摘要：公鐵兩用車牽引性能試驗臺采用嵌入鋼軌的跑道模擬機車行駛路面袁同時通過傳動系統(tǒng)和交流電力測功機加載模擬行走阻力袁試驗臺裝置的升降通過電液控制實現(xiàn)遙通過使用速度堯力堯轉(zhuǎn)矩堯拉力等傳感器采集數(shù)據(jù)袁使得被測試的公鐵兩用車的發(fā)動機或者電動機輸出的動力被試驗臺的測功機加載掉袁從而使被測機車在試驗臺上獲得動力平衡袁利用計算機進行控制及數(shù)據(jù)處理遙可用于各種軌道作業(yè)車的生產(chǎn)和調(diào)試袁覆蓋各種型號的和功率遙。

1、 本文研究的內(nèi)容
公鐵兩用車牽引性能測試試驗臺，是一種模擬在鐵路行駛，通過實時的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號反饋改變加載裝置的阻力矩，測量公鐵兩用車牽引力的設(shè)備，并通過拉力傳感器獲取牽引力數(shù)據(jù)。用多個軌枕組成支撐平面，在軌枕上表面嵌入鋼軌，銜接后模擬鐵路。單元軌枕與牽引鏈條鉸接，試驗時加載裝置通過牽引鏈條給軌枕施加負(fù)載，以模擬行駛阻力，使機車盡可能在接近實際工況下進行各項檢測和試驗。試驗臺通過改變控制系統(tǒng)參數(shù)能夠模擬不同的測試工況，能在室內(nèi)對被測機車進行復(fù)雜的循環(huán)試驗，進而對機車的技術(shù)狀況進行診斷，并把對周圍環(huán)境的影響減到最小。試驗臺使用方便，廣泛地應(yīng)用于機車設(shè)計、制造、維修和檢測等部門。

機車在做測試時，先將待測機車通過膠輪行駛到試驗臺的工作位置，然后通過機車自帶升降裝置切換成鋼輪，鋼輪落到軌枕上，然后展開相關(guān)測試。試驗中，機車的驅(qū)動輪帶動由軌枕組成的跑道轉(zhuǎn)動，此時跑道就相當(dāng)于連續(xù)的鐵軌。跑道通過傳動系統(tǒng)與加載裝置相連，為機車提供阻力。試驗臺的控制系統(tǒng)根據(jù)機車的型號、測試的工況、機車的實時速度、加速度計算出需要模擬的阻力值的大小[1]。設(shè)計試驗臺如圖1所示。



2、 控制系統(tǒng)
公鐵兩用車牽引力試驗臺控制系統(tǒng)由試驗臺主控板、勵磁驅(qū)動及監(jiān)測系統(tǒng)、操作臺、主機升降控制、加載裝置、傳感器、聯(lián)動保護電路等部分。主控板采集轉(zhuǎn)速、扭矩信號進行換算后與根據(jù)控制模式與設(shè)定值一起進行進PID 運算，然后以電壓形式輸出。勵磁驅(qū)動單元接收主控板的信號，調(diào)節(jié)勵磁電流的大小，控制測功機制動力矩的變化，監(jiān)測勵磁電壓、電流并實現(xiàn)過壓、過流、超溫保護等功能[2]。主機升降控制電路控制升降電機運行，調(diào)整測功機主軸中心高度，并設(shè)有限位保護功能，防止主機升降高度超過限值。加載裝置也叫功率吸收裝置，又稱測功機。

它的作用是將機車動力輸出傳遞的機械能轉(zhuǎn)化為電能和熱能，用來吸收測試機車驅(qū)動輪作用在跑道上的功。測功機作為加載控制的關(guān)鍵部分，對實驗臺性能有直接影響。交流電力測功機產(chǎn)生的阻力轉(zhuǎn)矩通過有一定附著性能的鋼軌作用在機車的驅(qū)動輪上，從而實現(xiàn)對機車加載的目的。交流電力測功機當(dāng)電動機運行來時，帶動車輪和傳動系轉(zhuǎn)動，對內(nèi)部傳動系零件進行走合，從而節(jié)約時間和場地。電機的輸出轉(zhuǎn)矩通過鏈傳動傳遞到牽引鏈輪上，牽引鏈輪拉動牽引鏈條轉(zhuǎn)動行走。牽引鏈條與軌枕的主輪和主輪軸鉸鏈接，從而帶動軌枕前進。交流電機的最大優(yōu)點是不存在換向器問題，擁有極快的響應(yīng)。目前成本較低，應(yīng)用成熟，轉(zhuǎn)動慣量也小，操作和維護都比較方便，使用環(huán)境范圍廣，所以采用交流測功機作為加載裝置。試驗臺需要用轉(zhuǎn)速傳感器和轉(zhuǎn)矩傳感器作為反饋量。

轉(zhuǎn)速傳感器采用光電式轉(zhuǎn)速傳感器。轉(zhuǎn)矩傳感器，不再采用傳統(tǒng)的拉壓力傳感器，而是采用扭矩法蘭直接安裝在測功機主軸上，其優(yōu)點是傳感器前轉(zhuǎn)動慣量小，傳動損失小，傳感器能反應(yīng)扭矩的瞬態(tài)變化，測量精度高。整個控制系統(tǒng)的工作流程框圖如圖2 所示。


3、機車動力平衡方程
機車在試驗臺上的行駛時的受力狀況與在道路上行駛時的受力狀況不同，被測試機車被固定在試驗臺上，相對于試驗臺架靜止[3]。以車輪為研究對象，發(fā)動機或電動機的動力經(jīng)過傳動系統(tǒng)傳送到驅(qū)動輪上，由于機車被整體固定，驅(qū)動輪帶動鋼軌轉(zhuǎn)動，鋼軌固定在軌枕上，與加載裝置相連，為試驗臺提供阻力。在試驗臺上受到的阻力還包括車輪與鋼軌之間的滾動阻力，試驗臺傳動系統(tǒng)阻力，試驗臺內(nèi)部轉(zhuǎn)動以及平動部分的慣性阻力等。機車在轉(zhuǎn)鼓試驗臺的動力平衡方程為Fr 是機車傳動系阻力，F(xiàn)d 是測功機需要模擬加載的力，F(xiàn)r1是試驗臺內(nèi)部傳動系阻力，F(xiàn)f1是車輪與鋼軌間的滾動阻力，F(xiàn)j1是試驗臺內(nèi)部的慣性阻力，F(xiàn)j2是車輪及相關(guān)傳動部件的慣性阻力。對比在道路上的動力平衡方程，可以看出機車在試驗臺所受到的阻力中，是沒有空氣阻力和坡度阻力。如果想要機車在相同的速度和加速度下受到的阻力相同，需要加載裝置，也就是測功機來完成，通過加載來模擬實際受到的阻力。公式中各個阻力的含義和公式如下：淤試驗臺的內(nèi)部傳動系統(tǒng)阻力Fr1，主要分為兩部分：機械零部件表面之間摩擦引起的機械摩擦阻力和旋轉(zhuǎn)零部件相互接觸表面引起的液力摩擦阻力。研究表明：機械摩擦阻力損失與速度因素?zé)o關(guān)，旋轉(zhuǎn)件間的液力阻力損失與速度成線性關(guān)系，其大小為速度的一元二次方程[4]，記為，其中a、b均為待定系數(shù)。于車輪與鋼軌間的滾動阻力Ff1G1———機車重力，m1———機車質(zhì)量，f———滾動阻力系數(shù)。盂軌枕輪與導(dǎo)軌間的滾動阻力Ff2m2———單位軌枕（包含上端的鋼軌）的質(zhì)量，移1———位于上導(dǎo)軌中的軌枕與上導(dǎo)軌之間的滾動阻力之和，由于機車的重力由上導(dǎo)軌支撐，所以計算滾動阻力要加入機車質(zhì)量m1，移2———位于下導(dǎo)軌中的軌枕與下導(dǎo)軌的滾動阻力。榆試驗臺內(nèi)部的慣性阻力阻力Fj1，包括試驗臺軌枕的慣性阻力和牽引鏈輪及其相關(guān)傳動部件的慣性阻力m2———單元軌枕質(zhì)量，ua———車速，Iq———牽引鏈輪的轉(zhuǎn)動慣量，rq———牽引鏈輪的半徑虞機車鋼輪及其相關(guān)部件的慣性阻力Fj2因此可以得出被測試機車在試驗臺上需要克服的阻力Fdrum為：

4、機械機構(gòu)
機械機構(gòu)的catia 三維模型如圖3所示。系統(tǒng)由軌枕、主輪、主輪軸、輔輪、輔輪軸、導(dǎo)軌、承重梁組成。導(dǎo)軌系統(tǒng)如圖4所示。鋼軌嵌在軌枕上表面，通過軸銷固定。主輪位于上導(dǎo)軌里，鉸接于牽引鏈條，電機輸出的動力通過牽引鏈條帶動軌枕行走。輔輪僅有承重作用，在下導(dǎo)軌里行走。導(dǎo)軌系統(tǒng)支撐主輪和輔輪傳遞來的路面載荷，保證每個軌枕平面平整運行并防止跑偏。承重梁承載導(dǎo)軌的重量[5]。




機械機構(gòu)的阻力傳遞如圖5 所示。

5、有限元分析
5.1 有限元分析理論由經(jīng)典力學(xué)理論可知，物體的動力學(xué)通用方程為（1）式中，[M]是質(zhì)量矩陣，[C]是阻尼矩陣，[K]是剛度矩陣，{x}是位移矩陣，{F（t）}是力矢量，{x憶}是速度矢量，{x義}是加速度矢量。在現(xiàn)行結(jié)構(gòu)中，與時間t有關(guān)的量都被忽略。因此在有限元法中，靜力學(xué)分析的基本方程是：（2）在對模型進行分析時，{F}為總體載荷列陣，{K}為總體剛度矩陣，{x}為總體節(jié)點位移列陣。有限元法求解靜力學(xué)問題的實質(zhì)是對式（2）的求解，首先求得節(jié)點位移，然后由節(jié)點位移依次推導(dǎo)出單元應(yīng)變和單元應(yīng)力，最終就可以得到整個結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力分布。

5.2 有限元分析過程根據(jù)該被測機車運行的工況，結(jié)合試驗臺的結(jié)構(gòu)特點，采用有限元法對該模型進行靜力學(xué)分析，得出極限工況下軌枕的強度和剛度，確定是否滿足設(shè)計要求并保證軌枕設(shè)計的可靠性。鋼軌彈性模量和泊松比為210GPa 和0.3，鋼軌和鋼輪材料密度為7.8伊103kg/m3，泊松比為0.3，彈性模量為205GPa，摩擦系數(shù)為0.3[6]。軌枕和車軸材料為鋼材40Cr，楊氏模量，210GPa 泊松比0.3，抗拉強度758MPa。軌枕AUTO CAD 二維圖如圖6 所示。三維拉伸長度為300mm。將CATIA 裝配軟件三維模型導(dǎo)入AnasysWorkbench，如圖7。將材料屬性添加到材料庫，然后對模型進行單元和網(wǎng)格劃分，并施加載荷和約束。載荷加載在鋼軌表面上，施加載荷選取極限值為被測車總重2.0伊105N，約束為承重梁底面，如圖8 所示。結(jié)果后處理選擇Total Deformation，Equivalent Stress 和Equivalent Strain 命令，并得到處理結(jié)果云圖。

5.3 有限元分析結(jié)果等效應(yīng)變、等效應(yīng)力、總形變的有限元分析結(jié)果云圖如圖9、圖10、圖11，其分析結(jié)果的最大值、最小值、平均值列于表1 中。







6 、結(jié)語
公鐵兩用車牽引力試驗臺能在極限條件下正常運轉(zhuǎn)。試驗臺可以在機車研發(fā)和維修時用于各種測試和試驗，大大提高了機車的可靠性和保障性，及時的解決問題。尤其是在新車的零件走合時，極大的解決了試驗場地的問題，節(jié)省試驗時間和周期，使得整個生產(chǎn)線提高了效率。可用于各種軌道車的牽引性能、發(fā)動機的性能和速度特性的研究和試驗，試驗臺功率和載重覆蓋范圍廣泛，可以應(yīng)用的試驗車輛非常廣泛。

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