机车制动试验台机械结构设计

摘要：传统的机车制动系统的固定设备试验均在简便的试验台上进行。

但这种简单的试验台已不能满足高速铁路下机车提速的发展要求，这是由于简单的试验台不能达到高速的要求，以及惯性对制动性能的限制。

再者它不能提供机车实际运行下所必需的数据。

诸如车轮磨耗、车轮内部损伤、制动盘温度等数据，也无法提供制动闸片和制动盘的磨损情况，所以试验结果往往与实际工况下的结果有一定的不同。

而且传统的试验台大多是针对闸瓦制动，随着盘形制动的出现，以往的试验台已经无法提供盘形制动试验所需的数据，迫切需要新的试验台。

针对这一问题，本文对模拟机车实际工况的制动试验台进行了方案设计，以满足列车高速化以及惯性对制动性能的限制。

本试验台主要有电动机、联轴器、惯性飞轮组系统、支座、制动装置几个主要部分构成。

根据设计的总体方案布局，选取了电动机、联轴器等部件。

重点对试验台的惯性飞轮组进行了设计分析。

试验过程中，由于惯性飞轮的加装会使主轴产生变形，此变形会产生额外的转动惯量梁，从而对试验数据造成干扰，所以对主轴和惯性飞轮组组成的系统进行了刚度分析（即弯曲变形分析），同时用UG软件对试验台进行了三维仿真建模。

并对制动盘利用ANSYS软件进行了制动盘温度分析。

分析及设计的结果表明此试验台能够较好的模拟机车运行下的转动惯量及速度，并且刚度分析也符合标准。

关键词：制动试验台，惯性飞轮组，刚度分析，温度分布1.1国内外研究现状目前，再机车车辆制动方面，针对现场和教学的试验台只是单纯的进行机车车辆制动系统的性能综合试验机单闸性能试验，侧重于制动机检修形试验，没有考虑车辆在实际运行中，轮对速度计轴重对制动的影响。

因此对机车制动试验台的开发，设计具有重要的现实意义。

日本铁路为适应新干线提速尔研制了新型的制动试验台，该试验台包括两台试验台：“制动性能试验台”、“盘形制动试验台”。

“制动性能试验台”可做踏面制动的闸瓦的制动试验、制动盘试验，并能测试轮轨粘着力，此试验台能够适应轻量车辆至机车车辆各种车型的全能试验台。

而“盘形制动试验台”主要是针对高速列车所设计的，因为高速列车采用盘形制动，列车在高速运行下对诸如车轮磨耗、制动盘温度、制动盘闸片磨耗等各种数据要求更高，而且运行时间长，所以设计了专门的“盘形制动试验台”。

日本的这款“制动性能试验台”可以做新干线车辆单车轴重不足65t时，最高转速达3100rpm的试验。

另一台“盘形制动试验台”包括制动盘试验和高速试验。

制动盘试验的最高转速为3000rpm，相当于直径860mm的车轮速度486km/h。

高速试验可将制动盘试验的转速增加到大约2.5倍来转动试件，此外，除了做制动机试验外，日本这款“盘形制动试验台”还可以做高速旋转试验台使用。

例如预计可用于高速集电的受电弓集电靴材料的摩擦试验等[1]。

法国为了适应期高速列车的发展，特别是TGV 列车的高速，也特别研制了新一代铁路制动试验台，该新型试验台是由一个试验台架支撑着电机、轴系和试验轴的最大转速为2900r/min，能够以14000N.m的最大力矩，对初速度为500km/h 的列车实施制动[2]。

我国对制动试验台的研制起步较晚，上世纪80年代到90年代末仍借用国外简易制动试验台进行车辆制动性能的试验。

随着我国高速铁路的迅猛发展，我国客运列车在短短5年的时间内速度由160km/h提速到如今的300km/h，列车在如此高速下的制动所带来的问题也不断凸显。

为满足300km/h及以上的高速列车的制动性能的试验，我国铁道科学院从2008年中期完成530km/h高速1:1制动动力试验台架的调研，2009年完成了整个试验台方案策划及设计工作，2010年完成了试验台整体加工制造，2011年开始安装及调试工作，目前已经完成验收工作并正式投入运用[3]。

该试验台可用于高速动车组合机车车辆基础制动装置的研究性试验、性能试验和可靠性（耐久性）试验。

1.2本论文研究的主要内容本文主要对机车制动试验台机械结构的进行了设计，针对试验台的各个环节的设计过程如下：制动性能试验内容介绍了制动试验内容，主要有磨合试验、平道一次紧急制动试验，平道一次常用制动试验；，下坡道连续制动试验，静摩擦系数试验，可靠性（耐久性）试验等。

试验主要测试参数包括转速，制动初速度和制动终速度，速度变化，制动时间，减速度，闸片压力，制动扭矩，制动力，平均摩擦系数，瞬时摩擦系数等机车制动试验台主要机械结构设计根据机车制动初速度及机车轴重，计算出列车的制动离、制动力矩、车轮转速、列车的制动惯量。

根据列车的制动力矩及车轮转速确定试验台的制动矩和转速，从而推算负载功率，选择合适的电机及联轴器。

根据列车的制动惯量，确定试验台的转动惯量，从而设计符合此转动惯量的惯性飞轮组系统。

主轴的强度分析与主轴及飞轮组组成的系统刚度分析对于主轴的强度，主要分析了主轴与电机联接处及主轴与制动盘联接处；这两处存在最大应力，由于主要承受扭矩作用，故按剪切强度计算。

惯性飞轮组的自重势必会使主轴产生弯曲形变，产生一定的挠度，通过对主轴系统的简化计算主轴在飞轮组自重下的挠度，看此挠度是否符合要求。

ANSYS软件分析制动盘温度分布2.1制动力试验台综述制动力试验台是再现机车实际运行条件下，其单元制动器制动性能的试验台。

这里主要介绍试验台的内容及其工作原理；另外介绍了日本和德国的制动试验台的特点。

制动力试验台内容[3]：磨合试验—让闸片做固定速度的连续循环制动，直至闸片与制动盘的接触面积达80%以上为止。

通过磨合试验可以观察闸片与制动盘接触面是否快速吻合，制动盘温度上升均匀与否，局部是否有高温出现；能够观测每闸的制动时间，求得制动功率，了解制动盘温度与闸片磨损的关系，闸片弹性模量与车轮踏面的温度关系，了解噪声，气味、制动火花等现象及其程度；记录闸片摩擦系数的变化。

平道一次紧急制动试验—模拟机车的紧急制动。

试验最高速度为机车最高速度，对制动盘进行紧急制动，测定其闸片压力大小，制动缸压力大小；记录闸片摩擦系数随速度而变的函数曲线、制动盘和闸片的温度随速度而变的函数曲线、有效制动距离、有效制动时间和磨耗量等。

可以进行低温和常温条件下的对比试验。

平道一次常用制动试验—模拟机车的常用制动。

与上一次试验基本相同，只不过是常用制动罢了。

同样可以进行低温和常温条件下的对比试验。

下坡连续制动试验—模拟机车下坡制动状态。

记录各参数的变化情况。

功率极限试验—实际是求长大下坡道收制动功率限制的制动限速。

静摩擦系数试验—闸片在制动盘静止时加压，然后启动，记录由静止到开始转动瞬间的摩擦系数，即静摩擦系数、2.2制动力试验台的基本原理制动力试验台试验的基本原理利用储能装置，模拟机车制动时的惯性量，而这个惯量通常折算到一个制动单元，储能装置常采用惯性飞轮组；通过电机驱动主轴带动惯性飞轮组转动，从而1:1的模拟机车动能及制动能量的转化过程，实现闸片压力及机车制动摩擦副摩擦损耗性能的制动盘温度变化参数的测定及验证。

2.3日本和法国新型制动力试验台的特点法国的新型铁路制动试验台采用惯性轮作为储能装置。

其特点有两点，它设置了6个轴承座，3组试验用制动盘，可以模拟机车的一台三轴转向架。

试验更加的接近实际情况；但这样的设计使得试验台所需的转动惯量更大，使得试验台成本及占地面积变得更大。

另一个特点是它有一个扭矩计，安装在惯性轮和试验轴之间，这是它的核心装备：此扭矩计测量范围为0—20000N.m,准确度为10N.m，可以双向转动；它负责将主轴扭矩信息传递给试验台的导向装置。

此信息通过轴系和主动轴内的导线来传输，又经过旋转开关，并由光纤传递至控制装置。

试验台的惯性量模拟就是根据这些信息来的，电机总是输出与制动力矩相反的力矩，以便保证执行模拟的速度和惯性指令。

另外还有一个调整到25000N.m 的扭矩限制器。

用于保护轴系，防止出现意外的超限力矩。

日本研制的“制动性能试验台”也是采用惯性飞轮组作为储能装置。

与法国的新型试验台相比较，日本的这款试验台新增了三个功能：一个是它在主轴上加装了一个轨道轮，外面配套的添加了一个横向移动装置，两个配合可以做测试轮轨粘着力，所谓粘着制动，即是吧阻止车轮转动的力传递到钢轨上，其反力及时整个车辆的制动力，作用在钢轨上的力即是粘着力，试验就是要测定这个粘着力的大小与车轮制动的关系；该设备可以强制车轮产生的滑行。

其二试验台还加装了冷水撒水、降雪装置，此装置可以模拟列车在雨雪天气、低温环境下的制动情况。

其三此实验台不仅可以做踏面制动试验，还可以做盘形制动试验，实现了一机多用。

我国在制动力试验台方面起步较晚，但取得的成果显著。

由我国铁道院研制的530km/h1:1动力制动试验台同样是采用惯性飞轮作为储能装置，它有四大特点：首先是它的机械惯量自动匹配功能，试验人员只需要在计算机上输入轮载荷，软件控制系统将会利用试验台独特的机械惯量（包括1个2600kg.m的大惯性飞轮和3个600kg.m的小惯性飞轮）进行自动匹配，如果不足，不足部分系统会利用闭环控制电机产生电模拟惯量（I-SIM）（第二个特点）；它的惯性自动匹配功能是利用控制离合器的动作实现的，通过拨叉带动离合装置移动，实现惯性飞轮与主轴的结合和分离。

第二个是它的电惯量模拟特点，此试验台是把交流电机作为主电机，驱动控制系统利用特殊的控制算法实时控制主电机的转速与转矩，使得电机输出的动力特性与同等机械惯量的动力特性相一致。

从而达到电惯量模拟功能。

第三个特点是它的环境模拟系统，相比于日本试验台的环境模拟装置，我国这款试验台的环境模拟装置更加精细；首先它可以模拟常温、干燥、潮湿/降雨、低温、气流、降雪等气候条件，且这些环境参数均由计算机控制，另外造雪设备可以通过空调设备使空气的温度达到0-50℃，模拟极端条件下列车的制动。

第四个是其数据无线传输的特点，对于旋转试件如制动盘，主轴等的温度、热应力的测量采用无线遥测的方式实现，即把旋转试件上的传感器通过端子盘联接到一个无线发射设备上，这个发射装置安装在主轴上并且和主轴一起转动。

发射装置把传感器得到的信号转化为数字信号，通过无线射频将数字信号发射给无线接收装置，接收装置再将数据传输给计算机；这个系统可以方便的实现旋转件的多个通道的温度和应变测试，方便设备的维修。

2.4本试验台建立思路基于上面三台不同的试验台，可以为本试验台的方案设计拟定一个大概的思路：首先是储能装置，上面三台试验台均是采用惯性飞轮组作为储能装置，惯性飞轮组造价低廉、便于拆装和维修，所以本试验台同样采用惯性飞轮组作为储能装置。

其次为了方便扭矩的监测和控制，个人认为采用扭矩计比较方便，因为本试验台试验的速度并不是太高，所以采用扭矩计方便实惠；扭矩计安装在电机和飞轮组之间。

由于此机车大多在常温下运行，南方降雨较多比较潮湿而降雪较少，所以环境模拟装置不需要模拟低温、降雪等极端天气环境；只需要模拟降雨、潮湿、常温的天气环境即可。