CN210400875U - 用于动车牵引制动的实验模型装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及用于动车牵引制动的实验模型装置，具有与基座连接的三项异步电机，三项异步电机通过轴分别连接有惯性飞轮和磁粉制动器，还设有与所述磁粉制动器连接的制动碟片，所述的制动碟片连接空压碟式制动器后固定在基座上，磁粉制动器中设有传动单元和从动单元，以及用于产生磁力的磁性线圈，在两组单元之间的空间中填充有粒状的磁粉。本实用新型的用于动车牵引制动的实验模型装置，通过简化和模拟实际动车组的结构，能够以便捷的方式使在校学生系统的掌握动车牵引、制动设备的原理，以及学习测试、分析和故障判断的方法。

Description

用于动车牵引制动的实验模型装置

技术领域

本实用新型涉及实验模型，具体讲是用于动车牵引制动的实验模型装置。

背景技术

动车作为现代城市便捷、快速、高效的交通工具，已成为一个国家铁路综合实力的重要标志，同时，高速动车也是中国铁路发展的关键设备。然而，相对于德国、日本、法国等世界上高速铁路发达国家，我国高速铁路系统的研究及应用起步较晚，动车组相应的成套技术规范及培训体系仍不完善，核心技术大多是从德国、日本、法国等引进，需要大量的专业人才消化、吸收和应用，掌握动车技术的人才培养就成为当务之急。在学校建立相应的实验模型，其目的是使得在校学生可以通过实验模型了解动车牵引制动原理，并在掌握原理和结构的基础上可以获得测试、分析和故障判断等现场需要的技能。

目前关于动车组牵引制动的实验模型研究较少，在学校中对动车牵引制动的学习大多停留在理论学习或者是通过matlab、Adams等软件进行仿真的阶段，这样并不能使得学生完全系统的掌握动车牵引制动的原理。而在专业的实际培训方面，真车培训虽然可以满足系统化掌握原理及测试方法，但是不足之处在于组织培训过于繁琐，也容易干扰正常的动车运营。由于目前很难使得在校学生从实际操作的方面掌握专业技能，因此建立动车牵引制动的实验模型便成为了解决上述问题的最佳方式。

实用新型内容

本实用新型提供了一种用于动车牵引制动的实验模型装置，通过便捷的方式，使在校学生能够系统的掌握动车牵引、制动设备的原理，以及测试、分析和故障判断的方法。

本实用新型用于动车牵引制动的实验模型装置，具有与基座连接的三项异步电机，三项异步电机通过轴分别连接有惯性飞轮和磁粉制动器，还设有与所述磁粉制动器连接的制动碟片，所述的制动碟片连接空压碟式制动器后固定在基座上，磁粉制动器中设有传动单元(输入轴)和从动单元(输出轴)，以及用于产生磁力的磁性线圈，在两组单元之间的空间中填充有粒状的磁粉(体积大约40微米)。

本实用新型根据动车牵引制动的理论及实际工况，选择适合的硬件对实验模型进行了组建，在模型结构中保留并模拟了动车的牵引过程、再生制动过程以及空气制动的基本形式，使模型能够根据可能发生故障及实际工况，模拟相应的实验场景。

同时，实验模型还简化和省略了动车在牵引制动过程中的一部分结构，例如在动车组的再生制动过程中通过惯性飞轮，以惯性负载模拟动车车体，再如通过磁粉制动器的不同阻力模拟动车启动过程中的阻力以及在不同运行情况下将会遇到的阻力。所述的阻力包括有基本阻力和附加阻力，通过理论计算得出相应的阻力数值，使用磁粉制动器来模拟阻力，其中附加阻力主要包括：坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力。当磁粉制动器中的磁性线圈不导电时，转矩不会从传动单元传于从动单元。当所述的磁性线圈通电后，由于磁力的吸引作用使磁粉产生硬化现象，在连继滑动之间会把转矩传达。磁粉制动器是一种性能优越的自动控制元件，它以磁粉为工作介质，以改变激磁电流大小为控制方式，来达到控制制动或传递转矩的目的。磁粉制动器的转矩与激磁电流的大小基本成线性正比关系，因此可以通过改变激磁电流的大小来调节转矩的大小，从而达到控制磁粉制动器阻力大小的目的。

通过类似闸瓦制动的空压碟式制动器来模拟动车组的空气制动，也是本实用新型根据动车牵引制动的理论及实际工况简化结构的一部分。当动车组运行速度降低到再生制动不足时，采用空气制动，使空压碟式制动器加紧，使制动切片慢慢停止转动，从而实现制动停车，达到空气制动的模拟效果。

在模拟动车组启动时，所述的三项异步电机运转，通过变频器改变三项异步电机工作电压频率从而达到三项异步电机恒转矩起动到电机恒功率工作的状态。磁粉制动器通过控制激磁电流的大小模拟起动阻力，从而完成动车组起动的模拟。

模拟动车组的运行状态时，需要模拟动车组在运行过程中的阻力时，通过改变磁粉制动器的激磁电流来改变其转矩的大小来达到阻力改变的目的。

动车组在制动时，通常采用的是再生制动，亦称反馈制动。在制动时能够把动车的动能转化及储存起来；而不是变成无用的热。再生制动在制动工况将电动机切换成发电机运转，利用动车的惯性带动电动机转子旋转而产生反转力矩，将一部分的动能或势能转化为电能并加以储存或利用。在模拟动车组的再生制动时，三项异步电机转变成发电机工作，所述的惯性飞轮将其之前储存的机械能传递给此时的发电机，此时发电机轴上的机械能转变为定子绕组输向电阻箱的电能，从而完成了再生制动的模拟。

进一步的，所述的三项异步电机和磁粉制动器分别通过支架与基座连接。

进一步的，空压碟式制动器通过支架连接至基座。

进一步的，所述的三项异步电机通过齿轮减速机与轴连接。

进一步的，齿轮减速机通过支架连接至基座。

进一步的，轴上设有连接不同轴段的联轴器。

进一步的，在三项异步电机与惯性飞轮之间，以及磁粉制动器与惯性飞轮之间，轴外侧分别设有带座轴承。

进一步的，在带座轴承与惯性飞轮之间设有轴套。

进一步的，带座轴承通过支架连接至基座。

本实用新型的用于动车牵引制动的实验模型装置，通过简化和模拟实际动车组的结构，能够以便捷的方式使在校学生系统的掌握动车牵引、制动设备的原理，以及测试、分析和故障判断的方法。其中故障主要包括牵引故障和制动故障两部分，在模拟牵引故障时，包括受电弓故障、主变压器失效、网侧变流器故障、和电机变流器及三项异步电机故障等；模拟制动故障包括电制动失效、空气制动系统(空压碟式制动器)失效、牵引变压器失效和制动控制器(制动碟片)失效等。

以下结合实施例的具体实施方式，对本实用新型的上述内容再作进一步的详细说明。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实例。在不脱离本实用新型上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本实用新型的范围内。

附图说明

图1为本实用新型用于动车牵引制动的实验模型装置的剖面示意图。

图2为实施例中轮缘牵引力与轮缘线速度的关系曲线示意图。

具体实施方式

如图1所示本实用新型用于动车牵引制动的实验模型装置，具有通过支架12与基座9连接的三项异步电机1，三项异步电机1通过齿轮减速机2，经轴6分别连接有惯性飞轮5和通过支架12连接基座9的磁粉制动器8。齿轮减速机2通过支架12与基座9连接。在三项异步电机1与惯性飞轮5之间的轴6外侧设有带座轴承11，并且通过联轴器3将不同的轴端连接为完整的轴6。在磁粉制动器8与惯性飞轮5之间，通过设有联轴器3的轴6设有制动碟片7和带座轴承11，并且制动碟片7连接有空压碟式制动器10，再由支架12连接至基座9。惯性飞轮5与每个带座轴承11之间都设有轴套4，并且每个带座轴承11都通过支架12与基座9连接。

本实用新型根据动车牵引制动的理论及实际工况，选择适合的硬件对实验模型进行了组建，在模型结构中保留并模拟了动车的牵引过程、再生制动过程以及空气制动的基本形式，使模型能够根据可能发生故障及实际工况，模拟相应的实验场景。同时，实验模型还简化和省略了动车在牵引制动过程中的一部分结构，例如在动车组的再生制动过程中通过惯性飞轮5，以惯性负载模拟动车车体，再如通过磁粉制动器8的不同阻力模拟动车启动过程中的阻力以及在不同运行情况下将会遇到的阻力，以及通过类似闸瓦制动的空压碟式制动器10来模拟动车组的空气制动等。所述的阻力包括有基本阻力和附加阻力，通过理论计算得出相应的阻力数值，使用磁粉制动器8来模拟阻力，其中附加阻力主要包括：坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力。

在对实验模型进行简化和省略时，需要对动车转动惯量进行折算。动车转动惯量的折算是指，将运行中的动车简化为同时做水平运动和旋转运动的模型。其基本原则是保持折算前后动车的动能不发生改变。

动车动能计算公式：

其中：

E_k：动车的动能，单位：kJ；

m：动车总质量，单位：t；

ν：动车速度，单位：km/h；

I：轮对转动惯量，单位：kg/m²；

ω：轮对转动角速度，单位：rad/s；

因

R_k为动车运行时的旋转运动半径，故：

式中

为列车的回转质量系数，动车组的γ一般为0.08；

因此，以初速度ν₀开始制动的过程中，动车的初始能量为：

牵引电机(三项异步电机)输出轴的动能为：

在实际工程中，常用转速n代替角速度Ω，用飞轮矩GD²来表示转动惯量J，即：

其中：

n：电机转速，单位：r/min；

GD²：飞轮矩，N·m²；

g：重力加速度，g＝9.81m/s²；

因此得到：

令W＝1000E_k0，得到：

根据行业标准，在对5动3拖的动车在定员时，动车质量为474t，运行速度为200km/h，传动比i为3.71，车轮直径D取875mm(假设磨损一半)，则：

因此：GD²＝279357N·m²；

根据经济和市场原因，选择两个常州zs1125飞轮焊接成模型需要的惯性飞轮5，其总重量为76kg，外径为432mm，得到：

最后得到：GD²＝J·4g＝69.57N·m²；

通过上述计算，就可以按比例缩小模拟动车的实际运行情况，以此来搭建实验模型。

在模拟动车组启动时，所述的三项异步电机1运转，通过变频器改变三项异步电机1工作电压频率从而达到三项异步电机1恒转矩起动到电机恒功率工作的状态。磁粉制动器8通过控制激磁电流的大小模拟起动阻力，从而完成动车组起动的模拟。

模拟动车组的运行状态时，需要模拟动车组在运行过程中的阻力时，通过改变磁粉制动器8的激磁电流来改变其转矩的大小来达到阻力改变的目的。

用动车轮缘牵引力与轮缘线速度的关系曲线来表示动车的牵引特性，是动车最为重要的特性。如图2所示的本实用新型实验模型装置的轮缘牵引力与轮缘线速度的关系曲线示意图，在0～50km/h的低速范围内(V_N＝50km/h)，动车组牵引力受起动电流限制，为恒力矩运行(F_k恒定)；在50～200km/h的速度范围内(V_max＝200km/h)，动车组牵引力受牵引电机功率限制，随着速度升高而降低，为恒功率运行。通过轮缘牵引力与轮缘线速度的曲线关系充分表示出了动车运行时力与速度的关系，为通过实验模型装置模拟动车运行状态提够了理论支撑。

动车组在制动时，通常采用的是再生制动，亦称反馈制动。在制动时能够把动车的动能转化及储存起来；而不是变成无用的热。再生制动在制动工况将电动机切换成发电机运转，利用动车的惯性带动电动机转子旋转而产生反转力矩，将一部分的动能或势能转化为电能并加以储存或利用。在模拟动车组的再生制动时，三项异步电机1转变成发电机工作，所述的惯性飞轮5将其之前储存的机械能传递给此时的发电机，此时发电机轴上的机械能转变为定子绕组输向电阻箱的电能，从而完成了再生制动的模拟。

当动车组运行速度降低到再生制动不足时，采用空气制动，使空压碟式制动器10加紧，使制动切片慢慢停止转动，从而实现制动停车，达到空气制动的模拟效果。

在磁粉制动器8中包括有传动单元(输入轴)和从动单元(输出轴)。在两组单元之间的空间中填充有粒状的磁粉(休积大约40微米)。当磁粉制动器8中的磁性线圈不导电时，转矩不会从传动单元传于从动单元。当所述的磁性线圈通电后，由于磁力的吸引作用使磁粉产生硬化现象，在连继滑动之间会把转矩传达。磁粉制动器8是一种性能优越的自动控制元件，它以磁粉为工作介质，以改变激磁电流大小为控制方式，来达到控制制动或传递转矩的目的。磁粉制动器8的转矩与激磁电流的大小基本成线性正比关系，因此可以通过改变激磁电流的大小来调节转矩的大小，从而达到控制磁粉制动器8阻力大小的目的。

通过本实用新型的实验模型装置除了可以学习动车的牵引、制动的原理，还可以学习动车的故障分析和判断，主要包括牵引故障和制动故障两部分，在模拟牵引故障时，包括受电弓故障、主变压器失效、网侧变流器故障、和电机变流器及三项异步电机1故障等；模拟制动故障包括电制动失效、空气制动系统(空压碟式制动器10)失效、牵引变压器失效和制动控制器(制动碟片7)失效等。

Claims (9)

1.用于动车牵引制动的实验模型装置，其特征为：具有与基座(9)连接的三项异步电机(1)，三项异步电机(1)通过轴(6)分别连接有惯性飞轮(5)和磁粉制动器(8)，还设有与所述磁粉制动器(8)连接的制动碟片(7)，所述的制动碟片(7)连接空压碟式制动器(10)后固定在基座(9)上，磁粉制动器(8)中设有传动单元和从动单元，以及用于产生磁力的磁性线圈，在两组单元之间的空间中填充有粒状的磁粉。

2.如权利要求1所述的用于动车牵引制动的实验模型装置，其特征为：所述的三项异步电机(1)和磁粉制动器(8)分别通过支架(12)与基座连接。

3.如权利要求1所述的用于动车牵引制动的实验模型装置，其特征为：空压碟式制动器(10)通过支架(12)连接至基座(9)。

4.如权利要求1所述的用于动车牵引制动的实验模型装置，其特征为：所述的三项异步电机(1)通过齿轮减速机(2)与轴(6)连接。

5.如权利要求4所述的用于动车牵引制动的实验模型装置，其特征为：齿轮减速机(2)通过支架(12)连接至基座(9)。

6.如权利要求1所述的用于动车牵引制动的实验模型装置，其特征为：轴(6)上设有连接不同轴段的联轴器(3)。

7.如权利要求1所述的用于动车牵引制动的实验模型装置，其特征为：在三项异步电机(1)与惯性飞轮(5)之间，以及磁粉制动器(8)与惯性飞轮(5)之间，轴(6)外侧分别设有带座轴承(11)。

8.如权利要求7所述的用于动车牵引制动的实验模型装置，其特征为：在带座轴承(11)与惯性飞轮(5)之间设有轴套(4)。

9.如权利要求7所述的用于动车牵引制动的实验模型装置，其特征为：带座轴承(11)通过支架(12)连接至基座(9)。

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