CN100395131C - 车辆涡流制动实验装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及磁悬浮列车和轮轨系统高速列车的安全控制技术，具体涉及高速轨道交通系统的涡流制动实验装置。本发明装置包括基座、旋转轨道、电磁装置、励磁电源、车载电源模拟装置、计算机测量与控制装置、传动装置等组成。在旋转轨道高速旋转时，通过励磁电源的作用，由多点分布的测量传感器检测涡流制动与电磁吸力的作用状态，获取涡流制动的工作状态。本发明功能完善，可以模拟和验证涡流制动完整的工作过程与状态，以及验证涡流制动各个功能部件的工作过程，实现特性验证。

Description

车辆涡流制动实验装置
技术领域
本发明属机电技术领域，具体涉及一种高速轨道交通系统的涡流制动实验装置。
背景技术
随着城市高速轨道交通系统(包括磁悬浮交通系统和轮轨高速系统)的发展，安全控制技术是首先必须考虑和解决的技术之一。
目前上海引进的全世界首条商业运行的磁悬浮线路上所行驶的是德国进口的TR08高速磁悬浮列车。该车所装载的安全控制装置的关键部分是涡流制动装置。
如何验证涡流制动技术原理的有效性、验证涡流制动设备制造技术的可行性，验证车载设备的可用性、可靠性，以及验证车载检测控制系统的可用性与可靠性、车载励磁电源的可用性与可靠性、测试技术与仪器的可行性等就成为涡流制动装置国产化过程中所要解决的基础技术问题。
根据专利查新证明，目前国内仅有一套用于研究轮轨系统列车的涡流制动实验系统，但是该系统的制动轮直径是1100mm，最大线速度仅为250km/h，最大转动惯量为166kN.m.s2，最大制动力4.66kN，制动磁极固定安装。国外类似的涡流制动实验系统有运行速度大于300km/h的转动实验台，但是其涡流制动磁极是采用固定安装方式。它们都无法模拟TR系列磁悬浮列车涡流制动装置特有的运行模式。
发明内容
本发明的目的在于提出一种车辆涡流制动实验装置，以便能够验证涡流制动技术原理，并且能够与高速磁悬浮列车和高速轮轨列车涡流制动装置的工作模式兼容，能够与励磁电源的工作模式兼容，能够准确分离涡流制动力与电磁吸力、准确检测涡流制动装置的工作过程。
本发明设计的车辆涡流制动实验装置，由机械系统、车载电源模拟装置、可控交直流励磁电源、交流传动控制装置、测试机构、计算机检测与控制系统组成，其系统结构如图2所示。其中，机械系统部分由安装基座、变频交流异步电机、旋转轨道轮装置(轨道测试轮)、惯性轮装置、磁极安装支撑装置、弹性阻尼器、磁吸力和涡流制动力传感器、转速传感器和连接机构组成，其结构如图1所示。其中，旋转轨道轮(测试轮)6通过旋转轨道轮支撑结构7安装于基座1上，惯性轮9通过惯性轮支撑结构10安装于基座1上，惯性轮轴11通过联轴器12与轨道轮轴8连接，制动磁极4设置于磁极安装支撑装置3内，旋转轨道轮6的侧缘位于两边对称设置的制动磁极4中。变频交流异步电机2安装于基座1上，电机输出轴通过皮带与惯性轮轴11连接。
本发明中，制动磁极4在磁极安装支撑装置3中成扇形分布，每侧可以为4-8个。制动力(磁吸力)测量传感器14通过安装支座13与基座1固定。磁极安装支撑装置3的中心通过径向轴承支撑在轨道轮(测试轮)6的轨道轮轴8的轴套上，见图3所示。磁极安装支撑装置3可以围绕轨道轮轴8的轴套旋转。
本发明中，电磁机构行程控制与电磁吸力测量机构15设置于制动磁极4的对应位置，成扇形分布，见图4所示。该电磁机构行程控制与电磁吸力测量机构15由电磁铁铁芯16、电磁铁绕组17、磁轭18、电磁吸力传感器19、阻尼弹簧21、行程控制挡板22依次连接组成，其结构见图5所示。
其中，每一侧的制动磁极4与磁轭18构成单元，该单元通过支撑轴承安装在磁极安装支撑装置3中，以减少电磁单元运动时的摩擦力。行程控制机构安装和限制套筒20是磁极安装支撑装置3的一部分。当电磁单元中有励磁电流时，电磁机构单元可以克服弹簧21的弹性阻尼发生位移，该位移的行程大小可以通过行程控制挡板22进行调节。
在进行涡流制动实验时，涡流制动力可以通过图6所示的切线原理进行分离测量，而电磁吸力的大小可以通过电磁吸力传感器19获取，电磁单元的行程的大小在实验之间通过调节行程控制挡板22获取。
本发明工作过程如下：
当需要启动实验装置时，传动控制装置驱动变频交流异步电机2，驱动惯性轮9，通过联轴器12驱动测试轨道轮6，当测试轮达到规定的转速时，切除传动控制装置输出，然后启动交直流励磁电源向电磁单元提供励磁，由于励磁电源作用和电磁单元与测试轮上的感应板之间的高速相对运动，一方面产生涡流制动力，同时产生电磁吸力。涡流制动力对测试轮6和惯性轮9产生制动作用，其制动力的大小通过涡流制动力分离测量传感器14由计算机记录处理。而电磁吸力则使得电磁单元(当电磁吸力足够大时)克服弹簧的弹性阻尼发生位移。电磁吸力的大小通过电磁吸力传感器19由计算机记录处理。在整个实验过程中，计算机同时记录轨道轮的速度、励磁电流的大小和频率(当励磁输出为交流励磁时)、制动力和电磁吸力等。
在实验之前计算机首先将所有的传感器的输出清零。在实验结束后，计算机将所有的记录信息进行数据库管理、各种所需的同步分析处理，包括图形及报表显示打印等。
本发明的技术特点是：以旋转方式模拟直线运动、以轨道运动代替车辆运动所形成的相对运动机理，以大惯性模拟车辆运行、以350km/h的最大线速度运行、大的涡流制动力、大的磁吸力、制动磁极根据磁吸力大小产生位移模拟列车的安全制动工况。
磁极采取侧面布置方式，分别布置在测试轨道轮的两侧。这样布置的目的是：一方面与磁悬浮列车的结构相似，因为磁悬浮列车的涡流制动磁极也是分别布置在列车下部的两侧，在发生制动作用时，磁极分别向内侧移动抱紧导向轨而发生摩擦；另一方面，可以模拟在制动作用产生时，涡流制动磁极与导向轨之间因磁吸力导致的间隙变化。
本发明通过部件的模块化结构，以实现通用性、可更换性。可以用于验证涡流制动技术原理的有效性、验证涡流制动设备制造技术的可行性，验证车载设备的可用性、可靠性，以及验证车载检测控制系统的可用性与可靠性、车载励磁电源的可用性与可靠性、测试技术与仪器的可行性等。
附图说明
图1为装置结构图。
图2为装置组成框图。
图3为电磁结构与支撑结构关系图。
图4为力的测量关系图。
图5为电磁结构的运动与测量示意图。
图6为制动力测量分离原理图。
图中标号：
1为机械结构的基座；2为变频交流异步电机；3为磁极安装支撑装置；4为制动磁极；5为轴承端盖；6为旋转轨道轮(又称测试轮)；7为旋转轨道轮支撑结构；8为轨道轮轴；9为惯性轮；10为惯性轮支撑结构；11为惯性轮轴，12为联轴器；13为制动力传感器安装支座；14为制动力测量传感器；15为电磁机构行程控制与电磁吸力测量机构；16为电磁铁铁芯；17为电磁铁绕组；18为磁轭；19为电磁吸力传感器；20为行程控制机构安装和限制套筒；21为阻尼弹簧；22为行程控制挡板；23为弹簧预紧机构及安装端盖。
具体实施方式
下面通过实施例进一步描述本发明。
实施例中，轨道测试轮的直径为1380mm，厚度是200mm；惯性轮的直径是1215mm，厚度是150mm。转速约为1470转/分，轨道轮测试的外缘线速度是350km/h。轨道轮测试由轮体和感应板(磁悬浮线路上的导向轨模拟板)组成。磁极安装支撑装置3上安装有12个磁极、12个阻尼弹簧、10个磁吸力传感器。另外还有四个制动力传感器。
最大转动惯量：∑J实际＝J轨道轮+2J惯性轮+J零＝934.34N·m·s2。磁极铁心尺寸长190×高250×厚90mm；磁铁绕组为350匝，安匝数为110×350×2×6。
每个电磁铁外形尺寸：260mm×204mm；铁心为90×150mm。最大垂直磁吸力每侧大于25kN，在300km/h时最大制动力每侧大于4.5kN。装置的输入电源为3相380伏50Hz。相控整流电源的输出为直流440V，最大输出电流500A。单台励磁电源的直流输出为120A，最大输出150A；单台励磁电源的交流输出为120A，最大输出为150A，频率为2~10Hz；单台励磁电源容量不小于50kW，共四台。4台励磁电流是直流励磁输出和交流励磁输出随时可控切换、输出电流幅值和频率可控。
(1)以1380mm直径的轨道轮6的旋转方式模拟直线运动和以轨道运动代替车辆运动所形成的相对运动机理(参见图2)，以960.35kN.m.s2的大转动惯量模拟车辆运行，达到350km/h的最大线速度运行，最大的涡流制动力达到9.0kN，单侧最大磁吸力为25kN。应用在磁悬浮列车的涡流制动技术研究，而且以这种结构形式所形成的实验系统规模在国内是唯一的。
(2)12个磁极4在轨道轮6两侧布置，结合弹簧阻尼21连接实现制动磁极根据磁吸力大小产生位移模拟列车的安全制动工况，涡流制动磁极的布置方式参见图3的模块4(这是其中的一个)，弹簧与磁极的布置位置参见图4的模块15，弹簧与磁极的连接方式参见图5。
(3)以圆形结构中的切线原理设计的特殊的涡流制动力测量分离技术，是本系统的技术特点之一。制动力测量分离原理参见图5，制动力的测量传感器的布置参见图4中部结构。
具体实施过程：
以二次成型法建造一个深2m的钢筋混凝土基座，将机械装置的铸铁基座1通过12个φ36长1m的螺丝固定在钢筋混凝土基座上；惯性轮9通过高速轴承与惯性轮支撑结构10安装在基座1上；测试轮6通过高速轴承与惯性轮支撑结构7安装在基座1上；惯性轮轴11通过联轴器12与测试轮轴8连接；变频交流异步电机2通过皮带与惯性轮连接。
每一侧的制动磁极与磁轭通过钢结构构成单元，该单元(示意图参见图5)通过支撑轴承安装在扇形结构的磁极安装支撑装置3的内部，支撑轴承的作用是减少电磁单元运动时的摩擦力，其中行程控制机构安装和限制套筒是磁极安装支撑装置3的一部分。磁极安装支撑装置3的中心通过径向轴承支撑在测试轮6的轨道轮轴8的轴套上。
本发明中扇形结构可以围绕惯性轮9的轴套旋转。当电磁单元中有励磁电流时，电磁机构单元可以克服弹簧21的弹性阻尼发生位移，该位移的行程大小可以通过行程控制挡板22进行调节。
电气装置的组成和检测控制信号的结构参见图2。

Claims (4)

1.一种车辆涡流制动实验装置，由机械系统、车载电源模拟装置、可控交直流励磁电源、交流传动控制装置、测试机构、计算机检测与控制系统组成，其特征在于机械系统部分由安装基座、变频交流异步电机、旋转轨道轮装置、惯性轮装置、磁极安装支撑装置、弹性阻尼器、磁吸力和涡流制动力传感器、转速传感器和连接机构组成，旋转轨道轮(6)通过旋转轨道轮支撑结构(7)安装于基座(1)上，惯性轮(9)通过惯性轮支撑结构(10)安装于基座(1)上，惯性轮轴(11)通过联轴器(12)与轨道轮轴(8)连接，制动磁极(4)设置于磁极安装支撑装置(3)内，旋转轨道轮(6)的侧缘位于两边对称设置的制动磁极(4)中；电磁机构行程控制与电磁吸力测量机构(15)设置于制动磁极(14)的对应位置，成扇形分布，电磁机构行程控制与电磁吸力测量机构(15)由电磁铁铁芯(16)、电磁铁绕组(17)、磁轭(18)、电磁吸力传感器(19)、阻尼弹簧(21)、行程控制挡板(22)依次连接组成。
2.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于制动磁极(4)在磁极安装支撑装置(3)中成扇形分布，每侧为4-8个。
3.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于磁极安装支撑装置(3)的中心通过径向轴承支撑在旋转轨道轮(6)的轨道轮轴(8)的轴套上。
4.根据权利要求1所述的实验装置，其特征在于装置的输入电源为3相380伏50Hz；相控整流电源的输出为直流440V，最大输出电流500A；四台励磁电源是直流励磁输出和交流励磁随时可控切换、输出电流幅值与频率可控；单台励磁电源，其直流输出为120A，最大输出150A，其交流输出为120A，最大输出为150A，频率为2~10Hz，电源容量不小于50kW。
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