CN101825520A - 一种铁路牵引机车整车试验装置 - Google Patents

Abstract

一种铁路牵引机车整车试验装置，属于牵引电机系统试验及控制领域，解决现有机车整车试验装置存在的牵引与制动问题，真实地模拟机车牵引/制动过程中的负载特性。本发明由N套单轴组件组成，每套单轴组件包括依次连接的轨道轮、万向连轴节、同步变速箱、扭力传感器和飞轮，N＝4、6或8；每套单轴组件中，扭力传感器和飞轮之间可以连接有补偿电机。本发明可真实模拟列车的负载特性，可完成机车的牵引特性和制动特性等试验，并将牵引特性试验过程中的电能通过飞轮存储起来，在制动特性试验中，经制动装置回馈到路网，实现能量地高效利用。控制补偿发电机可以模拟列车上、下坡及稳定运行时的阻力等特性，使检测结果更加真实可靠。

Description

一种铁路牵引机车整车试验装置

技术领域

本发明属于牵引电机系统试验及控制领域，具体涉及一种铁路牵引机车整车牵引与制动的试验装置，采用飞轮作为主要设备。

背景技术

为了确保铁路机车正常安全的运行，在机车经过大、中修后均需要进行整车测试试验，我国现有铁路机车整车试验一般采用两种方式进行。

一种是以电机作为对拖负载，通过调节电机输出功率改变机车负载进行整车试验；当负载电机作为发电机运行时，机车处于牵引状态，通过改变负载电机输出的电功率调节机车牵引功率大小，测量在给定转矩和转速下的牵引特性；当负载电机作为电动机运行时，负载电机需由外部电源供电，此时机车处于电制动状态，通过改变制动功率和制动转矩，测试机车的制动特性。这种方式的特点是，对应关系明显，结构较为简单，但也存在明显的不足。首先无论采用何种形式的电机作为负载，其供电容量必须大于机车牵引功率的总容量，以六轴交流传动电力机车为例，每个轴的驱动功率为1600kw，则电机总容量需大于6×1600kw＝9600kw，并且电机的驱动装置容量也必须与电机的容量相对应，过大的容量导致整体投入过大；其次，进行牵引试验时，必须提供与电机配套的电机负载，若采用能耗方式，必须具备能耗泄放装置，若采用电回馈方式，则调速驱动装置必须具备电回馈功能并取得相关电力配套认可，而进行制动实验时还需单独配置电源系统；再次，用电负载模拟惯性负载，不仅容易造成转速的波动，在低速区域还存在死区的问题。因此，对拖方式在试验过程中，一方面单纯用电负载模拟惯性负载，不能尽善地模拟列车动态和稳态运行工况，连接电网时还会对电网产生冲击；另一方面由于对电机、电控、电源的功率等级要求都很高，导致建设成本、运行维护过高，整套系统对电能的需求较大，牵引时采用能耗方式时还造成功率的浪费。

另一种是以电机为主要机车负载，以小惯量飞轮为辅助负载的方式对机车整车动态平衡进行检测试验。这种试验方式，依然采用电机作为主要负载，其容量需与机车电机总容量相近，同时采用小惯量飞轮对试验机组进行补偿，可解决机车各轴上牵引电机调速时引起的转速波动，避免了机车试验过程中因各轴的转速差引起的保护等问题，加强机车试验过程中系统的稳定性。总体延续了电机对拖方式简单明了的特点，解决电力负载模拟惯性负载带了转速波动等问题，但是由于电机作为主要负载，仍然有大功率带来的问题，存在较大功率的浪费。

发明内容

本发明提供一种铁路牵引机车整车试验装置，解决现有机车整车试验装置存在的能耗问题，特别是机车制动试验时需要大量外部能量供应的问题；同时更真实地模拟机车的牵引/制动过程中的惯性负载特性，使检测结果更加真实可靠。

本发明的一种铁路牵引机车整车试验装置，由N套单轴组件组成，每套单轴组件包括依次连接的轨道轮、万向连轴节、同步变速箱、扭力传感器和飞轮，N＝4、6或8，其特征在于：

各套单轴组件的同步变速箱，其纵向连接部分为变速部分，通过变速保证各组飞轮运行在可满足负载特性的高转速下与单轴相连，其变速比 $i=\frac{R_L\·{\mathrm{\ω}}_{\max }}{V_{\max }};$ 同步变速箱横向连接部分为同步部分，根据需要采用，N轴间通过该连接确保各单轴组件输出轴同步误差满足试验要求；

各套单轴组件中，所述飞轮转动惯量J由负载总动能E和飞轮最高转速ω_max决定：

$J=\frac{2\·E}{N\·{\mathrm{\ω}}_{\max }^2},$

负载总动能E由机车最高速度V_max、牵引重量M决定：

所述飞轮最高转速ω_max由机车最高速度V_max、机车轮对的半径R_L和同步变速箱的转速比i限定：

ω_max＝i×V_max/R_L，

所述飞轮转动惯量J与飞轮材料密度ρ、半径R、厚度D的关系为：

$J=\frac{1}{2}\mathrm{\π\ρ}{R}^{4}D,$

所述飞轮的半径R与飞轮材料比强度σ_h/ρ的限定关系为：

$\frac{1}{4}{R}^2\×{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{MAX}}}^2\≤{\mathrm{\σ}}_h/\mathrm{\ρ}.$

所述的铁路牵引机车整车试验装置，其特征在于：

所述每套单轴组件中，扭力传感器和飞轮之间连接有补偿电机，所述补偿电机的功率P₂由机车恒功率P₁和飞轮的等效功率P₃决定：

P₂＝P₁/N-P₃，

所述飞轮的等效功率P₃由机车最高速度V_max、机车持续速度V_N、牵引重量M、机车恒功率运行的时间t或距离S决定：

$P_3=M(V_{\max }^2-V_N^2)/2\·N\·t,$

$P_3=M(V_{\max }^3-V_N^3)/3\·N\·S.$

本发明中，轨道轮的作用是取代钢轨承受机车轴重并传递牵引力，其外缘形状与钢轨头部相同。轨道轮的直径D与国内电力机车整体轮直径相等，D＝1250mm。轨道轮的制造工艺与机车动轮相同。利用本发明进行试验时，机车置于本发明之上，机车车轮的各轴的车轮压在对应的轨道轮上。

万向连轴节作为传动联结件，一端与轨道轮的输出端相联，另一端与同步变速箱相联。

同步变速箱，一方面通过其同步作用，确保本发明各单轴组件输出轴同步误差满足试验要求，提高整车试验台检测的可靠性；另一方面通过其变速作用，调速保证各组飞轮运行在可满足负载特性的高转速下。

扭矩传感器用来检测本发明各单轴组件输出轴的速度及传递的力矩，为试验控制提供数据。

补偿电机可以模拟列车不同的运行工况下存在的不同阻力特性。

飞轮作为机车试验中的主要惯性负载，模拟真实运行时列车所遇到的负载特性。

机车整车试验最重要的两大试验项目是机车的牵引试验和制动试验。机车牵引特性试验过程中的控制曲线如图1所示，横坐标为速度、纵坐标为牵引力，图中标记为1N～13N的13条曲线分别代表机车牵引时的13个挡位(各级间的速度变化值可根据具体机车牵引电机的型号进行设定)。每挡位曲线分为两个阶段，恒牵引力加速阶段和恒功率加速阶段。在牵引的初期，静止的飞轮表现出与静止机车启动相应的大惯量、高惯性的负载特性。此时机车以恒牵引力启动，相应飞轮以恒转矩启动，转速迅速上升，飞轮达到持续转速，即机车达到持续速度。此时的飞轮具备一定转速，其阻力特性D近似飞轮转速ω的二次方关系，与机车在线路上运行时空气阻力近似一致，随速度的上升，阻力呈2次方上升。此时机车切换到恒功率阶段，速度继续上升，但是牵引力逐渐下降，牵引转矩随之下降，并由于阻力随速度快速上升，所以加速度快速下降，直到飞轮在某一转速下稳定运行，近似于列车行驶时的惰行，此时牵引力矩很小主要用于克服飞轮空气阻力和传动摩擦阻力(类似于牵引力克服机车阻力)。

机车制动特性试验过程中的控制曲线如图2所示，横坐标为速度、纵坐标为牵引力，图中标记为1N～12N的12条曲线分别代表机车制动时的12个挡位(各级间的速度变化值可根据具体机车牵引电机的型号进行设定)。类似机车的牵引特性试验，可采用恒制动力、准恒速特性控制方式对机车机型制动试验检测。由于在之前牵引试验时，飞轮积累了大量的机械能，此时，可针对机车的不同制动牵引力将飞轮上的动轮通过机车上的能量回馈设备回馈给铁路电网。

由上述飞轮的负载特性和机车牵引电机牵引/制动试验可知，飞轮在恒牵引力和恒功率输出范围内均可良好的反映列车的动态和稳态特性。因此，通过合理的选用飞轮的材料、完善飞轮的结构尺寸设计、保证足够的转动惯量和最高转速、并满足在不同工况下飞轮的强度要求。采用飞轮作为储能设备的机车整车试验装置可有效地解决机车电气制动试验所需的电能供应问题。在机车牵引试验过程中，铁路电网中的电能通过机车转化为飞轮中的机械能，在机车的电气制动试验过程中，由飞轮带动机车的牵引电机，通过电制动的方式将其中的大部分机械能由机车回馈到铁路电网中。这种机车整车试验装置，可大大减小试验过程中电能的消耗，并将极大的提高电能的使用效率，减小运行、维护和管理费用。

在机车的实际线路运行过程中，存在上坡和下坡等多种路面情况，且在不同的运行工况下还存在不同的阻力特性。例如，机车爬坡时，机车输出的能量不仅给机车加速，转换为机车的动能，同时克服重力做功。而飞轮设计时，是以平地行驶为基准，按机车的动能进行设计，无法模拟重力做功部分。所以单一的飞轮对于这些实际的运行工况，是无法真实模拟、无法满足机车动态试验检测的要求。因此，本发明提出利用电机对试验机组进行补偿，并且根据给定的特性要求对电机进行设计、选型和控制。补偿电机可针对不同的路面情况和不同的阻力特性，在对其分析和建模的基础上，将此类工况真实模拟并反馈到整车试验中。

本发明可真实模拟列车的负载特性，可完成机车的牵引特性和制动特性等试验，并将牵引特性试验过程中的电能通过飞轮存储起来，在制动特性试验中，经制动装置回馈到路网，实现能量地高效利用。通过补偿电机的补偿作用，真实的模拟线路运行过程中的多种路面情况和不同工况下的阻力特性，使得机车整车试验台的检测结果更加真实可靠。

附图说明

图1.机车牵引特性控制曲线；

图2.机车制动特性控制曲线；

图3.单轴独立飞轮形式机构示意图；

图4.单轴补偿电机与飞轮串联形式结构示意图；

图5.六轴交流传动电力机车整车试验装置整体结构示意图；

图中标记：轨道轮1、万向连轴节2、同步变速箱3、扭力传感器4、补偿电机5、飞轮6、电控柜7、发电机励磁电源8、电阻柜9。

具体实施方式

图3所示为本发明的一个单轴组件实施例，单轴组件由轨道轮1、万向连轴节2、同步变速箱3、扭力传感器4、飞轮6顺序相连组成。

下面对单轴组件上连接的飞轮6进行尺寸设计。假设机车的持续运行速度为65km/h，最高速度为120km/h，单轴牵引电机功率为1600kw，单轴牵引电机所分担的列车牵引负载质量为1000T，设最高速度对应的飞轮最高转速为3000转/分，则相同传动比下持续速度的转速约为1600转/分。按公式 $J=2\·E/N\·{\mathrm{\ω}}_{\max }^2$ 计算飞轮惯量约为11270kg·m²/s²。若采用密度ρ＝7.85×10³kg/m³，拉伸强度为σ_h＝1200MPa，比强度σ_h/ρ＝1.529×10⁵Pa/(kg/m³)的高强度钢为材料时，飞轮采用实心圆盘结构，则转动惯量J与其质量为m、半径为R、厚度为D的关系 $J=\frac{1}{2}m{R}^2=\frac{1}{2}\mathrm{\π\ρ}{R}^{4}D,$ 取半径R＝1m(该参数可根据具体情况选取)，则厚度D＝0.915m，相应质量m＝πρR²D＝22540(kg)。

按限定公式 $\frac{1}{4}{R}^2\×{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{MAX}}}^2\≤{\mathrm{\σ}}_h/\mathrm{\ρ}$ 进行验算：

$\frac{1}{4}{R}^2\×{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{MAX}}}^2=\frac{1}{4}\×{(3000\×2\mathrm{\π}/60)}^2\≈24649\≤1.529\×{10}^5,$ 满足强度要求。

当飞轮模拟的列车负载质量增加或列车运行的最高速度增加时，在飞轮最高转速不变的情况下，相应的单轴组件上的飞轮转动惯量体积将增加，当单个飞轮单元的体积或者单一尺寸无法满足试验要求时，可在总惯量不变的情况下，将单个飞轮单位拆分成多个飞轮单元串联的形式。

本实施例中万向连轴节2、同步变速箱3、扭力传感器4的转速范围由给定机车的最高速度计算，其对应最大转速为3000转/分，转速范围乘以1.5倍余量，范围为0～4500转/分。

本实施例中万向连轴节2、同步变速箱3、扭力传感器4的转矩范围由给定机车的最大功率和对应持续速度计算，最大转矩531KN，转矩范围乘以1.5倍余量，范围为0～800KN。

图5所示为本发明另一个单轴组件实施例，在图4所示第一个实施例基础上，增加补偿电机，每套单轴组件由轨道轮1、万向连轴节2、同步变速箱3、扭力传感器4、补偿电机5、飞轮6顺序相连组成。机车参数设定同上例一致。

加入补偿电机可模拟列车上坡及稳定运行时的阻力特性。以实验要求模拟上坡，恒功率行驶10km(速度从65km/h升到120km/h)为例计算补偿电机的功率。

补偿电机的功率P₂由机车恒功率P₁和飞轮等效功率P₃决定：

P₂＝P₁/N-P₃；

飞轮等效功率P₃为：

$P_3=M(V_{\max }^3-V_N^3)/3\·N\·S$

$=6\×{10}^6\·({(120\×\frac{1000}{3600})}^3-{(65\×\frac{1000}{3600})}^3)/3\×6\×{10}^4$

$\≈1040\left(\mathrm{KW}\right)$

机车最大恒功率功率P₁＝9600(KW)，

补偿电机的最大功率P₂为：

P₂＝P₁/N-P₃＝1600-1040＝560(KW)，

所以选择额定功率600kw、额定转速3000转/分的补偿电机5即可满足要求，对应选择相关控柜7、励磁电源8、电阻箱9。

图6所示为本发明用于六轴交流电力机车整车试验台，该结构采用6套如图5所示的单轴组件，每套单轴组件包括轨道轮1、万向连轴节2、同步变速箱3、扭力传感器4、补偿电机5、飞轮6；各部件串行连接，结构简单，便于安装、调试和运行维护。该装置的其他部分，如电控柜7、励磁电源8、电阻箱9等主要用于对补偿电机5的控制。

整个试验装置的工作过程如下，在机车低速牵引试验区间，由于补偿电机的励磁电流的限制，不能对补偿电机的输出功率做到良好的调节；而飞轮与轨道轮之间属于硬链接，主要依靠飞轮的负载特性，保证机车近似于恒牵引力运行；待机车速度上升后，通过补偿电机输出功率的调节作用，保证机车在恒牵引力的作用下稳定加速运行。当机车加速到某一速度后，机车的牵引力将无法保持恒定，此时进入机车恒功率牵引试验区间，我们依然可以通过对补偿发电机输出功率的控制，保证机车在恒功率牵引作用下逐渐加速，直至完成整个牵引检测试验。在机车的制动试验过程中，启动机车的电制动反馈装置，将飞轮储存的机械能通过同步变速箱和轨道轮的传递，依靠电制动反馈装置，转化为电能反馈回铁路电网，并在这一过程中同时完成对机车制动特性的检测试验；制动时间将与牵引最大整备重量有关，制动功率与制动时间、制动扭矩及牵引最大整备重量有关。采用该结构的整车试验装置，飞轮主要模拟列车负载及列车下坡时的切向力特性；补偿发电机主要用于模拟列车上坡及在加速、减速、稳定运行时的阻力特性。

Claims (2)

1.一种铁路牵引机车整车试验装置，由N套单轴组件组成，每套单轴组件包括依次连接的轨道轮、万向连轴节、同步变速箱、扭力传感器和飞轮，N＝4、6或8，其特征在于：

各套单轴组件的同步变速箱，其纵向连接部分为变速部分，通过变速保证各组飞轮运行在可满足负载特性的高转速下与单轴相连，其变速比 $i=\frac{R_L\·{\mathrm{\ω}}_{\max }}{v_{\max }};$ 同步变速箱横向连接部分为同步部分，根据需要采用，N轴间通过该连接确保各单轴组件输出轴同步误差满足试验要求；

各套单轴组件中，所述飞轮转动惯量J由负载总动能E和飞轮最高转速ω_max决定：

$J=\frac{2\·E}{N\·{\mathrm{\ω}}_{\max }^2},$

负载总动能E由机车最高速度V_max、牵引重量M决定：

所述飞轮最高转速ω_max由机车最高速度V_max、机车轮对的半径R_L和同步变速箱的转速比i限定：

ω_max＝i×V_max/R_L，

所述飞轮转动惯量J与飞轮材料密度ρ、半径R、厚度D的关系为：

$J=\frac{1}{2}\mathrm{\π\ρ}{R}^{4}D,$

所述飞轮的半径R与飞轮材料比强度σ_h/ρ的限定关系为：

$\frac{1}{4}{R}^2\×{{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{MAX}}}^2\≤{\mathrm{\σ}}_h/\mathrm{\ρ}.$

2.如权利要求1所述的铁路牵引机车整车试验装置，其特征在于：

所述每套单轴组件中，扭力传感器和飞轮之间连接有补偿电机，所述补偿电机的功率P₂由机车恒功率P₁和飞轮的等效功率P₃决定：

P₂＝P₁/N-P₃，

所述飞轮的等效功率P₃由机车最高速度V_max、机车持续速度V_n、牵引重量M、机车恒功率运行的时间t或距离S决定：

$P_3=M(V_{\max }^2-V_N^2)/2\·N\·t,$

$P_3=M(V_{\max }^3-V_N^3)/3\·N\·S.$

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