公铁两用车牵引车性能试验台循环式轨道设计

摘要：公铁两用车牵引性能试验台采用嵌入钢轨的跑道模拟机车行驶路面袁同时通过传动系统和交流电力测功机加载模拟行走阻力袁试验台装置的升降通过电液控制实现遥通过使用速度尧力尧转矩尧拉力等传感器采集数据袁使得被测试的公铁两用车的发动机或者电动机输出的动力被试验台的测功机加载掉袁从而使被测机车在试验台上获得动力平衡袁利用计算机进行控制及数据处理遥可用于各种轨道作业车的生产和调试袁覆盖各种型号的和功率遥。

1、 本文研究的内容
公铁两用车牵引性能测试试验台，是一种模拟在铁路行驶，通过实时的转速、转矩信号反馈改变加载装置的阻力矩，测量公铁两用车牵引力的设备，并通过拉力传感器获取牵引力数据。用多个轨枕组成支撑平面，在轨枕上表面嵌入钢轨，衔接后模拟铁路。单元轨枕与牵引链条铰接，试验时加载装置通过牵引链条给轨枕施加负载，以模拟行驶阻力，使机车尽可能在接近实际工况下进行各项检测和试验。试验台通过改变控制系统参数能够模拟不同的测试工况，能在室内对被测机车进行复杂的循环试验，进而对机车的技术状况进行诊断，并把对周围环境的影响减到最小。试验台使用方便，广泛地应用于机车设计、制造、维修和检测等部门。

机车在做测试时，先将待测机车通过胶轮行驶到试验台的工作位置，然后通过机车自带升降装置切换成钢轮，钢轮落到轨枕上，然后展开相关测试。试验中，机车的驱动轮带动由轨枕组成的跑道转动，此时跑道就相当于连续的铁轨。跑道通过传动系统与加载装置相连，为机车提供阻力。试验台的控制系统根据机车的型号、测试的工况、机车的实时速度、加速度计算出需要模拟的阻力值的大小[1]。设计试验台如图1所示。



2、 控制系统
公铁两用车牵引力试验台控制系统由试验台主控板、励磁驱动及监测系统、操作台、主机升降控制、加载装置、传感器、联动保护电路等部分。主控板采集转速、扭矩信号进行换算后与根据控制模式与设定值一起进行进PID 运算，然后以电压形式输出。励磁驱动单元接收主控板的信号，调节励磁电流的大小，控制测功机制动力矩的变化，监测励磁电压、电流并实现过压、过流、超温保护等功能[2]。主机升降控制电路控制升降电机运行，调整测功机主轴中心高度，并设有限位保护功能，防止主机升降高度超过限值。加载装置也叫功率吸收装置，又称测功机。

它的作用是将机车动力输出传递的机械能转化为电能和热能，用来吸收测试机车驱动轮作用在跑道上的功。测功机作为加载控制的关键部分，对实验台性能有直接影响。交流电力测功机产生的阻力转矩通过有一定附着性能的钢轨作用在机车的驱动轮上，从而实现对机车加载的目的。交流电力测功机当电动机运行来时，带动车轮和传动系转动，对内部传动系零件进行走合，从而节约时间和场地。电机的输出转矩通过链传动传递到牵引链轮上，牵引链轮拉动牵引链条转动行走。牵引链条与轨枕的主轮和主轮轴铰链接，从而带动轨枕前进。交流电机的最大优点是不存在换向器问题，拥有极快的响应。目前成本较低，应用成熟，转动惯量也小，操作和维护都比较方便，使用环境范围广，所以采用交流测功机作为加载装置。试验台需要用转速传感器和转矩传感器作为反馈量。

转速传感器采用光电式转速传感器。转矩传感器，不再采用传统的拉压力传感器，而是采用扭矩法兰直接安装在测功机主轴上，其优点是传感器前转动惯量小，传动损失小，传感器能反应扭矩的瞬态变化，测量精度高。整个控制系统的工作流程框图如图2 所示。


3、机车动力平衡方程
机车在试验台上的行驶时的受力状况与在道路上行驶时的受力状况不同，被测试机车被固定在试验台上，相对于试验台架静止[3]。以车轮为研究对象，发动机或电动机的动力经过传动系统传送到驱动轮上，由于机车被整体固定，驱动轮带动钢轨转动，钢轨固定在轨枕上，与加载装置相连，为试验台提供阻力。在试验台上受到的阻力还包括车轮与钢轨之间的滚动阻力，试验台传动系统阻力，试验台内部转动以及平动部分的惯性阻力等。机车在转鼓试验台的动力平衡方程为Fr 是机车传动系阻力，Fd 是测功机需要模拟加载的力，Fr1是试验台内部传动系阻力，Ff1是车轮与钢轨间的滚动阻力，Fj1是试验台内部的惯性阻力，Fj2是车轮及相关传动部件的惯性阻力。对比在道路上的动力平衡方程，可以看出机车在试验台所受到的阻力中，是没有空气阻力和坡度阻力。如果想要机车在相同的速度和加速度下受到的阻力相同，需要加载装置，也就是测功机来完成，通过加载来模拟实际受到的阻力。公式中各个阻力的含义和公式如下：淤试验台的内部传动系统阻力Fr1，主要分为两部分：机械零部件表面之间摩擦引起的机械摩擦阻力和旋转零部件相互接触表面引起的液力摩擦阻力。研究表明：机械摩擦阻力损失与速度因素无关，旋转件间的液力阻力损失与速度成线性关系，其大小为速度的一元二次方程[4]，记为，其中a、b均为待定系数。于车轮与钢轨间的滚动阻力Ff1G1———机车重力，m1———机车质量，f———滚动阻力系数。盂轨枕轮与导轨间的滚动阻力Ff2m2———单位轨枕（包含上端的钢轨）的质量，移1———位于上导轨中的轨枕与上导轨之间的滚动阻力之和，由于机车的重力由上导轨支撑，所以计算滚动阻力要加入机车质量m1，移2———位于下导轨中的轨枕与下导轨的滚动阻力。榆试验台内部的惯性阻力阻力Fj1，包括试验台轨枕的惯性阻力和牵引链轮及其相关传动部件的惯性阻力m2———单元轨枕质量，ua———车速，Iq———牵引链轮的转动惯量，rq———牵引链轮的半径虞机车钢轮及其相关部件的惯性阻力Fj2因此可以得出被测试机车在试验台上需要克服的阻力Fdrum为：

4、机械机构
机械机构的catia 三维模型如图3所示。系统由轨枕、主轮、主轮轴、辅轮、辅轮轴、导轨、承重梁组成。导轨系统如图4所示。钢轨嵌在轨枕上表面，通过轴销固定。主轮位于上导轨里，铰接于牵引链条，电机输出的动力通过牵引链条带动轨枕行走。辅轮仅有承重作用，在下导轨里行走。导轨系统支撑主轮和辅轮传递来的路面载荷，保证每个轨枕平面平整运行并防止跑偏。承重梁承载导轨的重量[5]。




机械机构的阻力传递如图5 所示。

5、有限元分析
5.1 有限元分析理论由经典力学理论可知，物体的动力学通用方程为（1）式中，[M]是质量矩阵，[C]是阻尼矩阵，[K]是刚度矩阵，{x}是位移矩阵，{F（t）}是力矢量，{x忆}是速度矢量，{x义}是加速度矢量。在现行结构中，与时间t有关的量都被忽略。因此在有限元法中，静力学分析的基本方程是：（2）在对模型进行分析时，{F}为总体载荷列阵，{K}为总体刚度矩阵，{x}为总体节点位移列阵。有限元法求解静力学问题的实质是对式（2）的求解，首先求得节点位移，然后由节点位移依次推导出单元应变和单元应力，最终就可以得到整个结构的位移和应力分布。

5.2 有限元分析过程根据该被测机车运行的工况，结合试验台的结构特点，采用有限元法对该模型进行静力学分析，得出极限工况下轨枕的强度和刚度，确定是否满足设计要求并保证轨枕设计的可靠性。钢轨弹性模量和泊松比为210GPa 和0.3，钢轨和钢轮材料密度为7.8伊103kg/m3，泊松比为0.3，弹性模量为205GPa，摩擦系数为0.3[6]。轨枕和车轴材料为钢材40Cr，杨氏模量，210GPa 泊松比0.3，抗拉强度758MPa。轨枕AUTO CAD 二维图如图6 所示。三维拉伸长度为300mm。将CATIA 装配软件三维模型导入AnasysWorkbench，如图7。将材料属性添加到材料库，然后对模型进行单元和网格划分，并施加载荷和约束。载荷加载在钢轨表面上，施加载荷选取极限值为被测车总重2.0伊105N，约束为承重梁底面，如图8 所示。结果后处理选择Total Deformation，Equivalent Stress 和Equivalent Strain 命令，并得到处理结果云图。

5.3 有限元分析结果等效应变、等效应力、总形变的有限元分析结果云图如图9、图10、图11，其分析结果的最大值、最小值、平均值列于表1 中。







6 、结语
公铁两用车牵引力试验台能在极限条件下正常运转。试验台可以在机车研发和维修时用于各种测试和试验，大大提高了机车的可靠性和保障性，及时的解决问题。尤其是在新车的零件走合时，极大的解决了试验场地的问题，节省试验时间和周期，使得整个生产线提高了效率。可用于各种轨道车的牵引性能、发动机的性能和速度特性的研究和试验，试验台功率和载重覆盖范围广泛，可以应用的试验车辆非常广泛。

参考文献
[1]代聪.汽车电子水泵测试试验台的研究[D].重庆理工大学，2017.
[2]乔磊，朱孝勇，陈龙.基于分区控制策略的混合励磁双凸极电机控制系统研究[J].微电机，2014（04）：1001-6848.
[3]吴东栋.交流电力式汽车转鼓试验台的研究[J].武汉理工大学，2011.
[4]欧阳爱国，毕朋飞，刘燕德，陈齐平.制造业自动化[J].基于转鼓试验的汽车传动效率的研究，2015（20）：009-0134.
[5]刘新宇.电梯工程施工监理实用手册[M].中国电力出版社，北京，2005.
[6]张晓明.低路基有碴轨道动力响应分析[D].北京交通大学，2008.

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