1:1高速動車組制動試驗臺的開發

陳建峰　譚進　余慧敏

摘要：我國高鐵行業快速發展，對高鐵運行速度和安全性提出了更高的要求，制動系統作為高鐵的關鍵技術，直接關系到列車的速度控制和行駛安全性。制動系統的試驗研究通常通過1：1制動試驗臺完成，為滿足更高的制動試驗要求，介紹了1：1制動試驗臺結構原理、性能參數、主要機械部件結構、制動試驗應用范圍等，可以為高速列車制動試驗臺的開發和相關試驗開展提供參考。

關鍵詞：高速列車;停車制動;坡道制動;停放制動;電渦流制動

中圖分類號：U270.35? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2022）06-0031-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.06.009

0? ? 引言

制動系統對于高鐵列車的正常運行有著非常重要的意義。制動系統的基本功能是準確控制列車的運行速度，并在緊急制動時能夠迅速制動停車，保障乘客和貨物的安全。在對制動系統的研究過程中，試驗是一種不可缺少的研究手段，制動系統試驗包括線路試驗和試驗臺試驗。其中，線路試驗成本高，效率低，并且試驗數據采集困難;試驗臺試驗目前都采用實物模擬的1：1制動試驗臺進行，試驗臺可模擬各種工況下實車的慣量和速度[1]，配合專用試驗工裝、測試系統、環境模擬系統等，可方便地進行各種驗證和試驗，為制動系統的開發研究提供可靠的試驗手段。目前我國高速1：1制動試驗臺多為進口，國產的試驗臺僅能滿足低速列車的模擬試驗，同時國產試驗臺自動化水平、測試水平和試驗應用范圍均有限。而我國列車速度越來越快，高鐵里程逐漸增長，這就對列車制動系統試驗提出了更高的要求。為此，開發國產高速1：1制動試驗臺顯得非常重要[2]。本文主要介紹高速1：1制動試驗臺的基本原理、主要組成和應用范圍等內容。

1? ? 試驗臺技術參數

1：1制動試驗臺主要技術參數如表1所示。

2? ? 試驗臺原理

制動試驗臺架采用多組飛輪旋轉模擬列車制動質量的方式進行摩擦副磨損性能及熱容量等相關性能參數的測試或驗證，試驗時，根據列車重量換算出所需飛輪的組合，電機驅動飛輪組和車輪轉動，使車輪達到試驗要求的轉速后，進行踏面制動、閘片制動和旋轉渦流制動試驗。

3? ? 試驗臺組成

試驗臺主要由機械系統、環境模擬系統、電氣及測控系統三部分組成。

3.1? ? 機械系統

機械系統主要由驅動電機、飛輪慣量組、靜摩擦試驗裝置和試驗工位等組成，如圖1所示。

3.1.1? ? 驅動電機

驅動電機采用交流異步電動機，和飛輪慣量及試驗工位一起安裝在基礎框架上，電機輸出軸和飛輪箱輸入軸采用膜片聯軸器連接，膜片聯軸器上安裝有扭矩儀，可實時檢測電機輸出扭矩，為電慣量模擬提供反饋數據。

3.1.2? ? 飛輪慣量組

飛輪慣量組為制動試驗臺核心組件，用于機械模擬列車負載。為了和列車質量準確匹配，試驗臺配置了3個飛輪慣量，其中基礎飛輪0為固定飛輪慣量，其余兩個為可切換飛輪，通過不同組合可實現多種慣量模擬。考慮到電機拖動系統可以對電慣量進行正、負等值補償，為充分發揮電機性能，設計飛輪參數如表2所示。

本試驗臺飛輪和軸采用新型結構，飛輪和軸單獨用軸承座支撐，軸穿過空心飛輪，不承擔飛輪重量，只傳遞扭矩。為了精確計算出飛輪的轉動慣量，飛輪及軸采用3D設計。飛輪在高速旋轉過程中將產生很大的離心力，為此對飛輪進行了有限元應力分析，通過優化設計確定了飛輪結構和基本尺寸。飛輪選用高級合金鋼材料鍛制，要求采用精密機床加工，并在各加工工序間進行無損探傷。加工完成后進行動平衡試驗，確保飛輪達到動平衡G2.5級[3]。

為實現慣量的不同組合，本試驗臺采用氣動撥叉離合器，可以實現飛輪慣量和軸的連接和脫開，從而實現不同轉動慣量的調節，滿足不同轉動慣量的試驗要求。撥叉的外齒設計成鼓型齒，避免由于加工和裝配誤差對齒面造成損傷。撥叉連接和脫開位置設有限位開關，以保證撥叉處在試驗要求的正確位置。考慮到常規撥叉與撥叉槽之間存在機械摩擦，這樣撥叉與撥叉槽就成為易損件，更換很麻煩，同時在設備工作時會產生噪聲，因此采用自鎖氣缸，確保離合后撥叉在撥叉槽中間位置，避免和撥叉槽接觸。控制氣缸等動作可實現飛輪離合的自動進行，從而極大地提高工作效率，保障試驗過程符合相關標準的要求。

在剎車制動過程中，可能會發生制動力矩超限的情況，為了保護飛輪軸和系統其他元件，本試驗臺在飛輪箱輸出軸側設置了液壓安全聯軸器。液壓安全聯軸器是一種新型的動力傳動元件，具有結構緊湊、重量輕、轉動慣量小、易于組裝、安全可靠等特點，并且可以很靈活地和其他多種傳動元件聯合使用，如十字萬向聯軸器、鼓型齒聯軸器、撓性聯軸器等，起到連接、固定、限制傳動扭矩和過載保護的作用[4]。

3.1.3? ? 靜摩擦試驗裝置

靜摩擦試驗裝置主要由帶電機的行星減速器、鏈輪、鏈條、傳動軸、軸承座、氣動撥叉離合器等組成。其基本工作原理是：不做靜摩擦試驗時，借助離合器使鏈輪與傳動軸脫開，飛輪組工作時，鏈輪靜止。當進行靜摩擦試驗時，離合器將鏈輪與軸結合，帶電機的行星減速器工作，控制電機的輸出力矩按要求加載，最終帶動鏈輪和軸旋轉，測得的最大力矩即靜摩擦力矩。為減小減速器的速比，降低減速器成本，采用了兩個鏈輪大小配置的結構。另外，為避免誤動作損壞設備，靜摩擦試驗裝置電機與飛輪電機在電氣控制上互鎖。

3.1.4? ? 試驗工位

試驗工位由軸承座、制動框架、試驗工裝和環境模擬系統等組成。其采用上置式制動框架結構，框架上有兩個可移動的橫梁，橫梁的移動通過絲杠完成;制動框架可以繞飛輪軸心線旋轉;制動框架一端裝在飛輪軸端的空心軸上，另一端裝在可沿飛輪軸心線方向前后移動的支座上。制動工裝主要有實車用盤形制動夾鉗、實車用踏面制動器和旋轉渦流制動器，制動工裝安裝在制動框架一側上，制動框架另一側安裝拉壓力傳感器，根據不同的試驗要求，列車車輪達到要求的轉速后，制動工裝對車輪形成制動力矩，此時拉壓力傳感器可實時檢測制動扭矩，完成剎車片某種形式的試驗。

3.2? ? 環境模擬系統

環境模擬系統用來接近真實地模擬列車的運行環境，以驗證在各種工作環境下制動系統的性能。其主要由通風系統和環境控制系統兩部分組成，可模擬包括常溫、氣流、干燥、潮濕、降雨、低溫等氣候條件。

3.3? ? 電氣及測控系統

電氣系統主要實現主電機、靜摩擦驅動電機、環境艙電機、液壓站等控制功能。主電機的控制是整個制動試驗臺的核心，本試驗臺機械慣量由3個飛輪提供，最多可提供4種慣量組合，慣量之間存在級差，無法滿足任意慣量的模擬。電慣量模擬作為基于計算機控制技術發展起來的一門新技術[5]，配合機械慣量可以很好地實現任意慣量的模擬，當車輪減速制動時，電慣量通過控制電機的輸出扭矩，實現列車負載質量模擬，試驗臺在電機輸出軸上安裝有扭矩儀，可實時檢測電機輸出扭矩，并將數據反饋給控制器，控制器比較輸入值和輸出值的差值，動態調整電機扭矩給定值，使電機輸出的扭矩準確達到試驗要求，從而實現電慣量準確模擬，進而消除慣量極差，提高試驗精度，減少機械飛輪組數量。測控系統由各種傳感器，如電機扭矩儀、車輪轉速儀、紅外溫度儀和測控軟件系統等組成[6]，各種傳感器采集的數據不僅形成試驗數據報告，有的傳感器還參與電氣控制，如扭矩儀。

4? ? 應用范圍

制動試驗臺既可完成基礎制動試驗，如停車制動、坡道制動、靜摩擦試驗，還可完成電渦流制動試驗。

4.1? ? 停車制動

停車制動是列車以不同初速度和慣量在制動器作用下直至速度降為零的過程[7]。停車制動試驗主要測試摩擦片的性能和制動距離等。試驗開始時，首先按照模擬的慣量配置飛輪，不足部分通過電慣量模擬，電機啟動使飛輪達到給定的速度，滿足規定的制動條件后，按要求施加閘瓦或閘片加載力，進入制動能量轉化過程，直至速度降為零，一次制動試驗完成。停車制動需要多次重復進行，測試制動系統的可靠性。當一次制動完成后，由于制動完成后車輪溫度很高，可利用行走風模擬系統對車輪進行冷卻，直至車輪溫度滿足下一個制動試驗要求。試驗過程中采集電機轉速、電機輸出扭矩、閘瓦或閘片加載力、機械摩擦制動力矩、各檢測點溫度。

4.2? ? 坡道制動

坡道制動試驗模擬列車在坡道運行時的制動性能。坡道制動試驗可模擬長坡道持續制動，進而測試制動系統性能。坡道制動分為恒加載力制動和恒功率制動兩種模式。恒加載力制動指當飛輪達到試驗要求速度時，按要求施加閘瓦或閘片恒定的力直到速度為零。恒功率制動指當飛輪達到一定速度后，按要求通過控制閘片或閘瓦加載力保持制動力矩恒定，直到規定的時間。試驗過程中主要采集制動系統的溫升和制動力矩數據。

4.3? ? 停放制動（靜摩擦）試驗

停放制動試驗主要測試制動裝置的靜摩擦系數，為設計和計算列車在坡道上的停放制動能力提供依據。試驗時，按要求給車輪施加一定的加載力，然后給靜摩擦電機逐漸增大扭矩，直至車輪和摩擦副產生相對運動。測試系統采集加載力、電機扭矩值，通過計算換算出靜摩擦力。

4.4? ? 電渦流制動試驗

電渦流制動是指通過電磁鐵產生的磁場與鋼軌或旋轉軌道輪產生的磁場相互作用產生制動力[8]。這種制動方式不同于摩擦片制動，為非接觸式制動，具有無機械磨損、無噪聲、無氣味、制動力可控等突出優點，既可用于緊急制動，又可用于常用制動，縮短制動距離，提高行車安全性，并可減少機械制動的磨耗，運行經濟性良好。試驗工裝采用軌道輪模擬鋼軌，用于與軌道輪弧形相配的電磁鐵模擬制動電磁鐵，軌道輪的轉動模擬列車相對鋼軌的直線運動，轉動慣量模擬制動質量。試驗時，當軌道輪達到試驗要求的轉速后，電磁通電勵磁，軌道輪圓盤上感應出電渦流，與制動電磁鐵相互作用，完成制動。試驗可得到電磁制動力矩、電渦流制動器電壓和電流、電渦流制動器的磁極吸力及其軌道輪圓盤的溫度值。

5? ? 結語

國產化1：1制動試驗臺的開發研究，對我國提高高鐵裝備制造業自主創新能力具有重大意義。本文主要介紹了試驗臺主要機械部件結構、制動試驗應用范圍等，對其下一步工程化應用具有一定借鑒意義。

[參考文獻]

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[7] 李和平，李芾.高速列車制動系統[M].成都：西南交通大學出版社，2019.

[8] 張建柏，彭輝水，倪大成，等.高速列車制動技術綜述[J].機車電傳動，2011（4）：1-4.

收稿日期：2021-12-20

作者簡介：陳建峰（1982—），男，陜西人，工程師，研究方向：重型機械。