專利名稱：一種鐵路牽引機(jī)車整車試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于牽引電機(jī)系統(tǒng)試驗及控制領(lǐng)域，具體涉及一種鐵路牽引機(jī)車整車牽引與制動的試驗裝置，采用飛輪作為主要設(shè)備。

背景技術(shù)：
為了確保鐵路機(jī)車正常安全的運(yùn)行，在機(jī)車經(jīng)過大、中修后均需要進(jìn)行整車測試試驗，我國現(xiàn)有鐵路機(jī)車整車試驗一般采用兩種方式進(jìn)行。
一種是以電機(jī)作為對拖負(fù)載，通過調(diào)節(jié)電機(jī)輸出功率改變機(jī)車負(fù)載進(jìn)行整車試驗；當(dāng)負(fù)載電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時，機(jī)車處于牽引狀態(tài)，通過改變負(fù)載電機(jī)輸出的電功率調(diào)節(jié)機(jī)車牽引功率大小，測量在給定轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速下的牽引特性；當(dāng)負(fù)載電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行時，負(fù)載電機(jī)需由外部電源供電，此時機(jī)車處于電制動狀態(tài)，通過改變制動功率和制動轉(zhuǎn)矩，測試機(jī)車的制動特性。這種方式的特點是，對應(yīng)關(guān)系明顯，結(jié)構(gòu)較為簡單，但也存在明顯的不足。首先無論采用何種形式的電機(jī)作為負(fù)載，其供電容量必須大于機(jī)車牽引功率的總?cè)萘?，以六軸交流傳動電力機(jī)車為例，每個軸的驅(qū)動功率為1600kw，則電機(jī)總?cè)萘啃璐笥?×1600kw＝9600kw，并且電機(jī)的驅(qū)動裝置容量也必須與電機(jī)的容量相對應(yīng)，過大的容量導(dǎo)致整體投入過大；其次，進(jìn)行牽引試驗時，必須提供與電機(jī)配套的電機(jī)負(fù)載，若采用能耗方式，必須具備能耗泄放裝置，若采用電回饋方式，則調(diào)速驅(qū)動裝置必須具備電回饋功能并取得相關(guān)電力配套認(rèn)可，而進(jìn)行制動實驗時還需單獨(dú)配置電源系統(tǒng)；再次，用電負(fù)載模擬慣性負(fù)載，不僅容易造成轉(zhuǎn)速的波動，在低速區(qū)域還存在死區(qū)的問題。因此，對拖方式在試驗過程中，一方面單純用電負(fù)載模擬慣性負(fù)載，不能盡善地模擬列車動態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，連接電網(wǎng)時還會對電網(wǎng)產(chǎn)生沖擊；另一方面由于對電機(jī)、電控、電源的功率等級要求都很高，導(dǎo)致建設(shè)成本、運(yùn)行維護(hù)過高，整套系統(tǒng)對電能的需求較大，牽引時采用能耗方式時還造成功率的浪費(fèi)。
另一種是以電機(jī)為主要機(jī)車負(fù)載，以小慣量飛輪為輔助負(fù)載的方式對機(jī)車整車動態(tài)平衡進(jìn)行檢測試驗。這種試驗方式，依然采用電機(jī)作為主要負(fù)載，其容量需與機(jī)車電機(jī)總?cè)萘肯嘟瑫r采用小慣量飛輪對試驗機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)償，可解決機(jī)車各軸上牽引電機(jī)調(diào)速時引起的轉(zhuǎn)速波動，避免了機(jī)車試驗過程中因各軸的轉(zhuǎn)速差引起的保護(hù)等問題，加強(qiáng)機(jī)車試驗過程中系統(tǒng)的穩(wěn)定性。總體延續(xù)了電機(jī)對拖方式簡單明了的特點，解決電力負(fù)載模擬慣性負(fù)載帶了轉(zhuǎn)速波動等問題，但是由于電機(jī)作為主要負(fù)載，仍然有大功率帶來的問題，存在較大功率的浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型提供一種鐵路牽引機(jī)車整車試驗裝置，解決現(xiàn)有機(jī)車整車試驗裝置存在的能耗問題，特別是機(jī)車制動試驗時需要大量外部能量供應(yīng)的問題；同時更真實地模擬機(jī)車的牽引/制動過程中的慣性負(fù)載特性，使檢測結(jié)果更加真實可靠。
本實用新型的一種鐵路牽引機(jī)車整車試驗裝置，由N套單軸組件組成，每套單軸組件包括依次連接的軌道輪、萬向連軸節(jié)、同步變速箱、扭力傳感器和飛輪，N＝4、6或8，其特征在于 各套單軸組件的同步變速箱，其縱向連接部分為變速部分，通過變速保證各組飛輪運(yùn)行在可滿足負(fù)載特性的高轉(zhuǎn)速下與單軸相連，其變速比同步變速箱橫向連接部分為同步部分，根據(jù)需要采用，N軸間通過該連接確保各單軸組件輸出軸同步誤差滿足試驗要求； 各套單軸組件中，所述飛輪轉(zhuǎn)動慣量J由負(fù)載總動能E和飛輪最高轉(zhuǎn)速ωmax決定 負(fù)載總動能E由機(jī)車最高速度Vmax、牽引重量M決定
所述飛輪最高轉(zhuǎn)速ωmax由機(jī)車最高速度Vmax、機(jī)車輪對的半徑RL和同步變速箱的轉(zhuǎn)速比i限定 ωmax＝i×Vmax/RL， 所述飛輪轉(zhuǎn)動慣量J與飛輪材料密度ρ、半徑R、厚度D的關(guān)系為 所述飛輪的半徑R與飛輪材料比強(qiáng)度σh/ρ的限定關(guān)系為 所述的鐵路牽引機(jī)車整車試驗裝置，其特征在于 所述每套單軸組件中，扭力傳感器和飛輪之間連接有補(bǔ)償電機(jī)，所述補(bǔ)償電機(jī)的功率P2由機(jī)車恒功率P1和飛輪的等效功率P3決定 P2＝P1/N-P3， 所述飛輪的等效功率P3由機(jī)車最高速度Vmax、機(jī)車持續(xù)速度VN、牽引重量M、機(jī)車恒功率運(yùn)行的時間t或距離S決定 本實用新型中，軌道輪的作用是取代鋼軌承受機(jī)車軸重并傳遞牽引力，其外緣形狀與鋼軌頭部相同。軌道輪的直徑D與國內(nèi)電力機(jī)車整體輪直徑相等，D＝1250mm。軌道輪的制造工藝與機(jī)車動輪相同。利用本實用新型進(jìn)行試驗時，機(jī)車置于本實用新型之上，機(jī)車車輪的各軸的車輪壓在對應(yīng)的軌道輪上。
萬向連軸節(jié)作為傳動聯(lián)結(jié)件，一端與軌道輪的輸出端相聯(lián)，另一端與同步變速箱相聯(lián)。
同步變速箱，一方面通過其同步作用，確保本實用新型各單軸組件輸出軸同步誤差滿足試驗要求，提高整車試驗臺檢測的可靠性；另一方面通過其變速作用，調(diào)速保證各組飛輪運(yùn)行在可滿足負(fù)載特性的高轉(zhuǎn)速下。
扭矩傳感器用來檢測本實用新型各單軸組件輸出軸的速度及傳遞的力矩，為試驗控制提供數(shù)據(jù)。
補(bǔ)償電機(jī)可以模擬列車不同的運(yùn)行工況下存在的不同阻力特性。
飛輪作為機(jī)車試驗中的主要慣性負(fù)載，模擬真實運(yùn)行時列車所遇到的負(fù)載特性。
機(jī)車整車試驗最重要的兩大試驗項目是機(jī)車的牽引試驗和制動試驗。機(jī)車牽引特性試驗過程中的控制曲線如圖1所示，橫坐標(biāo)為速度、縱坐標(biāo)為牽引力，圖中標(biāo)記為1N～13N的13條曲線分別代表機(jī)車牽引時的13個擋位(各級間的速度變化值可根據(jù)具體機(jī)車牽引電機(jī)的型號進(jìn)行設(shè)定)。每擋位曲線分為兩個階段，恒牽引力加速階段和恒功率加速階段。在牽引的初期，靜止的飛輪表現(xiàn)出與靜止機(jī)車啟動相應(yīng)的大慣量、高慣性的負(fù)載特性。此時機(jī)車以恒牽引力啟動，相應(yīng)飛輪以恒轉(zhuǎn)矩啟動，轉(zhuǎn)速迅速上升，飛輪達(dá)到持續(xù)轉(zhuǎn)速，即機(jī)車達(dá)到持續(xù)速度。此時的飛輪具備一定轉(zhuǎn)速，其阻力特性D近似飛輪轉(zhuǎn)速ω的二次方關(guān)系，與機(jī)車在線路上運(yùn)行時空氣阻力近似一致，隨速度的上升，阻力呈2次方上升。此時機(jī)車切換到恒功率階段，速度繼續(xù)上升，但是牽引力逐漸下降，牽引轉(zhuǎn)矩隨之下降，并由于阻力隨速度快速上升，所以加速度快速下降，直到飛輪在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行，近似于列車行駛時的惰行，此時牽引力矩很小主要用于克服飛輪空氣阻力和傳動摩擦阻力(類似于牽引力克服機(jī)車阻力)。
機(jī)車制動特性試驗過程中的控制曲線如圖2所示，橫坐標(biāo)為速度、縱坐標(biāo)為牽引力，圖中標(biāo)記為1N～12N的12條曲線分別代表機(jī)車制動時的12個擋位(各級間的速度變化值可根據(jù)具體機(jī)車牽引電機(jī)的型號進(jìn)行設(shè)定)。類似機(jī)車的牽引特性試驗，可采用恒制動力、準(zhǔn)恒速特性控制方式對機(jī)車機(jī)型制動試驗檢測。由于在之前牽引試驗時，飛輪積累了大量的機(jī)械能，此時，可針對機(jī)車的不同制動牽引力將飛輪上的動輪通過機(jī)車上的能量回饋設(shè)備回饋給鐵路電網(wǎng)。
由上述飛輪的負(fù)載特性和機(jī)車牽引電機(jī)牽引/制動試驗可知，飛輪在恒牽引力和恒功率輸出范圍內(nèi)均可良好的反映列車的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性。因此，通過合理的選用飛輪的材料、完善飛輪的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計、保證足夠的轉(zhuǎn)動慣量和最高轉(zhuǎn)速、并滿足在不同工況下飛輪的強(qiáng)度要求。采用飛輪作為儲能設(shè)備的機(jī)車整車試驗裝置可有效地解決機(jī)車電氣制動試驗所需的電能供應(yīng)問題。在機(jī)車牽引試驗過程中，鐵路電網(wǎng)中的電能通過機(jī)車轉(zhuǎn)化為飛輪中的機(jī)械能，在機(jī)車的電氣制動試驗過程中，由飛輪帶動機(jī)車的牽引電機(jī)，通過電制動的方式將其中的大部分機(jī)械能由機(jī)車回饋到鐵路電網(wǎng)中。這種機(jī)車整車試驗裝置，可大大減小試驗過程中電能的消耗，并將極大的提高電能的使用效率，減小運(yùn)行、維護(hù)和管理費(fèi)用。
在機(jī)車的實際線路運(yùn)行過程中，存在上坡和下坡等多種路面情況，且在不同的運(yùn)行工況下還存在不同的阻力特性。例如，機(jī)車爬坡時，機(jī)車輸出的能量不僅給機(jī)車加速，轉(zhuǎn)換為機(jī)車的動能，同時克服重力做功。而飛輪設(shè)計時，是以平地行駛為基準(zhǔn)，按機(jī)車的動能進(jìn)行設(shè)計，無法模擬重力做功部分。所以單一的飛輪對于這些實際的運(yùn)行工況，是無法真實模擬、無法滿足機(jī)車動態(tài)試驗檢測的要求。因此，本實用新型提出利用電機(jī)對試驗機(jī)組進(jìn)行補(bǔ)償，并且根據(jù)給定的特性要求對電機(jī)進(jìn)行設(shè)計、選型和控制。補(bǔ)償電機(jī)可針對不同的路面情況和不同的阻力特性，在對其分析和建模的基礎(chǔ)上，將此類工況真實模擬并反饋到整車試驗中。
本實用新型可真實模擬列車的負(fù)載特性，可完成機(jī)車的牽引特性和制動特性等試驗，并將牽引特性試驗過程中的電能通過飛輪存儲起來，在制動特性試驗中，經(jīng)制動裝置回饋到路網(wǎng)，實現(xiàn)能量地高效利用。通過補(bǔ)償電機(jī)的補(bǔ)償作用，真實的模擬線路運(yùn)行過程中的多種路面情況和不同工況下的阻力特性，使得機(jī)車整車試驗臺的檢測結(jié)果更加真實可靠。

圖1.機(jī)車牽引特性控制曲線； 圖2.機(jī)車制動特性控制曲線； 圖3.單軸獨(dú)立飛輪形式機(jī)構(gòu)示意圖； 圖4.單軸補(bǔ)償電機(jī)與飛輪串聯(lián)形式結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5.六軸交流傳動電力機(jī)車整車試驗裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖中標(biāo)記軌道輪1、萬向連軸節(jié)2、同步變速箱3、扭力傳感器4、補(bǔ)償電機(jī)5、飛輪6、電控柜7、發(fā)電機(jī)勵磁電源8、電阻柜9。
具體實施方式
圖3所示為本實用新型的一個單軸組件實施例，單軸組件由軌道輪1、萬向連軸節(jié)2、同步變速箱3、扭力傳感器4、飛輪6順序相連組成。
下面對單軸組件上連接的飛輪6進(jìn)行尺寸設(shè)計。假設(shè)機(jī)車的持續(xù)運(yùn)行速度為65km/h，最高速度為120km/h，單軸牽引電機(jī)功率為1600kw，單軸牽引電機(jī)所分擔(dān)的列車牽引負(fù)載質(zhì)量為1000T，設(shè)最高速度對應(yīng)的飛輪最高轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，則相同傳動比下持續(xù)速度的轉(zhuǎn)速約為1600轉(zhuǎn)/分。按公式計算飛輪慣量約為11270kg·m2/s2。若采用密度ρ＝7.85×103kg/m3，拉伸強(qiáng)度為σh＝1200MPa，比強(qiáng)度σh/ρ＝1.529×105Pa/(kg/m3)的高強(qiáng)度鋼為材料時，飛輪采用實心圓盤結(jié)構(gòu)，則轉(zhuǎn)動慣量J與其質(zhì)量為m、半徑為R、厚度為D的關(guān)系取半徑R＝1m(該參數(shù)可根據(jù)具體情況選取)，則厚度D＝0.915m，相應(yīng)質(zhì)量m＝πρR2D＝22540(kg)。
按限定公式進(jìn)行驗算 滿足強(qiáng)度要求。
當(dāng)飛輪模擬的列車負(fù)載質(zhì)量增加或列車運(yùn)行的最高速度增加時，在飛輪最高轉(zhuǎn)速不變的情況下，相應(yīng)的單軸組件上的飛輪轉(zhuǎn)動慣量體積將增加，當(dāng)單個飛輪單元的體積或者單一尺寸無法滿足試驗要求時，可在總慣量不變的情況下，將單個飛輪單位拆分成多個飛輪單元串聯(lián)的形式。
本實施例中萬向連軸節(jié)2、同步變速箱3、扭力傳感器4的轉(zhuǎn)速范圍由給定機(jī)車的最高速度計算，其對應(yīng)最大轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，轉(zhuǎn)速范圍乘以1.5倍余量，范圍為0～4500轉(zhuǎn)/分。
本實施例中萬向連軸節(jié)2、同步變速箱3、扭力傳感器4的轉(zhuǎn)矩范圍由給定機(jī)車的最大功率和對應(yīng)持續(xù)速度計算，最大轉(zhuǎn)矩531KN，轉(zhuǎn)矩范圍乘以1.5倍余量，范圍為0～800KN。
圖5所示為本實用新型另一個單軸組件實施例，在圖4所示第一個實施例基礎(chǔ)上，增加補(bǔ)償電機(jī)，每套單軸組件由軌道輪1、萬向連軸節(jié)2、同步變速箱3、扭力傳感器4、補(bǔ)償電機(jī)5、飛輪6順序相連組成。機(jī)車參數(shù)設(shè)定同上例一致。
加入補(bǔ)償電機(jī)可模擬列車上坡及穩(wěn)定運(yùn)行時的阻力特性。以實驗要求模擬上坡，恒功率行駛10km(速度從65km/h升到120km/h)為例計算補(bǔ)償電機(jī)的功率。
補(bǔ)償電機(jī)的功率P2由機(jī)車恒功率P1和飛輪等效功率P3決定 P2＝P1/N-P3； 飛輪等效功率P3為 機(jī)車最大恒功率功率P1＝9600(KW)， 補(bǔ)償電機(jī)的最大功率P2為 P2＝P1/N-P3＝1600-1040＝560(KW)， 所以選擇額定功率600kw、額定轉(zhuǎn)速3000轉(zhuǎn)/分的補(bǔ)償電機(jī)5即可滿足要求，對應(yīng)選擇相關(guān)控柜7、勵磁電源8、電阻箱9。
圖6所示為本實用新型用于六軸交流電力機(jī)車整車試驗臺，該結(jié)構(gòu)采用6套如圖5所示的單軸組件，每套單軸組件包括軌道輪1、萬向連軸節(jié)2、同步變速箱3、扭力傳感器4、補(bǔ)償電機(jī)5、飛輪6；各部件串行連接，結(jié)構(gòu)簡單，便于安裝、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)。該裝置的其他部分，如電控柜7、勵磁電源8、電阻箱9等主要用于對補(bǔ)償電機(jī)5的控制。
整個試驗裝置的工作過程如下，在機(jī)車低速牽引試驗區(qū)間，由于補(bǔ)償電機(jī)的勵磁電流的限制，不能對補(bǔ)償電機(jī)的輸出功率做到良好的調(diào)節(jié)；而飛輪與軌道輪之間屬于硬鏈接，主要依靠飛輪的負(fù)載特性，保證機(jī)車近似于恒牽引力運(yùn)行；待機(jī)車速度上升后，通過補(bǔ)償電機(jī)輸出功率的調(diào)節(jié)作用，保證機(jī)車在恒牽引力的作用下穩(wěn)定加速運(yùn)行。當(dāng)機(jī)車加速到某一速度后，機(jī)車的牽引力將無法保持恒定，此時進(jìn)入機(jī)車恒功率牽引試驗區(qū)間，我們依然可以通過對補(bǔ)償發(fā)電機(jī)輸出功率的控制，保證機(jī)車在恒功率牽引作用下逐漸加速，直至完成整個牽引檢測試驗。在機(jī)車的制動試驗過程中，啟動機(jī)車的電制動反饋裝置，將飛輪儲存的機(jī)械能通過同步變速箱和軌道輪的傳遞，依靠電制動反饋裝置，轉(zhuǎn)化為電能反饋回鐵路電網(wǎng)，并在這一過程中同時完成對機(jī)車制動特性的檢測試驗；制動時間將與牽引最大整備重量有關(guān)，制動功率與制動時間、制動扭矩及牽引最大整備重量有關(guān)。采用該結(jié)構(gòu)的整車試驗裝置，飛輪主要模擬列車負(fù)載及列車下坡時的切向力特性；補(bǔ)償發(fā)電機(jī)主要用于模擬列車上坡及在加速、減速、穩(wěn)定運(yùn)行時的阻力特性。
權(quán)利要求1.一種鐵路牽引機(jī)車整車試驗裝置，由N套單軸組件組成，每套單軸組件包括依次連接的軌道輪、萬向連軸節(jié)、同步變速箱、扭力傳感器和飛輪，N＝4、6或8，其特征在于
各套單軸組件的同步變速箱，其縱向連接部分為變速部分，通過變速保證各組飛輪運(yùn)行在可滿足負(fù)載特性的高轉(zhuǎn)速下與單軸相連，其變速比同步變速箱橫向連接部分為同步部分，根據(jù)需要采用，N軸間通過該連接確保各單軸組件輸出軸同步誤差滿足試驗要求；
各套單軸組件中，所述飛輪轉(zhuǎn)動慣量J由負(fù)載總動能E和飛輪最高轉(zhuǎn)速ωmax決定
負(fù)載總動能E由機(jī)車最高速度Vmax、牽引重量M決定
所述飛輪最高轉(zhuǎn)速ωmax由機(jī)車最高速度Vmax、機(jī)車輪對的半徑RL和同步變速箱的轉(zhuǎn)速比i限定
ωmax＝i×Vmax/RL，
所述飛輪轉(zhuǎn)動慣量J與飛輪材料密度ρ、半徑R、厚度D的關(guān)系為
所述飛輪的半徑R與飛輪材料比強(qiáng)度σh/ρ的限定關(guān)系為
2.如權(quán)利要求1所述的鐵路牽引機(jī)車整車試驗裝置，其特征在于
所述每套單軸組件中，扭力傳感器和飛輪之間連接有補(bǔ)償電機(jī)，所述補(bǔ)償電機(jī)的功率P2由機(jī)車恒功率P1和飛輪的等效功率P3決定
P2＝P1/N-P3，
所述飛輪的等效功率P3由機(jī)車最高速度Vmax、機(jī)車持續(xù)速度VN、牽引重量M、機(jī)車恒功率運(yùn)行的時間t或距離S決定
專利摘要一種鐵路牽引機(jī)車整車試驗裝置，屬于牽引電機(jī)系統(tǒng)試驗及控制領(lǐng)域，解決現(xiàn)有機(jī)車整車試驗裝置存在的牽引與制動問題，真實地模擬機(jī)車牽引/制動過程中的負(fù)載特性。本實用新型由N套單軸組件組成，每套單軸組件包括依次連接的軌道輪、萬向連軸節(jié)、同步變速箱、扭力傳感器和飛輪，N＝4、6或8；每套單軸組件中，扭力傳感器和飛輪之間可以連接有補(bǔ)償電機(jī)。本實用新型可真實模擬列車的負(fù)載特性，可完成機(jī)車的牽引特性和制動特性等試驗，并將牽引特性試驗過程中的電能通過飛輪存儲起來，在制動特性試驗中，經(jīng)制動裝置回饋到路網(wǎng)，實現(xiàn)能量地高效利用?？刂蒲a(bǔ)償發(fā)電機(jī)可以模擬列車上、下坡及穩(wěn)定運(yùn)行時的阻力等特性，使檢測結(jié)果更加真實可靠。
文檔編號G01M17/08GK201548412SQ200920268598
公開日2010年8月11日 申請日期2009年10月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月27日
發(fā)明者韋忠朝, 嚴(yán)志橋, 黃迪 申請人:華中科技大學(xué)