CN211086051U

CN211086051U - 铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台

Info

Publication number: CN211086051U
Application number: CN201921444340.8U
Authority: CN
Inventors: 田春; 吴萌岭; 陈茂林; 马天和; 朱文良; 刘宇康
Original assignee: Tongji University
Current assignee: Tongji University
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2020-07-24
Anticipated expiration: 2029-09-02

Abstract

本实用新型涉及一种铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台，该试验台包括假车体、设置于所述假车体上的假车体配重、连接于所述假车体与墙面之间的假车体支撑装置、与所述假车体相连接的转向架和用于模拟轨道并设置于地面的轨道轮，所述转向架的底部设有与所述轨道轮相接触的车轮对。与现有技术相比，本实用新型具有试验需求低，试验风险低等优点。

Description

铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台

技术领域

本实用新型涉及铁道车辆黏着特性测试，尤其是涉及一种基于滚动试验台的铁道车辆制动工况下黏着系数与滑移率关系的试验台。

背景技术

目前铁道车辆的主要制动方式都是通过车轮和钢轨之间传递的黏着力来实现，轮轨黏着是制约高速铁路运营安全和速度的关键性问题。轮轨间黏着力不足时，极易发生滑行甚至抱死，使得车轮踏面和钢轨出现擦伤以及剥离等损伤。车轮和钢轨的擦伤将会成为列车运行过程中的随机激扰，给列车运行过程中的稳定性和平稳性带来隐患，这种外部激扰会降低列车乘坐舒适度，引发随机振动和噪声，另外激扰会加大对轮对的冲击载荷，降低车轴、滚动轴承和钢轨等部件的寿命，提高车辆和钢轨的维护成本。更为严重的是，黏着力不足会带来制动力降低，迫使制动距离增加，不能做到快速停车，甚至会发生冲出站台、列车相撞等重大安全事故。

目前为止，我国铁路推荐使用的实测制动黏着系数基本上还是沿用早在1988 至1991年，在济南、上海和哈尔滨三个铁路局管内进行的实车线路试验所得出的数据，包括在干燥和潮湿两种轨面状况下相应的经验公式和曲线。但由于当时试验是在120km/h以下的低速条件下进行的，已经不能满足当前我国高速铁路(既有线改造200km/h以上，新建线路250km/h以上)动车组高速运行的需求。

由于线路试验耗时长、成本高、难度大，目前研究集中在实验室缩比试验，其优势在于实现简单、成本低，但是轮轨关系中存在的非线性，使得无法用相似关系直接从缩比试验台测量结果中精确反映列车真实的黏着特性。同时，尽管有部分基于全尺寸试验台进行的黏着特性研究，但其主要针对牵引工况进行设计，不能充分反映制动黏着特性。基于以上综合考虑，本实用新型基于全尺寸单转向架滚动试验台，提出制动工况下轮轨黏着系数与滑移率关系的试验台。

实用新型内容

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种用于所述的铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台，该试验台包括假车体、设置于所述假车体上的假车体配重、连接于所述假车体与墙面之间的假车体支撑装置、与所述假车体相连接的转向架和用于模拟轨道并设置于地面的轨道轮，所述转向架的底部设有与所述轨道轮相接触的车轮对。

进一步地，所述车轮对的数量为2个，2个所述车轮对彼此对称设置于所述转向架的底部，所述假车体支撑装置为支撑杆，所述车轮对的轴端与用于测量车轮转速的速度传感器相连接。

进一步地，所述轨道轮的数量为2对，2对所述轨道轮之间通过用于实现同步旋转的同步齿轮箱相互连接，所述轨道轮上还连接设置有作为惯性负载的飞轮组和牵引电机，所述飞轮组与所述轨道轮之间及所述轨道轮与所述牵引电机之间均设置有用于测量扭矩的扭矩仪，所述牵引电机的轴端与用于测量电机转速的编码器相连接，所述扭矩仪、所述速度传感器和所述编码器还与用于获取并处理信号的采集设备相连接。

本实用新型还提供一种基于所述铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台的测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤1：对试验台进行状态检查后利用两台牵引电机将试验台中的轨道轮和车轮牵引至目标速度；

步骤2：待牵引至目标速度稳定后，将电机控制模式切换至转矩模式进行稳速控制以维持轨道轮在制动过程中维持目标速度；

步骤3：对制动控制装置预设防滑排气滑移率极限值，在通往制动缸的管路上安装排风阀，以防止发生制动轴抱死或踏面擦伤；

步骤4：测量开始后对试验台中的转向架施加制动实时采集用于计算黏着系数和滑移率的相关数据；

步骤5：当滑移率达到预设值时则停止数据采集，未达到则缓解制动力，使得试验台中的轨道轮和车轮速度同步后停止数据采集；

步骤6：对同一工况重复多次测量以排除随机误差后依次改变不同的轨道轮速度、轴重和轨面条件并重复进行试验；

步骤7：基于扭矩、车轮与轨道轮间正压力计算黏着系数，基于轨道轮和车轮转速计算滑移率，绘制黏着系数-滑移率关系曲线并捕捉极值点；

步骤8：基于不同速度下测量得到的多组黏着系数-滑移率关系曲线，生成三维曲面并得到作为最终测量结果的黏着系数极值点连线。

进一步地，所述的步骤1具体包括：试验前检查试验台的机械部件、气路连接、电气连接、测控系统工作状态、视频监控系统工作状态后在电机转速模式下将试验台中的轨道轮和车轮牵引至目标速度。

进一步地，所述的步骤3包括以下分步骤：

步骤31：在制动控制装置中设置制动缸压力的上升斜率、压力上限；

步骤32：在通往制动缸的管路上安装用于提高制动缸排风速度的排风阀；

步骤33：设置防滑排气滑移率极限值，用于当制动控制装置检测到测量过程中滑移率达到预设值后立即控制排风阀将制动缸的压缩空气排空，同时缓解制动压力，以防止测量过程中发生制动轴抱死。

进一步地，所述步骤4中滑移率的计算公式为：

式中，ξ表示滑移率，v₁表示轨道轮线速度，由轨道轮实际测量的转速与其滚动圆半径计算得到，v₂表示车轮线速度，由车轮实际测量的转速与其滚动圆半径计算得到。

进一步地，所述步骤4中黏着系数为轮轨间的黏着力与垂向正压力之比，其对应的描述公式为：

式中，μ表示黏着系数，F表示黏着力，N表示垂向正压力。

进一步地，所述黏着力的计算公式为：

式中，T₁、T₂表示制动轴轨道轮两侧扭矩仪的测量值，I_R为单个轨道轮的转动惯量，

表示轨道轮线速度的导数，r表示轨道轮滚动圆半径。

进一步地，所述步骤6中的速度的试验区间为10km/h～300km/h，间隔为10km/h，所述步骤6中的轴重的试验区间为11t～15t，间隔为1t。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

(1)本实用新型中的试验台能够测量制动工况大滑移率下的轮轨黏着系数且试验过程完全模拟实车制动作用原理。

(2)本实用新型通过改进制动系统防滑排气结构，降低了试验风险。

(3)本实用新型中的测量方法显著降低了基于滚动试验台方式的黏着特性试验对滚动试验台的电机功率需求。

附图说明

为了进一步阐明本实用新型的各实施例的以上和其他优点和特征，将参考附图来呈现本实用新型的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本实用新型的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。并且，附图中示出的各个部分的相对位置和大小是示例性的，而不应当被理解成各个部分之间唯一确定的位置或尺寸关系。

图1为本实用新型提出的方法基于的试验台示意图；

图2为本实用新型的方法主要步骤流程示意图；

图3为本实用新型中试验台的受力示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应属于本实用新型保护的范围。

具体实施例

一种基于滚动试验台测量铁道车辆制动工况下黏着系数与滑移率关系的试验台及方法，具体实施方式如下：

测量用滚动试验台如图1所示，包括模拟轨道的轨道轮1、转向架2、假车体 3、假车体支撑装置4、假车体配重5等，还包括图中未画出的轨道轮牵引电机、连接两轨道轮对的同步齿轮箱、作为惯性负载的飞轮组及扭矩仪、编码器、速度传感器和采集系统等设备。

测量设备的准备包括：

将试验台两对轨道轮以同步齿轮箱连接，使其可同步旋转；

将试验台所配备的机械飞轮组的转动惯量配置到最大，不需要考虑惯量与轴重之间的等效性，飞轮组连接至轨道轮。

将轨道轮牵引用的两台电机配置为主从模式，可两台电机同时进行牵引。

测量过程中仅对转向架的一根轴施加制动，但两台电机此时均进行对外输出扭矩。

通过数据采集设备将车轮速度、轨道轮速度、轨道轮对两侧所受扭矩等物理量进行采集；通过测力轮对测量车轮6与轨道轮间正压力；通过控制水泵的电源，实现轨道轮踏面洒水以模拟湿轨条件。

上述步骤的目的是降低黏着试验所需的电机功率需求，可以采用一般要求的牵引电机即可实现本实用新型所提出的测量方式。

测量过程如图2所示，包括：

步骤S1：在对试验装置进行状态检查后，利用两台牵引电机将轨道轮和车轮牵引至目标速度，具体包括：

步骤S11：试验前机械部件检查确认；

步骤S12：试验前气路连接检查确认；

步骤S13：试验前电气连接检查确认；

步骤S14：试验前测控系统工作状态确认；

步骤S15：试验前视频监控系统工作状态确认；

步骤S16：在电机转速模式下将轨道轮和上方转向架轮对牵引至目标速度。

步骤S2：待牵引至目标速度稳定后，将电机控制模式切换至转矩模式进行稳速控制，以维持轨道轮在制动过程中一直保持目标速度，具体包括：

步骤S21：稳速模式基于直接转矩控制方式，能实现精确且快速的响应，电机计算采样周期Δt内损失的动能ΔE为：

步骤S22：电机控制系统控制电动机将电能转换为机械能补偿系统缺少的动能，即电机轴输出功率为P：

步骤S23：电机输出与制动力矩大小相同方向相反的力矩T为：

步骤S24：通过飞轮组的大机械惯量配置也可降低测量过程中轨道轮的减速度。

步骤S3：对制动控制装置预设防滑排气滑移率极限值，防止在某些工况下发生制动轴抱死或踏面擦伤，具体包括：

步骤S31：在制动控制装置中设置制动过程中制动缸压力的上升斜率、压力上限，能保证在短时间内快速达到黏着力极限并发生滑行；

步骤S32：在通往制动缸的管路上安装大孔径排风阀，提高制动缸排风速度；

步骤S33：设置防滑排气的极限滑移率值，当制动控制装置检测到测量过程中滑移率达到预设值后立即控制排风阀将下游制动缸的压缩空气排空，同时缓解上游的制动压力，以防止测量过程中发生制动轴抱死；

步骤S4：测量过程中轨道轮通过电机施加牵引力矩，转向架车轮通过制动控制装置产生一定压力的压缩空气经基础制动装置作用产生制动力矩，以使车轮和轨道轮产生相对滑移。

步骤S41：测量开始后，对转向架上一根轴施加制动，实时采集转向架轴速、轨道轮速度、轨道轮两侧扭矩、车轮与轨道轮之间正压力等来计算黏着系数和滑移率；

步骤S42：根据滑移率计算公式：

在台架试验中，采用带有轨头形状的轨道轮模拟实际线路，滑移率的计算就相应包含了轨道轮速度采集和车轮速度采集两部分；

步骤S43：黏着系数通常定义为轮轨间的黏着力F与垂向正压力N之比：

步骤S44：根据图3，受力分析可得黏着力F的计算公式为：

表示轨道轮线速度的导数，r表示轨道轮滚动圆半径。

图3中，7为飞轮，8为同步齿轮箱，9为制动轨道轮，10为非制动轨道轮， 11为扭矩仪1，12为扭矩仪2。

步骤S45：轮轨间垂向正压力N利用测力轮对来实现测量和采集。

步骤S5：当滑移率达到预设值时，通过排风阀将制动缸压力迅速一次性排空；若滑移率未达到预设值但制动缸压力已达到上限，则正常缓解制动力；若测量过程中出现电机过载、设备异常等突发情况则自动缓解制动力并使电机停机。

步骤S6：对同一工况重复多次，排除随机误差；

步骤S7：选定速度区间10km/h-300km/h，每隔10km/h进行试验，重复步骤 S1～S6，直至全部选定速度试验完毕；

步骤S8：选定轴重区间11t-15t，每隔1t进行试验，重复步骤S1～S7，直至全部选定轴重试验完毕；

步骤S81：轴重的模拟通过在转向架上方车体中安放不同质量的砝码块来实现。

步骤S9：根据预设轨面条件进行调整，重复步骤S1-S8，直至预设的轨面条件试验全部完毕。

步骤S10：在测量过程中基于扭矩、车轮与轨道轮间正压力计算黏着系数，基于轨道轮和车轮转速计算滑移率，自动绘制黏着系数-滑移率关系曲线并捕捉极值点。

步骤S11：基于不同速度下测量得出的多组黏着系数-滑移率关系曲线，生成三维曲面，并描出黏着系数极值点连线。

综上所述，本实用新型的测量方法可概括为：

本测量方法测量各速度下黏着系数随滑移率的变化关系，因此对轨道轮施加近似稳速控制，具体是通过飞轮组大惯量和电机扭矩补偿降低测量过程中轨道轮的减速度。

测量开始之前，首先确认试验台各项功能正常，利用牵引电机将轨道轮和车轮牵引至某一目标速度；

待牵引至目标速度稳定后，将电机控制模式切换至转矩控制模式，并施加速度补偿控制，以使轨道轮在制动过程中一直保持目标速度；

对制动控制装置预设滑移率极限值，在通往制动缸的管路上安装大孔径排风阀，当制动控制装置检测到测量过程中滑移率达到预设值后立即控制排风阀将下游制动缸的压缩空气排空，同时缓解上游的制动压力，以防止测量过程中发生制动轴抱死；

测量开始后，对转向架上一根轴施加制动，实时采集转向架轴速、轨道轮速度、轨道轮对两侧扭矩、车轮与轨道轮之间正压力等来计算黏着系数和滑移率；

当滑移率达到预设值时，通过排风阀将制动缸压力迅速一次性排空；若滑移率未达到预设值但制动缸压力已达到上限，则正常缓解制动力；若测量过程中出现电机过载、设备异常等突发情况则自动缓解制动力并使电机停机。

制动缓解，轨道轮和车轮速度同步后停止数据采集。

对同一工况重复多次，排除随机误差。

依次改变轨道轮速度、轴重、轨面条件，重复上述测量。

在测量过程中基于扭矩、车轮与轨道轮间正压力计算黏着系数，基于轨道轮和车轮转速计算滑移率，自动绘制黏着系数-滑移率关系曲线并捕捉极值点。

基于不同速度下测量得出的多组黏着系数-滑移率关系曲线，生成三维曲面，并描出黏着系数极值点连线。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims

1.一种铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台，其特征在于，该试验台包括假车体、设置于所述假车体上的假车体配重、连接于所述假车体与墙面之间的假车体支撑装置、与所述假车体相连接的转向架和用于模拟轨道并设置于地面的轨道轮，所述转向架的底部设有与所述轨道轮相接触的车轮对。

2.根据权利要求1所述的一种铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台，其特征在于，所述车轮对的数量为2个，2个所述车轮对彼此对称设置于所述转向架的底部。

3.根据权利要求1所述的一种铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台，其特征在于，所述假车体支撑装置为支撑杆。

4.根据权利要求1所述的一种铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台，其特征在于，所述车轮对的轴端与用于测量车轮转速的速度传感器相连接。

5.根据权利要求1所述的一种铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台，其特征在于，所述轨道轮的数量为2对，2对所述轨道轮之间通过用于实现同步旋转的同步齿轮箱相互连接。

6.根据权利要求4所述的一种铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台，其特征在于，所述轨道轮上还连接设置有作为惯性负载的飞轮组和牵引电机，所述飞轮组与所述轨道轮之间及所述轨道轮与所述牵引电机之间均设置有用于测量扭矩的扭矩仪。

7.根据权利要求6所述的一种铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台，其特征在于，所述牵引电机的轴端与用于测量电机转速的编码器相连接。

8.根据权利要求7所述的一种铁道车辆制动下黏着系数与滑移率关系试验台，其特征在于，所述扭矩仪、所述速度传感器和所述编码器还与用于获取并处理信号的采集设备相连接。