一種鐵路牽引機車整車試驗裝置的製作方法

2023-04-24 00:22:26 1

專利名稱：一種鐵路牽引機車整車試驗裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於牽引電機系統試驗及控制領域，具體涉及一種鐵路牽引機車整車牽引與制動的試驗裝置，採用飛輪作為主要設備。

背景技術：
為了確保鐵路機車正常安全的運行，在機車經過大、中修後均需要進行整車測試試驗，我國現有鐵路機車整車試驗一般採用兩種方式進行。
一種是以電機作為對拖負載，通過調節電機輸出功率改變機車負載進行整車試驗；當負載電機作為發電機運行時，機車處於牽引狀態，通過改變負載電機輸出的電功率調節機車牽引功率大小，測量在給定轉矩和轉速下的牽引特性；當負載電機作為電動機運行時，負載電機需由外部電源供電，此時機車處於電制動狀態，通過改變制動功率和制動轉矩，測試機車的制動特性。這種方式的特點是，對應關係明顯，結構較為簡單，但也存在明顯的不足。首先無論採用何種形式的電機作為負載，其供電容量必須大於機車牽引功率的總容量，以六軸交流傳動電力機車為例，每個軸的驅動功率為1600kw，則電機總容量需大於6×1600kw＝9600kw，並且電機的驅動裝置容量也必須與電機的容量相對應，過大的容量導致整體投入過大；其次，進行牽引試驗時，必須提供與電機配套的電機負載，若採用能耗方式，必須具備能耗洩放裝置，若採用電回饋方式，則調速驅動裝置必須具備電回饋功能並取得相關電力配套認可，而進行制動實驗時還需單獨配置電源系統；再次，用電負載模擬慣性負載，不僅容易造成轉速的波動，在低速區域還存在死區的問題。因此，對拖方式在試驗過程中，一方面單純用電負載模擬慣性負載，不能盡善地模擬列車動態和穩態運行工況，連接電網時還會對電網產生衝擊；另一方面由於對電機、電控、電源的功率等級要求都很高，導致建設成本、運行維護過高，整套系統對電能的需求較大，牽引時採用能耗方式時還造成功率的浪費。
另一種是以電機為主要機車負載，以小慣量飛輪為輔助負載的方式對機車整車動態平衡進行檢測試驗。這種試驗方式，依然採用電機作為主要負載，其容量需與機車電機總容量相近，同時採用小慣量飛輪對試驗機組進行補償，可解決機車各軸上牽引電機調速時引起的轉速波動，避免了機車試驗過程中因各軸的轉速差引起的保護等問題，加強機車試驗過程中系統的穩定性。總體延續了電機對拖方式簡單明了的特點，解決電力負載模擬慣性負載帶了轉速波動等問題，但是由於電機作為主要負載，仍然有大功率帶來的問題，存在較大功率的浪費。

發明內容
本實用新型提供一種鐵路牽引機車整車試驗裝置，解決現有機車整車試驗裝置存在的能耗問題，特別是機車制動試驗時需要大量外部能量供應的問題；同時更真實地模擬機車的牽引/制動過程中的慣性負載特性，使檢測結果更加真實可靠。
本實用新型的一種鐵路牽引機車整車試驗裝置，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、同步變速箱、扭力傳感器和飛輪，N＝4、6或8，其特徵在於 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行在可滿足負載特性的高轉速下與單軸相連，其變速比同步變速箱橫向連接部分為同步部分，根據需要採用，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，所述飛輪轉動慣量J由負載總動能E和飛輪最高轉速ωmax決定 負載總動能E由機車最高速度Vmax、牽引重量M決定
所述飛輪最高轉速ωmax由機車最高速度Vmax、機車輪對的半徑RL和同步變速箱的轉速比i限定 ωmax＝i×Vmax/RL， 所述飛輪轉動慣量J與飛輪材料密度ρ、半徑R、厚度D的關係為 所述飛輪的半徑R與飛輪材料比強度σh/ρ的限定關係為 所述的鐵路牽引機車整車試驗裝置，其特徵在於 所述每套單軸組件中，扭力傳感器和飛輪之間連接有補償電機，所述補償電機的功率P2由機車恆功率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由機車最高速度Vmax、機車持續速度VN、牽引重量M、機車恆功率運行的時間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車軸重並傳遞牽引力，其外緣形狀與鋼軌頭部相同。軌道輪的直徑D與國內電力機車整體輪直徑相等，D＝1250mm。軌道輪的製造工藝與機車動輪相同。利用本實用新型進行試驗時，機車置於本實用新型之上，機車車輪的各軸的車輪壓在對應的軌道輪上。
萬向連軸節作為傳動聯結件，一端與軌道輪的輸出端相聯，另一端與同步變速箱相聯。
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，調速保證各組飛輪運行在可滿足負載特性的高轉速下。
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，為試驗控制提供數據。
補償電機可以模擬列車不同的運行工況下存在的不同阻力特性。
飛輪作為機車試驗中的主要慣性負載，模擬真實運行時列車所遇到的負載特性。
機車整車試驗最重要的兩大試驗項目是機車的牽引試驗和制動試驗。機車牽引特性試驗過程中的控制曲線如圖1所示，橫坐標為速度、縱坐標為牽引力，圖中標記為1N～13N的13條曲線分別代表機車牽引時的13個擋位(各級間的速度變化值可根據具體機車牽引電機的型號進行設定)。每擋位曲線分為兩個階段，恆牽引力加速階段和恆功率加速階段。在牽引的初期，靜止的飛輪表現出與靜止機車啟動相應的大慣量、高慣性的負載特性。此時機車以恆牽引力啟動，相應飛輪以恆轉矩啟動，轉速迅速上升，飛輪達到持續轉速，即機車達到持續速度。此時的飛輪具備一定轉速，其阻力特性D近似飛輪轉速ω的二次方關係，與機車在線路上運行時空氣阻力近似一致，隨速度的上升，阻力呈2次方上升。此時機車切換到恆功率階段，速度繼續上升，但是牽引力逐漸下降，牽引轉矩隨之下降，並由於阻力隨速度快速上升，所以加速度快速下降，直到飛輪在某一轉速下穩定運行，近似於列車行駛時的惰行，此時牽引力矩很小主要用於克服飛輪空氣阻力和傳動摩擦阻力(類似於牽引力克服機車阻力)。
機車制動特性試驗過程中的控制曲線如圖2所示，橫坐標為速度、縱坐標為牽引力，圖中標記為1N～12N的12條曲線分別代表機車制動時的12個擋位(各級間的速度變化值可根據具體機車牽引電機的型號進行設定)。類似機車的牽引特性試驗，可採用恆制動力、準恆速特性控制方式對機車機型制動試驗檢測。由於在之前牽引試驗時，飛輪積累了大量的機械能，此時，可針對機車的不同制動牽引力將飛輪上的動輪通過機車上的能量回饋設備回饋給鐵路電網。
由上述飛輪的負載特性和機車牽引電機牽引/制動試驗可知，飛輪在恆牽引力和恆功率輸出範圍內均可良好的反映列車的動態和穩態特性。因此，通過合理的選用飛輪的材料、完善飛輪的結構尺寸設計、保證足夠的轉動慣量和最高轉速、並滿足在不同工況下飛輪的強度要求。採用飛輪作為儲能設備的機車整車試驗裝置可有效地解決機車電氣制動試驗所需的電能供應問題。在機車牽引試驗過程中，鐵路電網中的電能通過機車轉化為飛輪中的機械能，在機車的電氣制動試驗過程中，由飛輪帶動機車的牽引電機，通過電制動的方式將其中的大部分機械能由機車回饋到鐵路電網中。這種機車整車試驗裝置，可大大減小試驗過程中電能的消耗，並將極大的提高電能的使用效率，減小運行、維護和管理費用。
在機車的實際線路運行過程中，存在上坡和下坡等多種路面情況，且在不同的運行工況下還存在不同的阻力特性。例如，機車爬坡時，機車輸出的能量不僅給機車加速，轉換為機車的動能，同時克服重力做功。而飛輪設計時，是以平地行駛為基準，按機車的動能進行設計，無法模擬重力做功部分。所以單一的飛輪對於這些實際的運行工況，是無法真實模擬、無法滿足機車動態試驗檢測的要求。因此，本實用新型提出利用電機對試驗機組進行補償，並且根據給定的特性要求對電機進行設計、選型和控制。補償電機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上，將此類工況真實模擬並反饋到整車試驗中。
本實用新型可真實模擬列車的負載特性，可完成機車的牽引特性和制動特性等試驗，並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，經制動裝置回饋到路網，實現能量地高效利用。通過補償電機的補償作用，真實的模擬線路運行過程中的多種路面情況和不同工況下的阻力特性，使得機車整車試驗臺的檢測結果更加真實可靠。

圖1.機車牽引特性控制曲線； 圖2.機車制動特性控制曲線； 圖3.單軸獨立飛輪形式機構示意圖； 圖4.單軸補償電機與飛輪串聯形式結構示意圖； 圖5.六軸交流傳動電力機車整車試驗裝置整體結構示意圖； 圖中標記軌道輪1、萬向連軸節2、同步變速箱3、扭力傳感器4、補償電機5、飛輪6、電控櫃7、發電機勵磁電源8、電阻櫃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進行尺寸設計。假設機車的持續運行速度為65km/h，最高速度為120km/h，單軸牽引電機功率為1600kw，單軸牽引電機所分擔的列車牽引負載質量為1000T，設最高速度對應的飛輪最高轉速為3000轉/分，則相同傳動比下持續速度的轉速約為1600轉/分。按公式計算飛輪慣量約為11270kg·m2/s2。若採用密度ρ＝7.85×103kg/m3，拉伸強度為σh＝1200MPa，比強度σh/ρ＝1.529×105Pa/(kg/m3)的高強度鋼為材料時，飛輪採用實心圓盤結構，則轉動慣量J與其質量為m、半徑為R、厚度為D的關係取半徑R＝1m(該參數可根據具體情況選取)，則厚度D＝0.915m，相應質量m＝πρR2D＝22540(kg)。
按限定公式進行驗算 滿足強度要求。
當飛輪模擬的列車負載質量增加或列車運行的最高速度增加時，在飛輪最高轉速不變的情況下，相應的單軸組件上的飛輪轉動慣量體積將增加，當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的形式。
本實施例中萬向連軸節2、同步變速箱3、扭力傳感器4的轉速範圍由給定機車的最高速度計算，其對應最大轉速為3000轉/分，轉速範圍乘以1.5倍餘量，範圍為0～4500轉/分。
本實施例中萬向連軸節2、同步變速箱3、扭力傳感器4的轉矩範圍由給定機車的最大功率和對應持續速度計算，最大轉矩531KN，轉矩範圍乘以1.5倍餘量，範圍為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上，增加補償電機，每套單軸組件由軌道輪1、萬向連軸節2、同步變速箱3、扭力傳感器4、補償電機5、飛輪6順序相連組成。機車參數設定同上例一致。
加入補償電機可模擬列車上坡及穩定運行時的阻力特性。以實驗要求模擬上坡，恆功率行駛10km(速度從65km/h升到120km/h)為例計算補償電機的功率。
補償電機的功率P2由機車恆功率P1和飛輪等效功率P3決定 P2＝P1/N-P3； 飛輪等效功率P3為 機車最大恆功率功率P1＝9600(KW)， 補償電機的最大功率P2為 P2＝P1/N-P3＝1600-1040＝560(KW)， 所以選擇額定功率600kw、額定轉速3000轉/分的補償電機5即可滿足要求，對應選擇相關控櫃7、勵磁電源8、電阻箱9。
圖6所示為本實用新型用於六軸交流電力機車整車試驗臺，該結構採用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2、同步變速箱3、扭力傳感器4、補償電機5、飛輪6；各部件串行連接，結構簡單，便於安裝、調試和運行維護。該裝置的其他部分，如電控櫃7、勵磁電源8、電阻箱9等主要用於對補償電機5的控制。
整個試驗裝置的工作過程如下，在機車低速牽引試驗區間，由於補償電機的勵磁電流的限制，不能對補償電機的輸出功率做到良好的調節；而飛輪與軌道輪之間屬於硬連結，主要依靠飛輪的負載特性，保證機車近似於恆牽引力運行；待機車速度上升後，通過補償電機輸出功率的調節作用，保證機車在恆牽引力的作用下穩定加速運行。當機車加速到某一速度後，機車的牽引力將無法保持恆定，此時進入機車恆功率牽引試驗區間，我們依然可以通過對補償發電機輸出功率的控制，保證機車在恆功率牽引作用下逐漸加速，直至完成整個牽引檢測試驗。在機車的制動試驗過程中，啟動機車的電制動反饋裝置，將飛輪儲存的機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，轉化為電能反饋回鐵路電網，並在這一過程中同時完成對機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，制動功率與制動時間、制動扭矩及牽引最大整備重量有關。採用該結構的整車試驗裝置，飛輪主要模擬列車負載及列車下坡時的切向力特性；補償發電機主要用於模擬列車上坡及在加速、減速、穩定運行時的阻力特性。
權利要求1.一種鐵路牽引機車整車試驗裝置，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、同步變速箱、扭力傳感器和飛輪，N＝4、6或8，其特徵在於
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行在可滿足負載特性的高轉速下與單軸相連，其變速比同步變速箱橫向連接部分為同步部分，根據需要採用，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，所述飛輪轉動慣量J由負載總動能E和飛輪最高轉速ωmax決定
負載總動能E由機車最高速度Vmax、牽引重量M決定
所述飛輪最高轉速ωmax由機車最高速度Vmax、機車輪對的半徑RL和同步變速箱的轉速比i限定
ωmax＝i×Vmax/RL，
所述飛輪轉動慣量J與飛輪材料密度ρ、半徑R、厚度D的關係為
所述飛輪的半徑R與飛輪材料比強度σh/ρ的限定關係為
2.如權利要求1所述的鐵路牽引機車整車試驗裝置，其特徵在於
所述每套單軸組件中，扭力傳感器和飛輪之間連接有補償電機，所述補償電機的功率P2由機車恆功率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由機車最高速度Vmax、機車持續速度VN、牽引重量M、機車恆功率運行的時間t或距離S決定
專利摘要一種鐵路牽引機車整車試驗裝置，屬於牽引電機系統試驗及控制領域，解決現有機車整車試驗裝置存在的牽引與制動問題，真實地模擬機車牽引/制動過程中的負載特性。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、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償電機。本實用新型可真實模擬列車的負載特性，可完成機車的牽引特性和制動特性等試驗，並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，經制動裝置回饋到路網，實現能量地高效利用。控制補償發電機可以模擬列車上、下坡及穩定運行時的阻力等特性，使檢測結果更加真實可靠。
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 優先權日2009年10月27日
發明者韋忠朝, 嚴志橋, 黃迪 申請人:華中科技大學