柳琳琳吳偉忠韓 非胡 果(.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司,330038,南昌;.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,0804,上海∥第一作者,高級(jí)工程師)

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城市軌道交通列車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置溫度測(cè)試方案

柳琳琳1吳偉忠2韓 非2胡 果2
(1.南昌軌道交通集團(tuán)有限公司,330038,南昌;2.同濟(jì)大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上?！蔚谝蛔髡?高級(jí)工程師)

摘 要分析了城市軌道交通列車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置在線溫度測(cè)試的重要性,介紹了溫度測(cè)試技術(shù),提出了基于熱電偶、紅外測(cè)溫儀和熱成像儀的多平臺(tái)溫度測(cè)試方案,以解決單一溫度測(cè)試方法存在的不足。熱電偶、紅外測(cè)溫儀和成像儀組成的多平臺(tái)協(xié)同溫度測(cè)試方案是獲取踏面制動(dòng)過(guò)程中車輪-閘瓦摩擦副溫度場(chǎng)較理想可行的方案。該方案有利于基礎(chǔ)制動(dòng)裝置的失效分析,可為城市軌道交通列車的安全運(yùn)營(yíng)提供參考。

關(guān)鍵詞城市軌道交通列車;基礎(chǔ)制動(dòng)裝置;在線溫度測(cè)試

First-author′s address Nanchang Railway Group Co., Ltd.,330038,Nanchang,China

踏面制動(dòng)作為城市軌道交通(以下簡(jiǎn)為“城軌”)列車的主要制動(dòng)方式,車輪-閘瓦摩擦副在制動(dòng)過(guò)程中的溫度及其變化直接影響到制動(dòng)系統(tǒng)工作的可靠性、使用壽命和安全性。城市軌道交通列車一般采用合成閘瓦,而合成閘瓦中的有機(jī)成分在溫度過(guò)高的情況下會(huì)發(fā)生熱分解,導(dǎo)致車輪-閘瓦摩擦副摩擦系數(shù)下降以及磨耗量增加。城軌列車大部分行程是處在地下密閉空間,合成閘瓦中的有機(jī)物在熱分解過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生異味和磨耗粉塵,這些物質(zhì)會(huì)影響到乘坐的舒適性和乘客的健康。同時(shí),來(lái)自于閘瓦中的金屬類磨粒還會(huì)給受電弓滑板等部件的正常工作造成影響。

合成閘瓦由于其導(dǎo)熱系數(shù)低,制動(dòng)過(guò)程中66% ～90%的熱量由輪對(duì)散出[1],車輪在溫度過(guò)高的情況下會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力,從而出現(xiàn)熱裂紋和熱損傷,變化的熱應(yīng)力還會(huì)導(dǎo)致熱疲勞失效。所以,車輪踏面在運(yùn)行過(guò)程中溫度不應(yīng)大于400℃[2]。

城軌列車的站間距比較小,一次緩解與下一次制動(dòng)之間的熱量來(lái)不及消退,車輪-閘瓦摩擦副之間存在一定的熱累積效應(yīng)。為適應(yīng)城市的發(fā)展,城軌列車的運(yùn)行線路在原有的基礎(chǔ)上不斷延伸,車輪-閘瓦摩擦副面臨更加惡劣的熱環(huán)境,承受更加大的熱負(fù)荷。

《地鐵車輛通用技術(shù)條件》中規(guī)定,即使在電制動(dòng)出現(xiàn)故障的意外情況下,也應(yīng)能保證空氣制動(dòng)發(fā)揮作用,使列車安全停車[3]。為消除城軌列車在制動(dòng)過(guò)程中溫度過(guò)高所潛在的安全隱患,研究車輪-閘瓦摩擦副溫度場(chǎng)變得尤為重要。

為獲得車輪-閘瓦摩擦副在工作過(guò)程中的溫度變化情況,許多專家和學(xué)者通過(guò)建立車輪-閘瓦一維、二維或三維有限元模型[4-5],對(duì)其溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。盡管有限元模型建立得越來(lái)越接近真實(shí)情況,但大部分的理論和模型都存在著許多假設(shè)和邊界條件,例如:忽略摩擦副溫度變化的影響將摩擦系數(shù)視為不變的量,假設(shè)外部環(huán)境溫度和其他因素不變而將對(duì)流換熱系數(shù)視為常數(shù),不考慮車輪轉(zhuǎn)動(dòng)和減速將制動(dòng)熱量視為一面熱源均勻施加在車輪踏面,等等。為了得到車輪-閘瓦摩擦副表面真實(shí)準(zhǔn)確的溫度場(chǎng),同時(shí)也為了驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的有效性,現(xiàn)場(chǎng)溫度測(cè)試成為不可缺少的研究手段。

1　溫度測(cè)試技術(shù)的介紹

按照測(cè)試部位是否與被測(cè)介質(zhì)直接接觸,溫度測(cè)試可以分為接觸式測(cè)溫和非接觸式測(cè)溫。城軌列車基礎(chǔ)制動(dòng)裝置常用的測(cè)溫方法有熱電偶測(cè)溫、紅外測(cè)溫、表面貼覆測(cè)溫和溫度記憶螺釘?shù)?。其?熱電偶測(cè)溫、表面貼覆測(cè)溫和溫度記憶螺釘屬于接觸式測(cè)溫,紅外測(cè)溫屬于非接觸式測(cè)溫。

1.1熱電偶測(cè)溫

熱電偶由兩種不同溫度的金屬焊接在一起,利用熱電偶熱端(測(cè)量端)與冷端(非測(cè)量端)的溫差在熱電偶中產(chǎn)生熱電勢(shì),將電信號(hào)引出并處理,從而測(cè)量出溫度。其優(yōu)點(diǎn):

(1)熱電偶直接與被測(cè)對(duì)象接觸,不受中間介質(zhì)的影響,測(cè)量精度高。

(2)熱電偶測(cè)量范圍廣,從-50～+1 600℃均可連續(xù)測(cè)量,某些特殊的熱電偶最低可測(cè)到-269 ℃(如鐵-康銅熱電偶),最高可測(cè)到+2 800℃(如鎢-錸熱電偶)[6]。

(3)熱電偶構(gòu)造簡(jiǎn)單,通常是由兩種不同的金屬絲組成,而且不受大小和開(kāi)頭的限制,外有保護(hù)套管,用起來(lái)非常方便。

熱電偶用來(lái)測(cè)試車輪-閘瓦表面溫度存在著一些不足,表現(xiàn)在:

(1)熱電偶探頭只能布置在距摩擦表面一定距離的位置,測(cè)試的結(jié)果與摩擦表面的溫度存在誤差,熱電偶越接近摩擦表面,測(cè)得的結(jié)果越真實(shí),而太靠近表面又有可能干擾摩擦表面本身的溫度場(chǎng)。

(2)熱電偶只能測(cè)得單點(diǎn)位置的溫度,要獲取整個(gè)摩擦表面的溫度需要安裝多個(gè)熱電偶。

(3)熱電偶需要預(yù)埋在閘瓦或車輪中,不可避免地要對(duì)閘瓦和車輪進(jìn)行打孔,破壞了摩擦副接觸表面。

(4)熱電偶安裝在旋轉(zhuǎn)的車輪上還需考慮使用集電環(huán),增加了安裝的工作量和測(cè)試系統(tǒng)出故障的可能性。

(5)摩擦表面的溫度梯度大,測(cè)量點(diǎn)的布置距離很難確定,只能憑經(jīng)驗(yàn)估計(jì)。

(6)熱電偶本身的熱慣性和摩擦接觸表面的熱阻會(huì)造成測(cè)溫的誤差和不同步。

1.2紅外測(cè)溫儀[7]

溫度高于絕對(duì)零度的物體都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射,利用物體產(chǎn)生的紅外輻射能量的強(qiáng)度與物體溫度的關(guān)系可以確定物體的溫度。紅外測(cè)溫儀優(yōu)點(diǎn)為:

(1)紅外測(cè)溫儀屬于非接觸測(cè)溫,它不需要接觸到被測(cè)溫度場(chǎng)的內(nèi)部或表面,因此,不會(huì)干擾被測(cè)溫度場(chǎng)的狀態(tài),測(cè)溫儀本身也不受溫度場(chǎng)的損傷。

(2)其測(cè)量范圍廣。因其是非接觸測(cè)溫,所以測(cè)溫儀并不處在較高或較低的溫度場(chǎng)中,而是工作在正常的溫度或測(cè)溫儀允許的條件下。

(3)測(cè)量范圍在-50～+2 000℃;測(cè)溫速度快,即響應(yīng)時(shí)間快,只要接收到目標(biāo)的紅外輻射即可在短時(shí)間內(nèi)定溫。

(4)紅外測(cè)溫不會(huì)與接觸式測(cè)溫一樣破壞物體本身溫度分布,因此測(cè)量精度高。

(5)靈敏度高。只要物體溫度有微小變化,輻射能量就有較大改變,易于測(cè)出,可進(jìn)行微小溫度場(chǎng)的溫度測(cè)量和溫度分布測(cè)量,以及運(yùn)動(dòng)物體或轉(zhuǎn)動(dòng)物體的溫度測(cè)量。

紅外測(cè)溫儀用來(lái)測(cè)量車輪-閘瓦表面溫度的缺點(diǎn)有:

(1)易受環(huán)境因素的影響,閘瓦在制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生磨屑和粉塵,在一定程度上會(huì)影響到溫度的測(cè)試。

(2)閘瓦與車輪貼合部位有可能是溫度最高的區(qū)域,而在閘瓦接觸車輪的瞬間,紅外測(cè)溫儀無(wú)法獲取到摩擦接觸表面的溫度。

1.3熱成像儀

熱像儀是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形,并反映到紅外探測(cè)器的光敏元件上,從而獲得紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場(chǎng)相對(duì)應(yīng)。通俗地講,熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像。熱圖像上的不同顏色代表被測(cè)物體的不同溫度。除了具備紅外測(cè)溫儀的優(yōu)點(diǎn)外,其優(yōu)點(diǎn)還有:

(1)響應(yīng)速度快,實(shí)時(shí)性強(qiáng),從而允許進(jìn)行溫度瞬態(tài)研究和大范圍設(shè)備的快速觀察;可在線檢測(cè)某些難以接觸或禁止接觸的檢測(cè)點(diǎn),適合閘瓦-車輪貼合面的溫度檢測(cè)。

(2)紅外熱成像技術(shù)能直觀地顯示物體表面的溫度場(chǎng),不受強(qiáng)光影響,應(yīng)用廣泛。熱成像儀除了價(jià)格貴以外,其測(cè)量精度還受測(cè)量表面的發(fā)射率、反射率、背景輻射、大氣衰減、測(cè)量距離和環(huán)境溫度等因素影響。

1.4表面貼覆測(cè)溫

表面貼覆測(cè)溫一般采用薄膜熱電偶。它是通過(guò)真空鍍膜的方法,將熱電極材料沉積在絕緣基板上制成的熱電偶。薄膜熱電偶比普通的熱電偶具有較小的熱慣性、較高的靈敏度,耐磨性也好,且對(duì)接觸表面溫度場(chǎng)的破壞作用也小。但目前薄膜熱電偶技術(shù)還不夠完善,節(jié)點(diǎn)尺寸較大,為80×80μm2,而閘瓦與車輪接觸屬于微凸體接觸,其接觸半徑只有10 μm[8],這意味著表面貼覆測(cè)溫也是一種局部區(qū)域的平均測(cè)溫方法。制動(dòng)過(guò)程中閘瓦與車輪是一個(gè)高速摩擦的過(guò)程,薄膜熱電偶貼覆在摩擦表面,安裝比較困難,另外,防止熱電偶磨損也是一個(gè)難題。

1.5溫度記憶螺釘

溫度記憶螺釘[9]是將某種材料的螺釘先進(jìn)行淬火,再進(jìn)行一定時(shí)間的回火處理,不同回火溫度會(huì)使螺釘硬度發(fā)生不同變化,通過(guò)測(cè)定回火溫度與顯微硬度曲線從而測(cè)出被測(cè)元件的溫度。用溫度記憶螺釘對(duì)閘瓦或車輪進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí),需將溫度記憶螺釘分成兩部分,一部分進(jìn)行顯微硬度測(cè)定,繪出回火溫度與顯微硬度變化曲線;另一部分旋入閘瓦或車輪進(jìn)行摩擦試驗(yàn),然后取出測(cè)定其顯微硬度,對(duì)應(yīng)回火溫度與顯微硬度的變化曲線,便可得到測(cè)試溫度。溫度記憶螺釘測(cè)溫方法復(fù)雜,成本也高,用起來(lái)不如其他幾種方法好。

2　溫度測(cè)試方案的選擇

通過(guò)對(duì)常用的幾種溫度測(cè)試方法的介紹發(fā)現(xiàn),僅僅依靠單一的方法來(lái)測(cè)量車輪-閘瓦摩擦副的溫度很難獲取滿意的效果,都存在各種各樣的局限?？紤]到踏面制動(dòng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作過(guò)程等因素,本文在揚(yáng)棄各種溫度測(cè)試方法的弊端,保留各自優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上,提出基于熱電偶、紅外測(cè)溫儀和熱成像儀的多平臺(tái)協(xié)同溫度測(cè)試方案,以解決單一溫度測(cè)試方法存在的不足。測(cè)試方案原理圖如圖1所示。

圖1　多平臺(tái)溫度測(cè)試方案

熱電偶尺寸小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適合安裝在相對(duì)靜止的閘瓦上。考慮到車輪行駛過(guò)程中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),為避免采用集流環(huán)而增加安裝的工作量和出故障的可能性,熱電偶只用于測(cè)量閘瓦的溫度,而車輪溫度的測(cè)試則采用非接觸的紅外測(cè)溫儀。熱電偶只能測(cè)量安裝點(diǎn)附近的單點(diǎn)溫度,且測(cè)試結(jié)果與摩擦接觸表面的溫度存在一定誤差,紅外測(cè)溫儀又無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)得閘瓦接觸車輪瞬間貼合部位的真實(shí)溫度,紅外熱成像儀則彌補(bǔ)了這一缺陷。

3　結(jié)論

(1)城軌列車運(yùn)行線路不斷延伸且站間距短,為保證列車運(yùn)行的安全,通過(guò)在線測(cè)試來(lái)研究基礎(chǔ)制動(dòng)裝置摩擦表面的溫度場(chǎng)變得尤為重要。

(2)溫度測(cè)試方法繁多,但各自都有不足之處,僅靠一種測(cè)試方法來(lái)精確獲取車輪-閘瓦接觸表面的溫度分布情況幾乎不太可能,以熱電偶、紅外測(cè)溫儀和熱成像儀組成的多平臺(tái)協(xié)同溫度測(cè)試方案是一個(gè)比較理想可行的方案。

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Temperature Measurement Scheme for Foundation Brake Device of Urban Rail Transit Train

Liu Linlin,Wu Weizhong,Han Fei,Hu Guo

AbstractThe importance of on-line temperature measurement for foundation brake device of urban rail transit train is analyzed,and the temperature measurement technique is introduced.A temperature measurement scheme of multiplatform based on thermocouple,infrared radiation thermometer and thermal imager is proposed,to solve the problems in single filter test method.This scheme could help to analyze foundation brake device failures and ensure the safe operation of urban rail transit train.

Key wordsurban rail transit train;foundation braking gear;on-line temerature mesurement

(收稿日期:2015-06-09)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.022

中圖分類號(hào)U 270.35