CN105181361A - 高速列车涡流制动性能试验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高速列车涡流制动性能试验装置及方法，该高速列车涡流制动性能试验装置包括：底座，其与混凝土基础固定相连；轨道轮单元，其连接在所述底座上，所述轨道轮单元具有轨道轮，所述轨道轮连接于一轨道轮轴，所述轨道轮的上方设有制动磁铁组；机械惯量单元，其连接在所述底座上，所述机械惯量单元具有多个活动飞轮，所述活动飞轮连接于一飞轮轴，所述飞轮轴与所述轨道轮轴之间通过联轴器相连；驱动电机，其连接在所述底座上，所述驱动电机与所述飞轮轴通过联轴器或离合器相连。本发明的高速列车涡流制动性能试验装置及方法，可模拟列车与轨道之间的相对运动，其具有试验速度高、负载惯量大且惯量连续可调、安全性和试验效率高等优点。

Description

高速列车涡流制动性能试验装置及方法

技术领域

本发明有关于一种轨道车辆涡流制动性能试验装置及方法，尤其有关于一种高速列车制动技术领域中应用的高速列车涡流制动性能试验装置及方法。

背景技术

制动技术是高速列车的关键技术之一，由于高速列车制动能量巨大，并且随着速度的增加轮轨粘着系数逐渐降低，因此在规定的制动距离内实现安全停车和能量转化具有一定难度。世界上高速列车均采用多种制动方式相配合的复合制动模式，主要制动方式包括再生制动、电阻制动、摩擦制动、涡流制动、磁轨制动和空气动力制动等。我国动车组采用的是再生制动和摩擦制动(盘形制动)方式，这两种方式是世界上应用最多的高速列车制动方式，均通过轮轨之间的粘着力发挥制动作用。

涡流制动是一种非接触式电磁制动方式，具有无机械磨损、无噪声、无气味、制动力可控等突出优点，既可用于紧急制动，又可用于常用制动，缩短制动距离，提高行车安全性，并可减少机械制动的磨耗，运行经济性良好。特别是线性涡流制动，它不依赖于轮轨粘着，在高速区段可发挥较大的制动力。因此，涡流制动是一种有效的制动手段，特别适用于高速列车制动系统。

涡流制动的基本原理，是利用磁铁和磁感应体的相对运动，在感应体内感应出电涡流(简称涡流)，由涡流产生的磁场与磁铁产生的主磁场相互作用并使主磁场产生畸变，磁力线发生偏转，生成切向分力即制动力，从而使列车减速。

根据结构形式，涡流制动可分为线性涡流制动和旋转涡流制动。线性涡流制动又称轨道涡流制动，是将钢轨作为磁感应体，将制动用条形磁铁安装在转向架上并位于钢轨正上方，磁铁的N极、S极交替配置，极面与钢轨面保持一定的气隙。当列车运行时，磁铁与钢轨产生相对运动，便可在钢轨上感应出涡流并形成制动力。线性涡流制动装置所产生的制动力直接作用于钢轨上，是一种非粘着制动方式，因此可在高速区段发挥较大作用。旋转涡流制动又称为盘式涡流制动，是在车轴上设置金属圆盘作为磁感应体，磁铁可安装在金属盘的一侧或两侧，列车运行时，金属感应盘在磁场中转动，从而感应出涡流并形成制动力。旋转涡流制动属于粘着制动，在高速条件下制动效果受到局限。

根据磁极材料，涡流制动又可分为电磁涡流制动和永磁涡流制动。电磁涡流制动的核心部件通常由铁芯和线圈组成，由外部供电电源提供励磁，通过调节励磁电流，实现制动力的控制。永磁涡流制动是用永磁材料制成的磁铁取代电磁铁，通过对永久磁铁与感应体相对位置的调节实现涡流制动力的控制。

在涡流制动技术研究与产品开发过程中，测试和掌握制动性能是一项关键性工作。目前，对涡流制动性能及其影响因素的研究主要有两种途径，一是采用解析法或数值法进行计算分析，二是采用试验装置进行试验研究。由于对电磁机理的认识和描述不够深入、完整，或者对边界条件的定义等不够清晰、准确，因此计算分析方法往往存在较大偏差。涡流制动的试验方法，是利用特殊的试验装置(试验台)，其基本原理是该装置带有一定的惯性负载，通过电机的驱动控制，使涡流制动磁铁与感应体(如轨道轮)产生相对运动，达到预定速度后实施制动，在涡流制动力的作用下，使惯性系统减速。

我国现有的一种轨道涡流制动试验台，用轨道轮代替实际钢轨，用电机带动轨道轮转动来模拟列车与钢轨的相对运动，试验速度小于300km/h。另一种车辆涡流试验装置可用于磁悬浮列车和轮轨列车的涡流制动试验，最高速度不大于350km/h。这两种试验装置均适用于电磁涡流制动的原理性试验和验证，制动电磁铁结构固定，试验速度不高，试验惯量小且无法调整，对不同轴重的试验要求难以满足，不能按照实际制动能量开展1：1的性能试验，无法满足高速列车的发展及大功率涡流制动试验的需要。

发明内容

本发明的目的是提供一种高速列车涡流制动性能试验装置，其可模拟列车与轨道之间的相对运动，该涡流制动性能试验装置具有试验速度高、负载惯量大且惯量连续可调、安全性和试验效率高等优点。

本发明的另一目的是提供一种高速列车涡流制动性能试验方法，该方法所使用的高速列车涡流制动性能试验装置具有试验速度高、负载惯量大且连续可调、安全性和试验效率高等优点，该方法可模拟列车与轨道之间的相对运动及实际制动负载，实现高速涡流制动多种性能参数的测试和试验验证。

本发明的上述目的可采用下列技术方案来实现：

本发明提供一种高速列车涡流制动性能试验装置，其包括：

底座，其与混凝土基础固定相连；

轨道轮单元，其连接在所述底座上，所述轨道轮单元具有轨道轮，所述轨道轮连接于一轨道轮轴，所述轨道轮的上方设有制动磁铁组；

机械惯量单元，其连接在所述底座上，所述机械惯量单元具有多个活动飞轮，所述活动飞轮连接于一飞轮轴，所述飞轮轴与所述轨道轮轴之间通过联轴器相连；

驱动电机，其连接在所述底座上，所述驱动电机与所述飞轮轴通过联轴器或离合器相连。

在优选的实施方式中，所述轨道轮包括轮体及连接在所述轮体两侧的两组圆盘式轨道，所述轮体连接在所述轨道轮轴上，每个所述圆盘式轨道的上方设有一个制动磁铁组。

在优选的实施方式中，所述轨道轮单元还包括两个轴承座，两个所述轴承座与所述底座相连，所述轨道轮轴的两端由两个所述轴承座支撑，所述轨道轮的前后两侧分别设有一个支座，两个所述支座上连接有支撑架总成，所述支撑架总成上可上下移动地连接有磁极座，所述制动磁铁组与所述磁极座相连。

在优选的实施方式中，所述制动磁铁组由多个磁铁块并排设置呈弧形形状，所述磁铁块通过调节螺栓连接在所述磁极座上。

在优选的实施方式中，所述支撑架总成上设有调节螺杆，所述调节螺杆通过力传感器与所述磁极座相连。

在优选的实施方式中，所述支撑架总成上连接有两个气缸，两个所述气缸与所述磁极座相连。

在优选的实施方式中，所述机械惯量单元还包括：

两个轴承座，两个所述轴承座与所述底座相连，所述飞轮轴的两端由两个所述轴承座支撑；

支架，其连接在所述底座上，所述支架的上部可水平移动地连接有吊具，所述支架的两侧分别连接有飞轮固定件。

在优选的实施方式中，所述机械惯量单元为两个，其中一个所述机械惯量单元的飞轮轴通过联轴器或离合器连接在所述驱动电机的一侧，另一个所述机械惯量单元的飞轮轴的两端分别通过联轴器连接在所述驱动电机的另一侧及所述轨道轮轴之间。

在优选的实施方式中，所述涡流制动性能试验装置还包括紧急制动单元，所述紧急制动单元位于所述驱动电机与所述机械惯量单元之间，其包括多套制动盘和制动多套所述制动盘的制动夹钳，多套所述制动盘与一紧急制动轴相连，所述紧急制动轴的一端通过联轴器与所述驱动电机相连，其另一端通过联轴器与所述机械惯量单元的飞轮轴相连。

在优选的实施方式中，所述飞轮轴或所述轨道轮轴上连接有速度编码器。

在优选的实施方式中，所述机械惯量单元的飞轮轴与所述轨道轮单元的轨道轮轴之间安装有扭矩传感器。

在优选的实施方式中，所述轨道轮单元的轨道轮外侧设有冷却喷管。

在优选的实施方式中，所述涡流制动性能试验装置设有整体防护罩，所述整体防护罩由墙体分隔为试验舱防护罩和动力与惯量舱防护罩，所述试验舱防护罩罩设在所述轨道轮单元外，所述动力与惯量舱防护罩罩设在所述机械惯量单元与所述驱动电机外。

本发明还提供一种高速列车涡流制动性能试验方法，所述高速列车涡流制动性能试验方法采用上述的高速列车涡流制动性能试验装置，所述高速列车涡流制动性能试验方法包括如下步骤：

a)按需配置机械惯量单元及所述机械惯量单元上的活动飞轮的数量；启动驱动电机，所述驱动电机驱动所述机械惯量单元和轨道轮单元的轨道轮转动并达到实际车速，通过所述轨道轮与所述轨道轮单元的制动磁铁组之间的相对运动模拟列车与钢轨之间的相对运动；

b)待所述轨道轮达到实际车速后，对所述制动磁铁组施加励磁进行制动，所述活动飞轮和所述轨道轮在所述轨道轮与所述制动磁铁组之间形成的涡流制动力作用下逐渐减速；

c)在所述涡流制动过程中，同步且连续地采集所述轨道轮的转速和温度、所述制动磁铁组的励磁电流和励磁电压、所述涡流制动力、所述轨道轮对所述制动磁铁组的吸力；

d)对以上采集的数据进行分析并绘制涡流制动特性曲线。

在优选的实施方式中，所述制动磁铁组由多个磁铁块并排设置组成，所述磁铁块为电磁铁块或永久磁铁块。

在优选的实施方式中，所述轨道轮单元的轨道轮轴与所述机械惯量单元的飞轮轴之间安装有扭矩传感器，在所述步骤c)中，通过所述扭矩传感器测量所述涡流制动力。

在优选的实施方式中，所述轨道轮的前后两侧分别设有一个支座，两个所述支座上连接有支撑架总成，所述支撑架总成上可上下移动地连接有磁极座，所述制动磁铁组与所述磁极座相连，两个所述支座与所述支撑架总成之间设有力传感器，在所述步骤c)中，通过所述力传感器测量所述涡流制动力。

在优选的实施方式中，所述轨道轮单元设有支撑架总成，所述支撑架总成上可上下移动地连接有磁极座，所述制动磁铁组与所述磁极座相连，所述磁极座通过力传感器与所述支撑架总成相连，在所述步骤c)中，通过所述力传感器测量所述吸力。

在优选的实施方式中，所述支撑架总成上设有红外温度传感器，在所述步骤c)中，通过所述红外温度传感器测量所述轨道轮的温度。

在优选的实施方式中，所述轨道轮单元的轨道轮外侧设有冷却喷管，在所述步骤b)与所述步骤c)之间还包括步骤b1)在所述涡流制动过程中，开启所述冷却喷管，通过所述冷却喷管向所述轨道轮均匀喷射冷却液。

本发明的高速列车涡流制动性能试验装置及方法的特点及优点是：

1)本发明采用轨道轮单元的轨道轮模拟线性钢轨作为涡流制动感应体，承担制动过程转化的绝大部分动能。由于按列车实际轴重1:1模拟，且试验速度很高，因此制动能量巨大，若不加限制，将导致轨道轮温度急剧升高，超过材料允许使用温度，因此，本发明采用的轨道轮为一个轮体上装配两组圆盘式轨道，并在轨道轮的外侧设置冷却喷管，可增加轨道轮的热容量和换热能力。该冷却喷管可对轨道轮进行强制冷却，可以有效地抑制轨道轮温升。采用本发明的轨道轮及冷却喷管可大幅提高试验速度，实现高速、大动能涡流制动试验，最高试验速度达到500km/h或500km/h以上。

2)本发明采用设置在支撑架总成上的红外温度传感器对轨道轮的温度进行实时监测，超过预定温度则立即启动冷却喷管，可有效抑制轨道轮的温升，便于实现高速、大动能的涡流制动试验，为防止冷却液飞溅且便于回收，设置一个小型防护罩，将轨道轮单元整体封闭在内。

3)本发明采用电惯量模拟(驱动电机)与机械惯量(机械惯量单元)相结合的方法设计惯量系统，可灵活实现大范围惯性负载无级调节，并具有较高的负载精度，可按不同实车轴重1:1配置试验惯量，并达到实际车速，从而1:1再现涡流制动的能量转化过程，可有效减小试验误差，提高试验的灵活性和准确性。

4)本发明的机械惯量包括两组机械惯量单元，两组机械惯量单元采用等惯量设计，即每组机械惯量单元均由惯量相等的4～6个活动飞轮组成，简化结构且便于调整。

5)本发明采用大功率的驱动电机实现对机械惯量单元的拖动和电惯量模拟，驱动电机调速范围宽，控制精度高，便于维护。电模拟惯量可补偿机械惯量级差，并扩大惯量范围。试验惯量可根据不同车辆的轴重任意调整，最大试验惯量达到5800kgm²以上，最大试验轴重可达19t或19t以上，最小试验轴重低至1t，满足高速列车及其它轨道车辆涡流制动试验需要。

6)本发明设有大型整体防护罩，该整体防护罩由墙体分隔成试验舱防护罩和动力与惯量舱防护罩，试验舱防护罩罩设在轨道轮单元外，动力与惯量舱防护罩罩设在机械惯量单元与驱动电机外，试验舱防护罩和动力与惯量舱防护罩采用整体封闭式结构，其墙体和顶部均为双层钢板结构，其中内层采用多孔板，双层钢板之间填充吸声和隔声材料，可有效降低设备内部和外部的噪声干扰，同时起到安全防护作用。

7)本发明采用驱动电机再生制动与大功率紧急制动单元相结合的紧急制动方案，当出现电力中断或其它特殊情况时紧急制动单元也可单独工作，在任意速度和惯量下均可实现设备自身的紧急停车，确保设备和人员安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的高速列车涡流制动性能试验装置的结构示意图。

图2为本发明的高速列车涡流制动性能试验装置的轨道轮单元的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施方式一

如图1所示，本发明提供一种涡流制动性能试验装置，其包括底座1、轨道轮单元2、机械惯量单元3和驱动电机4，其中：底座1与混凝土基础固定相连；轨道轮单元2连接在所述底座1上，其具有轨道轮21，所述轨道轮21连接于一轨道轮轴22，所述轨道轮21的上方设有制动磁铁组23；机械惯量单元3连接在所述底座1上，其具有多个活动飞轮31，所述活动飞轮31连接于一飞轮轴32，所述飞轮轴32与所述轨道轮轴22之间通过联轴器5相连；驱动电机4连接在所述底座1上，其与所述飞轮轴32通过联轴器5或离合器6相连。

具体是，底座1为轨道轮单元2、机械惯量单元3和驱动电机4提供支撑，底座1固定连接在混凝土基础上并进行整体隔振处理，从而为轨道轮单元2、机械惯量单元3和驱动电机4提供稳定的支撑平台。

如图2所示，轨道轮单元2具有轨道轮21，在本发明中，轨道轮21由轮体及连接在轮体两侧的两组圆盘式轨道组成，采用两组圆盘式轨道，可增加轨道轮21的热容量、散热面积。该轨道轮21的两组圆盘式轨道按照标准钢轨轨头的尺寸和形状设计，其采用标准钢轨材料制造，两组圆盘式轨道的磁阻和电阻特性与实际钢轨基本一致，其通过键和螺栓与轨道轮21的轮体连接，可拆卸和更换。轨道轮单元2还包括连接在底座1上的两个轴承座24，轨道轮轴22的两端由两个轴承座24支撑，轨道轮21的前后两侧分别设有一个支座25，两个支座25与支撑架总成26相接，该支撑架总成26由构架261及连接在构架261上端的n形支架262组成，该构架261的中部通过轴承2611连接在轨道轮轴22上，该n形支架262上可上下移动地连接有磁极座263，磁极座263用来安装、固定制动磁铁组23并作为磁轭使用，其可沿n形支架263上的轨道2631上下移动，并通过轨道2631把制动力传递给支撑架总成26的构架261。在本发明中，轨道轮轴22上还可连接有速度编码器8，该速度编码器8用于测量试验过程中轨道轮21的转速。

在本实施例中，该支撑架总成26的n形支架262上部连接有两个气缸264，两个气缸264与磁极座263相连。气缸264用于实现磁极座263在n形支架262的轨道2631内的上下移动，不制动或需更换制动磁铁组23时可以利用气缸264把连接有制动磁铁组23的磁极座263整体提升至高位，工作状态下气缸264不受力。在本发明中，气缸264也可替换为油缸，在此不作限制。

进一步的，该支撑架总成26的n形支架262的顶部还连接有调节螺杆265，该调节螺杆265的下端通过力传感器2651与磁极座263相连。该调节螺杆265用于调整磁极座263与轨道轮21之间的距离，实现磁极座263上的制动磁铁组23与轨道轮21之间气隙粗调的目的。在本实施例中，调节螺杆265与磁极座263之间连接的力传感器2651，在制动过程中，用来测量轨道轮21对制动磁铁组23的吸力。

在本发明的一个实施例中，磁极座263上连接的制动磁铁组23有两个，两个制动磁铁组23分别位于轨道轮21的两组圆盘式轨道的正上方并与各自对应的圆盘式轨道之间具有一定的间隙。该制动磁铁组23由多个磁铁块231并排设置呈弧形形状，该些磁铁块231可为电磁铁块或永久磁铁块。以轨道轮21模拟实际线路中的钢轨，承担制动能量转化任务，同时作为部分机械惯量使用。当轨道轮21相对制动磁铁组23旋转时，可模拟列车上的涡流制动磁铁与轨道的相对运动。在本发明中，每个磁铁块231均通过调节螺栓266连接在磁极座263上，这样通过旋转调节螺栓266，可调整每个磁铁块231与轨道轮21之间的距离，实现磁铁块231与轨道轮21之间气隙微调的目的，使每个磁极块231与轨道轮21之间的气隙均匀一致。

机械惯量单元3为向制动磁铁组23提供机械惯量负载之用，该机械惯量单元3具有多个活动飞轮31，在一实施例中，该机械惯量单元3可包含4～6个活动飞轮31，各活动飞轮31的惯量相等，当然，在其他的实施例中，各活动飞轮31也可采用惯量递增的形式，通过不同惯量的活动飞轮31的组合，实现模拟部分制动质量增减的目的，也即实现基本制动负载的调节，该些活动飞轮31连接于一飞轮轴32。该机械惯量单元3还包括连接在底座1上的两个轴承座33，飞轮轴32的两端由两个轴承座33支撑；进一步的，该机械惯量单元3设有支架34，支架34固定连接在底座1上，支架34的上部设置导轨并在导轨上水平移动地连接一吊具341，该吊具341用于起吊机械惯量单元3的活动飞轮31，以便活动飞轮31与飞轮轴32接合或脱离；该支架34的两侧还分别连接有飞轮固定件342，该飞轮固定件342用于在机械惯量单元3的活动飞轮31与飞轮轴32分离后将其固定在支架34上。在本发明中，机械惯量单元3的飞轮轴32上还可连接有速度编码器(图中未示出)，该速度编码器用于测量试验过程中轨道轮21的转速。

在本发明的一个实施例中，机械惯量单元3为两个，两个机械惯量单元3可分别设置在驱动电机4的两侧，此时该驱动电机4为双轴伸结构，其中一个机械惯量单元3的飞轮轴32通过离合器6连接在驱动电机4的一侧，该机械惯量单元3可通过离合器6与驱动电机4分离，以满足最小试验惯量的要求；另一个机械惯量单元3的飞轮轴32的两端分别通过联轴器5连接在驱动电机4的另一侧与轨道轮单元2的轨道轮轴22之间。

在本发明中，该驱动电机4可为交流电机或直流电机，其通过电机座41安装在底座1上，该驱动电机4采用调速控制方式实现对轨道轮单元2及机械惯量单元3的拖动，该驱动电机4也可以模拟部分制动质量，也即在制动过程中，驱动电机4仍然工作，通过控制驱动电机4的输出转矩，使轴系的惯量增加或减少，起到惯量补偿的作用。本发明的驱动电机4采用特定的控制策略，通过外部主控计算机、驱动控制器控制驱动电机4实现，可产生正惯量或负惯量，用以补偿机械惯量级差、扩大惯量范围，提高试验精度和试验灵活性。

根据本发明的一个实施方式，该涡流制动性能试验装置还包括紧急制动单元7，其用于特殊情况下设备自身的紧急停车，起安全制动作用。该紧急制动单元7位于驱动电机4与机械惯量单元3之间，其包括多套制动盘71及制动该多套制动盘71的制动夹钳75，在本实施例中，制动盘71可为1～3套，制动盘71与一紧急制动轴72相连，该紧急制动单元7具有两个连接在底座1上的轴承座73，紧急制动轴72的两端由两个轴承座73支撑，紧急制动轴72的一端通过联轴器5与驱动电机4相连，其另一端通过联轴器5与机械惯量单元3的飞轮轴32相连；进一步的，该紧急制动单元7还具有连接在底座1上的吊座支架74，该吊座支架74上连接有制动夹钳75。该紧急制动单元7一般情况下与驱动电机4的再生制动配合使用，当出现电力中断或其它特殊情况时也可单独使用，因此，在任意速度和惯量下均可实现设备自身的紧急停车，保障设备和人员安全。

根据本发明的一个实施方式，机械惯量单元3的飞轮轴32与轨道轮单元2的轨道轮轴22之间安装有扭矩传感器9。该扭矩传感器9用来测量涡流制动产生的制动扭矩，通过计算机把制动扭矩转换为制动力。当不采用扭矩传感器9测量制动力时，可通过设置在轨道轮单元2的支座25与构架261之间的力传感器251来测量制动力，此时轨道轮轴22和飞轮轴32之间可仅用联轴器5连接。在本实施例中，力传感器251共有两个，其对称安装在构架261的两侧下端并通过支座25支撑在底座1上，可实现正、反两个方向制动力的测量。当采用扭矩传感器9测量制动力时，可以把构架261固定安装在支座25上；当采用力传感器251测量制动力时，则可通过轴承2611把构架261支撑在轨道轮轴22上，通过构架261把制动力传递到设置在其两侧的力传感器251上，实现制动力的测量。

根据本发明的一个实施方式，轨道轮单元2的轨道轮21圆周外侧还设有冷却喷管10。进一步的，在轨道轮单元2的构架261上设有红外温度传感器267，该红外温度传感器267用来实时监测轨道轮21的温度，若该温度超过预定值，则立即启动冷却喷管10，对轨道轮21进行强制冷却，抑制温升，以便实现高速制动试验。在本发明中，注入冷却喷管10内的冷却介质可采用水或其它制冷液，并可回收和循环使用。该冷却喷管10设计为C形或U形结构，沿轨道轮21的圆周布置，其内侧均布喷孔，流量可控，该冷却喷管10的主要作用是为轨道轮21提供冷却介质，并形成阵列射流，在高速试验时抑制轨道轮21的温升，冷却喷管10中的冷却液可通过液位计/液位开关和泵等实现循环使用。

进一步的，为防止冷却液飞溅且便于回收，可设计一个小型防护罩268，将轨道轮21和支撑架总成26整体封闭在内。该小防护罩268采用分体结构，上部可拆卸，便于试件安装、更换和调整。

根据本发明的一个实施方式，涡流制动性能试验装置设有整体防护罩，所述整体防护罩由墙体分隔为试验舱防护罩20和动力与惯量舱防护罩30，所述试验舱防护罩20罩设在所述轨道轮单元2外，所述动力与惯量舱防护罩30罩设在所述机械惯量单元3与所述驱动电机4外。试验舱防护罩20和动力与惯量舱防护罩30结构相同，均采用双层墙体结构，且在双层墙体之间填充有隔声材料，内墙采用多孔板，在本发明中，该隔声材料可为有机或无机多孔吸声纤维、泡沫材料、隔音毡或隔音板等。该试验舱防护罩20和动力与惯量舱防护罩30把上述各单元整体封闭在内，起到安全防护和隔声作用。

该涡流制动性能试验装置的工作过程如下：首先，按照实际列车轴重配置试验惯量，也即根据需要确定机械惯量单元3上的活动飞轮31的数量以及所需机械惯量单元3的数量；然后，启动驱动电机4，驱动电机4驱动机械惯量单元3的活动飞轮31和轨道轮单元2的轨道轮21转动并达到实际车速，通过轨道轮21与轨道轮单元2的制动磁铁组23之间的相对运动模拟列车与钢轨之间的相对运动；待轨道轮21达到实际车速后，对制动磁铁组23施加励磁进行制动，此时，轨道轮21上感应出涡流，制动能量通过轨道轮21转化，机械惯量单元3及驱动电机4所输出电模拟惯量组成的惯量系统在轨道轮21与制动磁铁组23之间形成的涡流制动力作用下逐渐减速，当速度降至设定的缓解速度时，终止励磁；在制动过程中，通过设置在构架261上的红外温度传感器267采集轨道轮21的温度，并通过连接在轨道轮轴22或飞轮轴32上的速度编码器8采集轨道轮21的转速，同时通过力传感器2651采集轨道轮21对制动磁铁组23的吸力，通过扭矩传感器9或力传感器251采集涡流制动力，通过对施加至制动磁铁组23的励磁电流和励磁电压、以及上述采集的数据进行分析后绘制涡流制动特性曲线。

本发明的高速列车涡流制动性能试验装置具有如下特点和优点：

1)本发明采用轨道轮单元2的轨道轮21模拟线性钢轨作为涡流制动感应体，承担制动过程转化的绝大部分动能。由于按列车实际轴重1:1模拟，且试验速度很高，因此制动能量巨大，若不加限制，将导致轨道轮21温度急剧升高，超过材料允许使用温度，因此，本发明采用的轨道轮21为一个轮体上装配两组圆盘式轨道，并在轨道轮21的外侧设置冷却喷管10，可增加轨道轮21的热容量和换热能力。该冷却喷管10可对轨道轮21进行强制冷却，可以有效地抑制轨道轮21温升。采用本发明的轨道轮21及冷却喷管10可大幅提高试验速度，实现高速、大动能涡流制动试验，最高试验速度达到500km/h或500km/h以上。

2)本发明采用设置在构架261上的红外温度传感器267对轨道轮21的温度进行实时监测，超过预定温度则立即启动冷却喷管10，可有效抑制轨道轮21的温升，便于实现高速、大动能的涡流制动试验，为防止冷却液飞溅且便于回收，设置一个小型防护罩268，将轨道轮单元2整体封闭在内。

3)本发明采用电惯量模拟(驱动电机4)与机械惯量(机械惯量单元3)相结合的方法设计惯量系统，可灵活实现大范围惯性负载无级调节，并具有较高的负载精度，可按不同实车轴重1:1配置试验惯量，并达到实际车速，从而1:1再现涡流制动的能量转化过程，可有效减小试验误差，提高试验的灵活性和准确性。

4)本发明的机械惯量包括两组机械惯量单元3，两组机械惯量单元3采用等惯量设计，即每组机械惯量单元3均由惯量相等的4～6个活动飞轮31组成，简化结构且便于调整。

5)本发明采用大功率的驱动电机4实现对轨道轮21与机械惯量单元3的拖动和电惯量模拟，驱动电机4调速范围宽，控制精度高，便于维护。电模拟惯量可补偿机械惯量级差，并扩大惯量范围。试验惯量可根据不同车辆的轴重任意调整，最大试验惯量达到5800kgm²以上，最大试验轴重可达19t或19t以上，最小试验轴重低至1t，满足高速列车及其它轨道车辆涡流制动试验需要。

6)本发明设有大型整体防护罩，该整体防护罩由墙体分隔成试验舱防护罩20和动力与惯量舱防护罩30，试验舱防护罩20罩设在轨道轮单元2外，动力与惯量舱防护罩30罩设在机械惯量单元2与驱动电机4外，试验舱防护罩20和动力与惯量舱防护罩30采用整体封闭式结构，其墙体和顶部均为双层钢板结构，其中内层采用多孔板，双层钢板之间填充吸声和隔声材料，可有效降低设备内部和外部的噪声干扰，同时起到安全防护作用。

7)本发明采用驱动电机4再生制动与大功率紧急制动单元3相结合的紧急制动方案，当出现电力中断或其它特殊情况时紧急制动单元也可单独工作，在任意速度和惯量下均可实现设备自身的紧急停车，确保设备和人员安全。

本发明的涡流制动性能试验装置，在试验过程中可为试验舱防护罩20通风，通过测控系统控制风速变化，以模拟列车运行的气流，可使制动磁铁组23的温度变化与实际接近。本发明在试验过程中严格控制试验条件和参数，因此试验结果具有较好的一致性。另外，本发明通过红外温度传感器267、速度编码器8、力传感器2651、力传感器251或扭矩传感器9同步采集制动过程中的各种数据，可获得与制动相关的多种特性曲线，便于综合比较和研究。

再有，本发明的涡流制动性能试验装置带有涡流制动电磁铁励磁电源，其电流、电压可调，并预留永磁涡流驱动控制功能，可适应不同型式磁铁的试验要求。通过网络或现场总线接收测控指令，并可将工作状态信息反馈到测控系统，测控系统由操作台、主控计算机、现场测控单元、传感器、视频监视系统等组成，主控计算机通过网络与现场测控单元、电气系统、通风系统等进行通信，实现控制指令传输、试验数据采集、试验流程控制、系统状态监控、数据分析与管理等功能。本发明通过测控系统的统一调度和管理，各子系统可协调工作，实现试验过程的自动化操控。

本发明的涡流制动性能试验装置还具有多种制动控制模式，通过计算机的软件界面可预先编写试验程序，设定控制参数和试验流程，则试验过程即可连续、自动地执行，提高了试验效率，减轻了试验人员的劳动强度。在试验过程中，严格控制试验条件和参数，模拟列车运行气流的变化，并在需要时采取强制冷却措施，抑制轨道轮21温升，以便进行高速、大功率涡流制动试验。同步采集制动过程中的试验数据，即可获得不同气隙、不同速度和不同励磁条件下的制动特性及相关性能参数。

根据本发明的一个实施方式，该涡流制动性能试验装置还包括通风系统，通风系统由进风机、排风机、通风管道、消音器、过滤装置、风速传感器等组成，风速既可按设定值控制，也可跟随试验速度按设定比例同步变化，通过风速传感器的反馈进行控制。其功能是模拟列车运行时的气流状态，使被试件温升过程与实际相近。消音器安装在通风管道上，可降低进、排风噪声。

实施方式二

如图1和图2所示，本发明还提供一种高速列车涡流制动性能试验方法，所述高速列车涡流制动性能试验方法采用实施方式一的高速列车涡流制动性能试验装置，所述的高速列车涡流制动性能试验装置的结构、工作原理和有益效果与实施方式一相同，在此不再赘述。所述高速列车涡流制动性能试验方法包括如下步骤：

a)按需配置机械惯量单元3及所述机械惯量单元3上的活动飞轮31的数量；启动驱动电机4，所述驱动电机4驱动机械惯量单元3和轨道轮单元2的轨道轮21转动并达到实际车速，通过所述轨道轮21与所述轨道轮单元2的制动磁铁组23之间的相对运动模拟列车与钢轨之间的相对运动；

b)待所述轨道轮21达到实际车速后，对所述制动磁铁组23施加励磁进行制动，所述活动飞轮31和所述轨道轮21在所述轨道轮21与所述制动磁铁组23之间形成的涡流制动力作用下逐渐减速；

c)在所述涡流制动过程中，同步且连续地采集所述轨道轮21的转速和温度、所述制动磁铁组23的励磁电流和励磁电压、所述涡流制动力、所述轨道轮21对所述制动磁铁组23的吸力；

d)对以上采集的数据进行分析并绘制涡流制动特性曲线。

具体是，本试验方法中所述的制动磁铁组23由多个磁铁块231并排设置呈弧形形状，该些磁铁块231可为电磁铁块或永久磁铁块。

进一步的，机械惯量单元3的飞轮轴32与轨道轮单元2的轨道轮轴22之间可安装扭矩传感器9。该扭矩传感器9用来测量涡流制动产生的制动扭矩，通过计算机把制动扭矩转换为制动力。当不采用扭矩传感器9测量轨道轮21的制动力时，可通过设置在轨道轮单元2的支座25与构架261之间的力传感器251来测量制动力，此时轨道轮轴22和飞轮轴32之间可仅用联轴器5连接。在本实施例中，力传感器251共有两个，对称安装在构架261的两侧下端并通过支座25支撑在底座1上，可实现正、反两个方向制动力的测量。当采用扭矩传感器9测量制动力时，可以把构架261固定安装在支座25上；在当采用力传感器251测量制动力时，则可通过轴承2611把构架261支撑在轨道轮轴22上，通过构架261把制动力传递到设置在其两侧的力传感器251上，实现制动力的测量。

另外，轨道轮单元2的支撑架总成26的n形支架262上部连接有调节螺杆265，该支撑架总成26上可上下移动地连接有磁极座263，制动磁铁组23与磁极座263相连，磁极座263与调节螺杆265之间设有力传感器2651，在步骤c)中，通过该力传感器2651测量轨道轮21对制动磁铁组23的吸力。

再有，连接在支撑架总成26的构架261上设有红外温度传感器267，在步骤c)中，通过该红外温度传感器267测量轨道轮21的温度。

具体试验方法如下：首先，按照实际列车轴重配置试验惯量，也即根据需要确定机械惯量单元3上的活动飞轮31的数量以及所需机械惯量单元3的数量，不足或超出部分将由电惯量模拟来补偿；然后，启动驱动电机4，驱动电机4驱动机械惯量单元3的活动飞轮31及轨道轮单元2的轨道轮21转动并达到实际车速，通过轨道轮21与轨道轮单元2的制动磁铁组23之间的相对运动模拟列车与钢轨之间的相对运动；待轨道轮21达到实际车速后，对制动磁铁组23施加励磁进行制动，此时，轨道轮21上感应出涡流，制动能量通过轨道轮21转化，机械惯量单元3及驱动电机4所输出的电模拟惯量组成的惯量系统在轨道轮21与制动磁铁组23之间形成的涡流制动力作用下逐渐减速，当速度降至设定的缓解速度时，终止励磁；在制动过程中，通过设置在构架261上的温度传感器267采集轨道轮21的温度，并通过连接在飞轮轴32或轨道轮轴22上的速度编码器8采集轨道轮21的转速，同时通过力传感器2651采集轨道轮21对制动磁铁组23的吸力，通过扭矩传感器9或力传感器251采集涡流制动力，通过对施加至制动磁铁组23的励磁电流和励磁电压、以及上述采集的数据进行分析后自动绘制涡流制动特性曲线。

本发明的高速列车涡流制动性能试验方法具有如下特点和优点：

1)本发明采用轨道轮单元2的轨道轮21模拟线性钢轨作为涡流制动感应体，承担制动过程转化的绝大部分动能。由于按列车实际轴重1:1模拟，且试验速度很高，因此制动能量巨大，若不加限制，将导致轨道轮21温度急剧升高，超过材料允许使用温度，因此，本发明采用的轨道轮21为一个轮体上装配两组圆盘式轨道，并在轨道轮21的外侧设置冷却喷管10，可增加轨道轮21的热容量和换热能力。该冷却喷管10可对轨道轮21进行强制冷却，可以有效地抑制轨道轮21温升。采用本发明的轨道轮21及冷却喷管10可大幅提高试验速度，实现高速、大动能涡流制动试验，最高试验速度达到500km/h或500km/h以上。

2)本发明采用设置在构架261上的红外温度传感器267对轨道轮21的温度进行实时监测，超过预定温度则立即启动冷却喷管10，可有效抑制轨道轮21的温升，便于实现高速、大动能的涡流制动试验，为防止冷却液飞溅且便于回收，设置一个小型防护罩268，将轨道轮单元2整体封闭在内。

3)本发明采用电惯量模拟(驱动电机4)与机械惯量(机械惯量单元3)相结合的方法设计惯量系统，可灵活实现大范围惯性负载无级调节，并具有较高的负载精度，可按不同实车轴重1:1配置试验惯量，并达到实际车速，从而1:1再现涡流制动的能量转化过程，可有效减小试验误差，提高试验的灵活性和准确性。

4)本发明的机械惯量包括两组机械惯量单元3，两组机械惯量单元3采用等惯量设计，即每组机械惯量单元3均由惯量相等的4～6个活动飞轮31组成，简化结构且便于调整。

5)本发明采用大功率的驱动电机4实现对轨道轮21与机械惯量单元3的拖动和电惯量模拟，驱动电机4调速范围宽，控制精度高，便于维护。电模拟惯量可补偿机械惯量级差，并扩大惯量范围。试验惯量可根据不同车辆的轴重任意调整，最大试验惯量达到5800kgm²以上，最大试验轴重可达19t或19t以上，最小试验轴重低至1t，满足高速列车及其它轨道车辆涡流制动试验需要。

6)本发明设有大型整体防护罩，该整体防护罩由墙体分隔成试验舱防护罩20和动力与惯量舱防护罩30，试验舱防护罩20罩设在轨道轮单元2外，动力与惯量舱防护罩30罩设在机械惯量单元2与驱动电机4外，试验舱防护罩20和动力与惯量舱防护罩30采用整体封闭式结构，其墙体和顶部均为双层钢板结构，其中内层采用多孔板，双层钢板之间填充吸声和隔声材料，可有效降低设备内部和外部的噪声干扰，同时起到安全防护作用。

7)本发明采用驱动电机4再生制动与大功率紧急制动单元3相结合的紧急制动方案，当出现电力中断或其它特殊情况时紧急制动单元也可单独工作，在任意速度和惯量下均可实现设备自身的紧急停车，确保设备和人员安全。

8)本发明的方法具有恒励磁电流、恒制动力和恒减速度三种制动控制模式，可根据不同的试验要求选择，即制动过程中对制动磁铁组施加励磁时，可按这三种模式之一进行闭环控制，增强了试验功能。

9)本发明的方法所使用的试验装置可预先编制试验程序，设定各种控制参数和试验流程，试验时可选择和调用编写好的试验程序，并可任意选择起始点，则试验过程即可在测控系统控制下按试验程序自动和连续地执行，提高了试验效率，减轻了试验人员的劳动强度。

以上所述仅为本发明的几个实施例，本领域的技术人员依据申请文件公开的内容可以对本发明实施例进行各种改动或变型而不脱离本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，其包括：

底座，其与混凝土基础固定相连；

轨道轮单元，其连接在所述底座上，所述轨道轮单元具有轨道轮，所述轨道轮连接于一轨道轮轴，所述轨道轮的上方设有制动磁铁组；

机械惯量单元，其连接在所述底座上，所述机械惯量单元具有多个活动飞轮，所述活动飞轮连接于一飞轮轴，所述飞轮轴与所述轨道轮轴之间通过联轴器相连；

驱动电机，其连接在所述底座上，所述驱动电机与所述飞轮轴通过联轴器或离合器相连。

2.如权利要求1所述的高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，所述轨道轮包括轮体及连接在所述轮体两侧的两组圆盘式轨道，所述轮体连接在所述轨道轮轴上，每个所述圆盘式轨道的上方设有一个制动磁铁组。

3.如权利要求1或2所述的高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，所述轨道轮单元还包括两个轴承座，两个所述轴承座与所述底座相连，所述轨道轮轴的两端由两个所述轴承座支撑，所述轨道轮的前后两侧分别设有一个支座，两个所述支座上连接有支撑架总成，所述支撑架总成上可上下移动地连接有磁极座，所述制动磁铁组与所述磁极座相连。

4.如权利要求3所述的高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，所述制动磁铁组由多个磁铁块并排设置呈弧形形状，所述磁铁块通过调节螺栓连接在所述磁极座上。

5.如权利要求3所述的高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，所述支撑架总成上设有调节螺杆，所述调节螺杆通过力传感器与所述磁极座相连。

6.如权利要求3所述的高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，所述支撑架总成上连接有两个气缸，两个所述气缸与所述磁极座相连。

7.如权利要求1所述的高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，所述机械惯量单元还包括：

两个轴承座，两个所述轴承座与所述底座相连，所述飞轮轴的两端由两个所述轴承座支撑；

支架，其连接在所述底座上，所述支架的上部可水平移动地连接有吊具，所述支架的两侧分别连接有飞轮固定件。

8.如权利要求1所述的高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，所述机械惯量单元为两个，其中一个所述机械惯量单元的飞轮轴通过联轴器或离合器连接在所述驱动电机的一侧，另一个所述机械惯量单元的飞轮轴的两端分别通过联轴器连接在所述驱动电机的另一侧及所述轨道轮轴之间。

9.如权利要求1所述的高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，所述涡流制动性能试验装置还包括紧急制动单元，所述紧急制动单元位于所述驱动电机与所述机械惯量单元之间，其包括多套制动盘和制动多套所述制动盘的制动夹钳，多套所述制动盘与一紧急制动轴相连，所述紧急制动轴的一端通过联轴器与所述驱动电机相连，其另一端通过联轴器与所述机械惯量单元的飞轮轴相连。

10.如权利要求1所述的高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，所述飞轮轴或所述轨道轮轴上连接有速度编码器。

11.如权利要求1所述的高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，所述机械惯量单元的飞轮轴与所述轨道轮单元的轨道轮轴之间安装有扭矩传感器。

12.如权利要求1所述的高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，所述轨道轮单元的轨道轮外侧设有冷却喷管。

13.如权利要求1所述的高速列车涡流制动性能试验装置，其特征在于，所述涡流制动性能试验装置设有整体防护罩，所述整体防护罩由墙体分隔为试验舱防护罩和动力与惯量舱防护罩，所述试验舱防护罩罩设在所述轨道轮单元外，所述动力与惯量舱防护罩罩设在所述机械惯量单元与所述驱动电机外。

14.一种高速列车涡流制动性能试验方法，其特征在于，所述高速列车涡流制动性能试验方法采用如权利要求1～13中任一项所述的高速列车涡流制动性能试验装置，所述高速列车涡流制动性能试验方法包括如下步骤：

a)按需配置机械惯量单元及所述机械惯量单元上的活动飞轮的数量；启动驱动电机，所述驱动电机驱动所述机械惯量单元和轨道轮单元的轨道轮转动并达到实际车速，通过所述轨道轮与所述轨道轮单元的制动磁铁组之间的相对运动模拟列车与钢轨之间的相对运动；

b)待所述轨道轮达到实际车速后，对所述制动磁铁组施加励磁进行制动，所述活动飞轮和所述轨道轮在所述轨道轮与所述制动磁铁组之间形成的涡流制动力作用下逐渐减速；

c)在所述涡流制动过程中，同步且连续地采集所述轨道轮的转速和温度、所述制动磁铁组的励磁电流和励磁电压、所述涡流制动力、所述轨道轮对所述制动磁铁组的吸力；

d)对以上采集的数据进行分析并绘制涡流制动特性曲线。

15.如权利要求14所述的高速列车涡流制动性能试验方法，其特征在于，所述制动磁铁组由多个磁铁块并排设置组成，所述磁铁块为电磁铁块或永久磁铁块。

16.如权利要求14所述的高速列车涡流制动性能试验方法，其特征在于，所述轨道轮单元的轨道轮轴与所述机械惯量单元的飞轮轴之间安装有扭矩传感器，在所述步骤c)中，通过所述扭矩传感器测量所述涡流制动力。

17.如权利要求14所述的高速列车涡流制动性能试验方法，其特征在于，所述轨道轮的前后两侧分别设有一个支座，两个所述支座上连接有支撑架总成，所述支撑架总成上可上下移动地连接有磁极座，所述制动磁铁组与所述磁极座相连，两个所述支座与所述支撑架总成之间设有力传感器，在所述步骤c)中，通过所述力传感器测量所述涡流制动力。

18.如权利要求14所述的高速列车涡流制动性能试验方法，其特征在于，所述轨道轮单元设有支撑架总成，所述支撑架总成上可上下移动地连接有磁极座，所述制动磁铁组与所述磁极座相连，所述磁极座通过力传感器与所述支撑架总成相连，在所述步骤c)中，通过所述力传感器测量所述吸力。

19.如权利要求18所述的高速列车涡流制动性能试验方法，其特征在于，所述支撑架总成上设有红外温度传感器，在所述步骤c)中，通过所述红外温度传感器测量所述轨道轮的温度。

20.如权利要求14所述的高速列车涡流制动性能试验方法，其特征在于，所述轨道轮单元的轨道轮外侧设有冷却喷管，在所述步骤b)与所述步骤c)之间还包括步骤b1)在所述涡流制动过程中，开启所述冷却喷管，通过所述冷却喷管向所述轨道轮均匀喷射冷却液。