CN103852273B - 一种列车轮轨阻力的测试装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种列车轮轨阻力的测试装置和方法，包括试验车、安装在实验室的滚动试验台、数据采集装置、试验台测试系统、线路供电装置，具体包括如下步骤：让滚动试验台空载运行，得到滚动试验台在不同速度级下的损耗功率，通过计算换算成空载等效阻力值；再加入试验车，让所述滚动试验台带载运行，滚动试验台通过摩擦传动带动所述试验车运行，得到所述滚动试验台在不同速度级下的损耗功率，通过计算换算成带载等效阻力值；空载等效阻力与带载等效阻力之间的差值，即为所述轮轨阻力。本发明是一种基于实验室条件下的测试装置和方法，通过在实验室内设置一套起陪试作用的滚动试验台系统，测量不同速度级下的损耗功率，进而得出空载和带载状态下的等效阻力，再进一步计算出轮轨阻力，测量方法和装置简单，易于操作，测量精确。

Description

一种列车轮轨阻力的测试装置和方法

技术领域

本发明涉及一种列车轮轨阻力的测试装置和方法，属于轨道车辆检测技术领域。

背景技术

列车的基本阻力是列车在牵引与制动计算时需要给定的必不可少的条件参数。在目前，基本阻力的获取通常都是经过试验测试，采集大量的测试结果拟合得出经验公式来计算基本阻力的平均值。但是，对列车阻力的试验测试可以是多角度的，以美国铁路协会（AAR）在普韦布洛（Pueblo）的运输试验中心(TTC)研制了一种测试列车阻力的系统为例，其最重要的目标之一就是试验在不同速度和档位下机车牵引电动机的电能输入和机械能输出之间的关系。

列车的基本阻力可规划为列车运行时的空气阻力、轮轨阻力（指车辆轮与试验台轨道轮之间的阻力）、列车自身机械阻力三大部分，若能通过试验及理论分析得到不同性质的阻力随速度的变化规律就能探明其对基本阻力的贡献度。

因为是在实验室内进行测试试验，所以空气阻力也是一种不需要考虑的因素。由此可以看出轮轨阻力与列车自身机械阻力就基本构成了实验室条件下列车自身的基本阻力，可以通过系列试验得到实验室条件下列车自身基本阻力-速度关系曲线、对比列车线路实测基本阻力-速度关系曲线、剥离出空气阻力-速度曲线，进而可以分析出不同性质的阻力在列车总阻力中的占比随运行速度变化的规律，为列车基本阻力的研究与列车性能的设计分析奠定了坚实的实践基础。

发明内容

本发明主要目的在于解决上述问题和不足，提供一种可以在实验室条件下，精确测量列车轮轨阻力的测试装置和方法。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种列车轮轨阻力的测试装置，包括：

试验车，包括试验车体、牵引传动系统及试验轮对；

安装在实验室的滚动试验台，用于向所述试验车提供驱动力，使所述试验车的速度达到相应速度等级；

数据采集装置，用于采集所述试验车或滚动试验台的输入电压电流、输出扭力扭矩数据；

试验台测试系统，与所述数据采集装置连接，用于采集存储数据信息，并对所收集的数据进行后续计算，以得出列车的轮轨阻力；

线路供电装置，用于为所述滚动试验台和试验车提供能量。

进一步，所述滚动试验台包括至少一套陪试系统，所述陪试系统包括依次连接的陪试变压器、陪试变流器、陪试电机、陪试齿轮箱以及陪试轮对，所述陪试轮对与所述试验车的试验轮对之间通过摩擦传动实现同步运行，所述陪试变压器与所述线路供电装置连接。

进一步，所述试验车的每对所述试验轮对对应一套所述陪试系统，多套所述陪试系统中的多个所述陪试齿轮箱同步运转。

进一步，所述数据采集装置包括扭力扭矩传感器和电压电流传感器。

进一步，所述扭力扭矩传感器设置在所述陪试轮对与陪试齿轮箱之间，所述电压电流传感器设置在所述陪试变压器的二次侧上。

本发明的另一个技术方案是：

一种列车轮轨阻力的测试方法，包括如下步骤：

不加试验车，让滚动试验台空载运行，得到滚动试验台在不同速度级下的损耗功率，通过计算换算成空载等效阻力值；

再加入试验车，让所述滚动试验台带载运行，滚动试验台通过摩擦传动带动所述试验车运行，得到所述滚动试验台在不同速度级下的损耗功率，通过计算换算成带载等效阻力值；

空载等效阻力与带载等效阻力之间的差值，即为所述轮轨阻力。

进一步，在所述滚动试验台中的陪试齿轮箱和陪试轮对之间设置扭力扭矩测试点，以计算出输出机械功率，在所述滚动试验台的陪试变压器的二次侧设置电压电流测试点，以计算得出输入电功率，所述损耗功率为输入电功率与输出机械功率的差值。

进一步，测试不同速度等级的数据，是当速度稳定在设定值后，以Δt为间隔进行N+1次测试，得到N+1组数据。

进一步，从最低速度起按照设定的速度步长提速至最高速度，而后再按照同样 的速度步长降速至最低速度，至少完成一轮速度扫频测试。

综上内容，本发明所述的一种列车轮轨阻力的测试装置和方法，与现有技术相比，具有如下优点：

（1）本发明是一种基于实验室条件下的测试装置和方法，通过在实验室内设置一套起陪试作用的滚动试验台系统，测量不同速度级下的损耗功率，进而得出空载和带载状态下的等效阻力，再进一步计算出轮轨阻力，测量方法和装置简单，易于操作，测量精确。

（2）试验测试时间可自行掌控，受自然环境的影响较小。

（3）基于实验室条件下的测试装置，具有较好的重用性与交互性，测试节点装置接口采用模块化的思路，测试节点可以根据需要灵活布置，不只局限于列车轮轨阻力的测量。

附图说明

图1 是本发明滚动试验台在空载时的结构示意图；

图2 是本发明滚动试验台空载时电路及测试点布置图；

图3 是本发明滚动试验台在带载运行时结构示意图；

图4 是本发明滚动试验台带载运行时轮轨关系结构示意图；

图5 是本发明滚动试验台带试验车运行时电路及测试点布置图。

如图1至图5所示，滚动试验台1，试验车2，反力架装置3、4，线路供电装置5，试验车体6，陪试变压器7，陪试变流器8，陪试电机9，陪试齿轮箱10，陪试轮对11，扭力扭矩传感器12，电压电流传感器13，试验轮对14。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

如图1至图5所示，本发明所述的一种列车轮轨阻力的测试装置，是一种基于实验室条件下的测试装置，包括安装在实验室地面的滚动试验台1、作为被测对象的试验车2、反力架装置3和4、线路供电装置5以及数据采集装置。

其中，滚动试验台1主要用于向试验车2提供驱动力，使试验车2的速度达到相应速度等级。

滚动试验台1包括多套陪试系统，每套陪试系统包括陪试变压器7、陪试变流器8、陪试电机9、陪试齿轮箱10以及陪试轮对11等。陪试轮对11与试验车2的试验轮对14 之间通过摩擦传动实现同步运转，用陪试轮对11模拟轨道，陪试轮对11与陪试齿轮箱10连接，陪试齿轮箱10与陪试电机9连接，陪试电机9与陪试变流器8连接，陪试变流器8与陪试变压器7连接。

试验车2的每对试验轮对14对应一套陪试系统，多套陪试系统中的多个陪试齿轮箱10同步运转。

试验车2包括试验车体6、牵引传动系统(图中未示出)及试验轮对14等，主要用于提供滚动试验台1的载荷，即试验对象。其中牵引传动系统，为列车提供牵引力。

反力架装置3为两台，主要用于在试验时拉紧固定试验车2的试验车体6，需要对哪节车厢进行测试，就将该节车厢的车体两端用两台反力架装置3固定。

试验台测试系统主要用于对数据采集器所发出的数据信号进行采集存储，并对所收集的数据进行后续计算，以得出列车的轮轨阻力。

线路供电装置5用于为滚动试验台1与试验车2提供能量。

数据采集器包括扭力扭矩传感器12和电压电流传感器13，扭力扭矩传感器13设置在作为机械传动系统的陪试齿轮箱10和陪试轮对11之间，扭力扭矩传感器12主要用于测试扭力扭矩以计算得出输出机械功率，电压电流传感器13设置在陪试变压器7的二次侧上，主要用于检测电压和电流以计算得出输入电功率，试验者可以根据试验需要任意确定测试点。

对列车进行轮轨阻力进行试验，其试验分析基本的假设条件为：

输入电功率 = 输出机械功率 + 损耗功率。

根据能量守恒定律可知，输入电能 = 输出机械能 + 损耗能量，对于单独的陪试系统（即滚动试验台1）、单独的被试系统（即试验车2）以及陪试+被试的大系统而言，所有分析都是在相同时间内进行的，因此可以有功率守恒的假设。

下面详细描述轮轨阻力的测试步骤：

滚动试验台1中的陪试变压器7、陪试变流器8、陪试电机9的热工损耗是已知的。试验车2的牵引传动系统中的牵引变压器、牵引变流器、牵引电机的热工损耗也是已知的。试验轮对14与陪试轮对11之间的轮轨摩擦系数是可推算的。

假设轮轨阻力为f₂，则f₂分两步得出：

步骤一，如图1所示，不加试验车2，让滚动试验台1空载运行，得到滚动试验台1不同速度级下的损耗功率，通过计算换算成空载等效阻力值f₂₁。

在空载情况下，选定测试点，如图2所示，在测试点A(即陪试变压器7的二次侧)处设置电压电流传感器13，用于检测滚动试验台1中陪试变压器7二次侧的电压和电流，进而计算出滚动试验台1的输入电功率，在测试点B（即陪试齿轮箱10与陪试轮对11之间）处设置扭力扭矩传感器12，用于检测滚动试验台1中机械传动系统的扭力扭矩，进而计算出滚动试验台1的输出机械功率。

利用线路供电装置5向滚动试验台1输入电源，依次经过陪试变压器7、陪试变流器8向陪试电机9输入电源，驱动陪试电机9运转，陪试电机9通过陪试齿轮箱10带动陪试轮对11转动。

试验台测试系统通过同步测试、采集和计算不同速度级下滚动试验台1的输入电功率及输出机械功率值，两者的差值即得到损耗功率，结合滚动试验台1的陪试变压器7、陪试变流器8、陪试电机9的热工损耗值，推算出滚动试验台1空载状态下的空载等效阻力f₂₁。

步骤二，如图3所示，加入试验车2，让滚动试验台1带载运行，再次得到滚动试验台1不同速度级下的损耗功率，通过计算换算成带载等效阻力值f₂₂。

在带载情况下，选定测试点，如图5所示，在测试点A(即陪试变压器7的二次侧)处设置电压电流传感器13，用于检测滚动试验台1中陪试变压器7二次侧的电压和电流，进而计算出滚动试验台1的输入电功率，在测试点B（即陪试齿轮箱10与陪试轮对11之间）处设置扭力扭矩传感器12，用于检测滚动试验台1中机械传动系统的扭力扭矩，进而计算出滚动试验台1的输出机械功率。

如图3所示，将试验车2在不带电的情况下置于滚动试验台1上，利用线路供电装置5向滚动试验台1输入电源，依次经过陪试变压器7、陪试变流器8向陪试电机9输入电源，驱动陪试电机9运转，陪试电机9通过陪试齿轮箱10带动陪试轮对11转动，如图4所示，陪试轮对11通过摩擦传动驱动试验轮对14同步转动，试验轮对14被动滚动。

试验台测试系统通过同步测试、采集和计算不同速度级下滚动试验台1的输入电功率及输出机械功率值，两者的差值即得到损耗功率，结合滚动试验台1的陪试变压器7、陪试变流器8、陪试电机9的热工损耗值，推算出滚动试验台1带载状态下的带载等效阻力f₂₂。

步骤三，上述空载等效阻力值f₂₁和带载等效阻力值f₂₂之间的差值即为轮轨阻力f₂，即f₂= -f₂₁。

下面以测试在某一速度v下轮轨阻力为例，说明如下：

针对速度v时测得的试验数据，通过公式(1)、公式(2)分别计算得到该速度级下的等效阻力值f_V21、f_V22。

各速度级下的等效阻力值共同组成f₂₁、f₂₂分别为

$f_{V21}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_V}{v}---\left(1\right)$

$f_{V22}=\frac{\mathrm{\Δ}{P}_V}{v}---\left(2\right)$

其中：

f_V21：速度v时f₂₁空载等效阻力值；

f_V22：速度v时f₂₂带载等效阻力值；

ΔP_V：速度v时滚动试验台1总功率损耗值，且 ；

ΔP_Vi：速度v时计算得到的第i组滚动试验台1的损耗功率值。

且有ΔP_Vi=P_i-P_VM2-P_VCI2-P_VMTR2；

P_i：测得的第i组滚动试验台1的输入功率；

P_VM2：速度v时滚动试验台1的陪试电机9的热工损耗值；

P_VCI2：速度v时滚动试验台1的陪试变流器8的热工损耗值；

P_VMTR2：速度v时滚动试验台1的陪试变压器7的热工损耗值；

v：速度等级，单位(km/h)。

其中，P_VM2、P_VCI2、P_VMTR2为已知值。

在试验过程中，每个速度值下，测试点A和测试点B的数据要同步测试和记录，同一时刻的测试点A、测试点B的数据称为一组数据。

当速度稳定在设定值后，应以Δt为间隔应进行N+1次测试，得到N+1组数据。其中，Δt、N由试验大纲确定。

整个试验过程，至少完成一轮速度扫频测试，即从最低速度起按照设定的速度步长提速至最高速度，而后再按照同样的速度步长降速至最低速度。若受条件制约无法直接完成速度扫频测试，则应在相同趋势条件下补充完成测试。

本发明是一种基于实验室条件下的测试装置和方法，通过在实验室内设置一套起陪试作用的滚动试验台系统，测量不同速度级下的损耗功率，进而得出空载和带 载状态下的等效阻力，再进一步计算出轮轨阻力，测量方法和装置简单，易于操作，测量精确。试验测试时间可自行掌控，受自然环境的影响较小。基于实验室条件下的测试装置，具有较好的重用性与交互性，测试节点装置接口采用模块化的思路，测试节点可以根据需要灵活布置，不只局限于列车轮轨阻力的测量。例如：对于列车牵引传动系统来说，也可以根据本测试装置结构布置相应的测点，通过实测电压、电流、功率等数据进行列车牵引传动系统的相关性能分析。

如上所述，结合附图所给出的方案内容，可以衍生出类似的技术方案。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种列车轮轨阻力的测试装置，其特征在于，包括：

试验车，包括试验车体、牵引传动系统及试验轮对；

安装在实验室的滚动试验台，用于向所述试验车提供驱动力，使所述试验车的速度达到相应速度等级，所述滚动试验台包括至少一套陪试系统，所述陪试系统包括依次连接的陪试变压器、陪试变流器、陪试电机、陪试齿轮箱以及陪试轮对，所述陪试轮对与所述试验车的试验轮对之间通过摩擦传动实现同步运行，所述陪试变压器与线路供电装置连接；

数据采集装置，用于采集所述试验车或滚动试验台的输入电压电流、输出扭力扭矩数据；

试验台测试系统，与所述数据采集装置连接，用于采集存储数据信息，并对所收集的数据进行后续计算，以得出列车的轮轨阻力；

线路供电装置，用于为所述滚动试验台和试验车提供能量。

2.根据权利要求1所述的列车轮轨阻力的测试装置，其特征在于：所述试验车的每对所述试验轮对对应一套所述陪试系统，多套所述陪试系统中的多个所述陪试齿轮箱同步运转。

3.根据权利要求1所述的列车轮轨阻力的测试装置，其特征在于：所述数据采集装置包括扭力扭矩传感器和电压电流传感器。

4.根据权利要求3所述的列车轮轨阻力的测试装置，其特征在于：所述扭力扭矩传感器设置在所述陪试轮对与陪试齿轮箱之间，所述电压电流传感器设置在所述陪试变压器的二次侧上。

5.一种采用如权利要求1-4任一项所述的列车轮轨阻力的测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

不加试验车，让滚动试验台空载运行，得到滚动试验台在不同速度级下的损耗功率，通过计算换算成空载等效阻力值；

再加入试验车，让所述滚动试验台带载运行，滚动试验台通过摩擦传动带动所述试验车运行，得到所述滚动试验台在不同速度级下的损耗功率，通过计算换算成带载等效阻力值；

空载等效阻力与带载等效阻力之间的差值，即为所述轮轨阻力。

6.根据权利要求5所述的列车轮轨阻力的测试方法，其特征在于：在所述滚动试验台中的陪试齿轮箱和陪试轮对之间设置扭力扭矩测试点，以计算出输出机械功率，在所述滚动试验台的陪试变压器的二次侧设置电压电流测试点，以计算得出输入电功率，所述损耗功率为输入电功率与输出机械功率的差值。

7.根据权利要求5所述的列车轮轨阻力的测试方法，其特征在于：测试不同速度等级的数据，是当速度稳定在设定值后，以Δt为间隔进行N+1次测试，得到N+1组数据。

8.根据权利要求7所述的列车轮轨阻力的测试方法，其特征在于：从最低速度起按照设定的速度步长提速至最高速度，而后再按照同样的速度步长降速至最低速度，至少完成一轮速度扫频测试。