CN113092141B - 轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统，包括多个轨道轮和信息采集单元，各轨道轮均活动连接有同步齿轮箱，各同步齿轮箱均连接有负载单元；各同步齿轮箱之间相互连接；负载单元包括依次连接的飞轮组、拖动电机和变速箱，信息采集单元用于采集轨道轮的状态信息。本发明还公开了一种试验方法，包括：获取单轴系统机械阻力矩M₁与拖动电机制动角速度ω₂之间的关系；获取机车制动力矩M₀与拖动电机制动角速度ω₂之间的关系；根据第三试验以及M₁‑ω₂和M₀‑ω₂的关系，得到拖动电机输出力矩M₂与拖动电机制动角速度ω₂的关系；实时采集ω₂，并按照M₂‑ω₂的关系得到M₂，对拖动电机进行转矩控制。本发明的系统及方法具有模拟精度高、操作简便、占地面积小等优点。

Description

轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统及方法

技术领域

本发明主要涉及轨道交通惯量模拟试验技术领域，特指一种轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统及方法。

背景技术

整车滚动综合性能试验台作为轨道交通车辆整车试验的大型设备，在车辆牵引制动性能测试、车辆动力学性能评估等方面发挥着重要作用。运用滚动试验台进行机车动态试验时，其对制动过程的模拟是能否测试出机车各方面性能参数的一个重要环节，而为确保机车制动时动态试验工况与实际线路运行工况一致，必须对机车运行惯量进行模拟。目前常规的机械惯量模拟存在模拟精度不高、操作复杂、无法动态补偿等缺点；其中电惯量模拟存在拖动电机功率太大的缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种连续精准动态补偿、模拟精度高、占地面积小的轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统及试验方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统，包括多个轨道轮和信息采集单元，各所述轨道轮均活动连接有同步齿轮箱，各所述同步齿轮箱均连接有负载单元；各所述同步齿轮箱之间相互连接；所述负载单元包括依次连接的飞轮组、拖动电机和变速箱，所述变速箱与对应的同步齿轮箱连接；所述信息采集单元用于采集所述轨道轮的状态信息。

作为上述技术方案的进一步改进，所述同步齿轮箱与所述轨道轮之间通过第一万向轴连接。

作为上述技术方案的进一步改进，所述信息采集单元为扭矩仪，安装于所述同步齿轮箱与第一万向轴之间，用于采集轨道轮周牵引力矩、制动力矩和轨道轮转速。

作为上述技术方案的进一步改进，所述轨道轮的数量为四个，其中两个轨道轮对应的同步齿轮箱通过第二万向轴连接形成一组，另外两个轨道轮对应的同步齿轮箱通过第二万向轴连接形成另一组，两组之间依次通过第二万向轴、传动轴和第二万向轴连接。

本发明还公开了一种基于如上所述的轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统的试验方法，包括步骤：

根据第一试验得到单轴系统机械阻力矩M₁与拖动电机制动角速度ω₂之间的关系；

根据第二试验得到机车制动力矩M₀与拖动电机制动角速度ω₂之间的关系；

根据第三试验以及M₁-ω₂和M₀-ω₂的关系，得到拖动电机输出力矩M₂与拖动电机制动角速度ω₂的关系；

在机车惯量模拟试验时，实时采集拖动电机制动角速度ω₂，并按照M₂-ω₂的关系，得到对应的拖动电机输出力矩M₂，对拖动电机进行转矩控制。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第一试验为：车辆不施加制动力，变频器驱动拖动电机工作在速度模式，实现拖动电机分段加速、匀速试验，通过分段采样拖动电机加速过程中的

利用

求出阻力矩M₁与拖动电机制动角速度ω₂的关系，其中J₂表示飞轮组的惯量。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第二试验为：变频器驱动拖动电机，拖动电机拖动车辆到制动初速度后，对车辆轮对以制动力F₀进行制动，此后变频器控制拖动电机工作在速度模式；测出拖动电机此时的制动曲线，根据公式

M₁-ω₂之间的关系，求出制动力矩M₀在不同转速下的关系，建立M₀-ω₂数据关系表。

作为上述技术方案的进一步改进，所述第三试验为：变频器驱动拖动电机，拖动电机拖动车辆到制动初速度后，对机车轮对以制动力F₀进行制动，此后变频器控制拖动电机工作在转矩输出模式；查找M₁、M₀在不同角速度ω₂下的值，利用公式

和

得到拖动电机输出力矩M₂与拖动电机制动角速度ω₂的关系；其中J₁为电机输出的等效转动惯量。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统及方法，通过在轨道交通车辆滚动试验台上对多轴车辆进行惯量模拟，实现对轨道交通车辆制动性能的模拟试验，能够实现不同轴数、不同轴重，多种轨道交通车辆的制动性能试验模拟；通过机电混合惯量模拟方式，既无需改变滚动试验台的机械基础架构，减小占地面积，又能连续、精确进行惯量模拟，且针对不同车型的惯量模拟切换，操作简洁方便，另外通过上述机电混合惯量模拟的方式，既能实现惯量模拟范围内的连续、动态、精准补偿，又能减小拖动电机的功率配置；试验方法操作简便灵活。

附图说明

图1为本发明在实施例的方框结构图。

图2为本发明的单轴在实施例的受力分析图。

图例说明：1、轨道轮；2、第一万向轴；3、扭矩仪；4、同步齿轮箱；5、变速箱；6、电机；7、飞轮组；8、第二万向轴。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本实施例的轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统，包括多个轨道轮1和信息采集单元，各所述轨道轮1均活动连接有同步齿轮箱4，各所述同步齿轮箱4均连接有负载单元；各所述同步齿轮箱4之间相互连接；所述负载单元包括依次连接的飞轮组7、电机6和变速箱5，所述变速箱5与对应的同步齿轮箱4连接；所述信息采集单元用于采集所述轨道轮1的状态信息。具体地，轨道轮1用来模拟无限长的轨道，列车轮对在轨道轮1上滚动；其中电机6采用异步手动电机6，在牵引试验时提供可调的阻力转矩，在制动试验时提供可调的推送动力，变速箱5则对电机6的工作范围进行扩展，包括最大工作转矩、最高工作转速和恒功率范围；其中飞轮箱既可以通过储存多余的能量和补充欠缺的能量来抑制转矩的波动，保持试验系统的转动平稳，改变试验负载的特性，使试验系统更逼近真实的情况；同时在做制动试验时模拟车辆的惯性负载。

本实施例中，同步齿轮箱4与轨道轮1之间通过第一万向轴2连接，第一万向轴2能够使轨道轮1与试验台的其它机械部件轴线不一的情况下，实现所联接的两轴连续回转，并可靠地传递转矩和运行。信息采集单元为扭矩仪3，安装于同步齿轮箱4与第一万向轴2之间，用于采集轨道轮1周牵引力矩、制动力矩和轨道轮1转速。具体地，以轨道轮1的数量为四个进行说明，其中两个轨道轮1对应的同步齿轮箱4通过第二万向轴8连接形成一组，另外两个轨道轮1对应的同步齿轮箱4通过第二万向轴8连接形成另一组，两组之间依次通过第二万向轴8、传动轴和第二万向轴8连接；同步齿轮箱4通过横向连接，保证各轨道轮1的旋转精度同步，模拟钢轨的纵向刚度，同时使各轴之间的功率组合汇流，提高试验能力及功率。

本发明的轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统，通过在轨道交通车辆滚动试验台上对多轴车辆进行惯量模拟，实现对轨道交通车辆制动性能的模拟试验，能够实现不同轴数、不同轴重，多种轨道交通车辆的制动性能试验模拟；通过机电混合惯量模拟方式，既无需改变滚动试验台的机械基础架构，减小占地面积，又能连续、精确进行惯量模拟，且针对不同车型的惯量模拟切换，操作简洁方便，另外通过上述机电混合惯量模拟的方式，既能实现惯量模拟范围内的连续、动态、精准补偿，又能减小拖动电机6的功率配置。

本发明还公开了一种基于如上所述的轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统的试验方法，包括以下步骤：

根据第一试验得到单轴系统机械部件阻力矩M₁与拖动电机6制动角速度ω₂之间的关系；

根据第二试验得到机车制动力矩M₀与拖动电机6制动角速度ω₂之间的关系；

根据第三试验以及M₁-ω₂和M₀-ω₂的关系，得到拖动电机6输出力矩M₂与拖动电机6制动角速度ω2的关系；

在机车惯量模拟试验时，实时采集拖动电机6制动角速度ω₂，并按照M₂-ω₂的关系，得到对应的拖动电机6输出力矩M₂，对拖动电机6进行转矩控制。

本发明的试验方法，基于上述试验系统来实现，不仅具有如上试验系统所述的优点，而且试验方法操作简便。

下面结合一完整的具体实施例对上述试验方法做进一步说明：

先对滚动试验台单轴系统受力进行分析(多轴系统分析原理类似)：

设车辆制动力矩为M₀，机械系统其余机械部件(联轴器、变速箱5、同步齿轮箱4、轨道轮1、机车轮对等)的阻力矩为M₁，拖动电机6输出力矩为M₂，则有：

M₀+M₁+M₂＝0 (1)

当车辆轮对以制动力F₀进行制动时，有：

M₀＝F₀×r₀ (2)

其中r0表示车辆轮对半径。

设J₁表示拖动电机6输出的等效转动惯量、J₂表示飞轮的惯量，ω₁、ω₂分别表示轨道轮1与拖动电机6的角速度，k表示变速箱5变速比，则有

ω₂＝kω₁ (4)

进一步推导出拖动电机6制动角减速度为：

机电惯量模拟控制实现过程进行分析：

1)第一试验：先求出单轴系统机械部件阻力矩M₁与拖动电机6制动角速度ω₂的关系：M₁＝f₁(ω₂)

车辆不施加制动力，变频器驱动拖动电机6工作在速度模式，实现拖动电机6分段加速、匀速试验，通过分段采样拖动电机6加速过程中的

忽略此时拖动电机6的惯量，利用

求出系统阻力矩M₁与拖动电机6不同角速度ω₂的关系，建立M₁-ω₂数据关系表；

2)第二试验：求出机车制动力矩M₀与拖动电机6制动角速度ω₂的关系：M₀＝f₀(ω₂)

变频器驱动拖动电机6，拖动电机6拖动车辆到制动初速度后，对车辆轮对以制动力F₀进行制动，此后变频器控制拖动电机6工作在速度模式；测出拖动电机6此时的制动曲线，忽略此时拖动电机6的惯量，根据公式

与M₁＝f₁(ω₂)，查表求出制动力矩M₀在不同转速下的关系，建立M₀-ω₂数据关系表；

3)第三试验：求出拖动电机6输出力矩M₂与拖动电机6制动角速度ω₂的关系：M₂＝f₂(ω₂)

变频器驱动拖动电机6，拖动电机6拖动车辆到制动初速度后，对机车轮对以制动力F₀进行制动，此后变频器控制拖动电机6工作在转矩输出模式。通过1)、2)的推导，查表M₁、M₀在不同角速度下的值，利用公式

可求出J₁＝f(ω₂)，进而根据

可求出：M₂＝f₂(ω₂)。

根据采样拖动电机6角速度信号ω₂，对拖动电机6的转矩进行控制，实现机电混合惯量模拟。

上述试验方法整体操作简便且易于实现，能够连续、精准、动态进行补偿，提高试验的精度。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围的情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种基于轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统的试验方法，其中轨道交通车辆整车滚动试验台的惯量模拟试验系统包括多个轨道轮(1)和信息采集单元，各所述轨道轮(1)均活动连接有同步齿轮箱(4)，各所述同步齿轮箱(4)均连接有负载单元；各所述同步齿轮箱(4)之间相互连接；所述负载单元包括依次连接的飞轮组(7)、拖动电机(6)和变速箱(5)，所述变速箱(5)与对应的同步齿轮箱(4)连接；所述信息采集单元用于采集所述轨道轮(1)的状态信息，其特征在于，试验方法包括步骤：

根据第一试验得到单轴系统机械阻力矩M₁与拖动电机(6)制动角速度ω₂之间的关系；

根据第二试验得到机车制动力矩M₀与拖动电机(6)制动角速度ω₂之间的关系；

根据第三试验以及M₁-ω₂和M₀-ω₂的关系，得到拖动电机(6)输出力矩M₂与拖动电机(6)制动角速度ω₂的关系；

在机车惯量模拟试验时，实时采集拖动电机(6)制动角速度ω₂，并按照M₂-ω₂的关系，得到对应的拖动电机(6)输出力矩M₂，对拖动电机(6)进行转矩控制。

2.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述第一试验为：车辆不施加制动力，变频器驱动拖动电机(6)工作在速度模式，实现拖动电机(6)分段加速、匀速试验，通过分段采样拖动电机(6)加速过程中的

利用

求出阻力矩M₁与拖动电机(6)制动角速度ω₂的关系，其中J₂表示飞轮组(7)的惯量。

3.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述第二试验为：变频器驱动拖动电机(6)，拖动电机(6)拖动车辆到制动初速度后，对车辆轮对以制动力F₀进行制动，此后变频器控制拖动电机(6)工作在速度模式；测出拖动电机(6)此时的制动曲线，根据公式

M₁-ω₂之间的关系，求出制动力矩M₀在不同转速下的关系，建立M₀-ω₂数据关系表。

4.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述第三试验为：变频器驱动拖动电机(6)，拖动电机(6)拖动车辆到制动初速度后，对车辆轮对以制动力F₀进行制动，此后变频器控制拖动电机(6)工作在转矩输出模式；查找M₁、M₀在不同角速度ω₂下的值，利用公式

和

得到拖动电机(6)输出力矩M₂与拖动电机(6)制动角速度ω₂的关系；其中J₁为拖动电机(6)输出的等效转动惯量。

5.根据权利要求1所述的试验方法，其特征在于，所述同步齿轮箱(4)与所述轨道轮(1)之间通过第一万向轴(2)连接。

6.根据权利要求5所述的试验方法，其特征在于，所述信息采集单元为扭矩仪(3)，安装于所述同步齿轮箱(4)与第一万向轴(2)之间，用于采集轨道轮(1)周牵引力矩、制动力矩和轨道轮(1)转速。

7.根据权利要求1或5或6所述的试验方法，其特征在于，所述轨道轮(1)的数量为四个，其中两个轨道轮(1)对应的同步齿轮箱(4)通过第二万向轴(8)连接形成一组，另外两个轨道轮(1)对应的同步齿轮箱(4)通过第二万向轴(8)连接形成另一组，两组之间依次通过第二万向轴(8)、传动轴和第二万向轴(8)连接。

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