鐵路機車車輛用制動動力試驗臺的特點及分析

李衛東，董豐收，張廣勇

(中國重型機械研究院有限公司，陜西 西安 710032)

0 前言

隨著我國鐵路在高速以及重載方面的發展，對制動器的臺架試驗提出了更高的要求。

鐵路機車車輛用1∶1制動動力試驗臺目前主要有兩種類型，一種是傳統的純機械模擬試驗臺(以下簡稱機械臺)，另一種是機械模擬+電慣量模擬試驗臺(以下簡稱電慣量臺)。

本文對這兩種試驗臺的構成、工作原理、設計要求、特點進行了分析，以期對試驗臺的設計、選型有一定的助益。

1 機械模擬臺

1．1 機械模擬臺的主要構成及工作原理

機械臺如圖1所示，主要由電機、機械慣量(由多片飛輪組成，固定分級)、加載系統、摩擦力矩測量系統等構成。

圖1 機械模擬試驗臺Fig．1 Mechanical flywheel simulation test bench

工作原理:根據需要模擬的一節列車的總質量和速度，并等效在一個車輪(或一個制動盤)上，按照在同等速度下能量相等的原則，即試驗臺的飛輪和回轉軸系在給定的轉速下的動能應等于列車在相應給定的速度和總質量下等效在一個車輪或制動盤上的動能，設定試驗臺運行參數，隨之按制動要求進行制動過程并實時采集相關的試驗數據進行處理、存儲、分析。

1．2 機械模擬臺特點

(1)組合出的機械慣量之間有級差，必須有足夠多的、不同轉動慣量的飛輪才能組合出分度值滿足要求的飛輪組，因此難以做到轉動慣量匹配的自動化，否則傳動軸系將會很長;

(2)對電機的要求僅是使飛輪組達到給定的轉速，制動試驗過程中電機不起任何作用;

(3)若試驗臺組合出的轉動慣量Jr和試驗程序規定的轉動慣量J不同，必須調整試驗程序中規定的制動初始速度v，調整的原則是速度vk滿足模擬相同能量的要求:

應滿足條件:0．95≤K≤1．05;若滿足不了，則說明試驗臺轉動慣量的分度值過大，不能滿足要求;

(4)根據平均壓緊力和制動距離計算平均摩擦系數時需要對其進行修正;

(5)相對電慣量臺在沒有加速度(加速度值較小時)要求的條件下，其電機功率一般較小，正常工作時電機運行在第一或第三象限;但有加速度(加速度值較大)要求時，電機功率會比相應的電慣量臺大很多，此時會造成很大浪費;

(6)一般情況下投資較少(有加速度要求時例外)，自動化控制和電氣傳動控制比較簡單，機械系統相對復雜;

(7)適用于低速制動試驗。

2 電慣量模擬臺

2．1 電慣量模擬臺的主要構成及工作原理

電慣量臺如圖2所示，主要由電機、扭矩儀(測量電機輸出扭矩)、機械慣量(由相對機械臺較少的飛輪組成，固定分級)、扭矩儀(測量綜合制動扭矩-機械摩擦與試件風阻之和)、加載系統、摩擦力矩測量系統構成。

圖2 電慣量模擬試驗臺Fig．2 Flywheel simulation test bench

工作原理:根據需要模擬一節列車的總質量和速度并折算到一個車輪(或一個制動盤)上，按在同等速度下能量相等的原則，即試驗臺的飛輪和回轉軸系在給定的轉速下的動能加上電機在制動過程中補償的能量應等于列車在相應給定的速度和總質量下等效在一個車輪或制動盤上的動能，根據電機能力設定試驗臺運行參數，隨之按制動要求進行制動過程并實時采集相關的試驗數據進行處理、存儲、分析。

在制動過程中，若不考慮系統固有阻力，應滿足下式的要求。

式中，TD為電機輸出扭矩;K為系數;Ts為綜合制動力矩。

2．2 電慣量臺特點

(1)電機側高精度扭矩傳感器用于測量電機輸出扭矩(測量電機在制動過程中輸出的能量);同時還可用于試驗臺機械摩擦、風阻的標定(試驗臺系統固有阻力，在不安裝試驗件的條件下標定。實際試驗時由于負載的原因，相關軸承的功耗會增加，軸承的負載愈大其功耗愈大，這是不可避免的，因此機械摩擦的標定存在不可避免的單方向的系統誤差)以及飛輪的實際轉動慣量測定，若無需測定實際轉動慣量時，轉動慣量采用設計值(盡量要求對所有回轉系的零件進行三維實體設計，以便得到精確計算的轉動慣量值)，則該扭矩儀可不用;若電慣量模擬直接采用式(3)運算，機械摩擦、風阻的標定采用慣性運行法，但要準確測量電機在制動過程中輸出的能量則該扭矩儀是必需的。

(2)在飛輪轉動慣量與試驗慣量有偏差時，通過電慣量模擬能夠實現試驗慣量的精確匹配。通過補償系統固有阻力可以實現更高的試驗精度。

(3)便于優化配置電機參數和飛輪轉動慣量，并充分發揮其性能，避免浪費。

(4)相對機械模擬臺，其飛輪慣量較小，但電機功率較大，正常工作時電機在四象限運行，可實現更高的加速度。

(5)投資較大，對自動化控制和電氣傳動控制要求較高;

(6)高、低速的制動試驗均可適用。

3 分析

等效轉動慣量和能量的計算公式如下:

式中，E列車為一節列車在速度v時的總動能;E'為折算到一節列車上的附加動能(“關門車”的能量);m為一節列車的質量;J'為一節列車上在列車運行時其回轉輪系的總轉動慣量;v為列車的運行速度;ω為與v對應的車輪角速度;R為車輪的半徑;N為一節列車的車輪數或制動盤數;m1為折算到一個車輪或制動盤上的等效質量，即輪載或盤載;J1為折算到一個車輪或制動盤上的等效轉動慣量(要求的試驗臺轉動慣量);E1為折算到一個車輪或制動盤上的等效動能(要求的試驗臺飛輪動能，亦是要求的制動能)。

一般條件下(踏面制動或實心盤形制動，低速)，制動消耗的能量E剎應滿足

理想的試驗應滿足的條件為(機械臺和電慣量臺均適用)制動所做的功E剎與試件的風阻做的功E阻之和應等于E1，即

換言之，制動所做的功E剎與試件的風阻做的功E阻之和愈接近E1，說明試驗精度愈高。

傳統機械臺在制動過程中所受外力有制動力矩、試件的風阻、系統固有阻力(飛輪系統的機械摩擦和風阻之和)。因此，在一個停車制動過程中，制動所做的功E剎、試件的風阻做的功E阻、系統固有阻力做的功E阻1之和應等于E1(能量守恒定律)。即

理想狀態下(沒有風阻和機械摩擦)，制動能量應等于飛輪的動能，即

由于E阻1(試驗臺本身的固有阻力造成的干擾，應設法排除)和E阻無法在試驗過程中直接測量，根據經驗認為在踏面制動或實心盤形制動以及低速條件下能量關系應滿足式(8)，此時試驗數據是可采信的，但是存在如下缺陷:

(1)E剎的計算值存在最大的系統誤差，接近15%;

(2)臺架試驗要求的制動能E1并未被試件全部消耗;

(3)無法測量綜合制動扭矩。

在高速或盤形(通風盤)制動條件下，考慮到機械摩擦、風阻和轉速的關系以及通風盤的影響，顯然式(8)無法得到滿足，需要另外考慮試驗數據可采信需要滿足的條件。

電慣量模擬臺在制動過程中所受外力為電機輸出力矩(電慣量模擬、系統固有阻力補償)、制動力矩、試件的風阻和系統固有阻力(飛輪系統機械摩擦和風阻之和)。

因此，在停車制動過程中，電機所做的功E電、制動所做的功E剎、試件的風阻做的功E阻、系統固有阻力做的功E阻1、飛輪的動能E飛輪、E1應滿足

理想狀態下(沒有風阻和機械摩擦)，按照試驗要求應滿足

由于電慣量模擬臺具備了標定并補償系統固有阻力的條件(在制動過程中可計算出E阻1)。同時能夠測量電機輸出扭矩(積分運算得到E電)、綜合制動扭矩(積分運算得到E剎+E阻)、機械摩擦扭矩(積分運算得到E剎)，因此式(12)從理論上說應得到滿足。實際應用中考慮到儀表測量精度、控制精度、采樣周期等因素的影響，式(12)應修正為

式中，X值待定，X愈小則說明控制和測量精度愈高，取值1～2之間。

如果省去電機側扭矩儀，則式(14)簡化為

在扭矩儀精度能夠滿足試驗要求的情況下，可利用式(15)進行實際考核。由于該扭矩儀要承受靜摩擦力矩(一般最大要達到30 kN·m)，該扭矩儀滿量程值很大，因此在測量較小力矩時精度較低。

4 結論

機械模擬臺本身的系統固有阻力無法補償，在高速時，由于固有阻力增加很快(可近似認為與速度的平方成比例關系)，試驗過程中，實際制動能量遠低于要求的制動能量，造成試驗數據的可采信性大為降低。

電慣量模擬臺在試驗精度(模擬真實運行狀態)、試驗能力(同樣的電機和飛輪慣量條件下)等方面均優于機械模擬臺。同時，電慣量模擬臺在設計時可進行優化配置，避免造成不必要的浪費。

隨著技術的進步，電慣量模擬臺測量技術、電氣傳動控制技術日臻成熟，電慣量臺取代傳統機械模擬臺的趨勢不可避免。

［1］ Brakes-Disk brakes and their application-General conditions for the approval of brake pads［M］．UIC541-3 2010．

［2］ Brakes with composite brake blocks-General conditions for certification of composite brake blocks［M］．UIC541-4，2010．

［3］ Fragen des Bremswesens-Anforderungen an die Bremsprüfst?nde für die internationale Zulassung von Reibmaterialien［M］．ERRI B126/RP182001．