城市軌道交通列車基礎(chǔ)制動裝置溫度測試方案

柳琳琳吳偉忠韓 非胡 果(.南昌軌道交通集團有限公司,330038,南昌;.同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,0804,上?！蔚谝蛔髡?高級工程師)

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城市軌道交通列車基礎(chǔ)制動裝置溫度測試方案

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

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

關(guān)鍵詞城市軌道交通列車;基礎(chǔ)制動裝置;在線溫度測試

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

踏面制動作為城市軌道交通(以下簡為“城軌”)列車的主要制動方式,車輪-閘瓦摩擦副在制動過程中的溫度及其變化直接影響到制動系統(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成分在溫度過高的情況下會發(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,合成閘瓦中的有機物在熱分解過程中會產(chǎn)生異味和磨耗粉塵,這些物質(zhì)會影響到乘坐的舒適性和乘客的健康。同時,來自于閘瓦中的金屬類磨粒還會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,制動過程中66% ～90%的熱量由輪對散出[1],車輪在溫度過高的情況下會產(chǎn)生熱應(yīng)力,從而出現(xiàn)熱裂紋和熱損傷,變化的熱應(yīng)力還會導(dǎo)致熱疲勞失效。所以,車輪踏面在運行過程中溫度不應(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之間的熱量來不及消退,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,承受更加大的熱負荷。

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

為獲得車輪-閘瓦摩擦副在工作過程中的溫度變化情況,許多專家和學(xué)者通過建立車輪-閘瓦一維、二維或三維有限元模型[4-5],對其溫度場和應(yīng)力場進行動態(tài)模擬。盡管有限元模型建立得越來越接近真實情況,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流換熱系數(shù)視為常數(shù),不考慮車輪轉(zhuǎn)動和減速將制動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準(zhǔn)確的溫度場,同時也為了驗證有限元分析結(jié)果的有效性,現(xiàn)場溫度測試成為不可缺少的研究手段。

1　溫度測試技術(shù)的介紹

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

1.1熱電偶測溫

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(測量端)與冷端(非測量端)的溫差在熱電偶中產(chǎn)生熱電勢,將電信號引出并處理,從而測量出溫度。其優(yōu)點:

(1)熱電偶直接與被測對象接觸,不受中間介質(zhì)的影響,測量精度高。

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

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

熱電偶用來測試車輪-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,測得的結(jié)果越真實,而太靠近表面又有可能干擾摩擦表面本身的溫度場。

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

(3)熱電偶需要預(yù)埋在閘瓦或車輪中,不可避免地要對閘瓦和車輪進行打孔,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試系統(tǒng)出故障的可能性。

(5)摩擦表面的溫度梯度大,測量點的布置距離很難確定,只能憑經(jīng)驗估計。

(6)熱電偶本身的熱慣性和摩擦接觸表面的熱阻會造成測溫的誤差和不同步。

1.2紅外測溫儀[7]

溫度高于絕對零度的物體都會產(chǎn)生紅外輻射,利用物體產(chǎn)生的紅外輻射能量的強度與物體溫度的關(guān)系可以確定物體的溫度。紅外測溫儀優(yōu)點為:

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

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

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

(4)紅外測溫不會與接觸式測溫一樣破壞物體本身溫度分布,因此測量精度高。

(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,易于測出,可進行微小溫度場的溫度測量和溫度分布測量,以及運動物體或轉(zhuǎn)動物體的溫度測量。

紅外測溫儀用來測量車輪-閘瓦表面溫度的缺點有:

(1)易受環(huán)境因素的影響,閘瓦在制動過程中會產(chǎn)生磨屑和粉塵,在一定程度上會影響到溫度的測試。

(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,紅外測溫儀無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器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形,并反映到紅外探測器的光敏元件上,從而獲得紅外熱像圖。這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。通俗地講,熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像上的不同顏色代表被測物體的不同溫度。除了具備紅外測溫儀的優(yōu)點外,其優(yōu)點還有:

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

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

1.4表面貼覆測溫

表面貼覆測溫一般采用薄膜熱電偶。它是通過真空鍍膜的方法,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,且對接觸表面溫度場的破壞作用也小。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溫也是一種局部區(qū)域的平均測溫方法。制動過程中閘瓦與車輪是一個高速摩擦的過程,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行淬火,再進行一定時間的回火處理,不同回火溫度會使螺釘硬度發(fā)生不同變化,通過測定回火溫度與顯微硬度曲線從而測出被測元件的溫度。用溫度記憶螺釘對閘瓦或車輪進行溫度測量時,需將溫度記憶螺釘分成兩部分,一部分進行顯微硬度測定,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行摩擦試驗,然后取出測定其顯微硬度,對應(yīng)回火溫度與顯微硬度的變化曲線,便可得到測試溫度。溫度記憶螺釘測溫方法復(fù)雜,成本也高,用起來不如其他幾種方法好。

2　溫度測試方案的選擇

通過對常用的幾種溫度測試方法的介紹發(fā)現(xiàn),僅僅依靠單一的方法來測量車輪-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]到踏面制動的結(jié)構(gòu)特點和工作過程等因素,本文在揚棄各種溫度測試方法的弊端,保留各自優(yōu)點的基礎(chǔ)上,提出基于熱電偶、紅外測溫儀和熱成像儀的多平臺協(xié)同溫度測試方案,以解決單一溫度測試方法存在的不足。測試方案原理圖如圖1所示。

圖1　多平臺溫度測試方案

熱電偶尺寸小、結(jié)構(gòu)簡單,適合安裝在相對靜止的閘瓦上。考慮到車輪行駛過程中的旋轉(zhuǎn)運動,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,熱電偶只用于測量閘瓦的溫度,而車輪溫度的測試則采用非接觸的紅外測溫儀。熱電偶只能測量安裝點附近的單點溫度,且測試結(jié)果與摩擦接觸表面的溫度存在一定誤差,紅外測溫儀又無法準(zhǔn)確測得閘瓦接觸車輪瞬間貼合部位的真實溫度,紅外熱成像儀則彌補了這一缺陷。

3　結(jié)論

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

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

參考文獻

[1] 龔積球,王業(yè)發(fā).機車輪箍松馳的原因分析及對策[J].內(nèi)燃機車,1991(6):4.

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[3] 中華人民共和國建設(shè)部.地鐵車輛通用技術(shù)條件:GB/T 7928—2003[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2003:6.

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[6] 朱蘊璞,孔德仁,王芳.傳感器原理及應(yīng)用[M].北京:國防工業(yè)出版社,2005.

[7] 高燕.傳感器原理及應(yīng)用[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2009.

[8] FRANCIS E.Kennedy,Dan Fruseseu,et al.Thin Thermocouple Arrays for Sliding Surface Temperature Measurement[J].Wear,1997(207):46.

[9] 任德君.車用發(fā)動機活塞穩(wěn)定工況溫度測量[J].上海大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),1999,5(3):825.

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U 270.35