城市轨道交通列车基础制动装置温度测试方案

柳琳琳吴伟忠韩 非胡 果(.南昌轨道交通集团有限公司,330038,南昌;.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,0804,上海∥第一作者,高级工程师)



城市轨道交通列车基础制动装置温度测试方案

柳琳琳1吴伟忠2韩 非2胡 果2
(1.南昌轨道交通集团有限公司,330038,南昌;2.同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海∥第一作者,高级工程师)

摘 要分析了城市轨道交通列车基础制动装置在线温度测试的重要性,介绍了温度测试技术,提出了基于热电偶、红外测温仪和热成像仪的多平台温度测试方案,以解决单一温度测试方法存在的不足。热电偶、红外测温仪和成像仪组成的多平台协同温度测试方案是获取踏面制动过程中车轮-闸瓦摩擦副温度场较理想可行的方案。该方案有利于基础制动装置的失效分析,可为城市轨道交通列车的安全运营提供参考。

关键词城市轨道交通列车;基础制动装置;在线温度测试

First-author′s address Nanchang Railway Group Co., Ltd.,330038,Nanchang,China

踏面制动作为城市轨道交通(以下简为“城轨”)列车的主要制动方式,车轮-闸瓦摩擦副在制动过程中的温度及其变化直接影响到制动系统工作的可靠性、使用寿命和安全性。城市轨道交通列车一般采用合成闸瓦,而合成闸瓦中的有机成分在温度过高的情况下会发生热分解,导致车轮-闸瓦摩擦副摩擦系数下降以及磨耗量增加。城轨列车大部分行程是处在地下密闭空间,合成闸瓦中的有机物在热分解过程中会产生异味和磨耗粉尘,这些物质会影响到乘坐的舒适性和乘客的健康。同时,来自于闸瓦中的金属类磨粒还会给受电弓滑板等部件的正常工作造成影响。

合成闸瓦由于其导热系数低,制动过程中66% ～90%的热量由轮对散出[1],车轮在温度过高的情况下会产生热应力,从而出现热裂纹和热损伤,变化的热应力还会导致热疲劳失效。所以,车轮踏面在运行过程中温度不应大于400℃[2]。

城轨列车的站间距比较小,一次缓解与下一次制动之间的热量来不及消退,车轮-闸瓦摩擦副之间存在一定的热累积效应。为适应城市的发展,城轨列车的运行线路在原有的基础上不断延伸,车轮-闸瓦摩擦副面临更加恶劣的热环境,承受更加大的热负荷。

《地铁车辆通用技术条件》中规定,即使在电制动出现故障的意外情况下,也应能保证空气制动发挥作用,使列车安全停车[3]。为消除城轨列车在制动过程中温度过高所潜在的安全隐患,研究车轮-闸瓦摩擦副温度场变得尤为重要。

为获得车轮-闸瓦摩擦副在工作过程中的温度变化情况,许多专家和学者通过建立车轮-闸瓦一维、二维或三维有限元模型[4-5],对其温度场和应力场进行动态模拟。尽管有限元模型建立得越来越接近真实情况,但大部分的理论和模型都存在着许多假设和边界条件,例如:忽略摩擦副温度变化的影响将摩擦系数视为不变的量,假设外部环境温度和其他因素不变而将对流换热系数视为常数,不考虑车轮转动和减速将制动热量视为一面热源均匀施加在车轮踏面,等等。为了得到车轮-闸瓦摩擦副表面真实准确的温度场,同时也为了验证有限元分析结果的有效性,现场温度测试成为不可缺少的研究手段。

1　温度测试技术的介绍

按照测试部位是否与被测介质直接接触,温度测试可以分为接触式测温和非接触式测温。城轨列车基础制动装置常用的测温方法有热电偶测温、红外测温、表面贴覆测温和温度记忆螺钉等。其中,热电偶测温、表面贴覆测温和温度记忆螺钉属于接触式测温,红外测温属于非接触式测温。

1.1热电偶测温

热电偶由两种不同温度的金属焊接在一起,利用热电偶热端(测量端)与冷端(非测量端)的温差在热电偶中产生热电势,将电信号引出并处理,从而测量出温度。其优点:

(1)热电偶直接与被测对象接触,不受中间介质的影响,测量精度高。

(2)热电偶测量范围广,从-50～+1 600℃均可连续测量,某些特殊的热电偶最低可测到-269 ℃(如铁-康铜热电偶),最高可测到+2 800℃(如钨-铼热电偶)[6]。

(3)热电偶构造简单,通常是由两种不同的金属丝组成,而且不受大小和开头的限制,外有保护套管,用起来非常方便。

热电偶用来测试车轮-闸瓦表面温度存在着一些不足,表现在:

(1)热电偶探头只能布置在距摩擦表面一定距离的位置,测试的结果与摩擦表面的温度存在误差,热电偶越接近摩擦表面,测得的结果越真实,而太靠近表面又有可能干扰摩擦表面本身的温度场。

(2)热电偶只能测得单点位置的温度,要获取整个摩擦表面的温度需要安装多个热电偶。

(3)热电偶需要预埋在闸瓦或车轮中,不可避免地要对闸瓦和车轮进行打孔,破坏了摩擦副接触表面。

(4)热电偶安装在旋转的车轮上还需考虑使用集电环,增加了安装的工作量和测试系统出故障的可能性。

(5)摩擦表面的温度梯度大,测量点的布置距离很难确定,只能凭经验估计。

(6)热电偶本身的热惯性和摩擦接触表面的热阻会造成测温的误差和不同步。

1.2红外测温仪[7]

温度高于绝对零度的物体都会产生红外辐射,利用物体产生的红外辐射能量的强度与物体温度的关系可以确定物体的温度。红外测温仪优点为:

(1)红外测温仪属于非接触测温,它不需要接触到被测温度场的内部或表面,因此,不会干扰被测温度场的状态,测温仪本身也不受温度场的损伤。

(2)其测量范围广。因其是非接触测温,所以测温仪并不处在较高或较低的温度场中,而是工作在正常的温度或测温仪允许的条件下。

(3)测量范围在-50～+2 000℃;测温速度快,即响应时间快,只要接收到目标的红外辐射即可在短时间内定温。

(4)红外测温不会与接触式测温一样破坏物体本身温度分布,因此测量精度高。

(5)灵敏度高。只要物体温度有微小变化,辐射能量就有较大改变,易于测出,可进行微小温度场的温度测量和温度分布测量,以及运动物体或转动物体的温度测量。

红外测温仪用来测量车轮-闸瓦表面温度的缺点有:

(1)易受环境因素的影响,闸瓦在制动过程中会产生磨屑和粉尘,在一定程度上会影响到温度的测试。

(2)闸瓦与车轮贴合部位有可能是温度最高的区域,而在闸瓦接触车轮的瞬间,红外测温仪无法获取到摩擦接触表面的温度。

1.3热成像仪

热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形,并反映到红外探测器的光敏元件上,从而获得红外热像图。这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲,热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像上的不同颜色代表被测物体的不同温度。除了具备红外测温仪的优点外,其优点还有:

(1)响应速度快,实时性强,从而允许进行温度瞬态研究和大范围设备的快速观察;可在线检测某些难以接触或禁止接触的检测点,适合闸瓦-车轮贴合面的温度检测。

(2)红外热成像技术能直观地显示物体表面的温度场,不受强光影响,应用广泛。热成像仪除了价格贵以外,其测量精度还受测量表面的发射率、反射率、背景辐射、大气衰减、测量距离和环境温度等因素影响。

1.4表面贴覆测温

表面贴覆测温一般采用薄膜热电偶。它是通过真空镀膜的方法,将热电极材料沉积在绝缘基板上制成的热电偶。薄膜热电偶比普通的热电偶具有较小的热惯性、较高的灵敏度,耐磨性也好,且对接触表面温度场的破坏作用也小。但目前薄膜热电偶技术还不够完善,节点尺寸较大,为80×80μm2,而闸瓦与车轮接触属于微凸体接触,其接触半径只有10 μm[8],这意味着表面贴覆测温也是一种局部区域的平均测温方法。制动过程中闸瓦与车轮是一个高速摩擦的过程,薄膜热电偶贴覆在摩擦表面,安装比较困难,另外,防止热电偶磨损也是一个难题。

1.5温度记忆螺钉

温度记忆螺钉[9]是将某种材料的螺钉先进行淬火,再进行一定时间的回火处理,不同回火温度会使螺钉硬度发生不同变化,通过测定回火温度与显微硬度曲线从而测出被测元件的温度。用温度记忆螺钉对闸瓦或车轮进行温度测量时,需将温度记忆螺钉分成两部分,一部分进行显微硬度测定,绘出回火温度与显微硬度变化曲线;另一部分旋入闸瓦或车轮进行摩擦试验,然后取出测定其显微硬度,对应回火温度与显微硬度的变化曲线,便可得到测试温度。温度记忆螺钉测温方法复杂,成本也高,用起来不如其他几种方法好。

2　温度测试方案的选择

通过对常用的几种温度测试方法的介绍发现,仅仅依靠单一的方法来测量车轮-闸瓦摩擦副的温度很难获取满意的效果,都存在各种各样的局限。考虑到踏面制动的结构特点和工作过程等因素,本文在扬弃各种温度测试方法的弊端,保留各自优点的基础上,提出基于热电偶、红外测温仪和热成像仪的多平台协同温度测试方案,以解决单一温度测试方法存在的不足。测试方案原理图如图1所示。

图1　多平台温度测试方案

热电偶尺寸小、结构简单,适合安装在相对静止的闸瓦上。考虑到车轮行驶过程中的旋转运动,为避免采用集流环而增加安装的工作量和出故障的可能性,热电偶只用于测量闸瓦的温度,而车轮温度的测试则采用非接触的红外测温仪。热电偶只能测量安装点附近的单点温度,且测试结果与摩擦接触表面的温度存在一定误差,红外测温仪又无法准确测得闸瓦接触车轮瞬间贴合部位的真实温度,红外热成像仪则弥补了这一缺陷。

3　结论

(1)城轨列车运行线路不断延伸且站间距短,为保证列车运行的安全,通过在线测试来研究基础制动装置摩擦表面的温度场变得尤为重要。

(2)温度测试方法繁多,但各自都有不足之处,仅靠一种测试方法来精确获取车轮-闸瓦接触表面的温度分布情况几乎不太可能,以热电偶、红外测温仪和热成像仪组成的多平台协同温度测试方案是一个比较理想可行的方案。

参考文献

[1] 龚积球,王业发.机车轮箍松驰的原因分析及对策[J].内燃机车,1991(6):4.

[2] 中华人民共和国铁道部.机车用合成闸瓦:TB/T 3196—2008 [S].北京:中国铁道出版社,2008,4.

[3] 中华人民共和国建设部.地铁车辆通用技术条件:GB/T 7928—2003[S].北京:中国标准出版社,2003:6.

[4] 郑红霞,刘玉军,张全忠,等.典型制动条件下货车车轮温度场和热应力场的有限元仿真[J].机械科学与技术,2009,28 (4):501.

[5] 蓝春红,吴萌岭,王勇,等.重载货车踏面制动时车轮温度场与应力场研究[J].试验研究,2011,49(7):1.

[6] 朱蕴璞,孔德仁,王芳.传感器原理及应用[M].北京:国防工业出版社,2005.

[7] 高燕.传感器原理及应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2009.

[8] FRANCIS E.Kennedy,Dan Fruseseu,et al.Thin Thermocouple Arrays for Sliding Surface Temperature Measurement[J].Wear,1997(207):46.

[9] 任德君.车用发动机活塞稳定工况温度测量[J].上海大学学报(自然科学版),1999,5(3):825.

Temperature Measurement Scheme for Foundation Brake Device of Urban Rail Transit Train

Liu Linlin,Wu Weizhong,Han Fei,Hu Guo

AbstractThe importance of on-line temperature measurement for foundation brake device of urban rail transit train is analyzed,and the temperature measurement technique is introduced.A temperature measurement scheme of multiplatform based on thermocouple,infrared radiation thermometer and thermal imager is proposed,to solve the problems in single filter test method.This scheme could help to analyze foundation brake device failures and ensure the safe operation of urban rail transit train.

Key wordsurban rail transit train;foundation braking gear;on-line temerature mesurement

(收稿日期:2015-06-09)

DOI:10.16037/j.1007-869x.2016.02.022

中图分类号U 270.35