（机械电子工程专业论文）单轨车辆转向架综合试验台测控系统设计.pdf

中文摘要 摘要 经济的快速发展加速了我国城市化的进程，于此同时也给城市带来了诸多困 扰，其中城市交通问题首当其冲。轨道交通以其运运输能力大、环境污染小、占 用土地资源少、以及安全、快速、舒适、准时等优点，在现代城市交通中占据越 来越重要的地位。 转向架是跨座式单轨车辆最重要的部件之一，直接承载车体重量，保证车辆顺 利通过曲线。转向架的各种参数直接决定了车辆的稳定性和车辆的乘坐舒适性。 对单轨车辆转向架维护保养的相关设备，在国内尚无成熟的技术和产品，在我国 大力推广轨道交通的今天，对单轨车辆转向架综合试验台及其测控系统的研究就 有重要的理论和现实价值。 论文在对车辆路面行驶动力、制动力以及运动分析的基础上，比较分析了平板 式、反力式、惯性式等试验台方案。综合考虑设计任务和项目经费以及轨道公司 检修库现有条件，决定采用惯性式滚筒试验台方案，用挂载附加质量和液压缸加 载的方法实现对转向架施加不同的模拟负载，并通过理论推导给出了任意负载下 制动力、制动距离、制动时间的计算公式。 其次，根据设计任务书，详细设计了转向架试验工艺流程，将整个试验细分为 探伤试验、自检试验、空载磨合试验、加载磨合试验、负载制动试验，明确了各 试验需测量的参数及各参数的测量方法以及各试验详细操作步骤。 最后，在明确测试任务和测量方法的基础上，本文进行了测控系统主要的硬件 设计，包括电气系统原理图、p l c 原理图等设计，完成了测控系统主要元件的选 型。用g xd e v e l o p e rv e r 8 和v c + + 6 0 完成了p l c 程序和上位机软件的框架设计， 设计制作了控制系统操作面板。 关键词：单轨，转向架，试验台，测控系统 a b s t r a c t r a p i de c o n o m yd e v e l o p m e n ta c c e l e r a t e dt h ep r o c e s so fu r b a n i z a t i o ni n c h i n a ， w h i c hb r o u g h tal o to fu r b a np r o b l e m s ，a n dt h et r a f f i ci st h em o s ts e r i o u so n e f o ri t s l a r g et r a n s p o r tc a p a c i t y 、l e s sp o l l u t i o n 、l e s so c c u p a t i o n o fl a n d , asw e l la ss a f e t y , h i g h s p e e d 、c o m f o r t a b l e n e s s 、p u n c t u a l i t ye t c ，r a i lt r a n s p o r t a t i o np l a y sam o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l ei nt h em o d e m u r b a nt r a n s p o r t a t i o n b o g i ei so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t so fm o n o r a i lt r a n s p o r t a t i o nv e h i c l e ， w h i c hb e a r st h eb o d yw e i g h td i r e c t l y , a n da l s oe n s u r e sv e h i c l e sp a s s a g e c u r v es m o o t h l y s o m ep a r a m e t e r so ft h eb o g i ed e t e r m i n et h es t a b i l i t ya n dc o m f o r to fv e h i c l e sd i r e c t l y a n dt h e r ei sn om a t u r et e c h n o l o g i e sa n dp r o d u c tf o rb o g i em a i n t e n a n c e i ti so fg o o d t h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lv a l u ea sc h i n ap l a n s t op r o m o t er a i lt r a n s p o r t a t i o nt o d a y a n a l y s i n gt h ed r i v i n gf o r c e 、b r a k i n gf o r c e 、a n dm o t i o no f v e h i c l ei nt h er o a d ，a n d c o m p a r a t i v ea n a l y s i n go ft h ef l a t t y p e t e s tb e n c h 、a n t i 。p o w e r - t y p et e s tb e n c ha n d i n e r t i a l t y p et e s tb e n c h ，t h ei n e r t i a l t y p et e s tb e n c hp r o g r a m w a sc h o s e ，w i t ha d d i t i o n a l q u a l i t ya n dh y d r a u l i cc y l i n d e r si m p o s i n go nt h eb o g i e t os i m u l a t ed i f f e r e n tl o a d a n d t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h eb r a k i n gf o r c ea n dd i s t a n c ei sg i v e n i nt h i sp a p e r s e c o n d l y a c c o r d i n gt ot a s k b a r , d e t a i lp r o c e s so fb o g i et e s tw a sd e s i g n e d ，w h i c h w a sd i v i d e di n t oc r a c kd e t e c tt e s t 、t e s tb e n c hs e l ft e s t 、n o l o a dr u n n i n g t e s t 、l o a dr u n n i n g t e s t 、1 0 a db r a k et e s t t h e n ，m e t h o do fm e a s u r e m e n ta n dt h ed e t a i ls t e p so ft e s tw e r e g i v e n f i n a l l y , w i t ht o t a l l yu n d e r s t a n d i n g o fm e a s u r e m e n tt a s k a n dm e t h o d ，t h e t e s t c o n t r o lh a r d w a r es y s t e mw a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gs c h e m a t i c so f e l e c t r i c a ls y s t e m s 、 p l cs y s t e m ，a n dt h em a i nc o m p o n e n t so ft h es y s t e mw e r es e l e c t e d t h e n ，w i t hg x d e v e l o p e rv e r 8a n dv c + + 6 o , t h ef r a m e w o r ko fp l cp r o g r a ma n dp cp r o g r a mw e r e d e s i g n e d ，a sw e l la st h ec o n t r o lp a n e l k e y w o r d s ：m o n o r a i l ，b o g i e ，t e s t - b e n c h ，t e s t - c o n t r o ls y s t e m i i i 学位论文独创性声明 加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 = 匕 恧。 学位论文作者签名：董2 9 吃 导师签名：榴也岔 签字日期：_ “ 签字吼1 f ， 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中国博 士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数据库中全文发表。中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库可以以电子、网 络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n l 【i 中国知识资源总库，在中国博 硕士学位论文评价数据库中使用和在互联网上传播，同意按“章程规定享受相关 权益和承担相应义务。本人授权重庆大学可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：耋；生翌z新签趱暧： 月j 1 9 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书一，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至年一月一日。 1 绪论 1绪论 1 1 课题背景及国内外发展现状 1 1 1 国内外轨道交通发展现状 当今，随着世界各国大中城市经济与文化的发展、城市化进程的加速，城市 人口急剧增长，与此同时，市民生活水平提高以及城市本身的快速发展需求与现 有的交通条件之间的矛盾越发明显。现在，可以毫不夸张的说，交通条件的优劣 已经成为促进或者制约城市发展的主要因素之一。而面临全球资源日益枯竭，环 境污染问题日趋严重，如何充分利用有限资源发展一种既方便快捷运输能力强又 环境友好的交通体系，有效解决城市发展与交通滞后之间的矛盾，构建人口、资 源、环境、交通和谐发展的城市，成为交通部门决策层高度关注的问题。 城市轨道交通是指通常以电能为动力，采取轮轨运转方式的快速大运量公共 交通之总称【l 】，目前国际轨道交通有地铁、轻轨、市郊铁路、有轨电车以及悬浮 列车等多种类型，号称“城市交通的主动脉”。城市轨道交通以其投资省、占地少、 运能大、单位运量消耗资源少、建设周期短、安全性能高、适应性强及保护环境 等优点【2 】，成为现代城市必不可少的基础设施之一，对改善市民生活水平以及城市 自身发展的都起到了举足轻重的作用。 在国外，许多技术先进的发达国家很早就开始了轨道交通技术的研究开发， 1 8 6 3 年英国伦敦建成了第一条地铁线路，截止2 0 世纪末，世界上已有1 1 5 个城市 建成地下铁道，运营总里程超过7 0 0 0 公里，运行车辆总数5 7 0 0 0 余辆【2 】。在2 0 世 纪8 0 、9 0 年代，世界掀起了兴建轻轨交通系统的高潮，至今已有5 0 余个国家建 成了3 6 0 余条轻轨线路。从2 0 世纪8 0 年代开始发展单轨交通系统，日本、美国、 加拿大、澳大利亚、德国等相继建成了多条单轨交通线路。 由于经济实力和科学技术水平相对落后的限制，我国的轨道交通建设起步较 晚。截止2 0 0 0 年，全国仅有北京、上海、广州三座城市建有轨道交通线路，进入 2 1 世纪以来，随着经济的飞速发展、科技实力的增长以及城市化进程的加速推进， 我国的轨道交通事业进入了一个新的发展时期。截至2 0 0 7 年1 2 月3 1 日，中国已 经开通运行轨道交通的城市1 2 个( 含香港、台湾地区) ，其中大陆l o 个城市通车 线路总计达3 0 条，通车总里程7 2 9 公里。截至2 0 0 8 年9 月，中国城市轨道交通 运营里程已从1 9 9 5 年的4 3 公里增加到7 7 5 6 公里。全国“十一五”期间计划建设 1 5 0 0 公里左右轨道交通，总投资额在4 0 0 0 5 0 0 0 亿左右。我国的城市轨道交通行 业步入一个跨越式发展的新阶段，而中国也已经成为世界最大的城市轨道交通市 场【3 1 。 重庆大学硕士学位论文 目前，在我国轨道交通全面建设的初期，其主要的交通设备以及核心技术都 依赖于进口，不但在技术水平上受制于人，而且价格昂贵，在很大程度上阻碍了 我国轨道交通行业的迅速发展壮大。为此，由政府主导的轨道交通设各国产化政 策应运而生，各企业、高校以及科研机构积极，走引进、消化、吸收再创新的路 线。如今，我国轨道交通装各国产化已经取得长足进展，国产城轨车辆及其配套 装备不断涌现自主创新能力显著增强。轨道交通主要装备的国产化极大的降低 了轨道交通建设成本，使得越来越多的城市有条件发展合适的轨道交通，同时也 有效促进了我国轨道交通技术的进一步发展。 1 1 2 单轨交通简介 如前所述，轨道交通包括地铁、轻轨、有轨电车和磁悬浮列车等。轻轨交通 其机车本身重量及载客量都较小，列车长度、宽度小于地铁，并且使用的轨道质 量较小，因此被称为“轻轨”。 轻轨交通系统有单轨交通系统和双轨交通系统之分。顾名思义单轨交通即 机车在一条交通轨道上，是一种采用一条大断面轨道并全部高架的轨道交通。可 分为跨座式( 如图l1 ) 和悬挂式( 如图12 ) 单轨交通两种。悬挂式单轨车辆在 轨道的下方，吊挂在轨道上，轨道多由箱形断面钢梁制作，走行轮沿轨道走行面 滚动，导向轮沿轨道导向面滚动导向h 。 图1 1 跨座式单轨交通 f i gi 1 s t r a d d l e t y p e m o o r a i lv e h i c l e 绪论 图1 + 2 悬挂式单轨交通系统【1 w f i g12 h a n g h i g t y p e m o n o r a i lv e h i c l e 单轨交通，自1 9 0 1 年在德国伍珀塔尔建成以来，世界各国建成单轨路线已 达5 0 多条。单轨铁路以其运量较大、安全、快捷、低噪声、低污染、占地少、适 应大坡道，尤其是可以采用现代化的通信和信号技术使其自动化运行，而受到世 界各国的欢迎口】。美、日、德、法、意等许多发达国家的大中城市采用了跨座式单 轨交通。日本自1 9 6 4 年建成第一条跨座式单轨运营线路以来分别建成了东京羽 田线、大阪环行线、湘南单轨铁路、北九州单轨铁路等共有2 0 多条单轨线路。 跨座式单轨交通系统采用混凝土轨道梁线路平顺全部立交。机车车辆 采用分散动力型电动车组线路设计负荷轴重1 1 吨相比其它轨道轴重最轻。 车辆每个转向架装有走行、导向、稳定三种5 对橡胶车轮从三个方向匏住”轨道 梁已建成通车的重庆轻轨二号线被新线，就是运用了跨座式独轨交通制式。 该线路东起市区商业中心较场口，西至大渡口区钢铁基地新山村，初期配车8 4 辆， 全线建成后可达到高峰小时运送3 万人次的客运能力，初期年客运量l5 亿人次， 远期年客运量3 亿人次。 该线路交通技术有以下主要特点 6 】： 以梁代轨。这种桥梁不但具有传统桥梁的承载功能，更重要的还具有车辆 行驶的轨道功能； 属于单轨系统。就技术上的定义而言单轨r m o n o m i l ) 系统是指以单一轨 重庆大学硕士学位论文 ( r a i l ) 或梁( b e a m ) 支撑车厢并提供导引作用而运行的轨道式运输系统。 跨座型单轨。跨座式单轨其走行装置跨骑在走行轨道上，车体重心处于走 行轨道的上方。 作为高架单轨，与地面交通不发生干涉，线路占地少，车辆采用橡胶轮， 电力牵引，最高速度可达8 0 k i n h ，平均速度3 0 k i n h 至3 5 l m h ，列车可4 辆 至6 辆编组，单向运能为1 万- 2 5 万人次小时。能够实现大坡道( 6 0 ) 和小 曲线半径( 5 0 m ) 安全运行，并可以运行于闹市区，噪声小、乘坐舒适。 1 1 - 3 跨座式单轨车辆转向架简介 转向架是轨道车辆最重要的部件之一，直接承载车体重量，保证车辆顺利通 过曲线。转向架的各种参数也直接决定了车辆的稳定性和车辆的乘坐舒适性。 概述 跨座式单轨列车与普通铁路列车有较大的不同，主要是转向架结构和所依据 的力学模型与普通铁路列车不同。普通列车属“随遇稳定”模式，重心始终位于两个 轮轨之间，如图1 3 ，只要作用于转向架的合力落在2 s 2 间就是稳定的；而跨座式 单轨车辆转向架的2 s 2 比普通铁路列车小得多，属“随遇不稳定”，如图1 4 。为此 在结构设计中增加了三组导向稳定轮，使其成为“随遇稳定”模式【7 1 。 q、 鳝 iq p f p j 一 1 叠缉一， _ f叶1 尹 j 铀i 图1 3 随遇稳定模式 f i g 1 3 s t a b l em o d e lu n d e ra l lc i r c u m s t a n c e 图1 4 随遇不稳定模式 f i g 1 4 u n s t a b l em o d e lu n d e ra l lc i r c u m s t a n c e 跨坐式转向架的走行轮、导向轮、稳定轮均采用橡胶材料制作，由导向轮实 现铁道车辆车轮踏面斜度的导向作用，每个转向架总共使用1 0 个橡胶轮胎。走行 轮、导向轮、稳定轮部分别备有辅助车轮，以备爆胎时急用。为了保证安全，在 4 1 绪论 走行轮上设置了内压检测装置，在每个轮胎上均设置一个内部装有压力检测开关 的压力表，将该压力开关的电路并联连接，并且引至滑环上。轨道梁侧面安装有 专用装置检测导向轮漏气情况【l 钔。 走行轮为充氮气的钢丝橡胶轮胎，每l 根轴有2 只轮胎。每1 台转向架有2 根轴，共4 只轮胎，设计最大轴重为l l t ，走行轮自由直径1 0 0 6 m m ( 动态直径 9 8 2 m m ) 。每1 台转向架有4 个导向轮和2 个稳定轮，它们都是尼龙丝橡胶轮胎， 其内充压缩空气。导向轮和稳定轮自由直径均为7 3 0 m m ，走行轮轴距为1 5 0 0 m m ， 导向轮轴距为2 5 0 0 m m 。 驱动装置由驱动电机、联轴节及齿轮减速箱等零部件组成，全部放在构架外 面。驱动电机为1 1 0 0 v 交流三相异步电动机，额定输出功率1 0 5 k w 。联轴节采用 弹性联轴节。齿轮减速箱采用两级实心轴直角传动方式，齿轮传动比力6 5 ，在齿 轮箱体上安装速度发电机，以检测车辆的运行速度。 转向架基础制动装置为盘形制动，制动盘安装在齿轮减速箱的一级从动齿轮 铀，由于受空间和重量限制，需采用小直径大容量制动盘。 跨坐式转向架不设一系悬挂装置，由充气橡胶轮胎的弹性替代它的作用。二 系悬挂装置用空气弹簧直接支撑车体，空气弹簧安装在构架上，为无摇枕结构。 跨座式单轨转向架技术参数 跨座式单轨转向架分有动力m 型转向架( 见图1 5 ) 和无动力t 型转向架( 见 图1 6 ) ，其主要技术参数见表1 1 。 表1 1 转向架主要技术参数【1 4 】 t a b l e1 1 m a j o rt e c h n i q u ep a r a m e t e ro f t h eb o g i e 轨道梁尺寸 最大坡度 最小曲线半径 行走轮 导向轮 稳定轮 驱动装置 传动比( 参考) 走行轮两轴距 8 5 0 r a m ( 宽) 1 5 0 0 m m ( 高) 6 0 正线1 0 0 ，站场5 0 ( s 形曲线7 5 ) 两组，4 个，直径1 0 0 6 m m 9 8 2 m m 4 个，0 7 3 0 2 个，0 7 3 0 二级齿轮减速 6 5 5 15 0 0 8 5 0 m m ( 宽) l s 0 0 m m ( 高) 6 0 正线1 0 0 ，站场5 0 ( s 形曲线7 5 ) 两组，4 个，直径10 0 6 m m 9 8 2 m m 4 个，0 7 3 0 2 个，0 7 3 0 无 无 15 0 0 走行轮转速( r m i n ) 0 - - 一4 2 2 ( 8 0 k m h ) 0 - - 4 2 2 ( 8 0 k m h a ) 重庆大学硕士学位论文 续表1 1 ： 对应电机转速( r m i n ) 制动空气压力( 参考) 0 2 7 6 4 l 7 档加非常档 0 0 5 + 0 01 0 2 9 士0 01 御a 无 1 7 档加非常档 0 0 5 士0 01 o 2 9 + 0 01m p a 空气弹簧压力( 参考) m i n ：0 15 m p am a x ：0 3 0 m p am i n ：0 15 m p am a x ：0 3 0 m p a 制动装置漏气量储气罐：o 0 4 m p a m i n储气罐：o 0 4 m p a m i n ( 保压试验时) 制动气缸：0 0 2 m p a m i n制动气缸：o 0 2 m p a m i n 牵引电机参数1 0 5 k w , 4 4 h z ，11 0 0 v a c 无 3 相，7 5 a ，a c 驱动装置 f i g 1 5 mm o d e l b o g i ew i t hp o w e r 6 1 绪论 纂础制动装置 ( 尢停放制动) 面 向 集电装置扎线板安装 跨座式单轨转向架结构描述 1 ) 转向架构架 转向架构架是将驱动装置、基础制动装置、车体悬挂装置、牵引装置、走行 装置、稳定装置、导向装置、受流器及接地装置等汇集在一起的结构性部件。构 架是以1 6 m n r 钢板为主要材料的焊接结构，它由侧梁、横梁、端梁、导向轮支架支 座及电机吊架等组成。 2 ) 中央悬挂装置 车体直接坐落在空气弹簧上。由空气弹簧、油压减振器和横向止挡，缓和、 吸收车体的振动。通过中心销、中心销座、牵引橡胶堆和纵向止挡，传递牵引力 和制动力。见图1 7 。由于乘客多少引起车体高度的变化，由高度调整阀控制，使 客室地板面高度基本不变。当空气弹簧内部压力不正常而上升时，防过充装置可 控制车体高度在限制范围内。 7 雀到笔遄 天一 重庆大学硕士学位论文 啪 图1 7 中央悬挂装置和空气弹簧【7 】 f i g 1 7c e n t e rh a n g i n gd e v i c ea n da i rs p r i n g s 空气弹簧由胶囊和叠层橡胶堆等组成。见图1 7 。左右空气弹簧与油压减振器 组合起来发挥其缓冲、减振效果。选择带橡胶堆的低横向刚度的空气弹簧，以改 善乘坐舒适性和通过曲线的性能。稳定轮支架上部附有空气弹簧的附加空气室， 空气弹簧的下部通风口与转向架构架内部附加空气室连接，上部进风口与车体的 管路连接。空气弹簧与附加空气室之间的螺堵带有节流孔，对车体起垂直减振作 用，运用中对节流孔的阻尼作用达不到要求时，可以更换该螺堵，改变节流孔的 大小。胶囊下部的叠层橡胶堆可减小车辆通过曲线时胶囊的变形量，从而改善其 受力状况。另外，空气弹簧在无气状态时，此叠层橡胶堆还起垂直减振作用，以 应急维持最低限度的动力性能要求。安装空气弹簧时，上部进风口和下部通风口 的外部表面需涂润滑脂防锈。空气弹簧公称直径4 5 0m m ，工作高度2 6 8m m 。左 右空气弹簧之间的压差阀安装在车体底架的空气管路上，压力差设定值为l o o k p a 。 中心销通过4 枚m 3 0 螺栓与车体底架紧固，中心销与中心销座之间设有上下锥 形橡胶套，用m 3 3 的中心销螺栓和中心销螺母将它们联结在一起；通过4 个牵引橡 胶堆与构架相连，实现了车体与转向架的连接并传递纵向力。 为了保持空气弹簧的标准高度，用l v 4 2 型高度调整阀与杠杆的相对角度来检 测空气弹簧的高度。当空气弹簧高度降低时，自动向空气弹簧充气。 j ) 走行轮 走行轮组成与汽车驱动轮轴系统相似，空心车轴悬臂压入并固定在构架上， 轮芯通过2 套圆锥滚子轴承安装在车轴上，内部充填润滑脂，轮芯内侧通过后盖、 1 绪论 油封和热装在车轴上的防尘圈密封；轮芯外侧通过楔形块将轮辋紧固在轮芯上； 通过边环、锁环将走行轮胎固定在轮辋外面，每轴2 个轮胎；轮芯外侧还安装有驱 动轴，驱动轴穿过空心车轴，驱动轴另一端的花键插入齿轮减速箱从动齿轮的花 键孔中，传递牵引力矩。两轴承之间设有轴承间隔套，调整该间隔套的尺寸保证 轴承轴向间隙。走行轮为充氮气的无内胎钢丝圈橡胶轮胎，充气压力为8 8 0 p a ，万 一走行轮漏气，安装在构架端梁上的实心轮胎，作为辅助车轮起着安全作用。 5 ) 走行轮胎内压检测装置 每个轮胎设置l 套轮胎内压检测装置，每根轴设置2 个压力表( 内置带电触点的 压力开关) ，压力开关电路并联，直接由滑环装置引出。低于规定压力时，压力开 关呈关闭状态。走行轮胎的气压通过橡胶软管联至压力表，压力表通过滑环由电 线联至设在车体的显示器j 在内压检测装置的橡胶软管上设置调整轮眙内压的充 排气口，可以一边观察压力表一边把轮胎内压调整到规定值。走行轮胎气压正常 时，压力表内的压力开关呈开启状态，不显示轮胎泄气。l 根轴的2 个走行轮胎，无 论那个气压降低，与此相应的压力开关呈关闭状态，显示轮胎泄气，司机台的显 示装置显示轮胎泄气的图像。目视压力表也能读出轮胎内压。 6 ) 驱动装置 单轨车辆转向架所采用的驱动装置和基础制动装置集合为一个部件。牵引电 动机通过4 枚m 2 4 螺栓纵向安装在构架的牵引电机吊架上，电机重量全部由构架承 受，属全悬挂结构；牵引电动机位于构架侧梁之外，电机轴与车轴垂直。齿轮减 速箱为两级减速直角驱动方式，牵引电动机通过联轴节( 穿过构架稳定轮支架的贯 穿孔) 将扭矩传至减速箱输入轴，经过螺旋伞齿轮减速并直角转向后传至圆柱斜齿 轮再次减速，最后由驱动轴来转动走行轮，其工作原理如图1 8 所示。减速箱由输 入轴、中间轴、输出轴组成，输入轴和中间轴之间采用弧齿锥齿轮传动，而中间 轴与输出轴之间采用圆柱斜齿轮传动，减速比为3 3 1 3 x 4 9 1 9 = 6 5 5 。齿轮减速箱 通过1 1 枚m 1 8 螺柱固定在构架本体的轴套外侧，齿轮箱体的结构具有足够的刚度和 强度，以便支承两级齿轮，同时安装盘形制动装置和速度发电机，制动盘直接安 装在中间轴外端。齿轮箱体外表面敷设可降低噪声的材料。 7 ) 基础制动装置 基础制动装置采用盘形制动，安装在齿轮减速箱上，制动盘直接安装在中间 轴外端。压缩空气通过空油变换装置将空气压力变换成油压作用于液压卡钳上， 由液压卡钳通过闸片夹住制动盘施行制动作用。 9 重庆大学硕士学位论文 走行_ ，# 轮( 轮胎) 图1 8 驱动装置原理图 f i g 1 8s c h e m a t i cd i a g r a mo fd r i v i n gd e v i c e 1 1 4 国内外转向架试验台现状 转向架是轨道车辆的重要部件，其性育日匕e , 1 4 氏1 3 大程度上决定了车辆运行的舒适性、 稳定性及安全性，因此，在列车出厂前以及转向架检修后都必须进行特定的试验， 测试其相关参数并根据所测得的各项参数判断其是否合格，转向架综合试验台即 是这样的装置。 当前，世界各国的车辆生产厂家及轨道交通运营商都把转向架性能测试作为 保障车辆安全运行行的重要步骤。目前，西方发达国家【8 】- 【1 1 1 在这方面的技术已经 遥遥领先。位于瑞士日内瓦伯尔尼的s e c h e r o n 公司是专门为地铁生产厂家提供铁 路专用的数据采集卡、数据存储器等电子部件和各种轨道车辆内实时处理相关安 全数据的仪器设备的供应商。德国s k f 公司则是专门生产销售“轮对内装转速传感 器和温度传感器轴承“的厂家。 1 9 7 8 年，德国i b e g 公司成功研制出最先进的地铁转向架综合试验台，如图 1 9 ，该试验台可用于测量转向架走行轮轴的平行度、轴距、轮背间距、负载状态 下的载荷分布情况等，即可以在转向架自身的质量下进行测试，也可以模拟实际 载荷。该转向架综合试验台由一个稳定的基础构架组成，基础构架上方为4 个已 经加工的平面，上面装有测量系统和提升设备。它包含有4 个彼此独立的测量子 系统，分别用于测量车轴的平行度、轮背间距、车轮承载能力和在加载时弹簧压 缩量。 1 0 绪论 圈19 i b e g 转向架综合试验台 f i 9 1 9 i b e g c o m b i n e d t e s t p l a t f o r m o f b o g i e 我国于2 0 0 0 年批准重庆等四个城市作为首批单轨建设示范城市。2 0 0 5 年， 重庆跨座式单轨二号线建成通车，全套设备和技术均从日本进口，包括轨道、车 辆以及保障其正常运营的检测、维护、保养的技术。在e l 本，单轨交通技术已经 成熟，担相关的核心技术处于保密状态。对于跨座式单轨车辆转向架，国内尚无 成熟的检测技术和设备。 1 1 5 课题来源 重庆市城市发展规划形成以“九线一环”快速轨道交通为骨干的现代化都市客 运交通体系的战略目标。目前已有3 条线路通过国家批准，正在运行的二号采用 了国内唯一的跨座式单轨交通系统将要建设和今后要建设的轨道交通三号线等 线路也将采用跨座式单轨交通制式。 虽然已经向国外引进相关车辆技术，但仍未摆脱设备及技术上受制于人的困 境，部分核心设各和技术仍然依赖进口。自主研发相关核心技术实现单轨交通设 备的国产化，对有效降低建设及运营成本，让单轨交通更好的服务于城市具有不 可低估的积极意义。 本课题来源于“十一五”国家科技支撑计划重点项目跨座式单轨交通装备 研发( 项目代码：2 0 0 7 b a g 0 6 8 0 0 ) 项目中的第五个课题”跨座式单轨交通车辆检 测维修技术和专用关键设备研发及应用”( 课题代码：2 0 0 7 b a g 0 6 8 0 5 ) 。 重庆大学硕士学位论文 1 2 课题的研究目的和主要工作 1 2 1 课题的研究目的 由于国内尚未掌握检测、维护、保养关键设备的技术，且单轨列车转向架总 成是整个单轨列车的核心技术和关键部件，关系到单轨车辆牵引、制动、安全等 核心问题，转向架性能检测是单轨车辆定期检测、维修后检测以及国产化转向架 部分零部件性能测试的关键和必须的一个程序，本课题正是为了解决跨座式单轨 车辆转向架综合性能检测问题。 1 2 2 课题的主要研究内容 主要研究转向架在不同载荷不同速度下的制动性能的检测，包括制动力、制 动距离、制动时间；转向架空气弹簧气密性及刚度的检测；转向架构架无损探伤； 以及转向架整体性能的判定。 2 跨座式单轨车辆转向架测试原理 2 跨座式单轨车辆转向架测试原理 2 1 转向架综合试验台主要功能及技术要求 转向架综合试验台主要功能 本综合试验台应能用于对维修组装后的m 型( 带驱动电机) 及t 型( 不带驱 动电机) 转向架均能进行空载和负载运转试验与磨合，完成下列试验【1 5 】【1 6 】： 1 ) 空载运转及磨合试验； 2 ) 加载运转及负载磨合试验； 3 ) 基础制动装置动作试验及管路气密性试验： 4 ) 空气弹簧压力开关动作试验； 5 ) 转向架构架无损探伤。 转向架综合试验台主要技术参数【1 6 】 1 ) 磨合试验等效走行速度：1 0 - - 一8 0 h w h ( 可调) 。 2 ) 走行速度测量范围：2 5 1 2 0 k m h 。 3 ) 电源：三相五线3 8 0 va c5 0 h z ，牛2 5 0k v a 。 4 ) 压缩空气气源压力： o 7 m p a 。 5 ) 压缩空气：储气罐容量3 0 1 ，o 8 5 m p a 。 6 ) 压缩空气：输出， 0 1 - - - - 0 7 m p a ( 可调1 。 转向架综合试验台主要技术要求【1 6 】 1 ) 用于试验数据自动采集与处理系统的计算机应为硬盘4 g 主频6 0 0 m h z 内存1 2 8 m 以上的专用工业计算机。 2 ) 试验数据自动采集与处理系统应能抗干扰；其传输电缆应有屏蔽措施 3 ) 显示走行轮轮边线速度的显示器应为数字式仪表，应满足显示精度要求。 4 ) 转向架固定台架应确保能承受试验中所产生的各种负荷，提供对被试转向 架的准确可靠的支承。 5 ) 走行轮支承与传动装置走行系统的磨合需将转向架的走行轮置于模拟走行 运动的滚筒上。由变频调速器驱动走行轮，该滚筒应能带动测速传感器同步旋转。 6 ) 止挡机构确保运转期间安全可靠。 7 ) 制作要求 a 材料的要求 使用的材料应满足中华人民共和国国家标准的要求。使用的材料应符合技术 规范条件的要求。 b 力n - r - 要求 1 3 重庆大学硕士学位论文 切断应用高速刀具，形件用压力剪床。气割切断处应打磨修正、不留痕迹， 各部弯折应用压力机加工。 c 焊接要求 符合技术规范规定的国标要求，对焊缝的检查应事先计划，并出检查报告。 焊接设备应根据被焊材料选用相应的焊料、相应容量和技能的焊机。根据构件的 要求须由相应资质的焊工施焊。 d 表面涂饰要求 需涂饰的表面必须除锈除油处理。涂层必须包括防锈底漆、中间涂层、表面 涂层。安装后，涂层受损处必须用与表面涂层同质、同色的涂料补漆。补漆后不 得有色差痕迹。 转向架综合试验台工作条件 1 ) 室内使用； 2 ) 海拔高度： w r 根据基点法可知，速度瞬心在a 点下面，且a 点相对地面向右滑 动，因此地面对走行轮的摩擦力是向左，即与车辆行驶方向相反。 b v o - - - - w r 此时，走行轮速度瞬心即为轮与地面接触点a 点相对地面速度为 0 ，即走行轮此时只滚不滑，这时候的摩擦力需根据其他条件共同确定。 c v o 8 ( p + n 1 ) r 时，走行轮才能滚动； 由( 2 6 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 1 ) 可得，不打滑的条件为： q 坐鲨掣 1 6 ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 2 跨座式单轨车辆转向架测试原理 所以，从动走行轮只滚不滑的条件为： ( p + n 1 肌q 坐鲨掣 2 2 4 路面制动时走行轮滚动分析 ( 2 1 3 ) v ：车辆行驶速度 w ：车轮转速 n l ：车身对车轮压力 n 2 ：路面对车轮支持力 p ：走行轮重量 q ：车身对车轮的拉力 f i ：摩擦力 m f ：滚动阻力偶矩 m - 制动阻力偶矩 p ：走行轮回转半径 图2 3 路面制动时的走行轮滚动分析 f i g2 3r o l l i n ga n a l y s i so fw h e e lb r a k i n go nr o a d 行驶中的机车开启制动后，走行轮轮受到与车轮转动方向相反的阻力矩，因 此从动轮将减速转动，由于车身的惯性，车身与从动轮轴心产生相对运动的趋势， 即车身对走行轮作用向前的拉力，走行轮对车身作用向后的反作用力，从而使车 身减速运动。当走行轮不产生打滑时有以下方程： 2 一l p = 0 ( 2 1 4 ) p e q = - - 1a g ( 2 1 5 ) d ：盟口 g ( 2 1 6 ) m + mf f ；x f = l 营 。 g ( 2 1 7 ) a = r1 3 ( 2 1 8 ) 只鼻一= f n 2 ( 2 1 9 ) 解以上方程得： 1 7 重庆大学硕士学位论文 矿( m + m ，) ( p + 1 ) ，2 + p 2 ( 2 2 0 ) 它p + 1 ( m + mr ) r ( n 1 + p ) 1 c i ( 1 + p ) r 2 + p p 。 ( 2 2 1 ) m=三垦垒i铲nm ，1 2 二二! 型手会n 壬掣m 厂 r ( + p ) 。 r ( ，+ p ) 7 ( 2 2 2 ) 由( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 可知，机车减速度及地面对走行轮摩擦力随制动 器制动力矩的增大而增大，当f i 随m 增大到一定数值( 滑动摩擦) 时将不再继续 增大，此时m ：坠0 1 坐且篓二旦：坳一m ，即制动器制动力超此值时， ，( 1 + p ) 一。 。 将产生打滑。 2 2 5 驱动轮滚动动力分析 y v ：车辆行驶速度 w ：车轮转速 n 1 ：车身对车轮压力 n 2 ：路面对车轮支持力 p ：走行轮重量 q ：车身对车轮的拉力 f i ：摩擦力 m r = 滚动阻力偶矩 m q ：驱动力矩 p ：走行轮回转半径 图2 4 路面行驶中的驱动轮 f i g2 4d r i v i n gw h e e lr u n n i n go nr o a d 如图2 4 ，当驱动轮启动或加速时，驱动装置对驱动轮作用一个驱动力矩m q ， 此时车轮将对路面产生向后的周缘力，同时地面将对车轮作用一个反作用力，即 摩擦力f i 。根据平面运动方程以及不打滑条件可得： 2 一l p = 0 ( 2 2 3 ) 2 跨座式单轨车辆转向架测试原理 n - e q = 一口 q ：盟口 m q m r f i x r = 毛分 a = r1 3 f f 。，= f n 2 ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 解得： g r ( u , 一珥) 妒+ 1 ) ，| 2 + p p 2 ( 2 2 9 ) 。p + 1r ( 缸一 i ) ( 尸+ 1 ) 1 g ( p + n 1 ) r 2 + p 9 2 ( 2 3 0 ) 必：f i ( p + n 1 ) r 2 + p p 2 + 尬f ( p + n l ) r ：+ p 9 2 + 尬 9 ，+ 1 ) 1 r 1 ( 2 3 1 ) 由式( 2 2 9 ) 、( 2 3 0 ) 、( 2 3 1 ) 可知，机车加速度和地面摩擦力都随驱动力矩 的增大而增大，当驱动力矩大到一定程度，且pf ( p + n 1 ) r 2 + p 9 2 + m e ，走行轮将 ， 产生打滑。 2 2 6 转向架在试验台制动过程 转向架在进行试验台测试时，走行条件与路面行驶有所区别，主要表现在以 下几方面：车身惯性、走行轮承受的压力、支撑体给走行轮的支撑力、走行轮与 支撑体的接触面面积、走行轮的变形、接触面间的摩擦条件等。针对以上问题， 在设计试验台时，可以通过增加滚筒惯量来模拟车身的惯性；采用液压缸加载的 方式模拟走行轮承受的压力；设计大尺寸的滚筒使得走行轮与滚筒间的接触面积 尽量接近实际路面情况。但是，由于走行轮变形以及接触面积、摩擦条件等的复 杂性，目前尚无精确的计算方法可以测量变形及摩擦情况，要在综合试验台上完 全模拟路面情况存在较大的困难。因此，只能在保证测试重复性及可靠性的情况 下，使测试的结果尽量符合路面情况。 2 2 7 制动性测试方案分析 用于检测车辆制动性能的装置多种多样，其结构也不尽相同。有室内的，也 有室外的，有台式的，也有路面的。但在本课题设计任务中，已明确本试验台为 室内使用，同时由于经费以及场地面积的限制，路面试验测试也不现实，因此， 本试验台方案设计中只讨论室内台式方案。 1 9 重庆大学硕士学位论文 现有的制动试验台可以分为平板式和滚筒式，其中滚筒式又可细分为反力式和惯 性式。 平板式制动测试方案 平板式制动测试试验台主要用于汽车的制动性能的测试，如图2 5 所示，它 是由四块表面轧花的测试平板、控制柜和踏板压力计等组成。测试时，被检测车 辆以5 。1 0k m h 的速度行驶上测试台后启动制动，使其在平板制动台上制动直至停 止，与此同时，测控系统采集制动过程中的所有数据进行分析得出被试车辆的制 动性能【1 8 】。 由于转向架存在动力和非动力即m 型和t 型两种，并且质量较大、需总共测 试包括紧急制动在内的8 个制动挡在不同速度( 2 5 8 0k m h ) 下制动力和制动距 离，平板式制动试验台无法测单轨车辆转向架的制动性能。 行驶方向 1 一控制台2 侧滑测试平板3 、5 制动轮荷测试平板4 空板 6 一拉力传感器7 、1 0 压力传感器8 面板9 钢球1 1 底板 图2 5 平板式制动试验台 f i g 2 5f l a t - t y p eb r a k et e s t - b e d 反力式滚筒试验台 如图2 6 为反力式滚筒制动试验台简图，由电机驱动滚筒转动继而带动车辆 2 0 2 跨座式单轨车辆转向架测试原理 走行轮转动，当达到指定速度后启动制动，此时电机继续驱动直至滚筒与走行轮 产生相对滑动时切断滚筒驱动力，此时测力计测得的力即为该制动条件下的最大 制动力。 链 图2 6 反力式滚筒试验台【2 0 】 f i g2 6a n t i p o w e rr o l l e r - t y p eb r a k et e s t - b e d 电机最大功率： p ：f v ：竺：星! 全! r l m 转向架单轴最大负载，取1 1 1 0 3k g ；a 一滚筒与走行轮间附着系数，取0 2 5 ； v 走行速度，最大为8 0 k m h ( 2 2 2 2m s ) ；t 1 电机至滚筒传动效率，取0 9 分别代入数据计算得电机最大功率： 尸：! ! 兰! q ：兰竺：璺兰q ：兰兰兰兰兰：丝：6 6 5 3 7k w ，= 一= n n ，k w 0 9 上式计算的为转向架单轴紧急制动试验所需的电机功率，整个试验台系统( 包 括两轴制动，系统其它供电等) 所需最大功率将近2 0 0 0k w