李衛(wèi)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(fā)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(tǒng)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(gòu)成、工作原理、設(shè)計要求、特點進行了分析，以期對試驗臺的設(shè)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(gòu)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(tǒng)、摩擦力矩測量系統(tǒng)等構(gòu)成。

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

工作原理:根據(jù)需要模擬的一節(jié)列車的總質(zhì)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(zhuǎn)軸系在給定的轉(zhuǎn)速下的動能應(yīng)等于列車在相應(yīng)給定的速度和總質(zhì)量下等效在一個車輪或制動盤上的動能，設(shè)定試驗臺運行參數(shù)，隨之按制動要求進行制動過程并實時采集相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)動慣量Jr和試驗程序規(guī)定的轉(zhuǎn)動慣量J不同，必須調(diào)整試驗程序中規(guī)定的制動初始速度v，調(diào)整的原則是速度vk滿足模擬相同能量的要求:

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

(4)根據(jù)平均壓緊力和制動距離計算平均摩擦系數(shù)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(yīng)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(tǒng)相對復(fù)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(gòu)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(fēng)阻之和)、加載系統(tǒng)、摩擦力矩測量系統(tǒng)構(gòu)成。

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

工作原理:根據(jù)需要模擬一節(jié)列車的總質(zhì)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(zhuǎn)軸系在給定的轉(zhuǎn)速下的動能加上電機在制動過程中補償?shù)哪芰繎?yīng)等于列車在相應(yīng)給定的速度和總質(zhì)量下等效在一個車輪或制動盤上的動能，根據(jù)電機能力設(shè)定試驗臺運行參數(shù)，隨之按制動要求進行制動過程并實時采集相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)進行處理、存儲、分析。

在制動過程中，若不考慮系統(tǒng)固有阻力，應(yīng)滿足下式的要求。

式中，TD為電機輸出扭矩;K為系數(shù);Ts為綜合制動力矩。

2．2 電慣量臺特點

(1)電機側(cè)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(fēng)阻的標定(試驗臺系統(tǒng)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(guān)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(tǒng)誤差)以及飛輪的實際轉(zhuǎn)動慣量測定，若無需測定實際轉(zhuǎn)動慣量時，轉(zhuǎn)動慣量采用設(shè)計值(盡量要求對所有回轉(zhuǎn)系的零件進行三維實體設(shè)計，以便得到精確計算的轉(zhuǎn)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(fēng)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(zhuǎn)動慣量與試驗慣量有偏差時，通過電慣量模擬能夠?qū)崿F(xiàn)試驗慣量的精確匹配。通過補償系統(tǒng)固有阻力可以實現(xiàn)更高的試驗精度。

(3)便于優(yōu)化配置電機參數(shù)和飛輪轉(zhuǎn)動慣量，并充分發(fā)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(xiàn)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(zhuǎn)動慣量和能量的計算公式如下:

式中，E列車為一節(jié)列車在速度v時的總動能;E'為折算到一節(jié)列車上的附加動能(“關(guān)門車”的能量);m為一節(jié)列車的質(zhì)量;J'為一節(jié)列車上在列車運行時其回轉(zhuǎn)輪系的總轉(zhuǎn)動慣量;v為列車的運行速度;ω為與v對應(yīng)的車輪角速度;R為車輪的半徑;N為一節(jié)列車的車輪數(shù)或制動盤數(shù);m1為折算到一個車輪或制動盤上的等效質(zhì)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(zhuǎn)動慣量(要求的試驗臺轉(zhuǎn)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?qū)嵭谋P形制動，低速)，制動消耗的能量E剎應(yīng)滿足

理想的試驗應(yīng)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(fēng)阻做的功E阻之和應(yīng)等于E1，即

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

傳統(tǒng)機械臺在制動過程中所受外力有制動力矩、試件的風(fēng)阻、系統(tǒng)固有阻力(飛輪系統(tǒng)的機械摩擦和風(fēng)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(fēng)阻做的功E阻、系統(tǒng)固有阻力做的功E阻1之和應(yīng)等于E1(能量守恒定律)。即

理想狀態(tài)下(沒有風(fēng)阻和機械摩擦)，制動能量應(yīng)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(yīng)設(shè)法排除)和E阻無法在試驗過程中直接測量，根據(jù)經(jīng)驗認為在踏面制動或?qū)嵭谋P形制動以及低速條件下能量關(guān)系應(yīng)滿足式(8)，此時試驗數(shù)據(jù)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(tǒng)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(fēng)盤)制動條件下，考慮到機械摩擦、風(fēng)阻和轉(zhuǎn)速的關(guān)系以及通風(fēng)盤的影響，顯然式(8)無法得到滿足，需要另外考慮試驗數(shù)據(jù)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(tǒng)固有阻力補償)、制動力矩、試件的風(fēng)阻和系統(tǒng)固有阻力(飛輪系統(tǒng)機械摩擦和風(fēng)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(fēng)阻做的功E阻、系統(tǒng)固有阻力做的功E阻1、飛輪的動能E飛輪、E1應(yīng)滿足

理想狀態(tài)下(沒有風(fēng)阻和機械摩擦)，按照試驗要求應(yīng)滿足

由于電慣量模擬臺具備了標定并補償系統(tǒng)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(yīng)得到滿足。實際應(yīng)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(yīng)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(cè)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(jié)論

機械模擬臺本身的系統(tǒng)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(guān)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(shù)據(jù)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(tài))、試驗?zāi)芰?同樣的電機和飛輪慣量條件下)等方面均優(yōu)于機械模擬臺。同時，電慣量模擬臺在設(shè)計時可進行優(yōu)化配置，避免造成不必要的浪費。

隨著技術(shù)的進步，電慣量模擬臺測量技術(shù)、電氣傳動控制技術(shù)日臻成熟，電慣量臺取代傳統(tǒng)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．