嚴(yán) 俊

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,湖南株洲,412001)

0 引言

對于鐵路運(yùn)輸來講，列車的運(yùn)行過程中，制動系統(tǒng)起著保證運(yùn)輸安全的重要作用。目前我國SS系列機(jī)車的制動裝置采用獨(dú)立箱式單元制動器，它是以制動器箱體為基礎(chǔ)，將制動缸、制動傳動裝置和閘瓦間隙調(diào)整裝置安裝于箱體內(nèi)部，閘瓦裝置安裝于箱體外側(cè)的一種基礎(chǔ)制動裝置，當(dāng)制動缸充氣時，活塞帶動活塞桿移動，使閘瓦壓在車輪踏面上機(jī)械摩擦產(chǎn)生制動力實(shí)現(xiàn)制動作用；當(dāng)制動缸排氣時，活塞桿在緩解彈簧的推動下，使閘瓦離開車輪踏面而緩解。閘瓦是采用鑄鐵或其他材料制成，頻繁制動，閘瓦磨損嚴(yán)重，需要及時更換，否則會出現(xiàn)制動失靈的事故；制動器的傳動裝置緩解采用彈簧推動，彈簧經(jīng)常使用會發(fā)生機(jī)械疲勞，造成不能緩解到位，致使閘瓦與車輪踏面粘合，處于長時間制動狀態(tài)，如不能及時發(fā)現(xiàn)處理，會使車輪溫度上升，會造成輪箍遲緩，導(dǎo)致翻車事故；輪對橢圓化，車輛系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)嚴(yán)重惡化，其橫向穩(wěn)定性和輪重減載率大大降低，從而減小車輛/軌道系統(tǒng)各部件使用壽命、增大脫軌風(fēng)險。

針對這些情況，設(shè)計(jì)了一種機(jī)車制動工況及輪對橢圓化在線監(jiān)測系統(tǒng)，解決了監(jiān)測制動單元制動、緩解是否正常，閘瓦磨損情況，輪箍磨損情況及橢圓化情況，對確保機(jī)車運(yùn)行安全具有重要意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用了兩個位移傳感器及安裝位置來檢測各參數(shù)，將傳感器機(jī)械變化產(chǎn)生的信號、列車速度及制動信號傳送到中央處理單元來計(jì)算閘瓦的厚度，輪對踏面的磨損程度，輪對橢圓化程度，制動器的緩解到位程度。如果數(shù)據(jù)超過了設(shè)定的參數(shù)，將驅(qū)動聲光報警，提示操作人員。圖1所示為原理框圖。

圖1 在線監(jiān)測原理框圖

本研究采用工控機(jī)作為中央處理部件，專用A/D模塊，拉桿移動式電阻位移傳感器，傳感器的輸出信號為4～20mA的電流信號，該信號傳送距離遠(yuǎn)，不會受機(jī)車運(yùn)行的干擾。

在人機(jī)界面上可根據(jù)安裝情況來設(shè)定傳感器的初始位移，作為制動器緩解到位的初始點(diǎn)，在初始位置時（閘瓦無磨損、制動器緩解到位、輪對踏面無磨損）閘瓦與輪對輪箍踏面的間隙為δ。如果出現(xiàn)緩解控制后，緩解復(fù)位出現(xiàn)位移偏差，如該位移偏差過大（操作人員可根據(jù)行程要求自行設(shè)定），工控機(jī)發(fā)出聲光報警提示駕駛員或檢修人員，緩解不到位，應(yīng)處理故障。

2 制動工況檢測的實(shí)現(xiàn)

2.1 閘瓦與輪對輪箍踏面間隙的檢測及計(jì)算

位移傳感器1的“固定外殼”固定在制動單元的箱體上，位移傳感器的檢測頭固定在閘瓦托桿與閘瓦托的連接軸上，當(dāng)制動器制動時，帶動閘瓦托移動，傳感器1的檢測頭隨之移動。在初始情況下（閘瓦無磨損、制動器緩解到位、輪對踏面無磨損）傳感器1的固定端到檢測頭的固定端的長度為X10，在閘瓦磨損、輪對踏面磨損、制動器緩解到位的情況下，傳感器1的固定端到檢測頭的固定端的長度為X1，制動器緩解復(fù)位后再次制動的起始位置發(fā)生變化，變化量為ΔX10，如圖2所示。用公式（1）可求得：

圖2 閘瓦與輪對輪箍踏面間隙檢測及計(jì)算參數(shù)示意圖

工控機(jī)將列車速度和制動信號讀出，當(dāng)制動器進(jìn)行制動時，列車的速度下降，此時，表示列車產(chǎn)生制動，將對應(yīng)傳感器1的固定端到檢測頭的固定端的長度X2記錄，用公式（2）可得閘瓦與輪對踏面的間隙ΔX1。

2.2 輪對輪箍踏面磨損及輪對橢圓化檢測及計(jì)算

位移傳感器2的“固定外殼” 固定在閘瓦托桿與閘瓦托的連接軸上，位移傳感器2的檢測頭為自恢復(fù)的，即沒有機(jī)械碰撞時，為初始位，固定端到檢測頭的長度為最長，有機(jī)械碰撞時，移動桿回縮，產(chǎn)生位移，如圖3所示。

位移傳感器2的檢測頭在無機(jī)械碰撞的情況下，固定端到檢測頭的長度為X2。當(dāng)制動器緩解時，位移傳感器2的移動桿不與機(jī)車輪對踏面（沒有磨損過的尺寸）接觸，預(yù)留1mm的間隙（間隙可通過固定外殼的安裝改變）。r0為輪對無磨損的半徑，r為輪對磨損后的半徑，Δr為磨損尺寸；L為緩解初始位置到輪對圓心的長度。當(dāng)制動器進(jìn)行制動時，檢測頭向輪對方向移動被輪對踏面擠壓，檢測頭回縮，產(chǎn)生位移ΔX2。輪對輪箍踏面磨損的尺寸為Δr可用以下方程推導(dǎo)得出。

圖3 輪對輪箍踏面磨損檢測及計(jì)算參數(shù)示意圖

通過以上公式可推導(dǎo)出：

該結(jié)果即是輪對踏面的磨損尺寸，通過人機(jī)界面將磨損尺寸大小顯示出來，駕駛員或檢修人員可知道，輪對的磨損情況，以便及時處理。

如果輪對發(fā)生了橢圓化情況，Δr將是一個隨時間變化的函數(shù)Δr（t），即：

2.3 閘瓦磨損的檢測及計(jì)算

閘瓦磨損可通過相應(yīng)的檢測數(shù)據(jù)計(jì)算出來，各數(shù)據(jù)見圖4所示，圖中L1為閘瓦托桿與閘瓦托的連接軸到閘瓦外緣（與輪對輪箍踏面相壓合的位置）。

圖4 閘瓦磨損的檢測及計(jì)算參數(shù)示意圖

閘瓦磨損的厚度Δh通過以下公式推導(dǎo)得出。

通過以上公式可推導(dǎo)出：

以上L、r0、L1、制動器初始緩解位置等參數(shù)通過人機(jī)界面觸摸屏設(shè)定，輸入到工控機(jī)中。

3 輪對橢圓化檢測仿真

對于車輪圓周的不圓順，本文參考了相應(yīng)的文獻(xiàn)[4]，采用一個長波長周期性車輪非圓化計(jì)算方法,建立一個橢圓車輪的數(shù)學(xué)模型,將車輪半徑 視為時間的函數(shù)：

式中， -車輪名義滾動角速度

式（11）、（12）及圖5表示了車輪橢圓化模型，輪對的兩端車輪在橢圓化過程中常常是不對稱的，假設(shè)輪對的兩個車輪在橢圓化過程中是不對稱的，即兩個橢圓相位差為，如圖6所示。

圖5 橢圓狀車輪計(jì)算模型

圖6 輪對橢圓形狀車輪相位角

通過公式（11）、（12）建立數(shù)學(xué)模型，對a、b、Φ分別賦值為624.5、619.5、6o，電力機(jī)車標(biāo)準(zhǔn)車輪半徑為625毫米，機(jī)車運(yùn)行速度為100Km/h，利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真一對輪對的兩個車輪橢圓化程度與Δr（t）的關(guān)系，通過Δr（t）的變化來監(jiān)測車輪的橢圓化程度；仿真圖形如圖7所示。

圖中曲線1、2分別為左、右邊車輪Δr（t）的曲線，曲線中波峰值、波谷值分別代表車輪橢圓化中短軸、長軸與標(biāo)準(zhǔn)車輪的差值，分別為5.5mm和0.5mm。

圖7 MATLAB仿真曲線

在系統(tǒng)工作時，該數(shù)據(jù)將實(shí)時采集到工控機(jī)上并存儲，可作為機(jī)車輪對在線檢測的依據(jù)；將橢圓化程度的最大值、最小值及相位差反映到工控機(jī)的人機(jī)界面上，以提示操作者輪對橢圓化的程度以及兩個輪對的相位偏角，如果達(dá)到設(shè)定的閥值時，將啟動聲光報警。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)的傳感器采用位移傳感器，安裝方便，安裝尺寸要求不嚴(yán)格，減少了安裝的難度，便于量產(chǎn)使用。傳感器將位移轉(zhuǎn)換成電流信號，很好的抑制了線路干擾，通過兩個位移傳感器的信號采集及運(yùn)算，真正檢測到輪對踏面的磨損及輪對橢圓化程度、閘瓦厚度、制動器的緩解狀態(tài)。

這樣可以提示工作人員及時更換輪對，閘瓦，以及檢修制動器，避免了此類故障造成的行車事故。

[1] 李益民,電力機(jī)車制動機(jī)[M].北京:中國鐵道出版社,2008.8.

[2] 張雪珊,肖新標(biāo),金學(xué)松.高速車輪橢圓化對車輛系統(tǒng)行為的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報, 2010,46(16):67-73.

[3] 宋雪臣.傳感器與檢測技術(shù)[M].北京:人民郵電出版社,2009.5.

[4] 張雪珊,肖新標(biāo),金學(xué)松.高速車輪橢圓化問題及其對車輛橫向穩(wěn)定性的影響[J].機(jī)械工程學(xué)報, 2008,44(3):50-56.