CN109186438B - 一种基础制动在线智能检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基础制动在线智能检测方法，包括制动单元、连接杆组成和磁致伸缩位移传感器，随着制动单元的踏面或夹钳运动，连接杆组成水平运动，通过磁致伸缩位移传感器记录连接杆组成的位移，计算速度与加速度，并与初始位移比较，获得闸片在机车停止或运行时实时磨损情况，实现闸瓦磨耗及制动作用行程在线检测，可满足列车在恶劣工况下运行的要求，达到在线检测列车闸片磨耗情况与作用行程。

Description

一种基础制动在线智能检测方法

技术领域

本发明涉及一种铁路机车基础制动技术领域，具体说是指一种铁路车辆基础制动单元闸瓦(闸片)磨耗及制动在线检测器及作用行程下在线智能检测方法。

背景技术

随着我国铁路机车的不断提速，机车车辆对车辆安全的要求也越来越高。而铁路机车基础制动单元是保障车辆安全的重要部件，机车制动时通过基础制动单元闸瓦(闸片)与轮对之间的机械摩擦产生制动力，用于保证列车在紧急制动时能在规定的制动距离内停车。

目前，基础制动装置的类型主要有两种：制动夹钳单元与踏面制动单元；制动夹钳单元将制动缸组成中鞲鞴输出力通过调整杆组成传递至杠杆，再由杠杆传递至闸片，闸片与轮对两侧摩擦盘之间产生摩擦制动力，从而实现机车的制动。而踏面制动单元是将制动缸组成中鞲鞴输出力通过调整杆组成传递直接至闸片，闸片与轮对外缘之间产生摩擦制动力，从而实现机车的制动。

中国专利文献CN103171588B公布了一种机车制动闸瓦与轮毂磨损工况在线检测器，通过踏面制动单元外侧安装两只位移传感器，用于检测计算闸瓦的磨耗情况及闸瓦剩余厚度。此发明存在以下问题：一.此发明将位移传感器移动端固定于闸瓦托杆与闸瓦托的连接轴上，由于踏面制动单元输出轴在伸出运动时并非沿水平轴线方向直线运动，实际为偏转运动，因此上述专利测量与闸片实际磨耗值对比存在较大误差；二.根据基础制动原理，上述发明只需一只传感器即可实现其功能(详见功能实现部分)；三.由于传感器安装于制动单元外部且不设有防护，由于实际列车运行过程中转向架运行工况较为恶劣，存在多维震动、冲击。大气粉尘、闸瓦因磨耗产生的粉末、雨雪天气等均会对传感器寿命、精度造成影响，最终对闸片磨耗检测造成影响。四.上述发明外置安装位移传感器，需对踏面制动单元进行加工；四.上述专利只适用于踏面制动单元，而制动夹钳单元该结构不适用。

综上所述，专利文献CN103171588B公布的专利不具备实车运行监测条件，仍需设计发明一种新型基础制动智能检测装置及方法，具有较高检测精度,并且兼容踏面制动单元与制动夹钳单元，且适用于实车运行车况。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基础制动在线检测器以及智能检测方法，该检测器采用内置位移传感器，通过磁环定位，通过数据采集处理分析，实现闸瓦磨耗及制动作用行程在线检测，可满足列车在恶劣工况下运行的要求，达到在线检测列车闸片磨耗情况与作用行程。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种基础制动在线检测器，其特征在于包括制动单元、连接杆组成和磁致伸缩位移传感器，其中连接杆组成包括连接杆、绝缘环和磁环，其中连接杆一端通过调整螺母与制动单元的踏面或夹钳连接，连接杆的另一端伸入制动单元内设置的连接管内，并在连接管内设有沿连接杆长度方向的台阶深孔，其中磁环嵌套于绝缘环内，绝缘环嵌套于台阶深孔的阶梯面处，磁致伸缩位移传感器固定于制动单元外壁，磁致伸缩位移传感器上连接的波导管伸入制动单元内部，并穿过绝缘环和磁环，伸入台阶深孔内。

一种基础制动在线智能检测方法，其特征在于：随着制动单元的踏面或夹钳运动，连接杆组成在连接管水平运动，所述检测方法为机车未运行时闸片磨损情况检测，其检测步骤为：

(1)调整调整螺母使连接杆组成退回至初始位置，此时磁致伸缩位移传感器与磁环相对位置定义为原点S_X0；

(2)向制动单元内充气，连接杆组成伸出,直至磁致伸缩位移传感器位移值不在变化，记录此时位置S_XX；

(3)排空制动单元内气体，连接杆组成缩回，直至磁致伸缩位移传感器位移不在变化，此时磁致伸缩位移传感器位置记为S_YY；

(4)令B＝S_XX–S_YY，重复步骤和，直至B保持不变，记录此时S_XX,定义闸片磨耗原点：S_X0＝S_XX；

(5)已知制动单元作用行程为A∈[A_min,A_max],判定在B值是否满足关系:{B ∣A_min≤B≤A_max}，若该关系成立，则机车基础制动单元作用行程合格，若该关系不成立，则机车基础制动单元性能不合格，若B≥A_max，则出现制动动作滞后风险，若B≤A_min，则出现机车运行过程中轮对与闸片磨损情况；

对上述检测方法进一步补充，还包括机车运行时闸片磨损情况检测，其检测步骤为：

(1)当第n次制动时，向制动单元内充气，连接杆组成伸出,对磁致伸缩位移传感器位移S_XX进行实时高密度同步采集，计算连接杆组成速度V_连接杆

其中SX_n+1为此次制动采集的第n+1个位置数据，S_n为此次制动采集的第n 个位置数据，n≥1，t为二者采集数据之间的时间间隔；

计算连接杆组成加速度a_连接杆

(2)当a_连接杆变化速率变小时，此时闸片与车轮发生碰撞，连接杆组成加速度状态发生改变，记录此时瞬间磁致伸缩位移传感器位移S_X1，制动动作完成后，记录制动单元排气动作瞬间磁致伸缩位移传感器位置记为S_Y1：

S_Y1＝S_X1+ΔL+ΔSn+C

其中：ΔL为制动单元弹性变形量；ΔSn为此次制动时闸片磨耗量；C为系统间隙；

(3)制动单元内气体排空，当连接杆组成完全缩回，记录此时磁致伸缩位移传感器位置S_Y2；

(4)第n+1次制动时，向制动单元内充气，当闸片与车轮发生碰撞，连接杆组成加速度状态发生改变，记录此时瞬间磁致伸缩位移传感器位移S_X2；

(5)制动动作完成后，制动单元内气体排空，当连接杆组成完全缩回，记录此时磁致伸缩位移传感器位置S_Y3，

(6)计算第n次制动时，闸片磨耗量ΔSn：ΔSn＝S_X2-S_X1；

(7)计算第n次制动时，闸片总耗量ΔS_总：ΔS_总＝S_X2-S_X0；

(8)计算第n次制动时，制动单元弹性变形ΔL：ΔL＝S_Y1-S_X2–C；

(9)通过以下关系判定闸调器发生动作：D＝S_Y3-S_Y2，其中D为变量，且当D＞0时，闸片调整动作发生，记录所有D值，并从数据中查询最小发生闸片调节动作最小位移值：{D∣(D＞0)and(D＝D_min)}；

(10)设定闸片极限磨耗量Z，当闸片剩余量接近极限位置时，产生预警信号，通知列车员进行闸片更换。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

1、通过寻找踏面制动单元与制动夹钳单元的共性特征，本发明采用连接杆组成配合磁致伸缩位移传感器，置于制动单元内部连接管中，利用磁环配合位移传感器对闸片进行定位检测，通过以上安装形式，通过数据采集处理分析，结合基础制动在线智能检测方法，实现闸瓦磨耗及制动作用行程在线检测，保证了位移传感器对踏面制动单元与夹钳制动单元闸片磨耗的精准度检测；

2、本发明在原基础制动单元原理、结构基础上，改动较小，以使基础制动智能检测装置兼容传统的踏面制动单元与制动夹钳单元方式；

3、本发明中的位移测定，采用非接触式内置传感器，不仅避免因频繁运动影响传感器寿命，而且降低了信号干扰对测试结果造成的影响，具有较高检测精度，同时解决了实车运行工况恶劣情况，适用于实车运行车况。

附图说明

图1是本发明中铁路机车基础制动踏面制动单元结构示意图；

图2是本发明中铁路机车基础制动制动夹钳单元组成结构示意图；

图3是本发明中制动缸组成结构爆炸示意图；

图4是图3中制动缸组成装配后的全剖视图；

图中：1、连接杆组成，2、绝缘环，3、磁环，4、基础踏面制动单元组成， 5、磁致伸缩位移传感器，6、连接管，7、调整螺母；8、波导管，9、制动缸组成，10、制动缸体，12、夹钳组成。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，结合附图及实施例对本发明做进一步的描述。

附图1为铁路机车基础制动踏面制动单元结构示意图，其包含连接杆组成 1、基础踏面制动单元组成4和磁致伸缩位移传感器5，连接杆组成1包括连接杆、调整螺母7、绝缘环2和磁环3。磁致伸缩位移传感器5根据磁致伸缩原理制造的高精度、长行程绝对位置测量的位移传感器，可以获得位置、速度等参量。它采用内部非接触的测量方式，由于测量用的活动磁环和传感器自身并无直接接触，不至于被摩擦、磨损，因而其使用寿命长、环境适应能力强，可靠性高，安全性好，便于系统自动化工作，即使在恶劣的工业环境下。

结合附图3和附图4，连接杆组成1包括连接杆、绝缘环2和磁环3，其中连接杆一端通过调整螺母7与制动单元的踏面或夹钳连接，连接杆的另一端伸入制动单元内设置的连接管6内，并在连接管内设有沿连接杆长度方向的台阶深孔，绝缘环2内嵌于连接杆组成1台阶a处，磁环3内嵌于绝缘环2孔槽中，台阶深孔b处与磁致伸缩位移传感器5波导管形成间隙孔轴配合。磁环2与绝缘环3均设有中心孔，磁致伸缩位移传感器5固定于制动单元外壁，磁致伸缩位移传感器5上连接的波导管8伸入制动单元内部，并穿过绝缘环2和磁环3，从中心孔穿过并伸入至连接杆组成1深孔b内。

基础踏面制动单元组成4充气时,连接杆组成1伸出，连接杆组成1轴线相对于基础踏面制动单元组成4中心孔轴线为偏摆运动，而连接杆组成1轴线相对于连接管6轴线为水平运动，连接管6后端设有螺纹孔，用于与磁致伸缩位移传感器5螺栓固定连接。

附图2为铁路机车基础制动制动夹钳单元组成，包含制动缸组成9与夹钳组成12，其中制动缸组成见附图3和4所示，其包含连接杆组成1、制动缸组成9和磁致伸缩位移传感器5。

制动缸组成9充气时,连接杆组成1伸出，连接杆组成1轴线相对于制动缸组成9轴线为水平运动。制动缸体10后端设有螺纹孔，用于与磁致伸缩位移传感器5螺栓连接。

结合上述踏面制动单元与夹钳制动单元的安装形式，为了实现检测闸片磨耗量，设计了一下的在线智能检测方法，包括机车未运行时闸片磨损情况检测和机车运行时闸片磨损情况检测，分别用于踏面制动单元和夹钳制动单元。

方案一：基础制动单元为踏面制动单元

在机车车辆未运行状态下，踏面制动单元通过调整调整螺母7使连接杆组成1退回至初始位置，此时磁致伸缩位移传感器5与磁环2相对位置定义为原点S_X0。此时向活塞内充气，连接杆组成1伸出,直至磁致伸缩位移传感器5位移值不在变化，记录此时位置S_XX,然后排空活塞内气体，连接杆组成1缩回，直至磁致伸缩位移传感器5位移不再变化，此时磁致伸缩位移传感器5位置记为S_YY,令

B＝S_XX–S_YY

当连续测试三次，B为定值时，记录此时B值。

记录此时S_XX,定义闸片磨耗原点：

S_X0＝S_XX

已知基础制动单元作用行程为A(A为含有公差的定值)，判定在机车未运行状态下，B值是否满足以下关系(实际判定是否满足制动单元例行试验大纲内制动单元作用行程要求):

{B∣A_min≤B≤A_max}

若上述不等式成立，则机车基础制动单元作用行程合格，若上述不能式不成立，则机车基础制动单元性能不合格，若B≥A_max，则出现制动动作滞后(不及时)风险，若B≤A_min，则出现机车运行过程中轮对与闸片磨损情况。

在机车车辆运行过程中，当第n此制动时，对活塞内充气，连接杆组成1 伸出,对磁致伸缩位移传感器5位移S_XX进行实时高密度同步采集，保证整个充气过程采集频率达到100次以上，计算连接杆组成1速度V_连接杆

其中S_Xn+1为此次制动采集的第n+1个位置数据，S_n为此次制动采集的第n 个位置数据，t为二者采集数据之间的时间间隔。

连接杆加速度a_连接杆

计算当a连接杆变化速率变小时，此时闸片与车轮发生碰撞，连接杆组成 1加速度状态发生改变，记录此时瞬间磁致伸缩位移传感器5位移S_X1，制动动作完成后记录活塞排气动作瞬间磁致伸缩位移传感器5位置记为S_Y1：

SY1＝S_X1+ΔL+ΔS_n+C

其中：ΔL为基础制动单元弹性变形量(此值为变量，与基础制动单元刚度，制动压力等有关)；ΔSn为此次制动时闸片磨耗量；C为系统间隙(此值为装配间隙累积值，可看做含有公差带的定值)。

活塞内气体排空，当连接杆组成1完全缩回，记录此时磁致伸缩位移传感器5位置S_Y2。

第n+1次制动时，向活塞内充气，当闸片与车轮发生碰撞，连接杆组成1 加速度状态发生改变，记录此时瞬间磁致伸缩位移传感器5位移S_X2。制动动作完成后，活塞内气体排空，当连接杆组成1完全缩回，记录此时磁致伸缩位移传感器5位置S_Y3，第n次制动时，闸片磨耗量ΔS_n：ΔS_n＝S_X2-S_X1。

第n次制动时，闸片总耗量ΔS总：ΔS_总＝S_X2-SX0；

第n次制动时，基础制动单元弹性变形ΔL：ΔL＝S_Y1-S_X2–C；

通过以下关系判定闸调器发生动作：D＝S_Y3-S_Y2

其中D为变量，且当D＞0时，闸片调整动作发生，记录所有D值，并从数据中查询最小发生闸片调节动作最小位移值：

{D∣(D＞0)and(D＝D_min)}

设定闸片极限磨耗量Z，当闸片剩余量接近极限位置时，产生预警信号，通知列车员进行闸片更换。

方案二：基础制动单元为制动夹钳单元

在机车车辆未运行状态下，夹钳单元制动缸组成调节调整螺母7使连接杆组成1退回至初始位置，此时磁致伸缩位移传感器5与磁环2相对位置定义为原点S_X0。此时向活塞内充气，连接杆组成1伸出,直至磁致伸缩位移传感器5 位移不在变化，此时位置记为S_XX,然后活塞内气体排空，连接杆组成1缩回，直至磁致伸缩位移传感器5位移不在变化，此时磁致伸缩位移传感器5位置记为S_YY。

如图2所示，制动杠杆倍率为N：N＝L1/L2，其中L1为制动杠杆螺栓孔距制动缸螺栓孔距离，L2为制动杠杆螺栓孔距闸片托纵向轴孔距离。

令B＝(SXX–SYY)/N

当连续测试三次，B为定值时，记录此时B值。

记录此时S_XX,定义闸片磨耗原点：S_X0＝S_XX。

基础制动单元作用行程为A(A为含有公差的定值)。判定在机车未运行状态下，B值是否满足以下关系(实际判定是否满足制动单元例行试验大纲内制动单元作用行程要求):{B∣A_min≤B≤A_max}

若上述不等式成立，则机车基础制动单元作用行程合格，若上述不能式不成立，则机车基础制动单元性能不合格，若B≥A_max，则出现制动动作滞后(不及时)风险，若B≤A_min，则出现机车运行过程中轮对与闸片磨损情况。

在机车车辆运行过程中，当第n此制动时，对活塞内充气，连接杆组成1 伸出,对磁致伸缩位移传感器5位移SXX进行实时高密度同步采集，计算连接杆组成1速度V_连接杆

其中S_n+1为此次制动采集的第n+1个位置数据，S_n为此次制动采集的第n 个位置数据，t为二者采集数据之间的时间间隔。

连接杆加速度a_连接杆

当a连接杆变化速率变小时，此时闸片与车轮发生碰撞，闸瓦速度趋近于 0，连接杆组成1加速度状态发生改变，记录此时瞬间磁致伸缩位移传感器5 位移SX1，制动动作完成后记录活塞排气动作瞬间磁致伸缩位移传感器5位置记为SY1：SY1＝S_X1+ΔL+ΔS_n+C

其中：ΔL为系统弹性变形量(此值为变量，与系统刚度，制动压力等有关)；ΔS_n为此次制动时闸片磨耗量；C为系统间隙(此值为装配间隙累积值，可看做含有公差带的定值)。

活塞内气体排空，当连接杆组成1完全缩回，记录此时磁致伸缩位移传感器5位置S_Y2。

第n+1次制动时，向活塞内充气，当闸片与车轮发生碰撞，连接杆组成1 加速度状态发生改变，记录此时瞬间磁致伸缩位移传感器5位移S_X2。制动动作完成后，活塞内气体排空，当连接杆组成1完全缩回，记录此时磁致伸缩位移传感器5位置S_Y3，第n次制动时，闸片磨耗量ΔSn：ΔSn＝(S_X2-S_X1)/N

第n次制动时，闸片总耗量ΔS_总：ΔS_总＝(S_X2-S_X0)/N

第n次制动时，系统弹性变形ΔL：ΔL＝S_Y1-S_X2–C

通过以下关系判定闸调器发生动作：D＝S_Y3-S_Y2

其中D为变量，且当D＞0时，闸片调整动作发生，记录所有D值，并从数据中查询最小发生闸片调节动作最小位移值：{D∣(D＞0)and(D＝D_min)}

设定闸片极限磨耗量Z，当闸片剩余量接近极限位置时，产生预警信号，通知列车员进行闸片更换。

以上基础制动智能在线检测方法及装置，能够满足列车在恶劣工况下运行的要求，达到在线检测列车闸片磨耗情况与作用行程。通过以上安装形式，结合基础制动在线智能检测方法，保证了位移传感器对踏面制动单元与夹钳制动单元闸片磨耗的精准度检测。

以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的经精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基础制动在线智能检测方法，其特征在于：包括制动单元、连接杆组成(1)和磁致伸缩位移传感器(5)，其中连接杆组成(1)包括连接杆、绝缘环(2)和磁环(3)，其中连接杆一端通过调整螺母(7)与制动单元的踏面或夹钳连接，连接杆的另一端伸入制动单元内设置的连接管(6)内，并在连接管(6)内设有沿连接杆长度方向的台阶深孔，其中磁环(3)嵌套于绝缘环(2)内，绝缘环(2)嵌套于台阶深孔的阶梯面处，磁致伸缩位移传感器(5)固定于制动单元外壁，磁致伸缩位移传感器(5)上连接的波导管伸入制动单元内部，并穿过绝缘环(2)和磁环(3)，伸入台阶深孔内；

随着制动单元的踏面或夹钳运动，连接杆组成(1)在连接管(6)水平运动，所述检测方法为机车未运行时闸片磨损情况检测，其检测步骤为：

(1)调整调整螺母(7)使连接杆组成(1)退回至初始位置，此时磁致伸缩位移传感器(5)与磁环(2)相对位置定义为原点S_X0；

(2)向制动单元内充气，连接杆组成(1)伸出,直至磁致伸缩位移传感器(5)位移值不在变化，记录此时位置S_XX；

(3)排空制动单元内气体，连接杆组成(1)缩回，直至磁致伸缩位移传感器(5)位移不在变化，此时磁致伸缩位移传感器(5)位置记为S_YY；

(4)令B＝S_XX–S_YY，重复步骤(2)和(3)，直至B保持不变，记录此时S_XX,定义闸片磨耗原点：S_X0＝S_XX；

(5)已知制动单元作用行程为A∈[A_min,A_max],判定在B值是否满足关系:{B∣A_min≤B≤A_max}，若该关系成立，则机车基础制动单元作用行程合格，若该关系不成立，则机车基础制动单元性能不合格，若B≥A_max，则出现制动动作滞后风险，若B≤A_min，则出现机车运行过程中轮对与闸片磨损情况。

2.根据权利要求1所述的一种基础制动在线智能检测方法，其特征在于：还包括机车运行时闸片磨损情况检测，其检测步骤为：

(1)当第n次制动时，向制动单元内充气，连接杆组成(1)伸出,对磁致伸缩位移传感器(5)位移S_XX进行实时高密度同步采集，计算连接杆组成(1)速度V_连接杆

其中SX_n+1为此次制动采集的第n+1个位置数据，S_n为此次制动采集的第n个位置数据，n≥1，t为二者采集数据之间的时间间隔；

计算连接杆组成(1)加速度a_连接杆

(2)当a_连接杆变化速率变小时，此时闸片与车轮发生碰撞，连接杆组成(1)加速度状态发生改变，记录此时瞬间磁致伸缩位移传感器(5)位移S_X1，制动动作完成后，记录制动单元排气动作瞬间磁致伸缩位移传感器(5)位置记为S_Y1：

S_Y1＝S_X1+ΔL+ΔSn+C

其中：ΔL为制动单元弹性变形量；ΔSn为此次制动时闸片磨耗量；C为系统间隙；

(3)制动单元内气体排空，当连接杆组成(1)完全缩回，记录此时磁致伸缩位移传感器(5)位置S_Y2；

(4)第n+1次制动时，向制动单元内充气，当闸片与车轮发生碰撞，连接杆组成(1)加速度状态发生改变，记录此时瞬间磁致伸缩位移传感器(5)位移S_X2；

(5)制动动作完成后，制动单元内气体排空，当连接杆组成(1)完全缩回，记录此时磁致伸缩位移传感器(5)位置S_Y3，

(6)计算第n次制动时，闸片磨耗量ΔSn：ΔSn＝S_X2-S_X1；

(7)计算第n次制动时，闸片总耗量ΔS_总：ΔS_总＝S_X2-S_X0；

(8)计算第n次制动时，制动单元弹性变形ΔL：ΔL＝S_Y1-S_X2–C；

(9)通过以下关系判定闸调器发生动作：D＝S_Y3-S_Y2，其中D为变量，且当D＞0时，闸片调整动作发生，记录所有D值，并从数据中查询最小发生闸片调节动作最小位移值：{D∣(D＞0)and(D＝D_min)}；

(10)设定闸片极限磨耗量Z，当闸片剩余量接近极限位置时，产生预警信号，通知列车员进行闸片更换。

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