CN102323172B - 轨道列车用制动材料性能测试缩比试验台 - Google Patents

Abstract

本发明涉及轨道列车用制动材料性能测试缩比试验台。对制动材料性能的分析是所有摩擦材料研究的重要技术问题，现行标准规定全部铁路、轨道列车用制动材料的性能检测必须在1：1台架上进行试验，由于我国目前1：1轨道列车惯性制动台架太少，正常产品检测困难。本发明设置了驱动机构、惯性轮配置机构等系统组成的轨道列车制动材料性能测试的新型试验台架，密切结合制动工程原理使用小样几何模拟缩比试验方式与1：1台架试验方式保持一致。本发明能得到与1：1台架试验数据相对应的结果，真实的反映在整个实验过程中试验条件与其使用工况条件的一致性，操作方便，功能齐全，科技含量高，填补国内该行业的空缺，促进该行业制动材料领域的快速发展。

Description

轨道列车用制动材料性能测试缩比试验台

技术领域

    本发明属于热冲击刹车制动试验技术领域，具体涉及一种轨道列车用制动材料性能测试缩比试验台。

背景技术

轨道列车制动用摩擦材料的品种非常繁多，主要为新型材料的树脂复合型材料、粉末冶金材料等，轨道列车制动用材料都要求具有较高的能量密度、髙耐热性和髙强度来满足高速、高温、高比压、大惯量、风雨、冰雪等各种工况条件下保持制动性能的稳定性以及在紧急刹车制动、长距离拖刹制动、瞬间制动、连续制动的状态下，其制动性能不衰减的特性要求。制动用摩擦材料在工作过程中吸收的能量比较大，尤其高速列车制动产生的巨大动能，须制动材料将能量吸收转换为热能向介质中散热，。如果材料的制动性能不好，会造成材料的破坏，这些破坏有烧触、转移、热龟裂、热氧化及热损伤、热衰退、热膨胀等使制动性能失效，严重影响轨道列车的安全性。对制动材料性能的分析、研究及改进和提高等是所有从事摩擦材料研究、生产的工程技术人员天天面对的技术问题。按照现行国家有关标准规定全部铁路、轨道列车用制动材料的性能检测必须在1：1台架上进行试验，各制动指标符国际标规定值，所以全部生产轨道列车制动材料的单位必须定期到规定的部门进行检查，由于我国目前1：1轨道列车惯性制动台架（以下简称1：1台架）太少，正常产品检测困难，无法满足对新材料研究、生产配套的迫切需求；1：1台架造价昂贵，数千万元一台，一般企事业单位无力投入。对其制动材料的制动性能的试验台，基本上没有配备，国内配备台架的有具备国家判定测试资质的中国铁道科学研究院1台；中铁隆昌铁路器材有限公司1台以外，所有企业正常的质量控制仅靠配方和工艺来保障，产品的可装置权以靠1：1台架试验合格报告来决定，要搞好制动闸瓦、闸片的质量指标，解决制动材料中的热衰退、热膨胀、热龟裂、有公害质量向题和铁路轨道列车制动闸瓦、闸片快速国产化进程的需求，没有测试手段一切进展都非常缓慢。

发明内容

本发明的目的是提供一种能保持实验过程中试验条件与使用工况条件的一致性的轨道列车用制动材料性能测试缩比试验台，使轨道列车制动材料性能测试缩比试验台架的测试技术达到了试验结果与1：1台架试验结果对比性相对应的比例关系。

本发明所采用的技术方案是：

轨道列车用制动材料性能测试缩比试验台，包含有主电机和主轴，其特征在于：

所述的主电机上连接的主轴上依次连接有弹性联轴器、惯量轴承、惯量盘组件、惯量轴承、弹性联轴器、牙嵌式离合器、盘车大齿轮、主轴轴承、试盘接手、闸瓦卡具和闸片卡具、力臂、力臂轴承、力臂座位移丝杠和力臂座位移大齿轮；

所述的牙嵌式离合器上设置有离合器拨叉杆和离合器拨叉汽缸；

所述的盘车大齿轮两侧各设置有一个离合器轴承；盘车大齿轮上设置有盘车电机齿轮和盘车电机；

所述的力臂上设置有力臂丝杠手轮和力臂丝杠；所述的力臂座位移大齿轮上设置有力臂座移动齿轮和力臂座位移电机。

惯量盘组件中设置有被主轴贯穿的若干惯量盘，惯量盘通过联接法兰和联接螺栓固定在主轴上，惯量盘的外缘卡在惯量盘支座中，主轴固定在轴承支座和轴承支座上；

主轴的每一个惯量轴节处都设置有惯量空位。

所述的力臂安装在力臂轴上，力臂内设置有力臂丝杠，力臂两端设置有左滑动支座和右滑动支座。

所述的力臂丝杠上设置有轮毂式摩擦对偶，套在主轴上；

轮毂式摩擦对偶通过闸瓦式小试样、轮毂式卡具头、压杆、连接调节器、气缸和右滑动支座与力臂丝杠连接；

压杆外套有压杆导套，压杆导套卡在右滑动支座上；

所述的力臂丝杠上设置有轴装式摩擦对偶，套在主轴上，主轴外套有对偶接手；

轴装式摩擦对偶通过轴装式小试样、轴装式卡具头、和闸瓦卡具、左滑动支座与力臂丝杠连接；闸瓦卡具的另一端设置有气缸, 气缸与闸瓦卡具之间设置有连接调节器和活动接手；

所述的气缸上设置有进气接头；

力臂下端设置有力传感器；

力臂丝杠的两端、力臂外部设置有力臂丝杠手轮。

本发明具有以下优点：

本发明设置了驱动机构、惯性轮配置机构等系统组成的轨道列车制动材料性能测试的新型试验台架，密切结合制动工程原理使用小样几何模拟缩比试验方式与1：1台架试验方式保持一致，得到与1：1台架试验数据相对应的结果，真实的反映在整个实验过程中试验条件与其使用工况条件的一致性；保证了线速度与轨道列车制动闸瓦、闸片实际工作的线速度一致，对偶材质与轨道列车制动闸瓦、闸片实际使用的材质一致，试验环境条件与轨道列车制动闸瓦、闸片在制动器工作中的制动状态相一致；满足轨道列车制动闸瓦、闸片等品种制动材料性能的测试、符合模拟工况原理的测试装卡机构，满足不同车型、不同轴重、不同时速的轨道列车惯量配置要求的组合机构和方便准确的装卸形式；以设计合理的试验台架整体结构，完成机体能够承载起大惯量、高速度、大扭矩等大负荷条件下的稳定测试；操作方便，功能齐全，科技含量高，填补国内该行业的空缺，促进该行业制动材料领域的快速发展。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为惯量盘组件部分结构图。

图3为制动材料测试的装卡和测力组件结构右视图。

图4为制动材料测试的装卡和测力组件结构左视图。

图中，1-主电机，2-弹性联轴器，3-惯量轴承，4-惯量盘组件，5-弹性联轴器，6-牙嵌式离合器，7-盘车电机，8-盘车电机齿轮，9-盘车大齿轮，10-离合器轴承，11-主轴轴承，12-闸瓦卡具，13-力臂丝杠手轮，14-力臂，15-力臂轴，16-力臂座移动齿轮，17-力臂座位移电机，18-力臂座位移大齿轮，19-力臂座位移丝杠，20-闸片卡具，21-试盘接手，22-离合器拨叉汽缸，23-离合器拨叉杆，24-力臂丝杠，25-轴承支座，26-惯量盘支座，27-惯量盘，28-联接法兰，29-主轴,30-联接螺栓，31-惯量空位，32-轴承支座，33-力臂轴，气缸（34）连接调节器（35）支座（36）压杆导套（37）压杆（38）轮毂式卡具头（39）闸瓦式小试样（40）轮毂式摩擦对偶（41）进气接头（42）力传感器（43）轴装式摩擦对偶（44）对偶接手（45）轴装式卡具头（46）轴装式小试样（47）活动接手（48）左滑动支座（49）。

A-I-惯量盘A-I。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

随着高铁事业的发展，动车-髙速列车-地铁等制动用新材料-新产品的需求，都要求加快对新材料-新产品研究的步伐，可是材料的研发离不开检测设备，包括国际市埸都用高代价的1：1火车台架试验来判定，没有其它可代替，无形中大大拉长了研究周期，无法满足我们对新材料开发-生产-应用的迫切需求。现阶段我们国家的飞机-火车-轮船-汽车-工程机械等制动材料及产品都是应用摩擦材料性能测试验机来保障的，尤其飞机机轮的刹车制动器及材料——C/C碳盘，就是采用了小样惯性模拟制动试验机，顺利地完成了飞机机轮刹车盘自己生产，成为世界上第四个拥有碳盘制造能力的国家。根据这一依据，本发明提出了一种以满足轨道列车用的惯性热冲击刹车试验要求的制动材料性能测试缩比试验台，按照1：1台架测试技术和行业的实践经验，完成包括制动闸瓦-闸片性能和材料性能测试。

如图1所示，本发明在主电机1上连接的主轴9上依次连接有弹性联轴器2、惯量轴承3、惯量盘组件4、惯量轴承3、弹性联轴器5、牙嵌式离合器6、盘车大齿轮9、主轴轴承11、试盘接手21、闸瓦卡具12和闸片卡具20、力臂14、力臂轴承15、力臂座位移丝杠19和力臂座位移大齿轮18；牙嵌式离合器6上设置有离合器拨叉杆23和离合器拨叉汽缸22；所述的盘车大齿轮9两侧各设置有一个离合器轴承10；盘车大齿轮9上设置有盘车电机齿轮8和盘车电机7；力臂14上设置有力臂丝杠手轮13和力臂丝杠24；所述的力臂座位移大齿轮18上设置有力臂座移动齿轮16和力臂座位移电机17。

如图2所示，惯量盘组件4中设置有被主轴29贯穿的10个惯量盘27，即惯量盘A-I，惯量盘通过联接法兰28和联接螺栓30固定在主轴29上，惯量盘27的外缘卡在惯量盘支座26中，主轴29固定在轴承支座25和轴承支座32上；主轴29的每一个惯量轴节处都设置有惯量空位31。该系统是轨道列车制动材料缩比试验台非常重要的的动力源。通过调整主电机的转速“ω”和惯量“I”可以得到需要配给的试验能量，其计算公式为                                               

。主轴9上每一处惯量轴节都设计了惯量空位31，以惯量盘A为例：不需配置的惯量盘可以将联接螺栓30去掉，惯量盘27便可以退至惯量空位31处，由惯量盘支座26支承固定，便不参与试验。而需要配置的惯量轮只需用联接螺栓30将惯量盘27与联接法兰28联接，联接法兰28已经与主轴9通过键联接在一起，试验时就可随主轴9一起转动参与试验。全系统惯量盘总共9个，总惯量：28.6kgm² ，极差为0.2 kgm² ，为目前轨道列车小样缩比试验台中可提供最大能量。

如图3和图4所示，力臂14安装在力臂轴33上，力臂14内设置有力臂丝杠24；力臂丝杠24上设置有轮毂式摩擦对偶41和轴装式摩擦对偶44都套在主轴9上，主轴外套有对偶接手45；轮毂式摩擦对偶41通过闸瓦式小试样40、轮毂式卡具头39、压杆38、连接调节器35和气缸34与力臂丝杠24连接；轴装式摩擦对偶44通过轴装式小试样47、轴装式卡具头46、和闸瓦卡具12、左滑动支座49与力臂丝杠24连接；闸瓦卡具12的另一端设置有气缸34, 气缸34与闸瓦卡具12之间设置有连接调节器35和活动接手48；压杆38外套有压杆导套37，压杆导套37卡在右滑动支座36上；气缸34上设置有进气接头42；力臂14下端设置有力传感器43；力臂丝杠24的两端、力臂14外部设置有力臂丝杠手轮13。

力臂14安装在力臂轴15上，使其保证有足够的刚性，在力臂14左右两边分别设置左滑动支座49和右滑动支座36，可以分别通过力臂丝杠手轮13和力臂丝杠24来调节滑动支座在滑轨上的左右位置，起到调整摩擦副间隙的作用。

在右滑动支座36上安装有一只Ф80气缸34。气缸顶轴通过连接调节器35与压杆38联接。压杆38被压杆导套37定位且不能摆动，只能作往复运动。压杆38前端以活性联接方式与轮毂式卡具头39联接，轮毂式卡具头39前端为弧形，与模拟轨道列车闸瓦的几何形状，闸瓦式小试样40可以方便的装入轮毂式卡具头39内，与轮毂式摩擦对偶41形成一对摩擦副。

如主电机1通过主轴9将计算出的动能传递给轮毂式摩擦对偶41，该系统通过进气接头42输入压力，并将摩擦力矩通过力臂14传给力传感器43，就可以完成一次刹车试验。

要进行盘式制动片材料的试验，可以将以上右端机构通过右端手轮13脱开。

使用左滑动支座49来完成试样装卡如图4，可以通过左端手轮13和左端力臂丝杠24来调整左滑动支座49的位置，首先更换轮毂式摩擦对偶41为轴装式摩擦对偶44。为适应高铁和动车制动材料的试验需求，在力臂14的左侧安装有左滑动支架49，支架上装有一套闸片卡具20，卡具的前端是轴装式卡具头46，轴装式卡具头46两边各装一片轴装式小试样47，该小试样模拟轨列车闸片几何形状，通过连接调节器35可以调节摩擦副之间的间隙。如主电机1通过主轴9将计算出的动能传递给轴装式摩擦对偶44，同时给进气接头42加压，摩擦试样就会通过摩擦吸收主轴9动能，并将摩擦力矩通过力臂14传给力传感器43，便可完成一次刹车试验。

以下为本发明比例系数的确定：

1、轨道列车运动的速度关系如下：

主轴转速（rpm）：

   

其中：V—试验车速（km/h）、R—车轮半径（m）

主轴角速度：

   

其中：n—主轴转速

摩擦有效半径线速度：

    

其中：R—为摩擦有效半径（m）

惯量计算公式：

其中：G—为轴重（kg），R—车轮半径（m），N—摩擦片个数

2、惯量缩比系数K_I的确定：

           ①、1:1试验台架摩擦材料单位面积的吸收功为：

              其中：I₁、ω₁、X₁、S₁分别为1:1试验台的转动惯量、制动角速度、摩擦面数、摩擦片面积。

         ②、缩比试验台摩擦材料单位面积的吸收功为：

             其中：I₂、ω₂、X₂、S₂分别为缩比试验台的转动惯量、制动角速度、摩擦面数、摩擦片面积。

          ③、1:1台架摩擦有效半径线速度

  其中：

为1:1试验台摩擦有效半径

          ④、缩比试验台摩擦有效半径线速度 其中：

为缩比试验台摩擦有效半径

⑤、根据相似原理，单位面积吸收功一致，摩擦有效线速度一致，

，

可得：     

，

           惯量缩比系数

 其中：为摩擦半径缩比系数、

为面数缩比系数、

为摩擦材料面积缩比系数。

3、转速缩比系数K_n的确定

       根据相似原理，摩擦有效线速度一致， 可得：

           转速缩比系数

4、摩擦盘半径比例系数的确定：

           ①、1:1试验台被摩擦面与摩擦盘比：

                 

其中：

、

、

，分别为1:1试验台摩擦盘上摩擦面的外圆半径、内圆半径、摩擦盘半径

           ②、缩比试验台被摩擦面与摩擦盘比：

                 

其中：

、

、，分别为缩比试验台摩擦材料在摩擦盘上摩擦面的外圆半径、内圆半径、摩擦盘半径

           ③、根据相似原理，1:1试验台与缩比试验台比例一致，

，得：

                 

 其中：

、、分别为摩擦半径缩比系数、1:1台架摩擦材料在摩擦盘上摩擦面宽的、缩比试验台摩擦材料在摩擦盘上摩擦面宽度

     5、摩擦盘厚度系数K_D的确定

       在一次制动过程中，是能量转化的过程，假定转化的能量全部比摩擦材料与对偶吸收，其他暂不做考虑。

      ①、1:1试验台制动盘体积与摩擦材料体积比为：

                 

  其中：

、

、

、分别为1:1试验台摩擦对偶面积、对偶厚度、摩擦材料面积、摩擦材料厚度。

      ②、缩比试验台制动盘体积与摩擦材料体积比为：

                 

  其中：

、

、

、

分别为缩比试验台摩擦对偶面积、对偶厚度、摩擦材料面积、摩擦材料厚度。

      ③、根据相似原理，缩比摩擦材料厚度与1:1试验台一致，

，体检缩比一致，

，

5、制动压力比例系数K_F的确定

      ①、1:1试验台刹车盘所承载的制动压强：

  其中：为制动压力，

为制动盘面积。

      ②、缩比试验台刹车盘所承载的制动压强：

  其中：

为制动压力，

为制动盘面积。

      ③、根据相似原理，制动压强相等，

，得：

           

6、制动力矩比例系数

确定

           ①、1:1台架单面面积吸收功：

                 

  其中：

、

、

、

、

分别为1:1试验台的制动力矩、制动平均角速度、制动时间、摩擦面数、摩擦面积。

           ②、

  其中：

、

、

、

、

分别为缩比试验台的制动力矩、制动平均角速度、制动时间、摩擦面数、摩擦面积。

           ③、根据相似原理，单位面积系数功一致，制动时间一致，

，

，得：

           

以下为缩比台架参数的确定：

      1、参考车型参数如下：

           CHR5动车参数如下：

           ①、轴重   16T

           ②、车轮直径 890mm

           ③、车速 350km/h

           ④、单面摩擦片面积 200

           ⑤、制动盘尺寸 φ640×80(45)

           ⑥、摩擦盘有效半径 247mm

      ⑦、每轴制动片个数 4个

           ⑧、摩擦片扇环宽度 122mm

       2、设：小样摩擦块直径Φ40×2，面积2×12.5 ，缩比摩擦半径100mm。

           ①、确定比例系数如下：

                 

=25/200=1/8

                 

=100/247≈2/5

                 =2

                 

=247/100≈5/2

                 

≈1/20

                 

=1/8

                 

                 

                 

                 

           ②、计算1:1台架试验1个摩擦盘承载的总惯量：

                 

=16000×0.445²/4=792.1(

)

                 

=2.65×350/0.445≈2084.2(rpm)

           ③、计算缩比惯量和转速：

                 

=792.1×1/25≈31.68(

)

                 =2084.2×5/2=5120.5(rpm)

           ④、计算缩比摩擦盘的厚度：

                 

=45×0.55≈24.75(mm)

           ⑤、计算缩比摩擦盘的半径：

                 

=320×0.36≈115（mm）

       按照计算结果，摩擦盘半径不能满足缩比半径要求的摩擦盘半径，根据结果修正，将缩比摩擦半径修改为125mm，重新计算摩擦盘厚度，缩比摩擦盘与缩比摩擦材料体积比不变：

，得：18.34mm

           ⑥、制动最大力矩的确定：

                 设，1:1试验台制动力矩最大为：30K（

）

                 缩比试验台最大制动力矩：

                      

=30×1/20=1.5K(

)

           ⑦、最大制动压力的确定

                 设：1:1实验台最大制动压力100KN

                 

=100×1/8=12.5KN

      3、缩比台架最大机械参数的确定：

           最高转速：5600rpm

           最大惯量配置：32

           测试最大力矩：2000

      4、按照相似原理，确定实验材料参数：

            摩擦盘尺寸：

mm

           摩擦材料面积：2500

           摩擦材料规格 mm

      5、缩比试验台加压系统参数确定：

           设：选择气动加压，汽缸承受最大压强为1Mpa，

                 汽缸的直径：

                 汽缸选择标准汽缸

      6、缩比台架电机功率计算：

           设：设备从静止到最高转速，承载全部惯量，需要的时间为100s，

           电机功率：

      考虑其他因素：电机选择75KW，两极变频调速电机。

Claims (6)

1.轨道列车用制动材料性能测试缩比试验台，包含有主电机（1）和主轴（29），其特征在于：

所述的主电机（1）上连接的主轴（29）上依次连接有弹性联轴器（2）、惯量轴承（3）、惯量盘组件（4）、惯量轴承（3）、弹性联轴器（5）、牙嵌式离合器（6）、盘车大齿轮（9）、主轴轴承（11）、试盘接手（21）、闸瓦卡具（12）和闸片卡具（20）、力臂（14）、力臂轴承（15）、力臂座位移丝杠（19）和力臂座位移大齿轮（18）；

所述的牙嵌式离合器（6）上设置有离合器拨叉杆（23）和离合器拨叉汽缸（22）；

所述的盘车大齿轮（9）轴向两侧各设置有一个离合器轴承（10）；盘车大齿轮（9）上设置有盘车电机齿轮（8）和盘车电机（7）；

所述的力臂（14）上设置有力臂丝杠手轮（13）和力臂丝杠（24）；所述的力臂座位移大齿轮（18）上设置有力臂座移动齿轮（16）和力臂座位移电机（17）。

2.根据权利要求1所述的轨道列车用制动材料性能测试缩比试验台，其特征在于：

惯量盘组件（4）中设置有被主轴（29）贯穿的若干惯量盘（27），惯量盘通过联接法兰（28）和联接螺栓（30）固定在主轴（29）上，惯量盘（27）的外缘卡在惯量盘支座（26）中，主轴（29）固定在第一轴承支座（25）和第二轴承支座（32）上；

主轴（29）的每一个惯量轴节处都设置有惯量空位（31）。

3.根据权利要求2所述的轨道列车用制动材料性能测试缩比试验台，其特征在于：

所述的力臂（14）安装在力臂轴（33）上，力臂（14）内设置有力臂丝杠（24），力臂（14）两端设置有左滑动支座（49）和右滑动支座（36）。

4.根据权利要求3所述的轨道列车用制动材料性能测试缩比试验台，其特征在于：

所述的力臂丝杠（24）上通过闸瓦式小试样（40）、轮毂式卡具头（39）、压杆（38）、连接调节器（35）、气缸（34）和右滑动支座（36）连接有轮毂式摩擦对偶（41），轮毂式摩擦对偶（41）套在主轴（29）上；

压杆（38）外套有压杆导套（37），压杆导套（37）卡在右滑动支座（36）上。

5.根据权利要求3所述的轨道列车用制动材料性能测试缩比试验台，其特征在于：

所述的力臂丝杠（24）上通过轴装式小试样（47）、轴装式卡具头（46）、闸瓦卡具（12）、左滑动支座（49）与力臂丝杠（24）连接有轴装式摩擦对偶（44），轴装式摩擦对偶（44）套在主轴（29）上，主轴外套有对偶接手（45）；

闸瓦卡具（12）的另一端设置有气缸（34）, 气缸（34）与闸瓦卡具（12）之间设置有连接调节器（35）和活动接手（48）。

6.根据权利要求4或5所述的轨道列车用制动材料性能测试缩比试验台，其特征在于：

所述的气缸（34）上设置有进气接头（42）；

力臂（14）下端设置有力传感器（43）；

力臂丝杠（24）的两端、力臂（14）外部设置有力臂丝杠手轮（13）。

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