專利名稱：高速列車制動盤泵風效應及動態(tài)散熱特性試驗裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于鐵道車輛技術(shù)領(lǐng)域，涉及測試試驗與控制技術(shù)，尤其是高速列車制動盤泵風效應及動態(tài)散熱特性的試驗裝置，該試驗裝置可用于研究鐵路高速列車在模擬的制動環(huán)境中制動盤的泵風效應及制動盤溫度場分布規(guī)律，為開發(fā)新型制動盤提供測試試驗平臺。
背景技術(shù)：
《國家中長期科學和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》(2006-2020年)，已將高速軌道交通系統(tǒng)、高效運輸技術(shù)裝備列入了優(yōu)先主題。提出“重點研究開發(fā)高速軌道交通控制和調(diào)速系統(tǒng)、車輛制造、線路建設(shè)和系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)，形成系統(tǒng)成套技術(shù)，開展工程化運行試驗，掌握運行控制、線路建設(shè)和系統(tǒng)集成技術(shù)”。隨著中國高速鐵路和客運專線的快速發(fā)展，高速輪軌動車組將成為我國高速運輸?shù)闹髁鹘煌üぞ摺ｋS著我國高速列車速度的不斷提高，研究和掌握高速列車關(guān)鍵技術(shù)已逐漸成為相關(guān)研究、生產(chǎn)單位的主要任務之一，其中研究高速列車制動盤在高速情況下的制動性能越來越受重視。高速列車制動盤的泵風效應及制動盤溫度場分布呈現(xiàn)新的特點，關(guān)乎制動盤的使用壽命，研制開發(fā)功耗小、熱容量高、壽命長的制動盤非常必要。國內(nèi)關(guān)于高速列車制動盤的試驗裝置主要以1:1熱容試驗與摩擦副匹配試驗為主，如鐵道科學研究院等。沒有關(guān)于高速列車制動盤泵風效應的試驗裝置，也沒有用于制動盤動態(tài)散熱特性的試驗裝置。沒有考慮高速情況下，空氣流場對制動盤泵風及散熱的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對高速列車制動盤在制動過程中呈現(xiàn)的泵風效應及溫升變化特性，提供一種高速列車制動盤泵風效應及動態(tài)散熱特性的試驗裝置。通過該裝置能夠:
(I)通過控制風機轉(zhuǎn)速及風門大小，用以模擬制動盤在制動過程中不同運行速度下的空氣流場作用，通過試驗可以測量得到制動盤的泵風功耗等參數(shù)。(2)通過電機控制模擬制動盤在制動過程的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，基于非接觸式平面渦流感應加熱方式來模擬制動盤在制動過程中的熱載荷輸入。通過試驗獲取制動盤動態(tài)散熱規(guī)律，為分析、優(yōu)化制動盤結(jié)構(gòu)提供依據(jù)。
(3)通過控制風機轉(zhuǎn)速及風門大小，用以模擬制動盤在制動過程中不同運行速度下的空氣流場作用，通過試驗研究多種空氣流場情況下的制動盤動態(tài)散熱特性及制動盤的溫升分布規(guī)律。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明解決方案如下:系統(tǒng)由固定單元、制動盤驅(qū)動與檢測單元、被測制動盤與試驗測試單元、熱載荷輸入單元、風載荷輸入與檢測單元、控制單元組成。制動盤驅(qū)動與檢測單元、固定單元連接，可實現(xiàn)不同制動初速、不同制動模式下的真實的制動盤轉(zhuǎn)動狀態(tài)模擬，以及制動盤所受轉(zhuǎn)矩大小參數(shù)的檢測。作為試驗被測對象，被測制動盤安裝在制動盤驅(qū)動與檢測單元上，測試參數(shù)主要包括制動盤各表面的瞬態(tài)溫度大小。熱載荷輸入單元安裝在固定單元，主要通過非接觸式平面渦流感應加熱方式來模擬制動盤在制動過程中的熱載荷輸入，避免采用閘片摩擦方式造成的磨損影響。風載荷輸入與檢測單元與固定單元連接，主要用來真實模擬被測對象周圍的空氣流場作用。系統(tǒng)可實現(xiàn)制動盤泵風功耗、動態(tài)散熱規(guī)律試驗。固定單元的固定架與地基固接，用于支撐和連接伺服電機帶動的制動盤。制動盤驅(qū)動與檢測單元用于實現(xiàn)對被測制動盤按照設(shè)定轉(zhuǎn)速進行控制調(diào)節(jié)。制動盤兩端通過軸承與固定架相連，并用扣件扣緊，螺釘固定。制動盤驅(qū)動單元固定于支撐臺上，其包括伺服電機、聯(lián)軸器、減速離合器、2個光電編碼器。伺服電機經(jīng)過編碼器、聯(lián)軸器、減速離合器與制動盤一端連接，伺服電機對制動盤進行驅(qū)動，一個光電編碼器用于測量電機轉(zhuǎn)速。另一個編碼器與制動盤另一端相連，用于測量制動盤轉(zhuǎn)速。被測制動盤與試驗測試單元主要包括被測的制動盤、試驗樣件制動盤、5個紅外溫度傳感器組成。被測的制動盤與試驗樣件制動盤均可通過螺栓方式安裝在制動盤驅(qū)動軸的同一位置，試驗時先安裝試驗樣件制動盤獲得對照參數(shù)后，再更換上被測的制動盤進行試驗測試。5個紅外溫度傳感器用于檢測試驗過程中制動盤表面2個不同徑向位置及其對稱面相同位置的溫度變化，以及散熱筋處的溫度變化。5個紅外溫度傳感器的監(jiān)測結(jié)果經(jīng)過濾波、AD轉(zhuǎn)換后輸入到工業(yè)控制計算進行顯示、分析與存儲。熱載荷輸入單元包括電源系統(tǒng)、非接觸式平面渦流感應加熱器、固定架及線圈，整個裝置放于支撐臺上，支撐臺與地基固接，非接觸式平面渦流感應加熱器位于制動盤兩側(cè)摩擦面附近，通過固定架與支撐臺固接，非接觸式平面渦流感應加熱器上盤有線圈，線圈與電源系統(tǒng)及控制系統(tǒng)相連，當線圈輸入交變電流時就會在制動盤摩擦面上產(chǎn)生電渦流進而對制動盤加熱。熱載荷輸入控制系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)、整流器、濾波器、脈沖發(fā)生器、PWM控制電路、驅(qū)動電路、功率放大器、電流檢測單元、AD/DA卡、計數(shù)卡及工業(yè)控制計算機等組成。電源系統(tǒng)經(jīng)整流器、濾波器、脈沖發(fā)生器、功率放大器與線圈相連，PWM控制電路經(jīng)驅(qū)動電路控制脈沖發(fā)生器的波形輸出。P麗控制電路與工業(yè)控制計算機相連，制動盤轉(zhuǎn)速編碼器信號與計數(shù)卡相連，電流檢測單元測得的線圈電流和紅外溫度傳感器信號由AD/DA卡輸入工業(yè)控制計算機并進行相應控制。風載荷輸入單元包括伺服電機、聯(lián)軸器、減速器、2個光電測速編碼器、風速傳感器、葉輪和空氣導流管道，整個單元固接在支撐臺上，支撐臺與地基固接。伺服電機經(jīng)過編碼器、聯(lián)軸器、減速器與葉輪相連，葉輪位于空氣導流管道中，用于抽取外界空氣，再經(jīng)過導流管道生成一定速度的氣流加載到制動盤上，兩個編碼器一個用于測量電機的轉(zhuǎn)速，一個用于測量葉輪的轉(zhuǎn)速，風速傳感器固定于導流管道出風口，用于測量風速。空氣流場控制系統(tǒng)包括電源系統(tǒng)、計數(shù)卡、AD/DA卡、電機驅(qū)動卡、環(huán)境監(jiān)測傳感器及工業(yè)控制計算機等組成。伺服電機通過電機驅(qū)動器與工業(yè)控制計算機相連，3個編碼器信號與計數(shù)卡相連，風速傳感器信號由AD/DA卡輸入工業(yè)控制計算機并進行相應控制。本發(fā)明工作原理:(I)制動盤泵風效應試驗原理:首先通過風載荷輸入單元模擬設(shè)定制動初速工況下作用在制動盤周圍的空氣流場。然后采用試驗樣件制動盤進行試驗，獲得怠速轉(zhuǎn)動功耗參考數(shù)據(jù)，該試驗樣件制動盤是對被測制動盤的改造加工而成，區(qū)別在于試驗樣件制動盤不具備散熱筋的通風功能，比如改造過程中可以將被測制動盤通風口堵住方式實現(xiàn)；試驗時通過控制制動盤驅(qū)動單元使試驗樣件制動盤達到設(shè)定轉(zhuǎn)速，控制減速離合器切除制動盤驅(qū)動軸與電機的連接，通過檢測制動盤的減角速度大小計算設(shè)定制動初速工況下的怠速轉(zhuǎn)動功耗參考數(shù)據(jù)。第三，更換試驗樣件制動盤為被測的制動盤，重復第二步，得到被測制動盤的怠速轉(zhuǎn)動功耗數(shù)據(jù)，根據(jù)被測制動盤怠速轉(zhuǎn)動功耗與驗樣件制動盤怠速轉(zhuǎn)動功耗之差求得被測制動盤的在該制動初速工況下的泵風功耗。(2)制動工況下制動盤動態(tài)散熱特性試驗的熱載荷輸入工作原理:即通過平面渦流感應加熱方式取代傳統(tǒng)的摩擦生熱模擬制動盤在不同制動初速度、不同載荷、不同制動工況下(包括常用制動、階段制動以及緊急制動)進行熱載荷輸入。具體來講:通過工業(yè)控制計算機進行初始化，即對2個編碼器、紅外溫度傳感器、環(huán)境監(jiān)測傳感器以及線圈電流初始化。通過人機界面設(shè)定制動工況中的軸重、制動初速度和制動減速度等相關(guān)參數(shù)以及制動盤的尺寸參數(shù)，工業(yè)控制計算機可根據(jù)相應算法計算得到制動盤的角速度和角減速度隨時間變化的曲線，控制伺服電機驅(qū)動制動盤按指定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)動，實時監(jiān)測編碼器讀數(shù)變化，通過補償、計算，得出伺服電機控制信號。同時熱載荷輸入控制系統(tǒng)根據(jù)輸入的參數(shù)可計算得到熱流密度隨時間變化的曲線，進一步可得到產(chǎn)生相同熱流密度所需的渦流電流隨時間變化的曲線，根據(jù)編碼器實時測得的制動盤轉(zhuǎn)速和線圈的電流檢測器讀數(shù)，進行補償、計算，通過PWM控制對線圈中脈沖電流的頻率和幅值進行調(diào)整。已獲得設(shè)定制動工況下對制動盤的熱載荷輸入。(3)制動工況下制動盤動態(tài)散熱特性試驗的空氣流場模擬工作原理:即根據(jù)設(shè)定制動初速參數(shù)，通過工業(yè)控制計算機控制風機葉輪轉(zhuǎn)速以模擬制動盤周圍的空氣流場分布，具體來講:系統(tǒng)通過工業(yè)控制計算機進行初始化，即對4個編碼器、紅外溫度傳感器、風速傳感器、環(huán)境監(jiān)測傳感器初始化。根據(jù)設(shè)定的制動工況參數(shù)，計算機可計算得相應的風速隨時間變化的曲線，并控制風機的伺服電機按指定的轉(zhuǎn)速變化曲線轉(zhuǎn)動，實時監(jiān)測4個編碼器讀數(shù)變化，并采集風速傳感器讀數(shù)，通過補償、計算，得出風機的伺服電機控制信號，伺服電機再帶動葉輪抽取空氣到導流管道中，經(jīng)導流作用得到設(shè)定制動工況下的制動盤周圍空氣流場分布。。在第(2) (3)步的基礎(chǔ)上，通過5個紅外溫度傳感器，可以實時檢測設(shè)定制動工況參數(shù)下的制動盤表面及散熱筋表面的溫度變化，進而分析制動盤的動態(tài)散熱特性。


圖1是本發(fā)明系統(tǒng)一種實施例總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1所示系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的俯視圖。圖1圖2中，制動盤驅(qū)動單元伺服電機1、制動盤驅(qū)動單元伺服電機編碼器2、制動盤驅(qū)動單元伺服電機聯(lián)軸器3、制動盤驅(qū)動單元減速離合器4、扣件5、制動盤6、制動盤編碼器7、制動盤編碼器支撐架8、固定架9、滾動軸承10、熱載荷輸入單元支撐臺11、制動盤驅(qū)動單元支撐臺12、非接觸式平面渦流感應加熱器13、非接觸式平面渦流感應加熱器固定架
14、人機界面及控制系統(tǒng)15、第一至第五紅外溫度傳感器16、28、29、30、33、線圈17、風速傳感器18、風載荷輸入單元伺服電機19、風載荷輸入單元伺服電機編碼器20、風載荷輸入單元伺服電機聯(lián)軸器21、風載荷輸入單元伺服電機減速器22、葉輪編碼器23、風載荷輸入單元支撐臺24、葉輪25、空氣導流管道26、空氣導流管道支撐臺27、試驗樣件制動盤31、制動盤驅(qū)動軸32、傳感器固定臺34。
圖3為非接觸式平面渦流感應加熱器側(cè)視圖。圖4a為制動盤溫度測量點分布圖之一。圖4b為制動盤溫度測量點分布圖之二。圖5為試驗樣件制動盤軸測圖。圖6為本發(fā)明制動盤驅(qū)動單元電控系統(tǒng)示意圖。圖7為本發(fā)明熱載荷輸入單元控制系統(tǒng)示意圖。圖8為本發(fā)明風載荷輸入單元控制系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的最佳實施例作進一步描述。本發(fā)明高速列車制動盤泵風效應及動態(tài)散熱特性試驗裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示。系統(tǒng)包括固定單元、制動盤驅(qū)動與檢測單元、被測制動盤與試驗測試單元、熱載荷輸入單元、風載荷輸入與檢測單元、溫升檢測單元，其中:固定單元由固定架9、滾動軸承10和扣件5組成，對制動盤驅(qū)動軸32進行固定。制動盤驅(qū)動與檢測單元由制動盤驅(qū)動單元伺服電機1、制動盤驅(qū)動單元伺服電機編碼器2、制動盤驅(qū)動單元伺服電機聯(lián)軸器3、制動盤驅(qū)動單元減速離合器4、制動盤驅(qū)動單元支撐臺12以及制動盤驅(qū)動軸32組成。被測制動盤與試驗測試單元由制動盤6、制動盤編碼器7、制動盤編碼器支撐架8、用于測試制動盤溫升的第一至第五紅外傳感器16、28、29、30、33，以及試驗樣件制動盤31組成。熱載荷輸入單元由熱載荷輸入單元支撐臺11、非接觸式平面渦流感應加熱器13、非接觸式平面渦流感應加熱器固定架14、線圈17組成。風載荷輸入與檢測單元由風速傳感器18、風載荷輸入單元伺服電機19、風載荷輸入單元伺服電機編碼器20、風載荷輸入單元伺服電機聯(lián)軸器21、風載荷輸入單元伺服電機減速器22、葉輪編碼器23、風載荷輸入單元支撐臺24、葉輪25、空氣導流管道26、空氣導流管道支撐臺27組成。固定架9與地基連接，制動盤轉(zhuǎn)動軸放置于固定架上，用扣件5通過螺栓與固定架9連接，制動盤轉(zhuǎn)動軸與固定架9和扣件5間安裝滾動軸承10。制動盤驅(qū)動與檢測單元安裝于支撐臺12上，支撐臺12與地基連接。制動盤驅(qū)動單元伺服電機I通過編碼器2、聯(lián)軸器3和減速離合器4與制動盤轉(zhuǎn)動軸右端相連，通過伺服電機I的驅(qū)動帶動制動盤6的轉(zhuǎn)動。編碼器2用來測量伺服電機I的轉(zhuǎn)速。制動盤轉(zhuǎn)動軸左端與制動盤編碼器7相連，編碼器7安裝于制動盤編碼器支撐架8上，制動盤編碼器支撐架8與固定架9固接，編碼器7用于測量制動盤的轉(zhuǎn)動速度。熱載荷輸入單元安裝于支撐臺11上，置于制動盤一側(cè)，非接觸式平面渦流感應加熱器13置于制動盤摩擦面兩側(cè)，與制動盤盤面保持一定間隙；非接觸式平面渦流感應加熱器13通過固定架14與支撐臺11固接，非接觸式平面渦流感應加熱器13上嵌有線圈17，通入頻率可調(diào)的電流后，由于電渦流原理可在非接觸式平面渦流感應加熱器13對應的制動盤面上產(chǎn)生熱量。風載荷輸入單元安裝于支撐臺24上，置于制動盤另一側(cè)，與熱載荷輸入單元相對于制動盤對稱安裝。伺服電機19通過編碼器20、聯(lián)軸器21、減速器22、編碼器23與葉輪25相連，葉輪25位于空氣導流管道26中，伺服電機19帶動葉輪25轉(zhuǎn)動抽取外界空氣進入導流管道26經(jīng)導流作用可形成一定速度的空氣流場，用來模擬列車制動中制動盤受到的實際空氣流場。風速傳感器18安裝于導流管出風口用于測量空氣流場速度，編碼器20、23分別用于測量伺服電機19和葉輪25的轉(zhuǎn)速。紅外溫度傳感器16、28、29、30、33分布于制動盤周圍，但要盡量遠離出風口邊界，以免干擾空氣流場，用于測量制動盤的第一至第五測點A、B、C、D、E的溫度實時變化，第一至第五紅外溫度傳感器16、28、29、30、33與制動盤不接觸，第一至第五紅外溫度傳感器16、28、29、30、33安裝在傳感器固定臺34上，傳感器固定臺與地基固接。制動盤溫度測量點分布如圖4a、b所示，在制動盤兩側(cè)各有兩點徑向位置第一至第四溫度檢測點A、B、D、E，散熱筋處有第五檢測點C。試驗樣件制動盤如圖5所示，由被測制動盤改造加工而成，在制動盤散熱筋通風口處用橡膠套堵住，以消除泵風效應。本發(fā)明高速列車制動盤泵風效應及動態(tài)散熱特性試驗裝置的試驗過程如下:系統(tǒng)通過工業(yè)控制計算機進行初始化，即對編碼器2、編碼器7、編碼器20、編碼器23、第一至第五紅外溫度傳感器16、、28、29、30、33，風速傳感器18、線圈17電流進行初始化。在人機界面15輸入制動工況參數(shù)以及制動盤尺寸參數(shù)。(I)制動盤泵風效應試驗:第一步，將制動盤6從制動盤驅(qū)動軸32上拆下，更換為對應的試驗樣件制動盤31。通過人機界面設(shè)定制動初速，工業(yè)控制計算機根據(jù)輸入的制動初速，并根據(jù)編碼器2、編碼器7的讀數(shù)控制伺服電機I驅(qū)動試驗樣件制動盤31轉(zhuǎn)動。同時，啟動伺服電機19，根據(jù)編碼器7、編碼器20、編碼器23的讀數(shù)和風速傳感器18采集的數(shù)據(jù)對伺服電機19的轉(zhuǎn)速進行控制，用于生成設(shè)定制動初速對應的空氣流場并作用于試驗樣件制動盤31上。待轉(zhuǎn)速達到設(shè)定制動初速大小時，通過工業(yè)控制計算機控制制動盤驅(qū)動單元減速離合器4，切斷伺服電機I與制動盤驅(qū)動軸32之間的連接。這時試驗樣件制動盤31帶動制動盤驅(qū)動軸32怠速轉(zhuǎn)動,通過工業(yè)控制計算機實時記錄編碼器7的輸出，計算試驗樣件制動盤31的角減速度ε，及阻力矩功率PO=J ε，其中J表示轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量大小。第二步，將試驗樣件制動盤31更換為制動盤6，重復第一步的過程，計算阻力矩功率Pl,由此可以得到制動盤31在設(shè)定制動初速情況下的泵風功率為Ρ1-Ρ0。(2)模擬空氣流場及熱載荷的制動工況下制動盤動態(tài)散熱特性試驗:通過人機界面設(shè)定制動工況參數(shù)，包括制動初速、制動盤配置參數(shù)、制動力大小等，工業(yè)控制計算機根據(jù)輸入?yún)?shù)計算制動時間、熱流密度、風速大小等控制參數(shù)?？刂七^程中工業(yè)控制計算機按設(shè)定算法并根據(jù)編碼器2、編碼器7的讀數(shù)控制伺服電機I驅(qū)動制動盤轉(zhuǎn)動。根據(jù)編碼器7的讀數(shù)和電流檢測器的測量值，工業(yè)控制計算機經(jīng)過計算在線圈17中輸入指定頻率和幅值的可調(diào)電流，在制動盤摩擦面上產(chǎn)生電渦流，用來模擬制動盤與閘片摩擦產(chǎn)生的熱負荷，并進行加載。啟動伺服電機19，根據(jù)編碼器7、編碼器20、編碼器23的讀數(shù)和風速傳感器18采集的數(shù)據(jù)對伺服電機19的轉(zhuǎn)速進行控制，用于生成設(shè)定速度的空氣流場并作用于制動盤上。記錄并分析第一至第五紅外溫度傳感器16、28、29、30、33的讀數(shù)。改變制動工況參數(shù)設(shè)置可以得到不同工況下的制動盤溫升響應。(3)模擬熱載荷的制動工況下制動盤動態(tài)散熱特性試驗:通過人機界面設(shè)定制動工況參數(shù)，包括制動初速、制動盤配置參數(shù)、制動力大小等，工業(yè)控制計算機根據(jù)輸入?yún)?shù)計算制動時間、熱流密度、風速大小等控制參數(shù)。控制過程中工業(yè)控制計算機按設(shè)定算法并根據(jù)編碼器2、編碼器7的讀數(shù)控制伺服電機I驅(qū)動制動盤轉(zhuǎn)動。根據(jù)編碼器7的讀數(shù)和電流檢測器的測量值，工業(yè)控制計算機經(jīng)過計算在線圈17中輸入指定頻率和幅值的可調(diào)電流，在制動盤摩擦面上產(chǎn)生電渦流，用來模擬制動盤與閘片摩擦產(chǎn)生的熱負荷，并進行加載。記錄并分析第一至第五紅外溫度傳感器16、28、29、30、33的讀數(shù)。改變制動工況參數(shù)設(shè)置可以得到不同工況下的制動盤溫升變化規(guī)律。圖6為本發(fā)明制動盤驅(qū)動單元的電控框圖。該系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機、人機界面、控制算法、計數(shù)卡、精密電機驅(qū)動卡、數(shù)據(jù)處理、顯示打印裝置、環(huán)境監(jiān)測傳感器組成。其中:工業(yè)控制計算機作為控制中央，實現(xiàn)人機對話、控制實施、運算打印等功能。計數(shù)卡通過工業(yè)控制計算機對編碼器2和編碼器7進行采集、記錄和判斷。精密電機驅(qū)動卡則根據(jù)工業(yè)控制計算機信號對伺服電機實施控制。環(huán)境監(jiān)測傳感器記錄系統(tǒng)工作的環(huán)境參數(shù)，用以對系統(tǒng)進行標定、補充等。圖7為本發(fā)明熱載荷輸入單元控制系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機、人機界面、控制算法、多路AD/DA卡、計數(shù)卡、電源系統(tǒng)、整流器、濾波器、脈沖發(fā)生器、功率放大器、PWM控制電路、驅(qū)動電路組成。其中:AD/DA卡對系統(tǒng)溫度傳感器和電流檢測器信號進行實時采集、濾波、放大、存儲等。電源系統(tǒng)輸出的交流電經(jīng)整流器、濾波器后變成直流電，通過脈沖發(fā)生器變成脈沖電流，經(jīng)功率放大器后輸入線圈17。脈沖電流的頻率和幅值由PWM電路控制，控制信號由工業(yè)控制計算機根據(jù)編碼器7的讀數(shù)和電流檢測器的讀數(shù)經(jīng)控制算法計算后發(fā)出。圖8為本發(fā)明風載荷輸入單元控制系統(tǒng)框圖。該系統(tǒng)由工業(yè)控制計算機、人機界面、控制算法、計數(shù)卡、AD/DA卡、精密電機驅(qū)動卡、數(shù)據(jù)處理、顯示打印裝置、環(huán)境監(jiān)測傳感器組成。其中:工業(yè)控制計算機作為控制中央，實現(xiàn)人機對話、控制實施、運算打印等功能。AD/DA卡對系統(tǒng)風速傳感器信號進行實時采集、濾波、放大、存儲等。計數(shù)卡通過工業(yè)控制計算機對編碼器7、編碼器20和編碼器23進行采集、記錄和判斷。精密電機驅(qū)動卡則根據(jù)工業(yè)控制計算機信號對伺服電機實施控制。環(huán)境監(jiān)測傳感器記錄系統(tǒng)工作的環(huán)境參數(shù)，用以對系統(tǒng)進行標定、補充等。三個系統(tǒng)共享人機界面和顯示打印裝置。系統(tǒng)工作完成后，工業(yè)控制計算機將按照有關(guān)要求統(tǒng)一顯示和打印實驗結(jié)果，全部數(shù)據(jù)以文件的形式進行存儲。上述的對實施例的描述是為便于該技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領(lǐng)域技術(shù)的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其他實施例中而不必經(jīng)過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明的揭示，不脫離本發(fā)明范疇所做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種高速列車制動盤泵風效應及動態(tài)散熱特性試驗裝置，其特征在于:包括固定單元、制動盤驅(qū)動與檢測單元、被測制動盤與試驗測試單元、熱載荷輸入單元、風載荷輸入與檢測單元、控制單元； 制動盤驅(qū)動與檢測單元、固定單元連接，實現(xiàn)不同制動初速、不同制動模式下的真實的制動盤轉(zhuǎn)動狀態(tài)模擬、制動盤所受轉(zhuǎn)矩大小參數(shù)的檢測；被測制動盤安裝在制動盤驅(qū)動與檢測單元上；熱載荷輸入單元安裝在固定單元上，通過非接觸式平面渦流感應加熱方式來模擬制動盤在制動過程中的熱載荷輸入；風載荷輸入與檢測單元與固定單元連接，用于真實模擬被測對象周圍的空氣流場作用。
2.如權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于:所述固定單元包括固定架(9)、滾動軸承(10 )和扣件(5 )，對制動盤驅(qū)動軸(32 )進行固定；固定架(9 )與地基連接，制動盤轉(zhuǎn)動軸放置于固定架上，用扣件(5)通過螺栓與固定架(9)連接，制動盤轉(zhuǎn)動軸與固定架(9)和扣件(5 )間安裝滾動軸承(10 )。
3.如權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于:所述制動盤驅(qū)動與檢測單元包括制動盤驅(qū)動單元伺服電機(I)、制動盤驅(qū)動單元伺服電機編碼器(2)、制動盤驅(qū)動單元伺服電機聯(lián)軸器(3)、制動盤驅(qū)動單元減速離合器(4)、制動盤驅(qū)動單元支撐臺(12)以及制動盤驅(qū)動軸(32)，制動盤驅(qū)動與檢測單元安裝于支撐臺(12)上，支撐臺(12)與地基連接。制動盤驅(qū)動單元伺服電機(I)通過編碼器(2 )、聯(lián)軸器(3 )和減速離合器(4 )與制動盤轉(zhuǎn)動軸右端相連，通過伺服電機(I)的驅(qū)動帶動制動盤(6)的轉(zhuǎn)動；編碼器(2)用于測量伺服電機(I)的轉(zhuǎn)速；制動盤轉(zhuǎn)動軸左端與制動盤編碼器(7 )相連，編碼器(7 )安裝于制動盤編碼器支撐架 (8)上，制動盤編碼器支撐架(8)與固定架(9)固接，編碼器(7)用于測量制動盤的轉(zhuǎn)動速度。
4.如權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于:所述被測制動盤與試驗測試單元包括制動盤(6)、制動盤編碼器(7)、制動盤編碼器支撐架(8)、用于測試制動盤溫升的第一至第五紅外傳感器(16、28、29、30、33)、試驗樣件制動盤(31);第一至第五紅外溫度傳感器((16、28、29、30、33)分布于制動盤周圍遠離出風口邊界以免干擾空氣流場，用于測量制動盤的第一至第五測點(A、B、C、D、E)的溫度實時變化，第一至第五紅外傳感器(16、28、29、30,33)與制動盤不接觸，第一至第五紅外傳感器(16、28、29、30、33)安裝在傳感器固定臺(34)上，傳感器固定臺與地基固接；在制動盤兩側(cè)各有兩點徑向位置不同的第一至第四溫度檢測點(A、B、D、E)，散熱筋處有第五檢測點(C);試驗樣件制動盤的散熱筋通風口被堵住以消除泵風效應。
5.如權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于:所述熱載荷輸入單元包括熱載荷輸入單元支撐臺(11)、非接觸式平面渦流感應加熱器(13)、非接觸式平面渦流感應加熱器固定架(14)、線圈(17)，熱載荷輸入單元安裝于支撐臺(11)上，置于制動盤一側(cè)，非接觸式平面渦流感應加熱器(13)置于制動盤摩擦面兩側(cè)，與制動盤盤面保持一定間隙；非接觸式平面渦流感應加熱器(13)通過固定架(14)與支撐臺(11)固接，非接觸式平面渦流感應加熱器(13)上嵌有線圈(17)。
6.如權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于:所述風載荷輸入與檢測單元包括風速傳感器(18)、風載荷輸入單元伺服電機(19)、風載荷輸入單元伺服電機編碼器(20)、風載荷輸入單元伺服電機聯(lián)軸器(21)、風載荷輸入單元伺服電機減速器(22)、葉輪編碼器(23)、風載荷輸入單元支撐臺(24)、葉輪(25)、空氣導流管道(26)、空氣導流管道支撐臺(27)，風載荷輸入單元安裝于支撐臺(24)上，置于制動盤另一側(cè)，與熱載荷輸入單元相對于制動盤對稱安裝；伺服電機(19)通過編碼器(20)、聯(lián)軸器(21)、減速器(22)、編碼器(23)與葉輪(25)相連，葉輪(25)位于空氣導流管道(26)中，伺服電機(19)帶動葉輪(25)轉(zhuǎn)動抽取外界空氣進入導流管道(26)經(jīng)導流作用形成空氣流場以模擬列車制動中制動盤受到的實際空氣流場；風速傳感器(18)安裝于導流管出風口用于測量空氣流場速度，編碼器(20)、(23)分別用于測量伺服電機(19)和葉輪(25)的轉(zhuǎn)速。
7.如權(quán)利要求1所述的試驗裝置，其特征在于:所述控制單元包括制動盤驅(qū)動單元電控系統(tǒng)、熱載荷輸入單元控制系統(tǒng)、風載荷輸入單元控制系統(tǒng)；三個系統(tǒng)共享人機界面和顯示打印裝置；系統(tǒng)工作完成后，工業(yè)控制計算機統(tǒng)一顯示和打印實驗結(jié)果，全部數(shù)據(jù)以文件的形式進行存儲。
8.如權(quán)利要求7所述的試驗裝置，其特征在于:所述制動盤驅(qū)動單元電控系統(tǒng)包括工業(yè)控制計算機、人機界面、控制算法、計數(shù)卡、精密電機驅(qū)動卡、數(shù)據(jù)處理、顯示打印裝置、環(huán)境監(jiān)測傳感器，其中:工業(yè)控 制計算機作為控制中央，實現(xiàn)人機對話、控制實施、運算打印功能；計數(shù)卡通過工業(yè)控制計算機對編碼器(2)和編碼器(7)進行采集、記錄和判斷；精密電機驅(qū)動卡則根據(jù)工業(yè)控制計算機信號對伺服電機實施控制；環(huán)境監(jiān)測傳感器記錄系統(tǒng)工作的環(huán)境參數(shù)，用以對系統(tǒng)進行標定、補充。
9.如權(quán)利要求7所述的試驗裝置，其特征在于:所述熱載荷輸入單元控制系統(tǒng)包括工業(yè)控制計算機、人機界面、控制算法、多路AD/DA卡、計數(shù)卡、電源系統(tǒng)、整流器、濾波器、脈沖發(fā)生器、功率放大器、P麗控制電路、驅(qū)動電路，其中:AD/DA卡對系統(tǒng)溫度傳感器和電流檢測器信號進行實時采集、濾波、放大、存儲；電源系統(tǒng)輸出的交流電經(jīng)整流器、濾波器后變成直流電，通過脈沖發(fā)生器變成脈沖電流，經(jīng)功率放大器后輸入線圈(17);脈沖電流的頻率和幅值由PWM電路控制，控制信號由工業(yè)控制計算機根據(jù)編碼器(7)的讀數(shù)和電流檢測器的讀數(shù)經(jīng)控制算法計算后發(fā)出。
10.如權(quán)利要求7所述的試驗裝置，其特征在于:所述風載荷輸入單元控制系統(tǒng)包括工業(yè)控制計算機、人機界面、控制算法、計數(shù)卡、AD/DA卡、精密電機驅(qū)動卡、數(shù)據(jù)處理、顯示打印裝置、環(huán)境監(jiān)測傳感器，其中:工業(yè)控制計算機作為控制中央，實現(xiàn)人機對話、控制實施、運算打印等功能；AD/DA卡對系統(tǒng)風速傳感器信號進行實時采集、濾波、放大、存儲等；計數(shù)卡通過工業(yè)控制計算機對編碼器(7)、編碼器(20)和編碼器(23)進行采集、記錄和判斷；精密電機驅(qū)動卡則根據(jù)工業(yè)控制計算機信號對伺服電機實施控制；環(huán)境監(jiān)測傳感器記錄系統(tǒng)工作的環(huán)境參數(shù)，用以對系統(tǒng)進行標定、補充。
全文摘要
一種高速列車制動盤泵風效應及動態(tài)散熱特性試驗裝置包括固定單元、制動盤驅(qū)動與檢測單元、被測制動盤與試驗測試單元、熱載荷輸入單元、風載荷輸入與檢測單元、控制單元。制動盤驅(qū)動與檢測單元、固定單元連接，實現(xiàn)不同制動初速、不同制動模式下的真實的制動盤轉(zhuǎn)動狀態(tài)模擬、制動盤所受轉(zhuǎn)矩大小參數(shù)的檢測；被測制動盤安裝在制動盤驅(qū)動與檢測單元上；熱載荷輸入單元安裝在固定單元上，通過非接觸式平面渦流感應加熱方式來模擬制動盤在制動過程中的熱載荷輸入；風載荷輸入與檢測單元與固定單元連接，用于真實模擬被測對象周圍的空氣流場作用，通過試驗得到多種空氣流場情況下的制動盤的泵風效應、動態(tài)散熱特性及其制動盤溫升分布規(guī)律。
文檔編號G01M17/08GK103175700SQ20131006044
公開日2013年6月26日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者左建勇, 朱曉宇 申請人:同濟大學