基于轉(zhuǎn)矩測量輪對的制動摩擦系數(shù)測試方法研究*

邵 林

(中國鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所， 北京 100081)

采用閘瓦與踏面、制動盤與閘片兩種形式的摩擦制動，是鐵道機(jī)車車輛主要采用的制動方式，其制動力穩(wěn)定可控、在高低壓失電條件下仍可作用，是車輛根據(jù)需求制動力減速或緊急情況迅速停車的最終保障。無論采用以上哪種摩擦制動的方式，摩擦部件的摩擦系數(shù)都是制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，直接決定了制動力的大小。

根據(jù)《列車牽引計(jì)算規(guī)程》[1]，對于機(jī)車牽引式列車，實(shí)算摩擦系數(shù)與閘瓦或閘片壓力、制動初速度和當(dāng)前速度相關(guān)，這是因?yàn)樵谥苿舆^程中摩擦材料的性能在不斷發(fā)生變化，而其中最主要的因素就是摩擦部件的溫度。機(jī)車車輛制動需要消耗運(yùn)行的動能，能量主要通過摩擦部件耗散從而產(chǎn)生較高的溫度積累(或稱熱負(fù)荷)。動車組摩擦部件為制動盤與制動閘片，其熱負(fù)荷條件較其他低速車輛更為嚴(yán)苛。摩擦系數(shù)在整個制動過程中不為恒定值，給動車組制動力的精確控制帶來了困難，因此，有必要對高速動車組制動盤與閘片的摩擦系數(shù)進(jìn)行測試。

1 摩擦系數(shù)的試驗(yàn)臺測試

制動盤與閘片摩擦系數(shù)測試分為部件級的試驗(yàn)臺試驗(yàn)和整車級測試。

目前國內(nèi)動車組制動盤與閘片在裝車前，應(yīng)根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)《動車組制動盤(暫行)》[2]、《動車組閘片(暫行)》[3]分別在試驗(yàn)臺上完成檢驗(yàn)。制動盤應(yīng)在預(yù)定的試驗(yàn)序列中，對緊固件狀態(tài)、裂紋情況、異常磨耗情況進(jìn)行檢驗(yàn)，并試驗(yàn)中測試摩擦系數(shù)；閘片應(yīng)在預(yù)定的試驗(yàn)序列中，對制動摩擦系數(shù)、磨耗量、試驗(yàn)過程中閘片狀態(tài)進(jìn)行檢驗(yàn)。

試驗(yàn)臺通過以下公式間接測量摩擦系數(shù)：

(1)

其中μ為摩擦系數(shù)，T制動為制動轉(zhuǎn)矩，由試驗(yàn)臺內(nèi)置傳感器直接測得；r為制動盤平均摩擦半徑；F正為制動閘片產(chǎn)生正壓力，由試驗(yàn)臺內(nèi)置傳感器直接測得，預(yù)埋于制動缸位置。

在試驗(yàn)過程中，最嚴(yán)苛工況為最高速度下連續(xù)施加兩次制動，此時設(shè)定正壓力為2段或3段的階梯式投入，類比于動車組施加緊急制動UB。

試驗(yàn)臺測試摩擦系數(shù)方法成熟，內(nèi)置傳感器測試穩(wěn)定，可以做為對制動盤和閘片部件進(jìn)行合格性檢驗(yàn)。但試驗(yàn)臺測試不能完全反映裝車運(yùn)用中的摩擦系數(shù)變化情況，主要因?yàn)槟壳案咚賱榆嚱M摩擦制動在純空氣緊急制動EB時，較緊急制動UB更為嚴(yán)苛，緊急制動EB的制動力受制動軟件的控制，在整車調(diào)試前的部件試驗(yàn)臺階段中，無法體現(xiàn)緊急制動EB的試驗(yàn)條件；另外，受限于摩擦部件裝車后的散熱環(huán)境、動拖車不同的制動力等因素，試驗(yàn)臺結(jié)果對整車適用性也受到局限。綜合以上因素，有必要對整車運(yùn)行中的制動摩擦系數(shù)進(jìn)行測量。

2 摩擦系數(shù)在整車運(yùn)行中的傳統(tǒng)測試方法

傳統(tǒng)的整車運(yùn)行中摩擦系數(shù)測試方式，是通過制動缸壓力、整車減速度等實(shí)測值，結(jié)合列車及制動系統(tǒng)各設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行間接測試，計(jì)算前假設(shè)動拖車產(chǎn)生縱向制動力相等、且動車和拖車的制動摩擦系數(shù)變化規(guī)律相同。按以下各式進(jìn)行計(jì)算。

(2)

F夾鉗=P×A×γ×η

(3)

n軸×F軸=M×(1+r慣量)×a-f阻力

(4)

式中：μ為摩擦系數(shù)；F軸為單軸縱向制動力，kN；n夾鉗為該軸夾鉗個數(shù)；F夾鉗為單夾鉗夾緊力，計(jì)雙側(cè)，kN；r為該軸制動盤平均摩擦半徑，mm；R為車輪半徑，mm；P為該軸制動缸壓力，kPa；A為該軸制動缸有效面積，m2；γ為夾鉗倍率；η為傳動效率，動態(tài)下傳動效率近似取靜態(tài)實(shí)測值；n軸為車軸數(shù)量；M為整車質(zhì)量，t；r慣量為轉(zhuǎn)動慣量；a為實(shí)際整車減速度；f阻力為整車阻力，kN。

根據(jù)以上方法，鑒于計(jì)算假設(shè)前提，可以近似測得各車摩擦系數(shù)的平均值。而對于高速動車組而言，動車一般配置2個輪盤，拖車配置3～4個制動盤，動車在純空氣制動工況下承受著更高的制動能量，其摩擦系數(shù)下降應(yīng)更嚴(yán)重，需要分別測得動車和拖車的摩擦系數(shù)。

3 采用轉(zhuǎn)矩測量輪對的測試方法研究

測試單個車軸產(chǎn)生的縱向力(即轉(zhuǎn)矩)，可以通過在車軸表面貼應(yīng)變橋的方法，通過軸端集流環(huán)，將旋轉(zhuǎn)電信號轉(zhuǎn)化為非旋轉(zhuǎn)電信號，從而實(shí)現(xiàn)在整車運(yùn)行試驗(yàn)中的實(shí)時測試。應(yīng)用此方法，應(yīng)在被測輪對裝于車輛上之前進(jìn)行預(yù)先加工，包含貼片、打線孔、輪對力標(biāo)定等工作。

當(dāng)車軸加載轉(zhuǎn)矩時，被測軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，與軸線成±45°夾角方向上產(chǎn)生最大的剪應(yīng)變。因此，將電阻應(yīng)變片粘貼在動車組車軸表面上，接入測量電橋，隨著車軸受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得相應(yīng)變形，從而使電路的電阻發(fā)生變化。電阻變化與車軸表面的應(yīng)變成正比，通過測量阻值的變化量，就可以反映出旋轉(zhuǎn)軸表面應(yīng)變的大小。根據(jù)車軸所產(chǎn)生的應(yīng)變，可求得相應(yīng)的剪應(yīng)力，根據(jù)剪應(yīng)力就可以計(jì)算出車軸輸出的轉(zhuǎn)矩。

測試時可沿主應(yīng)力方向粘貼相互垂直的兩個應(yīng)變片，組成二軸90°應(yīng)變片，再在與該應(yīng)變片對應(yīng)的軸的對面以同樣方式組成一個應(yīng)變片，組成一個橋式電路。

圖1所示為應(yīng)變片的全橋接法[4]，4個應(yīng)變片分別接電橋的4個橋臂。

有如下特性：

(5)

采用90°接法測試轉(zhuǎn)矩的橋式電路及沿旋轉(zhuǎn)方向平面展開圖見圖2所示。

圖1 應(yīng)變片的全橋連接

圖2 轉(zhuǎn)矩測量橋式電路圖

由圖2可見，在車軸的任意橫截面上，會產(chǎn)生3種作用力或力矩：以橫截面法向?yàn)檩S的轉(zhuǎn)動扭矩Mn；平行于橫截面的彎矩M；垂直于橫截面的軸力。根據(jù)式(5)，僅在扭矩Mn產(chǎn)生方向上，Ra、Rc與Rb、Rd的應(yīng)變分量方向相反,測量時可以疊加應(yīng)變橋輸出電壓；在軸力F及彎矩M方向上，Ra、Rb與Rc、Rd的應(yīng)變分量方向相同，測量時可以抵消輸出電壓。經(jīng)式(5)計(jì)算，輸出電壓正比于扭矩Mn，即該軸在牽引或制動情況下產(chǎn)生的扭矩，其比例系數(shù)可在試驗(yàn)臺上加載縱向力并通過輸出電壓測得。

另外，需要說明的是若輪對上采用的是輪盤而非軸盤制動形式，制動作用直接通過車輪產(chǎn)生，車軸上并不存在扭矩，因此，采用輪盤制動的輪對不能通過測量車軸的扭矩來間接測量輪軌間的制動力。計(jì)算輪盤制動輪對的制動力，需要提前假設(shè)一列動車組的所有動車和拖車的摩擦系數(shù)分別按各自同一規(guī)律變化，通過對式(4)進(jìn)行調(diào)整，從而得到式(6)來計(jì)算。

n輪盤軸數(shù)×F輪盤單軸力+N軸盤軸數(shù)×軸盤單軸力=

M×(1+r慣量)×a-f阻力

(6)

4 應(yīng)用轉(zhuǎn)矩測量輪對的試驗(yàn)結(jié)果分析

在某型動車組的拖車軸上，通過以上方法安裝橋式應(yīng)變片以測量輪周制動力(或制動轉(zhuǎn)矩)。該拖車軸配置3套軸裝制動盤，分別在最外側(cè)軸盤與車輪間的車軸上安裝兩組應(yīng)變橋?？梢酝ㄟ^拖車軸制動力和不計(jì)阻力的總制動力反推動車軸制動力，動車軸安裝2套輪裝制動盤。該動車組的設(shè)計(jì)理念是在緊急制動時，控制各車產(chǎn)生制動力接近，從而平均利用黏著，同時降低各車之間的沖動。(這樣的設(shè)計(jì)不同于某些動車組采用單元內(nèi)電制動優(yōu)先的做法，緊急制動在實(shí)際運(yùn)用中較少實(shí)施，與多利用電制動饋能減少摩擦的理念不矛盾。)由此可見，在緊急制動時，動車2套制動盤將承受更大的制動力并吸收更多的制動能量。

根據(jù)實(shí)測制動距離結(jié)果可見，在350 km/h速度級制動工況下，緊急空氣制動EB的制動距離較緊急制動UB縮短14%。動車組的總制動能量與質(zhì)量和初速度有關(guān)，而更短的制動距離(時間)意味著瞬時制動功率更大，即更嚴(yán)苛的摩擦材料狀態(tài)。因此，選取各速度級下的緊急空氣制動EB進(jìn)行分析，可以代表摩擦系數(shù)下降最嚴(yán)重的情況。

試驗(yàn)按以下順序進(jìn)行：

(1)動車組惰行工況下，對輪對制動力進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，同時驗(yàn)證測量方法有效性；

(2) 動車組進(jìn)行各速度級位的緊急制動試驗(yàn)，測量并統(tǒng)計(jì)摩擦系數(shù)變化規(guī)律。

4.1 惰行工況的零點(diǎn)標(biāo)定

在動車組惰行時，輪周應(yīng)不存在制動力，此時對兩組應(yīng)變橋輸出進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定，同時測量制動力輸出進(jìn)行驗(yàn)證，見圖3所示。

圖3 惰行工況下，兩端應(yīng)變橋輸出及總力試驗(yàn)曲線

由圖3可見，在惰行工況下，理論上不存在輪周制動力，但位于兩側(cè)軸盤與車輪間的一段車軸上有不規(guī)則的應(yīng)力，而二者總和基本保持在0點(diǎn)附近，這表明在運(yùn)行的過程中，受振動影響，兩端車軸上存在隨機(jī)的轉(zhuǎn)矩，但兩端之和基本可以反映總的輪周縱向力，說明應(yīng)用此方法測力時，必須在兩端均布置應(yīng)變橋求得應(yīng)變輸出之和，才能反映出整個軸的縱向力測量結(jié)果。

4.2 各速度級緊急制動摩擦系數(shù)測試

在不同速度級下，進(jìn)行緊急空氣制動EB試驗(yàn)，測試拖車與動車軸制動力，進(jìn)而計(jì)算出拖車與動車的制動摩擦系數(shù)，將測試所得瞬時摩擦系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果與摩擦系數(shù)上限與下限值進(jìn)行比較[3]，見圖4～圖9所示。同時統(tǒng)計(jì)摩擦系數(shù)衰減后的最小值，見表1所示。

圖4 初速度120 km/h緊急空氣制動EB，拖車與動車瞬時摩擦系數(shù)測試曲線

圖5 初速度160 km/h緊急空氣制動EB，拖車與動車瞬時摩擦系數(shù)測試曲線

圖6 初速度200 km/h緊急空氣制動EB，拖車與動車瞬時摩擦系數(shù)測試曲線

圖7 初速度250 km/h緊急空氣制動EB，拖車與動車瞬時摩擦系數(shù)測試曲線

由圖4～圖9和表1可見，在初速度120～250 km/h的緊急空氣制動EB試驗(yàn)中，測得的拖車和動車制動摩擦系數(shù)均在設(shè)計(jì)規(guī)定的范圍內(nèi)，距上下限值都有一定的余量，且二者相差不大，說明此速度范圍內(nèi)的摩擦熱量對摩擦材料狀態(tài)影響較輕微。在初速度300，350 km/h的試驗(yàn)中，動車的摩擦系數(shù)下降明顯，已低至摩擦系數(shù)下限值的附近，最低降至0.24，而拖車仍較下限值有一定余量，這與動拖車各軸制動力均勻分配的前提下，動軸制動盤更少，從而吸收制動能量更多導(dǎo)致摩擦條件更嚴(yán)苛的推論相一致。通過試驗(yàn)中對制動盤和閘片溫度的測試，可以對此進(jìn)行佐證，初速度350 km/h的緊急空氣制動EB過程中，動車制動盤和閘片溫度普遍高于拖車約100℃。

圖8 初速度300 km/h緊急空氣制動EB，拖車與動車瞬時摩擦系數(shù)測試曲線

圖9 初速度350 km/h緊急空氣制動EB，拖車與動車瞬時摩擦系數(shù)測試曲線

試驗(yàn)工況制動初速度/(km·h-1)拖車摩擦系數(shù)最低值動車摩擦系數(shù)最低值緊急空氣制動EB3500.340.243000.280.262500.300.322000.360.341600.330.311200.340.31

5 結(jié)束語

制動盤與閘片的摩擦系數(shù)是制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)。傳統(tǒng)方法可以通過監(jiān)測制動缸壓力、整車減速度等參數(shù)，在動車組運(yùn)行過程中，間接測試不同速度級下動拖車的平均摩擦系數(shù)。而通過拖車動態(tài)制動轉(zhuǎn)矩測量的方式，可以分別計(jì)算出不同速度下動拖車制動摩擦系數(shù)， 從理論和實(shí)測角度對此試驗(yàn)方法進(jìn)行了驗(yàn)證，在實(shí)際進(jìn)行的高速緊急制動試驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)動車制動摩擦系數(shù)下降較拖車更為嚴(yán)重，與理論分析結(jié)論一致。在未來工作中，在有條件實(shí)施此法測量的情況下，將進(jìn)一步積累摩擦系數(shù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與試驗(yàn)臺測試進(jìn)行對比，為制動系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。