SS系列機車制動工況及輪對橢圓化在線監測的研究與實現

嚴 俊

(湖南鐵道職業技術學院,湖南株洲,412001)

0 引言

對于鐵路運輸來講，列車的運行過程中，制動系統起著保證運輸安全的重要作用。目前我國SS系列機車的制動裝置采用獨立箱式單元制動器，它是以制動器箱體為基礎，將制動缸、制動傳動裝置和閘瓦間隙調整裝置安裝于箱體內部，閘瓦裝置安裝于箱體外側的一種基礎制動裝置，當制動缸充氣時，活塞帶動活塞桿移動，使閘瓦壓在車輪踏面上機械摩擦產生制動力實現制動作用；當制動缸排氣時，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，閘瓦磨損嚴重，需要及時更換，否則會出現制動失靈的事故；制動器的傳動裝置緩解采用彈簧推動，彈簧經常使用會發生機械疲勞，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，如不能及時發現處理，會使車輪溫度上升，會造成輪箍遲緩，導致翻車事故；輪對橢圓化，車輛系統運行品質嚴重惡化，其橫向穩定性和輪重減載率大大降低，從而減小車輛/軌道系統各部件使用壽命、增大脫軌風險。

針對這些情況，設計了一種機車制動工況及輪對橢圓化在線監測系統，解決了監測制動單元制動、緩解是否正常，閘瓦磨損情況，輪箍磨損情況及橢圓化情況，對確保機車運行安全具有重要意義。

1 系統設計

系統采用了兩個位移傳感器及安裝位置來檢測各參數，將傳感器機械變化產生的信號、列車速度及制動信號傳送到中央處理單元來計算閘瓦的厚度，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。如果數據超過了設定的參數，將驅動聲光報警，提示操作人員。圖1所示為原理框圖。

圖1 在線監測原理框圖

本研究采用工控機作為中央處理部件，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，不會受機車運行的干擾。

在人機界面上可根據安裝情況來設定傳感器的初始位移，作為制動器緩解到位的初始點，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。如果出現緩解控制后，緩解復位出現位移偏差，如該位移偏差過大（操作人員可根據行程要求自行設定），工控機發出聲光報警提示駕駛員或檢修人員，緩解不到位，應處理故障。

2 制動工況檢測的實現

2.1 閘瓦與輪對輪箍踏面間隙的檢測及計算

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，制動器緩解復位后再次制動的起始位置發生變化，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算參數示意圖

工控機將列車速度和制動信號讀出，當制動器進行制動時，列車的速度下降，此時，表示列車產生制動，將對應傳感器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的檢測頭為自恢復的，即沒有機械碰撞時，為初始位，固定端到檢測頭的長度為最長，有機械碰撞時，移動桿回縮，產生位移，如圖3所示。

位移傳感器2的檢測頭在無機械碰撞的情況下，固定端到檢測頭的長度為X2。當制動器緩解時，位移傳感器2的移動桿不與機車輪對踏面（沒有磨損過的尺寸）接觸，預留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。當制動器進行制動時，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可用以下方程推導得出。

圖3 輪對輪箍踏面磨損檢測及計算參數示意圖

通過以上公式可推導出：

該結果即是輪對踏面的磨損尺寸，通過人機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。

如果輪對發生了橢圓化情況，Δr將是一個隨時間變化的函數Δr（t），即：

2.3 閘瓦磨損的檢測及計算

閘瓦磨損可通過相應的檢測數據計算出來，各數據見圖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算參數示意圖

閘瓦磨損的厚度Δh通過以下公式推導得出。

通過以上公式可推導出：

以上L、r0、L1、制動器初始緩解位置等參數通過人機界面觸摸屏設定，輸入到工控機中。

3 輪對橢圓化檢測仿真

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

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）建立數學模型，對a、b、Φ分別賦值為624.5、619.5、6o，電力機車標準車輪半徑為625毫米，機車運行速度為100Km/h，利用MATLAB軟件進行仿真一對輪對的兩個車輪橢圓化程度與Δr（t）的關系，通過Δr（t）的變化來監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、長軸與標準車輪的差值，分別為5.5mm和0.5mm。

圖7 MATLAB仿真曲線

在系統工作時，該數據將實時采集到工控機上并存儲，可作為機車輪對在線檢測的依據；將橢圓化程度的最大值、最小值及相位差反映到工控機的人機界面上，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，如果達到設定的閥值時，將啟動聲光報警。

4 結論

本設計的傳感器采用位移傳感器，安裝方便，安裝尺寸要求不嚴格，減少了安裝的難度，便于量產使用。傳感器將位移轉換成電流信號，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。

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,電力機車制動機[M].北京:中國鐵道出版社,2008.8.

[2] 張雪珊,肖新標,金學松.高速車輪橢圓化對車輛系統行為的影響[J].機械工程學報, 2010,46(16):67-73.

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

[4] 張雪珊,肖新標,金學松.高速車輪橢圓化問題及其對車輛橫向穩定性的影響[J].機械工程學報, 2008,44(3):50-56.