（控制理论与控制工程专业论文）火车刹车片测试系统的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 制动装置是火车安全减速或停车的重要装置。为保证火车的安全，必须在 各种条件下都能保证火车的制动性能。随着列车运行速度的不断提高，对制动 装置的制动性能要求也更高，传统的闸瓦制动适应不了高速列车的发展。目前 我国的铁路客车基本都己采用了盘形制动，火车刹车片是盘形制动装置的重要 组成部件，它对制动性能有着举足轻重的作用。 火车刹车片测试系统是建立在刹车片制动试验台的基础上，测试火车刹车 片的摩擦性能。论文根据盘形制动试验大纲要求，提出对火车刹车片制动 试验台的设计方案，主要由电动机、联轴器、制动装置、支座、测试装置等几 个部分构成。根据设计方案的总体布置，选取合适的交流电动机，采用变频控 制方式控制电机转速。结合试验台的结构特点，进行测试系统的设计。 火车刹车片测试系统以总成试验的方式来测试刹车片的承载压力、表面温 度、车轮运行速度等多项性能参数，结合实际选用合适的传感器。系统主要由 上位机和下位机两部分组成。下位机采用a d u c 8 4 1 作为控制单元，控制压力、 温度、速度的采集。上位机( 即p c 机) 通过r s 4 8 5 串口通讯与下位机相连。上 位机采用v i s u a lb a s i c 设计一个控制软件，对采集数据进行分析处理，最终生成 刹车片的摩擦系数曲线图，可以直观的分析刹车片的摩擦性能。该软件还包括 对变频器的控制模块，通过串口给下位机传送指令改变变频器的输出频率，实 现对电机转速的控制。最后经过对测量结果的分析，可以看出火车的制动初速 度与刹车片的表面温度都是影响火车刹车片的摩擦性能的重要因素。 关键词：刹车片，盘形制动，摩擦性能，温度测量 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t b r a k ei sa ni m p o r t a n te q u i p m e n tw h i c ho f f e r e de m e r g e n c yb r a k i n ga n ds a f e t y d e c e l e r a t i o nw h e nt r a i nr u no nt r a c k s , i no r d e rt oa l s l 鹏s a f c t yo ft h et r a i n , g o o d b r a k ep e r f o r m a n c es h o u l db ep r o v i d e du n d e ra n yc o n d i t i o n a st h es p e e do f o p e r a t i o n i sc o n t i n u a l l yr i s i n g , t r a d i t i o n a lb r a k es h o eb r a k i n gn ol o n g e rf i tt h eh i g hs p e e dt r a i n s d e v e l o p m e n t , s og o o dp e r f o m m c eo f b r a k ee q u i p m e n ti st ob er e q u e s t a tp r e s e n t , d i s cb r a k i n gh a sa p p l i e da l m o s ti na l lo u rc o u n t r y sp a s s e n g e rt r a i n b r a k ep a di sa r t i m p o r t a n tc o m p o s i t i o np a r to fd i s cb r a k ee q u i p m e n t , i th a sp i v o t a lf u n c t i o nt ot h e b r a k i n gq u a l i t y t h e r e f o r e ，t h ee x p l o i t a t i o no f b r a k ep a d sb r a k i n ga b i l i t yt e s tb e d w i l l b d ? o m eav i t a lt o p i ci nt h ed o m a i no ft r a i nb r a k i n g ；b e t t e rt r a i nb r a k ep a d sa r e r e q u i r e dt ob ed e v e l o p e d t h et e s ts y s t e mo f t r a i nb r a l d n gp a dw r sb u i l to nt h eb r a k i n gt e s t - b e dt om e a s u r e t h ef r i c t i o na b i l i t yo ft h eb r a k i n gp a d ad e s i g np r o p o s a lo ft r a i nb r a k ep a d sb r a k e t e s t e rw a si n t r o d u c e di nt h i sp a p e rw h i c hb a s e do nt h er e q u i r e m e n to f o u t l i n eo ft h e b r a k ep a dp e r f o r m a n c et e s t ，m a i n l yc o m p o s e de l e c t r i cm o t o r , s h a f tc o u p l e r , b r a k e e q u i p m e n t ，b e a r i n g ，t e s t i n ge q u i p m e n ta n ds oo n a c c o r d i n g t ot h et o t a la r r a n g e m e n t o fd e s i g np r o p o s a lm o t o rw a ss e l e c t e d , t h em o t o rw a sc o n t r o l l e db yt h ef r e q u e n c y c o n v e r s i o n t h e nt h et e s t i n gs y s t e mw a se s t a b l i s h e d t h i se s s a ye x p l a i n e dt h ep r i m a r yp r i n c i p l ea n dt h et e s t i n gm e t h o do ft h et e s t s y s t e m ，t h et e s ts y s t e mc o n t a i n e dt h em e a s u r i n gm o d u l e so ft h ep r e s s u r ea n dt h e s u r f a c et e m p e r a t u r eo ft h eb r a k i n gp a d ，a n dt h er o t a t es p e e do ft h ew h e e l i tw a s c o m p o s e do fs i n g l ec h i ps y s t e ma n dc o m p u t e rs y s t e m t h es i n g l ec h i ps y s t e m c o n t r o l l e dt h eg a t h e r i n go ft h ep a r a m e t e r ；, t h ec o m p u t e rs y s t e mc o m m u n i c a t e dw i 也 t h es i n g l ec h i ps y s t e mb ys e r i a li n t e r f a c e i nt h ec o m p u t e rs y s t e mt h e mw a sac o n t r o l s o f t w a r ew h i c hc a na n a l y z et h ep a r a m e t e ra n da c q u i r et h ef r i c t i o nc u r v eo ft h et e s t p a d i nt h el a s tp a r to ft h ep a p e rt e s tr e s u l tw a sa n a l y z e d ，w er e c e i v e dac o n c l u s i o n t h a tt h ef r i c t i o no f t h ew a i np a dw a si n f l u e n c e db yt h ef i r s tr o t a t es p e e do f t h ew h e e l a n dt h es u r f a c et e m p e r a t u r eo f t h eb r a k i n gp a d k e yw o r d s ：b r a k ep a d ，d i s cb r a k i n g ，f r i c t i o nc a p a b i l i t y , t e m p e r a t u r em e a s u r i n g h 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。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意。 签名： 日期： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：日期： 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题来源及研究意义 本课题来源于导师横向科研项目火车刹车片惯性制动实验台设计。 当今高科技发展的时代，火车作为交通运输的主要方式之一，使我们对它 的安全性要求越来越高。由于火车的工作环境比较恶劣，其制动系统的安全性 显得尤为重要。其中，火车刹车片的摩擦性能在关系行车安全和运行可靠性方 面起着非常重要的作用。目前我国对火车刹车片检测技术落后，工作效率低， 无法快速、准确掌握出轮对状态，严重制约着我国铁路车辆的提速。国外采用 的检测方法稳定可靠，但是它们造价高，技术难度大。国内一直未见移植使用。 另一方面，我国铁路长期处于低装备率、高使用率、高强度运输状态。就拿 1 9 9 2 年来说，我国铁路货物周转量为1 1 5 4 9 亿肥n ，仅次于俄罗斯和美国一级铁 路，居世界第三位，旅客周转量3 1 4 84 r _ k m ，远高于俄罗斯、日本和其它国家， 居世晁第一位。1 9 9 2 年我国铁路运输密度达2 7 4 3 8 ，居世界第一位。从火车单 位功率生产率来看，我国火车的单位功率负荷率居世界之首。随着运量密度的 提高，刹车片的磨耗更加严重。由于刹车片故障而导致的事故时有发生。很多 是由于刹车片的摩擦性能下降但未及时发现所引起的，这样给人民的生命财产 安全带来严重威胁。而且，由于国民经济快速发展的需要，铁道部几次规定火 车提速。火车不断提速势必对刹车片的摩擦性能要求进一步提高，加上摩擦材 料更加日新月异，火车刹车片制造厂家为适应市场的要求，必须不断的研发出 新型刹车片。由此对新产品的摩擦性能检测显得尤为重要，厂家不得不引进各 种检测装置对新产品的研发有很大的帮助。因此开发火车刹车片测试系统将是 一项十分必要和紧迫的任务。 1 2 国内外发展与研究现状 到上世纪8 0 年代，铁路制动系统的刹车试验均在简便试验台上进行。这种 试验台由惯性轮构成，还包括试验用车轮和闸瓦。但是这样简单试验台不可能 达到高速要求。随着盘形制动的出现，原有试验台也无法提供制动盘和制动刹 武汉理工大学硕士学位论文 车片的数据。为了强化转速和各项功能，对刹车片制动性能试验台的改造一直 在进行。 在国外，作为铁路客运比较发达的日本法国在上世纪9 0 年代就已经研制出 了性能较高的刹车片试验台。其中日本已设计出针对最高车速为5 0 0 k r a h 的新 型实物惯性制动试验台。该试验台惯性轮的惯性矩可负担l 台1 0 0 吨重三轴转 向架机车的轮重设计，此时的许用转速为1 7 0 0 r m i n ，在相当于新干线车辆每辆 重不足6 5 吨时，则可做最高转速为3 1 0 0 r r a i n 的试验。惯性轮惯性矩是2 9 4 1 2 7 4 k g 坍2 ，最大刹车片压力是3 0 k n ，制动方法为油压伺服制动，最大制动扭 矩2 5 克埘，最大试验制动盘直径f 7 8 0 m m 。在试验中，试验台从制动时的温 度分布、热的传递方法、耐热强度、冷却效果、制动扭矩和磨耗状态等必要的 试验来进行盘形制动刹车片性能的测定。 同期法国也研制出最高转速为2 9 0 0r m i n 的新型刹车片制动试验台。该试验 台有较先进的控制台，它用一个扭矩计始终将扭矩值信息传递给试验台导向台， 信息通过轴系和主动轴内的导线来传输。电机始终提供与制动力矩相反的力矩， 以便保证执行模拟的速度和惯性指令，各部件之间采用啮合方式连接。该试验 台还有一些安全监控台，主要包括：电功率设备监控台、轴承监控台、空气压 力监控台。此新型试验台完全能适应现代制动的需要，同时对未来铁路制动设 备的发展也留有足够的余地。其主要优点是：自动化程度高，具有连续的单独 工作能力，能够以最短的时间完成多项试验。 我国高速列车制动刹车片性能测试的研究起步较晚，目前对盘形制动用合 成摩擦材料制动特性的研究主要分两种情况，一种是使用一些实验室用的小型 模拟摩擦磨损试验机，如m - - 2 0 0 、d - - m s 等，测量滑动摩擦面的摩擦系数、 接触面温度、磨损量的变化，这种方法花费少、耗时短。铁道部科学研究院与 广州铁路局对合成闸片性能试验台的开发进行了攻关，研制出用于高速列车刹 车片制动的试验台。该台操作简单、安全，性能可靠，可对刹车片材料配方和 工艺进行筛选研究，为进一步试验提供性能较佳的刹车片材料。 目前国内拥有铁路车辆用l ：1 惯性力矩制动试验台的单位主要有3 家，分别 是：铁道部科学研究院( 自制设备) 、北京木材防腐厂( 日本制造设备) 、南京 摩擦材料厂( 美国制造设备) 。不同的试验台的工作原理是相同的，但具体的试 验参数、测试技术存在一些差别，如试验数据的计算机采集和处理系统、制动 盘摩擦表面温度测试方法等不尽相同，另外在设备状态的调整方面也存在差别。 武汉理工大学硕士学位论文 目前我国列车已处于第三次提速阶段，对制动部件的开发和性能试验的要 求逐步提高，适用于提速工况下使用的制动在最大吸收制动功率、抗冲击强度、 散热性等方面都应达到新的技术参数才能满足要求，也就需要进一步研制对各 性能参数都进行高效试验的刹车片测试试验台。 1 3 论文的主要工作 本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 通过查阅大量文献资料，了解火车刹车片的制动原理，根据需要选择 盘形制动方式建立火车刹车片试验平台。 ( 2 ) 从摩擦学基本理论出发，结合火车制动实际工况，推导出火车刹车片 的摩擦系数计算公式。根据需要，确定测试系统所需测量的参数，如压力、温 度、转速等。 ( 3 ) 在刹车试验平台上建立测量刹车片各项参数的试验装置。包括压力测 量模块、温度测量模块和速度测量模块，然后通过串口通讯将采集的数据传输 给上位机。 ( 4 ) 进行上位机的软件设计，将采集的数据进行处理分析，最终根据模型 得到摩擦系数曲线图。由此分析刹车片摩擦性能的影响因素。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章火车刹车片及其摩擦机理分析 2 1 火车制动方式及刹车片介绍 2 1 1 火车制动方式的介绍 火车制动方式有很多种 2 1 ： ( 1 ) 闸瓦制动又称踏面制动，是自有铁路以来使用最广泛的一种制动方 式。它用铸铁或其他材料制成的瓦状制动块( 闸瓦) 紧压滚动着的车轮踏面， 通过闸瓦与车轮踏面的机械摩擦将列车的动能转交为热能，消散于大气，并产 生制动力。参看图2 1 ，在车轮转动 n 中，闸瓦作用于车轮的法向压力k 引 起闸瓦作用于车轮的切向滑动摩擦 力k e 厶( 厶为闸瓦与车轮间的滑 动摩擦系数) 。由于车轮紧压在钢轨 上，所以闸瓦摩擦力对轮心的逆时针 方向的力矩k 厶r 在轮轨接触点一 又引起钢轨反作用于车轮的切向静 摩擦力b ( r 为车轮滚动圆的半径) 。 这个力就是由制动装置引起的与列 车运行方向相反的外力制动力。 在轮轨间保持静摩擦和忽略车轮回 转惯性的情况下，制动力在数值上可 以认为就等于闸瓦摩擦力，即 厂弋 i k e f i k j _ j n 图2 - 1 闸瓦制动示意图 b = k e 厶( 斟) ( 2 1 ) 或b = 1 0 0 0 e y k &( n ) ( 2 2 ) 式中罗置为作用于一个轮对或一辆车的闸瓦压力总和( 1 烈) 。 ( 2 ) 盘形制动又称摩擦式圆盘制动，是在车轴上或在车轮辐板侧面装上制 动盘，一般为铸铁圆盘，用制动夹钳使合成材料制成的两个刹车片紧压制动盘 侧面，通过摩擦产生制动力，把火车动能转变成热能，消散于大气。参看图2 - 2 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 - $ u 动缸2 一拉环3 一水平杠杆4 一缓解弹簧5 一刹车片 6 一制动盘7 一中间拉杆8 水平杠杆拉杆9 一转臂 图2 2 盘形制动示意图 与闸瓦制动相比，盘形制动有下列主要优点： 可以大大减轻车轮踏面的热负荷和机械磨耗。 可按制动要求选择最佳“摩擦副”( 采用闸瓦制动时，作为“摩擦副”一 方的车轮的构造和材质不能根据制动的要求来选择) ，盘形制动的制动盘可以设 计成带散热筋的，旋转时它具有半强迫通风的作用，以改善散热性能，为采用 摩擦性能较好的合成材料刹车片创造了有利的条件，适宜高速列车。 制动平稳，几乎没有噪声。 但是，盘形制动也有它不足之处： 车轮踏面没有闸瓦的磨刮，轮轨粘着将恶化。所以，还要考虑加装踏面 清扫器，或采用以盘形为主、盘形加闸瓦的混合制动方式，否则，即使有防滑 器，制动距离也比闸瓦制动要长。 制动盘使簧下重量及其引起的冲击振动增大，运行中还要消耗牵引功率。 武汉理工大学硕士学位论文 盘形制动的制动力 b=y(k厂刍(2-3) 胄 式中k 闸片压力 厂闸片摩擦系数 r 闸片作用半径 r - - 车轮( 滚动圆) 半径 铁路上采用盘形制动已经有六十多年的历史，起初主要在欧洲车组上用，后 来随着高速列车的发展，盘形制动也得到了相应的发展。在本文中主要以盘形 制动方式组建试验平台，对火车刹车片测试系统进行研究。 ( 3 ) 其他制动方式由于现有铁路车辆主要以闸瓦制动和盘形制动为主，其 他制动方式都是运用在特殊工况下，或者是作为辅助制动方式。在这里简要介 绍一下其他几种制动方式： 磁轨制动在转向架的两个侧架下面，在同侧的两个车轮之间，各安置一 个制动用的电磁铁，制动时将它放下并利用电磁吸力紧压钢轨，通过电磁铁上 的磨耗板与钢轨之间的滑动摩擦产生制动力，并把列车动能变为热能，消散于 大气。 轨道涡流制动又称线性涡流制动，它与上述磁轨制动很相似，也是把电 磁铁悬挂在转向架侧架下面同侧的两个车轮之间。不同的是，轨道涡流制动的 电磁铁在制动时只放下到离轨面几毫米处而不与钢轨接触。它是利用电磁铁和 钢轨的相对运动使钢轨感应出涡流，产生电磁吸力作为制动力，并把列车动能 变为热能消散于大气。 旋转涡流制动在牵引电动机轴上装金属盘，制动时金属盘在电磁铁形成 的磁场中旋转，盘的表面被感应出涡流，产生电磁吸力，并发热消散于大气， 从而产生制动作用。 电阻制动制动时将原来驱动轮对的自励的牵引电动机改变为他励发电 机，由轮对带动它发电，并将电流通往专门设置的电阻器，采用强迫通风，使 电阻发生的热量消散于大气，从而产生制动作用。 再生制动与电阻制动相似，再生制动也是将牵引电动机变为发电机。不 用的是，它将电能反馈回电网，使本来由电能或位能变成的列车动能获得再生， 而不是变成热能消散掉。 6 武汉理工大学硕士学位论文 液力制动液力制动广泛应用于液力传动内燃机车。它是在液力传动装置 内安装液力制动器( 液力耦合器) ，制动时向它充入液体，车轮带动旋转时液体 和液体之间、液体与耦合器之间摩擦生热，再经由散热器消散于大气，从而产 生制动作用。 逆汽制动逆汽制动是蒸汽机车特有的，俗称“打倒汽”。它是在机车前 进动行中突然把遮断手柄( 断汽制动) 从“前进位”拉到“逆行位”，将蒸汽发 动机变为蒸汽压缩机，从而产生制动作用。 2 1 2 火车刹车片的介绍 本文采用盘形制动方式，研究火车制动盘与刹车片之间的摩擦性能。火车盘 形制动器的刹车片主要采用的是合成闸片。例如，h 3 0 0 型制动盘的合成闸片是 以腰果液改性酚醛树脂和丁苯橡胶掺合型作为粘结剂的高摩擦系数有机合成闸 片。合成闸片分为两种牌号：一种为h t a 0 $ 牌号合成闸片( 普通双层客车用) ； 另一种为 i z 5 4 4 5 牌号合成闸片( 准高速客车用) 。合成闸片的特点是： ( 1 ) 热稳定性好。树脂分解温度高，实际测定温度为3 7 7 c ； ( 2 ) 压缩弹性低，噪声小，温度分配均匀； ( 3 ) 粘结性强，既有树脂的耐老化性，又有橡胶的韧性，热衰退率低，恢 复性好； ( 4 ) 耐磨性好，表面有良好的再现性。 图2 3 合成闸片 如图2 3 是合成闸片的外形。在闸片的摩擦面上有5 条凹槽，这样既能很好 7 武汉理工大学硕士学位论文 地与摩擦环接触，又能时磨耗下来的粉末通过这些凹槽排出，同时还防止热膨 胀后的变形，使闸片与摩擦环这对摩擦副保持良好的接触。 在合成闸片的背面有1 2 r a m 钢板冲压成形并带有燕尾槽的钢背，使用钢背 的目的是为了增加合成闸片的强度，同时钢背又是闸片与闸片托的连接件。通 过钢背上的孔经特殊处理使用寿命可达一个段修期以上，其运用效果令人满意。 2 2 盘形制动的工作原理 1 一膜板2 - - 活塞3 一引导弹簧4 - - 引导螺母5 - - 引导挡铁6 一复原弹簧7 - - 调整螺母8 一调整弹簧9 一导向螺栓1 0 一调整挡铁1 1 一丝杠1 2 回程螺母 1 3 一定位销1 4 一活塞杆鼻子1 5 一护管1 6 一吊销1 7 一压板1 8 一螺栓1 9 一轴 承2 0 一缸体2 l 一缸盖 图2 4s p 2 型盘形制动单元 以s p ，型盘形制动单元为例，主要由两部分组成( 如图2 - - 4 所示) 。一部 分是直径2 5 4 m m 膜板制动缸，另一部分是闸片间隙自动调整器。图中的膜板l 、 活塞2 、复原弹簧6 、缸体2 0 和缸盖2 l 组成了膜板制动缸。闸片间隙调整器是 武汉理工大学硕士学位论文 由引导弹簧3 、引导螺母4 、引导挡铁5 、调整螺母7 、调整弹簧8 、导向螺栓9 、 调整挡铁1 0 、丝杠l l 和轴承1 9 组成。另外手动调整丝杠时用回程螺母1 2 ，丝 杠l l 与活塞杆鼻子1 4 之间的定位用的定位销1 3 。护管1 5 的作用是保护伸出缸 体外的丝杠，活塞杆鼻子1 4 和制动缸体上的两翼吊耳是用于安装悬挂制动缸体 的，除此之外，还有吊销1 6 、压板1 7 、以及紧固用的螺栓1 8 等。 卜一活塞杆鼻子2 一回程铁3 一o 型密封圈4 一弹簧5 一垫圈 6 一轴用挡圈7 一螺栓8 一垫圈9 一丝杠 图2 5 改进型丝杠回程机构 自1 9 9 5 年起新造客车安装的盘形制动单元取消了定位销1 6 ，而采用了啮合 方式，方便了合成婀片的安装和调整，参见上图2 - - 5 。图中所示的改进型丝杠 回程机构主要包括：活塞杆鼻子l 、回程铁2 、o 型密封圈3 、弹簧4 、垫圈5 、 轴用挡圈6 、螺栓7 、垫圈8 和丝杠9 。 s p ，型盘形制动单元的工作状态可分为：正常间隙制动位、正常间隙缓解位、 过大间隙制动位、过大间隙缓解位。其中过大间隙缓解位又有第一阶段的状况 和第二阶段的状况。 ( 1 ) 合成闸片与制动盘正常问隙时的作用 制动时压力空气进入制动缸膜板1 的右侧( 参见图2 4 ) ，推动膜板l 及活 塞2 向左移，压缩复原弹簧6 ，同时也带动引导挡铁5 、引导螺母4 、调整螺母 7 和丝杠l l 一起向左移动，此时调整挡铁l o 也在调整弹簧8 的推动下移动了一 个距离( 标准间隙a 值) ，参见图2 6c a ) 正常间隙制动位。这时闸片正好与 9 武汉理工大学硕士学位论文 制动盘接触，即完成了制动作用。在此过程中，闸片间隙调整器不发生调整作 用。 当制动机缓解时，压力空气由制动缸膜板l 的右侧排出( 参见图2 4 ) ，活 塞2 在复原弹簧6 的伸张作用下，恢复到缓解位置。引导挡铁5 随着活塞2 退 回到原位。这样调整挡铁l o 也退回到原位，移动的距离正好是标准间隙a 值。 参见2 6 ( b ) 正常间隙缓解位。 c 2 ) 合成闸片与制动盘间隙过大时的作用 制动时压力空气进入制动缸膜板1 的右侧，推动膜板1 及活塞2 向左移动的 同时，带动引导挡铁5 、引导螺母4 、调整螺母7 和丝杠l l 一起向左移动( 参见 图2 4 ) ，所移动的距离超过了标准间隙a 值，参见图2 6 ( c ) 过大间隙制动 位。设闸片与制动盘磨耗后活塞2 等增加的移动距离为f 即丝杠i i 向左移动 了a + f 的距离，而此过程中调整挡铁l o 却被导向螺栓9 挡住，仅移动了标准 间隙a 值，不能继续移动，调整螺母7 与调整挡铁l o 啮合部分脱开，在调整弹 簧8 的作用下，推动轴承向右旋转的同时，带动了调整螺母7 在非自锁螺纹丝 杠上旋转。很快与调整挡铁l o 重新啮合，此时，在调整螺母7 与护管1 5 形成 ， 间隙f o 缓解时分为两个阶段迸行，第一阶段，膜板l 右侧的压力空气排出，活塞2 在复原弹簧6 的伸长作用下向右移动，在此过程中引导挡铁和调整挡铁l o 等跟 随活塞2 一起向右移动，所移动的距离为标准间隙a 值，参见2 6 ( d ) 过大间 隙缓解位的第一阶段。 缓解第二阶段过程中，膜板1 右侧的压力空气继续排出。活塞2 在复原弹簧 6 的伸长作用下向右继续移动。引导螺母4 与引导挡铁5 脱开，在引导弹簧3 的 作用下，推动轴承向右旋转的同时，带动了引导螺母4 在非自锁螺纹丝杠上旋 转，很快与引导挡铁5 重新啮合。在这一阶段丝杠没有移动，消除了闸片和制 动盘磨耗后增加的间隙，参见图2 6 ( e ) 过大间隙缓解位的第二阶段。 通过这两个阶段的缓解过程，闸片间隙调整器对超出标准间隙值a 的f 值进 行了调整，也就是消除了合成闸片和制动盘的磨耗所增大的闸片间隙，使闸片 间隙又恢复到了标准值。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 ( a ) 正常间隙制动位( b ) 正常间隙缓解位( c ) 过大间隙制动位 ( d ) 过大间隙缓解位( 第一阶段x e ) 过大问隙缓解位( 第二阶段) 图2 6s p 2 型盘形制动单元的作用原理 2 3 火车刹车片摩擦理论分析 碰 嚣 麟 蛙 鬈 嚣 蒜 火车刹车片摩擦理论分析是研究刹车片测试系统的理论基础，也是对刹车 武汉理工大学硕士学位论文 片在制动过程中的工作状态进行分析的理论依据。下面简要介绍这方面的理论 基础知识。 2 3 i 火车刹车片材料摩擦特性 目前火车刹车片所使用的摩擦材料主要为石棉有机材料、非石棉有机材料、 半金属材料和粉末冶金金属陶瓷材料【4 】。 ， ( 1 ) 石棉有机摩擦材料 2 0 世纪2 0 一8 0 年代，石棉有机摩擦材料几乎一统天下。1 9 7 2 年，国际肿 瘤医学会确认石棉及高温挥发物属于致癌物。此外，现代制动速度的提高使制 动器表面温度达到3 0 0 。c 5 0 0 。c 。石棉摩擦材料在4 0 0 。c 左右将失去结晶水， 造成摩擦性能不稳定。石棉的导热性能很差，在紧急制动过程中，不但石棉会 产生裂纹，而且对偶钢盘内外温度梯度也比较大，对偶钢盘外表面遭到破坏而 产生龟裂，影响制动片的寿命。 但到目前为止还很难找到一种能够完全替代石棉的增强纤维，加之非石棉 纤维混合性不好，价格偏高及制品性能稳定性差等问题，在一定时期内，特别 是对发展中国家，石棉摩擦材料仍将继续使用。 ( 2 ) 有机摩擦材料 有机摩擦衬片在高温下分解产生液态物，在界面产生润滑膜，虽然减少了 制动副的磨损，但使摩擦系数下降，制动性能变差。制动盘表面的氧化膜破裂 后，其碎片或磨粒将聚集在衬片表面上，金属化层会发生断裂或剪切甚至完全 剥离，严重影响摩擦部件的使用寿命。 ( 3 ) 合金摩擦材料 使用合金摩擦片的基体不但要有较高的摩擦系数，还应该保证材料具有一 定的强度和良好的耐热性及导热性。纯金属强度较低，耐热性较差。铁基材料 的基体组元中常加入n i 、c r 、m o 等元素，可以提高材料的物理力学性能、耐热 和耐磨等性能。 ( 4 ) 半金属摩擦材料 半金属摩擦材料以钢纤维或金属粉代替石棉纤维，在4 0 0 。c 以下不产生热 衰退，热稳定性好。使用寿命是石棉摩擦材科的3 5 倍，在较高负荷下具有良 好的摩擦性能且导热性好、制动噪声小。 武汉理工大学硕士学位论文 在组成半金属摩擦材料的组分中，酚醛树脂在耐热性、成型加工性和成本 方面都比较优越，是目前广泛使用的粘结剂。半金属摩擦材料使用的增强纤维 主要是钢纤维和铜纤维。 ( 5 ) 非金属摩擦材料 非金属摩擦材料性能明显高于石棉摩擦材料。在代替石棉的纤维中，除了 钢纤维外，目前比较多见的有玻璃纤维、碳纤维、芳纶纤维以及这些纤维相混 合的混杂纤维。玻璃纤维的发展历史较长。其表面处理工艺和粘结剂的研究已 比较成熟，是早期石棉摩擦材料中使用较多的纤维。玻璃纤维硬度高、热稳定 性好、与树脂亲和性好且价格低廉，在工程机械已达到一定的应用范围。 ( 6 ) 粉末冶金金属摩擦材料 粉末冶金生产的铁基、铜基金属陶瓷摩擦材料，一定程度上解决了高温摩 擦系数热衰退和热磨损问题，但是由于价格高、制造工艺复杂、制动噪声大、 脆性大以及对偶件的擦伤和磨损大等缺点，没有得到广泛应用。由于金属陶瓷 层具有极好的耐磨性和耐高温性能，在摩擦材料表面喷涂金属陶瓷涂层可以得 到良好的制动效果。 ( 7 ) 氧化铝石棉摩擦片 由于氧化铝熔点高、热强度高、硬度高、热稳定性和化学稳定性好，在石 棉中加入氧化铝制造摩擦片，可以有效地减少由于热衰退引起的摩擦片龟裂现 象，而且制造工艺简单，造价不高，技术较成熟。 随着新材料和微电子技术的迅速发展，应用微电子技术和微传感器技术自 动检测制动过程中摩擦材料的摩擦系数、摩擦力、摩擦量及表面温度，通过控 制技术自动调节制动过程中的制动力和表面温度，提高制动的可靠性和安全性， 这是未来摩擦材料发展的重要方向。 2 3 ，2 火车刹车片摩擦理论分析 火车刹车片与制动盘之间的摩擦系数呈时变、强非线性分布， 摩擦材料、载荷力、制动速度、制动距离及工作温度等诸多因素。 复杂性，在此仅介绍一些主要的影响因素【5 1 ( 1 ) 载荷 火车刹车片与制动盘之间的摩擦属于金属与金属直接的摩擦， 其值取决于 由于摩擦的 其摩擦力可 武汉理工大学硕士学位论文 以认为是由剪断摩擦界面上各粘结点的剪切力和粗糙表面相互嵌入而形成的切 向阻力这两部分所组成，但后者仅占百分之几，可略去不计。即： f-a，f，(2-4) 式中f 。是较软金属表面层( 冷硬层) 的剪切强度。 由上可见，对于一定的材料，其摩擦力与真实接触面积成正比。实际上， 真实接触面积的增长往往并不与载荷的增长成比例，即真实接触面积的增长率 小于载荷的增长率，所以，摩擦力的增长率低于载荷的增长率。因此，随着载 荷的增长，摩擦系数逐渐减小，直到载荷增大足以使真实接触面积的增长与载 荷的增长成比例时，则摩擦系数为常数，而与载荷的变化无关。 ( 2 ) 速度 古典摩擦理论认为摩擦系数与滑动速度无关，事实上，摩擦系数随滑动速 度变化的规律非常复杂，目前在这方面还缺乏一致的认识。 波切特( b b o e h e t ) 研究了火车的制动摩擦 6 1 ，得到金属摩擦副的摩擦系数 随滑动速度的增加而减少的结论，即： ，： 墨 ( 2 5 ) 。 1 + 0 2 3 v 。 式中：k 系数，般为0 2 5 0 4 5 ( 湿轨取o 2 5 ，干轨取0 4 5 ) ； v 滑动速度，m s 。 弗兰克( g f r a n k e ) 7 1 修正了上诉结果，得到以下经验关系式： f = f o e x p ( 一c v ) 式中：厶静摩擦系数； c 常数。 ( 3 ) 温度 摩擦表面和周围介质的温度都会对摩擦系数产生十分复杂的影响，而且往 往表现为综合性的影响因素。由于温度主要是通过改变材料的性质而对摩擦系 数产生影响，因此，对于不同类型的材料具有不同的温度特性。火车刹车片与 制动盘之间的摩擦属于金属与金属直接的摩擦，下面讨论金属的温度特性。 这类材料的温度特性的主要特征是：在任何情况下，随温度而变化的摩擦 系数都存在一个最小值。如图2 7 给出了碳化钛单晶体在真空中的高温摩擦特 性曲线嗍。存在这种浴盆状特性曲线的原因在于： 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 0 0 0 鼍度乜乞 图2 7 金属材料的摩擦系数与温度的关系曲线图 粘着点的剪切强度随温度的升高而下降，所以，摩擦系数也相应减小。但 是，这种减小的趋势却会因载荷、材料的硬度或弹性模量的减小而减慢。 材料的硬度会随着温度的升高而减小，即： hb=hboexp(-口0(2-6) 式中：h b o 温度为o o c 或2 0 0 c ( 即2 7 3 k 或2 9 3 k ) 时材料的布式硬 度。 口与材料有关的系数； t 温度，k 。 但是，硬度下降会增大粘着力，因而使摩擦系数增大。 综合以上两方面的影响，随着温度的升高，摩擦系数会出现一个极小值。 本测试系统主要是测量刹车片的温度、压力和车轮转速信息，并且通过 ，= b f , 间接得出摩擦系数，最终通过软件分析摩擦系数与刹车片的温度、压 力以及车轮转速之间的关系。 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章火车刹车片测试系统的方案设计 鉴于我国即将建造的时速大于2 0 0 k m h 的铁路线路，研制既安全又耐用的 制动刹车片已成为当务之急。本章主要介绍火车刹车片测试系统的整体设计思 想、系统结构以及工作原理。 3 1 火车刹车片测试系统的设计思想 根据需要，火车刹车片测试系统要求实现以下功能： ( 1 ) 建立一个可以模拟火车制动过程的试验台。 ( 2 ) 试验台具有较高的自动化水平，可对刹车片的温度、压力以及车轮转 速进行实时监测。 ( 3 ) 测试系统可对己测参数进行分析，得出刹车片的摩擦特性曲线。 为了尽可能接近高速列车实际制动的工况条件，采用高速列车制动盘一对 刹车片摩擦副的接触形式和制动初速度。制动盘采用4 5 号钢经调质处理，为了 增加转动惯量加工成尺寸为0 2 5 0 x 2 0 m m 的制动盘，用交流电机带动制动盘转 动，采用变频器实现电机的调速控制。刹车片材料试件尺寸为0 4 0 x1 5 r a m ，其 端面与制动盘表面压紧，制动半径为l o o m m 。为了研究试件的制动性能，应在 不同的试验条件下，测量由开始制动到制动盘停止转动过程中试件的摩擦系数、 表面温度和车轮转速，并分析他们之间的关系。 3 2 火车刹车片测试系统的结构与工作原理 建立火车刹车片测试系统的目的是为了测试火车刹车片的摩擦性能，这就 需要测量火车刹车片的摩擦系数、表面温度和车轮转速。而刹车片的摩擦系数 是通过，= 乃，间接得出。所以本课题需要测量出刹车片的正压力、摩擦力， 同时要求测量刹车片的表面温度和制动盘主轴转速。 试验台测试系统原理图如图3 - l ； 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 1 测试系统原理框图 火车刹车片测试系统是建立在制动试验台的基础上的，试验台结构简图如 图3 - 2 所示。具体试验过程为：交流电动机1 通过联轴器与制动盘中轴相连，从 而带动制动盘3 ，采用变频器控制电机使制动盘以预定的速度转动，转速由光电 编码器测量。制动盘达到一定的转速后，离合器脱开并由加载钳6 使试件4 压紧制动盘。加载是通过带压力表的气缸提供一定的压力传递到气缸8 中，在 气压的作用下推动活塞7 运动，通过活动铰链5 将试件以一定的压力压紧在制 动盘表面上实现制动。光电编码器还可以测量从开始制动到制动盘静止的转数。 制动盘达到一定的转速后，在变频器控制电机减速的同时气缸启动加压荠同时 记录制动转数，以保证试验结果的准确性。该试验台还安装有热电偶，以测量 闸片材料表面的摩擦温度。 l 一电动机2 一联轴器3 制动盘4 一刹车片试件5 一铰链6 一加载钳7 一活塞8 一气缸 图3 - 2 火车刹车片试验台结构简图 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 3 3 火车刹车片测试系统概述 结合课题研究要求，火车刹车片测试系统的总体框图如图3 3 所示： 电机及飞 轮子系统 速度测 量模块 单片机控制模块 刹车片制 动子系统 温度、压力 测量模块 图3 3 火车刹车片测试系统的总体框图 ( 1 ) 交流电机( k w ) 调速系统部分 采用变频器控制三相异步交流电机( 2 2 k w ) ，通过r s 4 8 5 串口通讯由上位 机发送指令控制变频器的输出，从而达到电机的调速控制； ( 2 ) 转速测量模块 完成制动盘的速度测量，主要利用光电编码器测得盘的转速，当制动开始 时，开始计算制动盘的转动圈数，将采集的数据信号经过处理后送入单片机； ( 3 ) 刹车片制动子系统 测量刹车片的承载压力和表面的摩擦温度。分别利用压力传感器和热电偶 测得刹车片的压力和温度信息。其中运用多个热电偶测取刹车片上不同位置的 温度信息，再经过后续处理电路将信号送入单片机处理； ( 4 ) 工业控制计算机系统 由一台p c 机组成，设计v b 软件通过串口给下位机发送指令控制变频器的 频率输出，并且处理下位机传送上来的速度、压力和温度信息，得到刹车片的 摩擦特性曲线。 下面第四章围绕各个测试模块介绍火车刹车片测试系统的硬件部分。 1 8 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章火车刹车片测试系统的硬件设计 4 1 测试系统硬件系统设计 研究本系统的目的在于提供一种检测灵活、数据准确的火车刹车片测试系 统，以检测刹车片的摩擦性能。其技术方案如下：在制动盘轮轴上安装一个光 电编码器，用于测量车轮的转速；在一侧刹车片试件与安装位置安装一个压力 传感器，用于采集正压力信号：在另一侧刹车片试件上安装几个热电偶用于检 测刹车片表面温度的变化。各传感器的开关电路信号输出端接入可显示信号的 装置，以显示制动过程中各参数的变化情况。同时上位机通过串口通讯将采集 的数据传到上位机( p c 机) 中，进行数据处理，生成刹车片的摩擦系数曲线图。 图4 1 火车刹车片灏i 试系统框图 根据系统功能要求，选用美国模拟器件公司( a d i ) 生产的内嵌m c u 的 高性能、多通道1 2 位数据采集系统芯片a d u c 8 4 1 它具有高精度、高采样速率 的a d c ；具有向下兼容、高性能8 位8 0 5 2 的m c u 核；并且其体积小、功耗低 等特点。 本测试系统所用直流电由三端集成稳压器组成的串联型直流稳压电源提 供，如图4 2 所示。设计中选用了7 8 0 5 、7 9 0 5 、7 8 1 5 和7 9 1 5 四个三端集成稳 压器，提供1 5 v 直流电压，输出电流均为1 5 a 。7 8 0 5 和7 9 0 5 与7 8 1 5 和7 9 1 5 的连接方法一样。 在整流之后采用了大容量的电解电容c 4 、c 7 等进行滤波，以减小输出电压 1 9 武汉理工大学硕士学位论文 纹波。但由于电解电容器在高频下工作存在电感特性，对于来自电源侧的高频 干扰不能抑制，因此在整流电路后加入高频电容c 5 、c 8 ，可以进一步改善纹波。 c 6 、c 9 电容可以改善负载端的瞬态响应，抑制瞬态噪声干扰。这些电容应选用 频率特性好的陶瓷电容或钽电容。通过电容滤波可以提高稳压器的稳定性和改 变瞬态响应。 稳压器的容量和调整范围留有充足的裕量。稳压器的输入电压应比输出电 压大一些，取3 v ，由多抽头变压器t 提供。四个三端稳压器全都加上了散热 器，以增强工作的稳定性。 艘晡a n 1 5 图4 2 直流稳压供电 由于a d u c 8 4 1 需要采用双源供电，即提供5 v 的数字电平d v d d 和模拟电 平a v o o 。根据实际情况，我们采用上图所提供的直流稳压电源电路，选用7 8 0 5 集成稳压电路将v c c ( + 1 5 转换为+ 5 v 直流电。其数字电平转换电路和模拟电 平转换电路分别如下图4 3 ( a ) 、( b ) 。 l l 7 8 0 5 武汉理工大学硕士学位论文 伪 7 8 0 5 图a 图b 图4 3 数字电平转换电路和模拟电平转换电路 需要注意的是数字电平和模拟电平的地必须分开，以避免数字电路对模拟 电路的干扰，这样可以提高a d 采样精度。 下面按实现功能的不同分别介绍了各部分硬件组成和工作原理。 4 2 交流电机的调速控制模块 4 2 1 调速控制方案的设计 本系统选用的电机是y 9 0 l 一2 型三相异步电动机，其工作频率为5 0 h z ，额 定功率为2 2 k w ，额定转速为2 8 4 0 r a d m i n 。系统要求测量不同转速时火车刹车 片的运行参数，因此需要对电机进行调速控制。 在讨论异步电机的调速时，首先从研究转速计算公式 行：( 1 - s ) 吃；( 1 - s ) 6 0 f ( 4 1 ) p 出发。其中n o 为电机的同步转速，厂为电源频率，p 为级对数，