CN101975670A - 铁路轮对制动特性模拟装置 - Google Patents
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Abstract
一种铁路轮对制动特性模拟装置，其包括：固定单元，与地基固连，为***提供连接基础；动力传动与检测单元，为主动轮提供动力驱动，并检测主动轮的转速变化；轮对与转动检测单元，检测轮对转速变化；载荷调整单元，对轮对加载垂向力，并检测垂向力的大小；制动及检测单元，对轮对加载制动，并检测制动力的大小；其中动力传动与检测单元、轮对与转动检测单元和制动及检测单元分别安装于固定单元上，载荷调整单元安装于轮对与转动检测单元上。本发明的装置通过制动单元实施多级制动功能；通过载荷调整单元设定多级载荷以模拟轴重变化；通过伺服电机实现主动轮转速调整；通过改变主动轮与轮对接触表面工况调整粘着。
Description
技术领域
本发明属于测试与控制技术领域，涉及一种铁路轮对制动特性模拟装置，用于模拟和研究铁路轮对在制动过程中呈现的制动力、粘着、滑行、制动距离等相关特性。
背景技术
《国家中长期科学和技术发展规划纲要》(2006-2020年)，已将高速轨道交通***、高效运输技术装备列入了优先主题，并提出了“重点研究开发高速轨道交通控制和调速***、车辆制造、线路建设和***集成等关键技术，形成***成套技术，开展工程化运行试验，掌握运行控制、线路建设和***集成技术”。随着中国高速铁路和客运专线的快速发展，高速轮轨动车组将成为我国高速运输的主流交通工具。
随着我国列车速度的不断提高，研究和掌握高速列车关键技术已逐渐成为相关研究生产单位的主要任务之一，其中研究铁路轮对在高速运动情况下的制动特性越来越受重视。
发明内容
本发明的目的是针对铁路轮对在制动过程中呈现的各种特性，提供一种铁路轮对制动特性模拟装置。
通过该***能够：(1)测量轮对在不同运动速度，不同载荷、不同制动工况情况下的制动力大小；(2)能够模拟轮对的整个制动过程，包括常用制动、阶段制动以及紧急制动；(3)能够研究在不同载荷、各种制动状况下的滑行实验，即最大制动力/最高转速间的关系。
为达到以上目的，本发明所采用的解决方案是：
一种铁路轮对制动特性模拟装置，其包括：
固定单元，与地基固连，为***提供连接基础；
动力传动与检测单元，为主动轮提供动力驱动，并检测主动轮的转速变化；
轮对与转动检测单元，检测轮对转速变化；
载荷调整单元，对轮对加载垂向力，并检测垂向力的大小；
制动及检测单元，对轮对加载制动，并检测制动力的大小；
其中动力传动与检测单元、轮对与转动检测单元和制动及检测单元分别安装于固定单元上，载荷调整单元安装于轮对与转动检测单元上。
所述固定单元为固定架；
所述动力传动与检测单元包括主动轮、伺服电机、伺服电机联轴器、主动轮编码器和主动轮编码器联轴器，主动轮通过轴承与固定架相连，主动轮的一端通过伺服电机连轴器与伺服电机相连，主动的另一端通过主动轮编码器连轴器与主动轮编码器相连；
所述轮对与转动检测单元包括轮对、轮对编码器和轮对编码器联轴器，轮对与主动轮接触连接，轮对的轴线与主动轮的轴线平行，并且在一个垂直面上，轮对的一端通过轮对编码器连轴器与轮对编码器相连。轮对的轴线位置可通过制动力检测传感器、挡块以及滑动副微调保证。载荷调整单元产生的垂向力及轮对的重量共同作用在主动轮上。轮对的转动是通过主动轮与轮对之间的接触摩擦力实现的。
所述载荷调整单元包括载荷调整机构、载荷调整弹簧、弹簧支撑架和载荷力检测传感器，弹簧支撑架与固定架固连，载荷调整弹簧上下两端分别与弹簧支撑架和载荷调整机构相连，载荷力传感器安装在轮对的轴端顶部与载荷调整机构当中；
所述制动及检测单元包括电磁制动装置、固定套筒、滑动副和制动力传感器，电磁制动装置安装于轮对中央部位，其一端与固定架固连，另一端对轮对实施制动作用；固定套筒通过连接件安装于固定架上；滑动副外侧与固定套筒一端接触，内侧可沿制动力检测传感器的轴线方向移动，轮对的轴承可在滑动副上左右移动；制动力传感器固定在固定套筒上，其端部与轮对轴承接触，且与轴承挡块一起调整轮对轴承的左右位置。
所述载荷调整单元为两组，分别对称安装于轮对的轴的两端。
所述制动及检测单元中电磁制动装置为一组，制动力检测为两组，分别对称安装于固定架两侧。
所述动力传动与检测单元还包括伺服电机支撑架、主动轮编码器支撑架，分别作为伺服电机和主动轮编码器的支撑平台，其各自锁固于固定架上；
所述轮对与检测单元还包括轮对编码器支撑架，作为轮对编码器的支撑平台，其锁固于固定架上。
其还设有电控***对其进行控制处理，其包括工业控制计算机、人机界面、控制算法、多路AD/DA卡、计数卡、精密电机驱动卡、数据处理、显示打印装置和环境监测传感器，其中：工业控制计算机作为整个***控制中央，实现人机对话，控制实施、运算打印功能；AD/DA卡对***中的传感器信号进行实时采集、滤波、放大、存储；计数卡则通过工业控制计算机对编码器进行采集、记录与判断；精密电机驱动卡则根据工业控制计算机信号对伺服电机实施控制；环境监测传感器记录***工作的环境参数，用以对***进行标定、补偿。
本发明的***由固定架、伺服电机带动的主动轮、轮对、2个测速编码器、电磁制动单元、载荷调整单元、制动力检测单元、以及实现过程控制、信号采集、数据处理和环境温度补偿的电控***组成。
其连接方式为：固定架与地基固定连接，用于支撑和连接伺服电机带动的主动轮、轮对、2个测速编码器、电磁制动单元、载荷调整单元、制动力检测单元等。主动轮两端通过轴承与固定架相连。伺服电机通过连轴器与主动轮的轮轴一端连接，伺服电机对主动轮进行驱动。编码器通过连轴器与主动轮另一端的轮轴连接，用以测量主动轮转速。带有制动盘的轮对两端通过滑动副与固定架相连。编码器通过连轴器与轮对的轮轴一端连接，用以测量轮对转速。制动力检测单元由制动力传感器和固定套筒组成，并固定安装在固定架上，用以测量因制动产生的轮对两端的制动力大小。制动单元固定安装在固定架上，由电磁制动部件及夹钳组成，制动单元带电工作，带动夹钳作用于制动盘上对轮对实施制动。载荷调整单元分别安装在轮对两侧，上下两端分别通过载荷调整杆和弹簧支架与固定架连接，通过载荷调整杆可对轮对载荷进行调整。电控***包括电源***、计数卡、AD/DA卡、电机驱动卡、环境监测传感器及工业控制计算机等组成。伺服电机通过电机驱动器与工业控制计算机相连，2个编码器信号与计数卡相连，压力传感器信号及电磁制动装置的控制由AD/DA卡通过工业控制计算机控制实现。
本发明的工作原理：(1)测量轮对在不同运动速度、不同载荷、不同制动工况情况下的制动力大小：***通过工业控制计算机进行初始化：即对2个编码器、压力传感器、环境监测传感器以及载荷调整装置初始化。控制伺服电机驱动使轮对转速达到一定转速，通过工业控制计算机采集制动力检测传感器读数并作记录，然后控制电磁制动装置实施制动，同时控制伺服电机空转，记录制动力检测传感器读数变化，通过补偿计算相应制定力。同样，改变轮对转速、初始载荷、制动装置加紧力等参数可以得到不同工况情况下的制动力变化；(2)模拟轮对的制动过程原理：***通过工业控制计算机进行初始化，即对2个编码器、压力传感器、环境监测传感器以及载荷调整装置初始化。控制伺服电机驱动使轮对转速达到设定转速，通过工业控制计算机采集制动力检测传感器读数并作记录，然后控制电磁制动装置实施制动，实时检测制动力压力传感器读数变化，通过补偿、计算，得出伺服电机的控制信号。通过工业控制计算机控制伺服电机转速直至停止转动。整个过程记录制定力的变化、2个编码器读数，进而分析制定距离等参数特性。(3)在不同载荷、各种制动状况下的滑行实验，即最大制动力/最高转速间的关系工作原理：***通过工业控制计算机进行初始化，即对2个编码器、压力传感器、环境监测传感器以及载荷调整装置初始化。通过载荷调整装置设定一定的载荷，控制电磁制动装置实施一定的制动，启动伺服电机驱动使轮对转动，监控2个编码器读数变化，当变化达到一定范围时，控制伺服电机空转。记录整个过程的制动力等参数。通过工业控制计算机进行补偿、计算滑行状态相关参数。同样，改变初始载荷、制动装置加紧力等参数可以得到不同工况下的滑行状态参数。
由于采用了上述方案，本发明具有以下特点：1、本发明可以对铁路轮对制动过程的复杂因素进行单一因素进行模拟试验，大大降低了在线试验成本与周期；2、基于工业控制计算机实时控制，通过相应的算法实现各类工况模拟，为开发制定***提供参考与依据；3、采用模块化设计思想，使各影响参数调整快捷、方便，***性价比高；4、***设计简单、紧凑，维护与完善方便。
附图说明
图1是本发明***总体结构图。
图2是本发明图1的A向视图。
图3是本发明图2的B处局部放大图。
图1、图2、图3中，主动轮1、固定架2、伺服电机支撑架3、伺服电机4、伺服电机连轴器5、载荷调整弹簧支架6、载荷调整弹簧7、载荷调整机构8、载荷压力传感器9、轮对10、电磁制动装置11、轮对编码器12、轮对编码器连轴器13、轮对编码器支撑架14、主动轮编码器连轴器15、主动轮编码器16、主动轮编码器支撑架17、滑动副18、固定套筒19、制动力检测传感器20、连接螺栓21、轮对轴承挡块22。
图4是本发明电控***框图。
具体实施方式
以下结合附图所示实施例对本发明作进一步的说明。
本发明铁路轮对制定特性试验***的总体结构如图1、图2所示。本发明***由固定单元、动力传动与检测单元、轮对与转动检测单元、载荷调整单元、制动及检测单元组成。其中：固定单元由固定架2与地基固定连接，为整个***提供连接基础。动力传动与检测单元由主动轮1、伺服电机支撑架3、伺服电机4、伺服电机连轴器5、主动轮编码器连轴器15、主动轮编码器16、主动轮编码器支撑架17组成。轮对与转动检测单元由轮对10、编码器12、编码器连轴器13、编码器支撑架14组成。载荷调整单元由弹簧支撑架6、载荷调整弹簧7、载荷调整机构8、载荷力检测传感器9组成。制动及检测单元由电磁制动装置11、滑动副18、固定套筒19、制动力检测传感器20、连接螺栓21、轮对轴承挡块22组成。
固定架2与地基连接，为整个***提供连接基础。伺服电机支撑架3与固定架2相连，作为伺服电机4的支撑平台。主动轮1通过轴承与固定架相连，可以绕轴线转动，主动轮1的轴右端通过伺服电机连轴器5与伺服电机4相连，通过伺服电机4的驱动带动主动轮1的转动。主动轮1的轴的左端通过编码器连轴器15与编码器16相连。编码器16与编码器支撑架17固定连接，编码器16用来检测主动轮1的转动情况。编码器支撑架17与固定架1固定连接。轮对10与主动轮1接触连接，轮对10的轴线与主动轮的轴线平行、且在同一个垂直面上。轮对10轴端两侧分别安装有载荷调整单元，其中一端在载荷调整单元外侧通过编码器连轴器13与编码器12相连，编码器12与编码器固定架14固定连接，编码器12用来检测轮对10的转速。轮对10的轴承可在滑动副18上左、右运动，滑动副18不承担轮对10的重量及载荷调整单位产生的垂向力。轮对10的轴承的左、右位置通过轮对轴承挡块22及制动力检测传感器20调整固定，即通过调整轮对轴承挡块22及制动力检测传感器20的位置来调节轮对10的左右位置。载荷调整单元对称安装在轮对10的轴的两端，弹簧支撑架5与固定架2固定连接，载荷调整弹簧7上下两端分别与弹簧支撑架5和载荷调整机构8相连，通过调整载荷调整机构8使载荷调整弹簧7的长度变化，以实现载荷变化的目的。两个载荷力传感器9分别安装在轮对10的轴的两端顶部与载荷调整机构8当中，用来测量因载荷变化引起的轮对10的轴两端的载荷力大小。制动装置11则安装在轮对10的中央部位，电磁制动装置11一端与固定架2固定连接，另一端通过夹钳对轮对10实施制动作用。固定套筒19通过连接螺栓21安装在固定架2上，滑动副18外侧与固定套筒19一端接触，滑动副18的内侧可以沿制动力检测传感器20的轴线方向移动。制动力传感器20固定安装在固定套筒19上，制动力传感器20的端部与轮对轴承接触。滑动副18、固定套筒19、制动力传感器20、连接螺栓21、轮对轴承挡块22共计2套分别对称安装在固定架2两侧。
本发明的铁路轮对制动特性试验***的试验过程如下：***通过工业控制计算机进行初始化，即对编码器12、编码器16、载荷力检测传感器9、制动力检测传感器20进行初始化。调整载荷调整机构8使载荷调整至设定方式，然后控制伺服电机4驱动使轮对10转动，通过工业控制计算机采集制动力检测传感器20、编码器12、编码器16、以及载荷力检测传感器9的读数并进行运算。
本发明装置可进行的试验有：
(1)制动力试验：通过工业控制计算机控制电磁制动装置11实施制动。记录并分析2个制动力检测传感器20的读数。改变轮对转速、初始载荷、制动装置加紧力等参数可以得到不同工况情况下的制动力变化。
(2)制动过程模拟：通过工业控制计算机控制电磁制动装置11实施制动。工业控制计算机将根据制动力检测传感器20、载荷力检测传感器9、编码器12、编码器16读数，根据设定算法控制伺服电机4的转速，进而模拟制动过程。同样，改变轮对转速、初始载荷、制动装置加紧力等参数可以模拟不同工况情况下的制动过程。
(3)滑行试验：通过工业控制计算机控制电磁制动装置11实施制动。工业控制计算机将根据制动力检测传感器20、载荷力检测传感器9、编码器12、编码器16读数，根据设定算法控制伺服电机4的转速至主动轮1与轮对10发生滑行。记录相关数据并进行分析，同样，改变初始载荷、制动装置加紧力、主动轮1与轮对10接触表面情况，可以得到不同工况情况下的滑行特性。
图4为本发明整个***的电控框图。电控***由工业控制计算机、人机界面、控制算法、多路AD/DA卡、计数卡、精密电机驱动卡、数据处理、显示打印装置、环境监测传感器组成。其中：工业控制计算机作为整个***控制中央，实现人机对话，控制实施、运算打印等功能。AD/DA卡对***4路力传感器信号进行实时采集、滤波、放大、存储等。计数卡则通过工业控制计算机对2个编码器进行采集、记录与判断。精密电机控制卡则根据工业控制计算机信号对伺服电机实施控制。环境监测传感器记录***工作的环境参数，用以对***进行标定、补偿等。***工作完成后，工业控制计算机将按照有关要求显示和打印实验结果，全部数据以文件的形式进行存储。
本发明的装置通过制动单元实施多级制动功能；通过载荷调整单元设定多级载荷以模拟轴重变化；通过伺服电机实现主动轮转速调整；通过改变主动轮与轮对接触表面工况调整粘着。最终实现铁路轮对制动过程不同工况下的制动力检测与分析、制动过程模拟、制动滑行特性分析。
上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种铁路轮对制动特性模拟装置，其特征在于：其包括：
固定单元，与地基固连，为***提供连接基础；
动力传动与检测单元，为主动轮提供动力驱动，并检测主动轮的转速变化；
轮对与转动检测单元，检测轮对转速变化；
载荷调整单元，对轮对加载垂向力，并检测垂向力的大小；
制动及检测单元，对轮对加载制动，并检测制动力的大小；
其中动力传动与检测单元、轮对与转动检测单元和制动及检测单元分别安装于固定单元上，载荷调整单元安装于轮对与转动检测单元上。
2.如权利要求1所述的铁路轮对制动特性模拟装置，其特征在于：
所述固定单元为固定架；
所述动力传动与检测单元包括主动轮、伺服电机、伺服电机联轴器、主动轮编码器和主动轮编码器联轴器，主动轮通过轴承与固定架相连，主动轮的一端通过伺服电机连轴器与伺服电机相连，主动的另一端通过主动轮编码器连轴器与主动轮编码器相连；
所述轮对与转动检测单元包括轮对、轮对编码器和轮对编码器联轴器，轮对与主动轮接触连接，轮对的轴线与主动轮的轴线平行，并且在一个垂直面上，轮对的一端通过轮对编码器连轴器与轮对编码器相连。
所述载荷调整单元包括载荷调整机构、载荷调整弹簧、弹簧支撑架和载荷力检测传感器，弹簧支撑架与固定架固连，载荷调整弹簧上下两端分别与弹簧支撑架和载荷调整机构相连，载荷力传感器安装在轮对的轴端顶部与载荷调整机构当中；
所述制动及检测单元包括电磁制动装置、固定套筒、滑动副和制动力传感器，电磁制动装置安装于轮对中央部位，其一端与固定架固连，另一端对轮对实施制动作用；固定套筒通过连接件安装于固定架上；滑动副外侧与固定套筒一端接触，内侧可沿制动力检测传感器的轴线方向移动，轮对的轴承可在滑动副上左右移动；制动力传感器固定在固定套筒上，其端部与轮对轴承接触。
3.如权利要求2所述的铁路轮对制动特性模拟装置，其特征在于：所述载荷调整单元为两组，分别对称安装于轮对的轴的两端。
4.如权利要求2所述的铁路轮对制动特性模拟装置，其特征在于：所述制动及检测单元中电磁制动装置为一组，制动力检测为两组，分别对称安装于固定架两侧。
5.如权利要求2所述的铁路轮对制动特性模拟装置，其特征在于：所述动力传动与检测单元还包括伺服电机支撑架、主动轮编码器支撑架，分别作为伺服电机和主动轮编码器的支撑平台，其各自锁固于固定架上；所述轮对与检测单元还包括轮对编码器支撑架，作为轮对编码器的支撑平台，其锁固于固定架上。
6.如权利要求1-5任一项所述的铁路轮对制动特性模拟装置，其特征在于：其还设有电控***对其进行控制处理，其包括工业控制计算机、人机界面、控制算法、多路AD/DA卡、计数卡、精密电机驱动卡、数据处理、显示打印装置和环境监测传感器，其中：工业控制计算机作为整个***控制中央，实现人机对话，控制实施、运算打印功能；AD/DA卡对***中的传感器信号进行实时采集、滤波、放大、存储；计数卡则通过工业控制计算机对编码器进行采集、记录与判断；精密电机驱动卡则根据工业控制计算机信号对伺服电机实施控制；环境监测传感器记录***工作的环境参数，用以对***进行标定、补偿。
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