CN109443810A - 一种基于位移与力值的基础制动智能检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于位移与力值的基础制动智能检测方法，基础制动包括设有充气口的制动单元以及置于制动单元内部的位移传感器和连接杆组成，连接杆组成上设置检测其承受压力的力值传感器，对制动单元进行充排气动作,位移传感器检测连接杆组成的伸出位移和缩回位移，力值传感器实时检测并同步采集连接杆组成的输出力值，根据输出力值的变化率，采集伸出位移和缩回位移，判定制动作用行程是否满足例行试验大纲作用行程要求。本发明利用位移传感器与力值传感器检测连接杆组成的受力及位移，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

一种基于位移与力值的基础制动智能检测方法

技术领域

本发明涉及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）磨耗及制动作用行程的在线检测方法。

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；五.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于位移与力值的基础制动智能检测方法，该方法通过在制动单元内置连接杆组成，利用位移传感器与力值传感器检测连接杆组成的受力及位移，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：一种基于位移与力值的基础制动智能检测方法，其特征在于所述基础制动包括设有充气口的制动单元以及置于制动单元内部的位移传感器和连接杆组成，连接杆组成上设置检测其承受压力的力值传感器，位移传感器与连接杆组成配合，检测连接杆组成的位移量；对所述制动单元进行充排气动作,所述位移传感器实时检测并同步采集连接杆组成的伸出位移S_X ⁺和缩回位移S_X ^-，所述力值传感器实时检测并同步采集连接杆组成的输出力值，根据输出力值的变化率，采集伸出位移和缩回位移，所述制动单元中制动杠杆倍率为N，则制动单元实际作用行程S=/N，判定作用行程S是否满足例行试验大纲作用行程要求：{S∣S_Rmin≤S≤S_Rmax}，若满足则机车基础制动单元作用行程合格；若不满足则机车基础制动单元性能不合格；其中若S≥S_Rmax，则出现制动动作滞后风险，若S≤S_Rmin，则出现机车运行过程中轮对与闸片磨损情况。

对上述方案作进一步补充，该检测方法包括如下步骤：

（1）机车未运行状态下，检测闸片未发生磨损，制动单元作用行程S满足例行试验大纲作用行程要求，制动单元内气体排空，连接杆组成完全退回，并定义此状态为闸片磨耗原点，记录此时连接杆组成的缩回位移原点S₀，力值零点F₀；

（2）压缩空气充入制动单元内，推动连接杆组成伸出，当力值传感器数值数值出现变化，即为闸瓦与摩擦盘接触瞬间，记录此时位移传感器数值S₁ ⁺，力值传感器数值F₁，此阶段制动单元实际作用行程S_A=（S₁ ⁺-S₀）/N；

（3）压缩空气继续充入制动单元内，制动力值继续施加，直至制动单元系统间隙消失瞬间，此阶段力值变化速率为定值，记录制动单元系统间隙消失瞬间位移传感器数值S₂ ⁺与力值传感器数值F₂，此阶段制动单元实际作用行程即为基础制动单元系统间隙Sc=S₂ ⁺-S₁ ⁺；

（4）压缩空气继续充入制动单元内，制动力值继续施加，直至止动盘压并，止动盘间隙S_D消失瞬间,此阶段力值变化速率为定值，记录止动盘间隙S_D消失瞬间位移传感器数值S₃ ⁺与力值传感器数值F₃，此阶段制动单元实际作用行程即为止动盘间隙S_D=S₃ ⁺-S₂ ⁺；

（5）压缩空气继续充入制动单元内，制动力继续施加，制动单元产生弹性变形，直至力值传感器采集数值不再变化瞬间，判定条件为：F_（n+1）-F_n=0，记录此时位移传感器数值S₄ ⁺与力值传感器数值F4，此阶段制动单元实际作用行程即为系统弹性变形量为S_E=S₄ ⁺-S₃ ⁺；

（6）制动单元弹性总变形量S_总=S_E+S_D+S_C=S₄ ⁺-S₁ ⁺。

对上述方案作进一步补充，机车运行行过程中，制动过程由闸瓦与摩擦盘接触瞬间至制动完成，制动单元排气瞬间，记录此时位移传感器数值S₅ ⁺和力值传感器数值F₅，此次闸片磨耗量△S=(S₅ ⁺-S₁ ⁺-S_总)/N=(S₅ ⁺-S₄ ⁺)/N；第n次制动闸片总磨耗量为：△S_总=(S_n ^--S₀-S_总)/N，其中S_n ^-为第n次制动完成后，连接杆组成完全退回位置。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：

（1）本发明在制动单元内置连接杆组成、位移传感器与力值传感器，通过数据采集处理分析，检测制动过程中闸瓦与摩擦盘接触瞬间、制动单元系统间隙消失瞬间、止动盘间隙消失瞬间以及完全制动等各个阶段连接杆组成位移与受力，来分析实际作用行程及闸片磨耗量，实现闸瓦磨耗及制动作用行程在线检测，保证了制动单元闸片磨耗的精准度检测；

（2）、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是本发明中制动缸组成结构示意图；

图2是本发明中制动缸组成结构爆炸示意图；

图3是制动过程中连接杆组成位移与力值变化关系图；

图4为铁路机车基础制动夹钳单元组成；

图中：1、力值传感器，2、闸调器组成，3、复原弹簧，4、缸体，5、位移传感器，6、密封圈，7、充气口，8、活塞，9、前盖，10、连接杆组成，11、绝缘环，12、磁环，14、波导管，15、制动缸组成，16、制动缸体，17、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。

本发明具体涉及一种基于位移与力值的基础制动智能检测方法，该方法适用于铁路机车基础制动夹钳单元组成，主要用于标准动车、客车、检修机车、货车等基础制动。如附图3所示，为该制动夹钳单元组成，具体包括制动缸组成15与夹钳组成17。

附图1和2为铁路机车基础制动缸组成，包含连接杆组成10、闸调器组成2、复原弹簧3、活塞8、前盖9、缸体4、密封圈6、位移传感器5和力值传感器1。活塞8置于缸体4内，并与缸体4内壁滑动配合,缸体4上设有充气口7，活塞8与缸体4的前盖9之间设有复原弹簧3，闸调器组成2穿过前盖9，并与活塞8连为一体，连接杆组成10穿入闸调器组成2内部，位移传感器5一端固定于缸体4外壁，位移传感器5另一端穿入缸体4和活塞8内部，并与连接杆组成10的台阶深孔配合，台阶深孔的台阶处设置绝缘环6与磁环7，用于传感器波导管伸入穿过，连接杆组成10上设置检测其承受压力的力值传感器1，位移传感器5与连接杆组成10配合，检测连接杆组成10的位移量。

盘型制动装置具体制动方式：压缩气体由缸体4的充气口7充入，进入活塞8与缸体4之间腔体；压缩气体推动活塞8, 活塞8带动闸调器组成2和连接杆组成10，压缩复原弹簧3向连接杆组成10方向移动；如图1所示，连接杆组成10与缸体4推动杠杆组成使闸片压紧轮对制动盘，闸片与制动盘之间摩擦力行程对车轴的摩擦阻力矩，使列车实现制动停车。

对制动单元进行充排气动作,位移传感器与力值传感器实时检测并多通道高密度同步采集连接杆伸出位移S_X ⁺、缩回位移S_X ^-、连接杆组成输出力值F_X（连接杆位移方向定义：连接杆伸出时S_X=S⁺，连接杆复位时S_X=S^-）。

夹钳单元制动杠杆倍率为N:N=L1/L2，其中L1为制动缸螺栓孔距杠杆螺栓孔距离,L2 为闸片托螺栓孔距杠杆螺栓孔距离。

基于位移与力值的基础制动智能检测方法应用于上述结构，具体实施步骤为：

一、机车未运行状态下，

（1）对制动单元进行充排气制动，压缩气体由充气孔（7）进入，当充入气压为P时，记录连接杆组成位置S_X=S_A ⁺，不再变化时，记录此时S_A ⁺。

（2）排空制动单元气体，连接杆组成位置S_X=S_A ^-，不再变化时，记录此时S_A ^-。

（3）制动单元实际作用行程SA=（S_A ⁺-S_A ^-）/N；

（4）判定作用行程SA是否满足例行试验大纲作用行程SR要求：

{SA∣SRmin≤SA≤SRmax}

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；其中若SA≥SRmax，则出现制动动作滞后（不及时）风险，若SR≤SRmin，则可能出现机车运行过程中轮对与闸片磨损情况；

（5）闸片磨耗原点前提条件及定义：

①闸片未发生磨损状态下；

②机车制动夹钳单元满足例行试验大纲作用行程要求；

③缸体组成内排空气体；

④停放缸组成处于缓解状态连接杆组成到达完全退回位置；

记录此时位移传感器位置并设定为位移原点：S=S₀

力值零点定义：记录此时力值传感器数值并定义为原点：F=F₀，其中F0为产品安装时，碟簧及系统提供的累计力值。

（6）如附图2所示，连接杆组成位置为S₁ ^-，当压缩空气继续充入缸体组成内，活塞组成推动连接杆组成伸出，当闸瓦与摩擦盘接触瞬间，记录此时位移传感器数值S_X=S₁ ⁺，力值传感器数值Fx=F1>0，基础制动单元实际作用行程SA=（S₁ ⁺-S₁ ^-）/N。

（7）制动力值继续施加，活塞继续压缩复原弹簧直至制动单元系统间隙（不包止动盘间隙）消失瞬间，力值变化速率K_复为定值（复原弹簧刚度）：

K_复=dFx/dS_X

记录制动单元系统间隙消失瞬间位移传感器数值SX=S₂ ⁺与力值传感器数值Fx=F₂ ⁺；基础制动单元系统间隙Sc：=S₂ ⁺-S₁ ⁺。

（8）制动力值继续施加，活塞继续压缩复原弹簧，同时闸调器组成内离合器弹簧压缩，直至止动盘压并，止动盘间隙S_D消失瞬间,力值变化速率K_复+离为定值（复原弹簧刚度+离合器弹簧刚度）：

K_复+离 = dFx / dS_X

记录止动盘间隙S_D消失瞬间位移传感器数值S_X = S₃ ⁺与力值传感器数值Fx = F₃ ⁺，止动盘间隙S_D= S₃ ⁺- S₂ ⁺；注：止动盘作用为放置因系统弹性变形而导致系统作用行程变化。

（9）制动力继续施加，活塞组成继续压缩复原弹簧，制动系统产生弹性变形，直至力值传感器采集数值Fx 不再变化瞬间，判定条件为：F（n+1）- Fn = 0 ，记录此时位移传感器数值S_X = S₄ ⁺与力值传感器数值Fx = F₄ ⁺，系统弹性变形量为S_E= S₄ ⁺ - S₃ ⁺。

（9）系统弹性变形量S_变+间=S_E+SD+SC，系统间隙S_变+间= S₄ ⁺ -S₁ ⁺。

二、机车运行行过程中:

如图3所示，制动时，记录闸瓦与摩擦盘接触瞬间：

Fx=F₁记录此时位移传感器数值S_X=S₁ ⁺

基础制动单元作用行程S_A：S_A=(S₁ ⁺-S₁ ^-)/N

当此次制动完成，制动系统排气瞬间，记录此时位移传感器数值与力值传感器数值S_X=S₅ ⁺，F_x=F₅ ⁺

此次闸片磨耗量△S为：△S=(S₅ ⁺-S₁ ⁺-S_变+间)/N=(S₅ ⁺-S₄ ⁺)/N

第n次制动闸片总磨耗量为：△S_总=(S_n ^--S₀-S_变+间)/N

其中S_n ^-为第n次制动完成后，连接杆组成完全退回位置。

以上基础制动智能在线检测方法及装置满足了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。

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 (3)

1.一种基于位移与力值的基础制动智能检测方法，其特征在于所述基础制动包括设有充气口（7）的制动单元以及置于制动单元内部的位移传感器（5）和连接杆组成（10），连接杆组成（10）上设置检测其承受压力的力值传感器（1），位移传感器（5）与连接杆组成（10）配合，检测连接杆组成（10）的位移量；对所述制动单元进行充排气动作,所述位移传感器（5）实时检测并同步采集连接杆组成（10）的伸出位移S_X ⁺和缩回位移S_X ^-，所述力值传感器（1）实时检测并同步采集连接杆组成（10）的输出力值，根据输出力值的变化率，采集伸出位移和缩回位移，所述制动单元中制动杠杆倍率为N，则制动单元实际作用行程S=（S_X ⁺-S_X ^-）/N，判定作用行程S是否满足例行试验大纲作用行程要求：{S∣S_Rmin≤S≤S_Rmax}，若满足则机车基础制动单元作用行程合格；若不满足则机车基础制动单元性能不合格；其中若S≥S_Rmax，则出现制动动作滞后风险，若S≤S_Rmin，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所述的一种基于位移与力值的基础制动智能检测方法，其特征在于包括如下步骤：

（1）机车未运行状态下，检测闸片未发生磨损，制动单元作用行程S满足例行试验大纲作用行程要求，制动单元内气体排空，连接杆组成完全退回，并定义此状态为闸片磨耗原点，记录此时连接杆组成的缩回位移原点S₀，力值零点F₀；

（2）压缩空气充入制动单元内，推动连接杆组成伸出，当力值传感器数值数值出现变化，即为闸瓦与摩擦盘接触瞬间，记录此时位移传感器数值S₁ ⁺，力值传感器数值F₁，此阶段制动单元实际作用行程S_A=（S₁ ⁺-S₀）/N；

（3）压缩空气继续充入制动单元内，制动力值继续施加，直至制动单元系统间隙消失瞬间，此阶段力值变化速率为定值，记录制动单元系统间隙消失瞬间位移传感器数值S₂ ⁺与力值传感器数值F₂，此阶段制动单元实际作用行程即为基础制动单元系统间隙Sc=S₂ ⁺-S₁ ⁺；

（4）压缩空气继续充入制动单元内，制动力值继续施加，直至止动盘压并，止动盘间隙S_D消失瞬间,此阶段力值变化速率为定值，记录止动盘间隙S_D消失瞬间位移传感器数值S₃ ⁺与力值传感器数值F₃，此阶段制动单元实际作用行程即为止动盘间隙S_D=S₃ ⁺-S₂ ⁺；

（5）压缩空气继续充入制动单元内，制动力继续施加，制动单元产生弹性变形，直至力值传感器采集数值不再变化瞬间，判定条件为：F_（n+1）-F_n=0，记录此时位移传感器数值S₄ ⁺与力值传感器数值F4，此阶段制动单元实际作用行程即为系统弹性变形量为S_E=S₄ ⁺-S₃ ⁺；

（6）制动单元弹性总变形量S_总=S_E+S_D+S_C=S₄ ⁺-S₁ ⁺。

3.根据权利要求2所述的一种基于位移与力值的基础制动智能检测方法，其特征在于：机车运行行过程中，制动过程由闸瓦与摩擦盘接触瞬间至制动完成，制动单元排气瞬间，记录此时位移传感器数值S₅ ⁺和力值传感器数值F₅，此次闸片磨耗量△S=(S₅ ⁺-S₁ ⁺-S_总)/N=(S₅ ⁺-S₄ ⁺)/N；第n次制动闸片总磨耗量为：△S_总=(S_n ^--S₀-S_总)/N，其中S_n ^-为第n次制动完成后，连接杆组成完全退回位置。