专利名称：一种基于绕线异步电机的多机车定置滚动试验台的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种铁路内燃机车、电力机车、干线动车以及地铁动车的定置滚
动试验台。
背景技术：
铁路电力机车或内燃机车的功能是牵引列车运行，主要工况是牵引和制动；干线 动车以及地铁动车的主要工况也是牵引和制动 —、牵引工况电力机车从电网取得的电能经变流器转换成适当的电压(还可能 包括频率)后，由牵引电机转换成机械动能，在不同的速度下均可输出受司机控制的牵引 力，使列车加速或稳速运行；内燃机车则是由内燃机先将燃油的热能转换成机械能带动交 流同步发电机发电，再经过变流器后，驱动牵弓I电机牵弓I列车运行。 二、制动工况电力机车或地铁动车由牵引电机将列车的动能转换成电能，经过变 流器等转换后，回馈到电网。在不同的速度下，输出受司机控制的制动阻力，从而使列车减 速或稳速。内燃机车则是将机械能通过牵引电机转换成电能，通过电阻发热消耗，使列车减 速或禾急速。 铁路机车为功率超过2000kW的移动机电设备，其使用周期一般为30年，其间要经 过多次检修。机车一旦出现故障，将会破坏铁路的正常运行秩序，为保证机车走行与牵引、 制动性能，新车和检修车均必须进行线路试运行试验后，方可投入正式运行。 采用线路试运行试验方式，对牵引和制动性能进行试验的最简单方法是采用 2 3台机车编组， 一台机车牵引、另1或2台机车做为陪试机车进行制动，被试验机车操作 手柄由司机固定在相应级位(有时仅仅试验最高级位)，通过改变陪试机车制动力的大小， 控制列车速度，当速度稳定后，从司机室的仪表系统上，得出对应级位的运行速度和牵引力 信息；改变陪试机车的制动力可得到另外八个左右不同速度点的速度——牵引力数组，就 得到一条牵引特性曲线；再改变被试机车的手柄级位，则可得到另一级位下的牵引特性曲 线；多条牵引特性曲线可以清晰描述被试机车的牵引性能。 制动试验时，陪试机车则输出牵引力带动被试机车前进；而被试机车则处于制动
工况，手柄在特定级位，由牵引电机将机械能转换成电能实现制动。同样从司机室的仪表系
统上可得出被试机车运行速度和制动力的信息；陪试机车调节车组的牵引力，得到十个左
右的速度——制动力数组，即得到一条制动特性曲线；改变被试机车手柄级位，则可得到另
外一条制动特性曲线，多条制动特性曲线可以清晰描述被试机车的制动性能。 机车低速试验可在厂段所属的几公里的试验线或环行试验线上进行，额定速度的
试验则需要较长的线路里程，只能正线试验，正线试验给繁忙的路网造成很大的压力。因
此，采用定置滚动试验台代替线路运行试验是必然的选择。 机车定置滚动试验台的主要结构和工作原理是机车两端被反力架固定，对应机 车的每个轮对由配置有直流电机驱动的轨道轮对支撑，为了适应支撑不同轴距机车的要 求， 一对轨道轮及电机等设备组成一个机械测试单元。[0010] 牵引工况试验时，牵引电机驱动机车轮对旋转，进而带动轨道轮旋转，与轨道轮相 连的直流电机、大功率电气负载设备消耗机械能，为轨道轮提供旋转阻力，调节电气负载也 即调节旋转阻力的大小，使机车轮依次稳定到不同的速度点，读取十个左右的速度——牵 引力数组，可以得到一条牵引特性曲线，改变机车的牵引级位，可以得到多条牵引特性曲 线，根据测得的牵引特性曲线，可以判断被试机车的牵引性能是否合格。 制动试验时，直流电机驱动轨道轮，进而为机车轮提供旋转动力，而通过操作机车 使其处于特定的制动级位，由牵引电机将机车轮的动能转换成电能回馈到电网或由电阻消 耗，并从司机室的仪表系统上读出该制动级位下的速度——制动力数组；并通过调节直流 电机的动力，可得到十个左右速度——制动力数组，进而得到一条制动特性曲线；改变机车 的制动级位，再通过调节试验台电机的动力可得到另外一条制动特性曲线，通过多条制动 特性曲线，可以判断被试机车的制动性能是否合格。 定置滚动试验方便，试验条件可控，重复性好，高速试验安全，试验周期短，参加人 员少，获得试验结果快，还可方便地改变模拟的轨距。因此定置滚动试验台在近半个世纪的 机车车辆，特别是高速车辆的开发过程中得到了广泛运用。定置滚动试验台试验和环行道 试验、线路试验并列，成为机车试验的三种方式。 尽管试验台经过多年的发展，有了长足的进步，但仍存在如下问题 1)、设置于生产和检修单位的试验台，一般采用上车桥以走轮缘的方法上下试验
台，机车轮对的轮缘与上车桥刚性接触，轮缘的应力集中，容易产生变形和裂纹；而采用走
踏面的方式上下车，则需要非常复杂的辅助设备，才能适应机车不同轴距的放置要求。 2)、机车的转矩总有5%以上的波动。机车在试验台上试验，其速度仅由机车轮转
速体现，车体并不运动，因此体现在牵引电机旋转动力学方程中的等效转动惯量减小到线
路试验的大约1/20，受其影响，根据线路运行状况设计的机车闭环控制系统，在定置滚动试
验中可能出现速度不稳定的情况。这种机车的动态不稳定是实现电气同步调节精度的主要障碍。 3)、定置滚动试验台通过相互独立的多个轨道轮对，在模拟两根无限长直钢轨完 成试验的过程中，多方面的因素会引起各个轨道轮对的转速不同，使机车误认为某些轮对 发生空转而对其停止力矩输出，随后又再对其恢复输出，使机车运行不稳定；尤其在机车启 动时将导致输出力矩频繁停止，使机车不能正常启动。为保证各轨道轮对旋转角度同步，现 有的试验台多采用锥齿轮将所有的轨道轮轴联结起来，这使其机械部件多，中间连接轴长、 试验设备复杂、可靠性降低。同时为了对齐不同轴距的机车，众多的机械连接部件也使其机 械调整工作量大，长轴还是导致附加振动和不安全的因素。 鉴于机械同步方案的问题，国内有的定置滚动试验台采用调节各直流电机的励磁 电流，而使轨道轮对旋转速度趋于一致的方案，如1981年的《内燃机车试验台测功装置调 速系统》，这种方案需额外增加测控闭环系统，同时由于机车的各个牵引电机之间在"车控" 模式全部牵弓I电机并联，而架控时2 3台电机并联，由公共电源驱动，这些电机在速度、转 矩之间存在共用电源带来的耦合关系，试验台调节一个轨道轮对的转速时，有耦合关系的 其它动轮速度也会发生变化，产生交叉干扰。而且，电阻制动直流电机机械特性很软，调节 速度慢，在实际应用时，这种方案至少需要针对具体机车反复调整，使用很不方便，同时又 有前述转动惯量减小带来的机车轮速度不稳定的问题，要实现满意的同步旋转很困难。[0018] 4)、鉴于单机车试验台需要很大功率的陪试电气系统，投资高。目前也有学者提出
两个机车定置负载反馈滚动试验台的方案一个机车试验时由另一机车提供负载，取代了
直流电机及其大功率电气负载。两个机车定置负载反馈滚动试验台，需要复杂的同步机械
连接部件或外接直流电机通过励磁调节方式来实现轨道轮同步，使用不便。 5)、在机车上台前，要移走地面上竖立的反力架，机车纵向移动到试验台位后，又
要安装反力架；反力架的移动均使用行车，而行车和接触网之间又需要设置连锁。因此对试 验厂房要求高，试验操作复杂，受场地限制，定置滚动试验台难以在现有的检修厂、段建造。 总之，现有多机车试验台方案要么采用锥齿轮同步，要么依靠直流电机的励磁调 节实现电气同步；前者在试验前进行的适应机车的不同轴距的调整时，工作量很大，后者则 在试验过程中，因为调节效果始终不如人意，时间花费也很大。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种基于绕线异步电机的多机车定置滚动试验台，该种
试验台同步方便、可靠、设备简单、占用空间小、安装调试容易、试验方便快捷。
本实用新型实现其目的所采用的技术方案是一种基于绕线异步电机的多机车定
置滚动试验台，包括两个或三个试验台位，其中每个试验台位又包括一对反力架、一座上车
桥以及与单台机车轮对数目相同的测试单元构成的测试单元组，其结构是 所有测试单元的构成是，支撑机车轮对的轨道轮对的轴与绕线异步电机轴连接，
绕线异步电机的直径/长度比大于1 ;且 每一测试单元组中的各个绕线异步电机的定子绕组并联到异步电机定子三相母 排，并通过三相开关一与电网相连；转子绕组并联到异步电机转子三相母排上；各个试验 台位的测试单元组的异步电机转子三相母排通过断路器连接。 本实用新型的工作过程和原理是 —、同步启动 将所有测试单元的异步电机定子三相母排上的三相开关一闭合，从而使测试单元 组中各测试单元的绕线异步电机的定子绕组通过定子三相母排及三相开关一与电网相连。 这样各绕线异步电机的转子绕组相互并联，而定子绕组则并联到电网上，组成电轴电路，可 实现轨道轮同步旋转。 电轴电路工作原理是各绕线异步电机的三相定子绕组并联到电网，电机气隙中 产生旋转磁场，如各个绕线异步电机转子的三相对称绕组旋转位置相同，则产生的感应电 势大小相等相互抵消，转子绕组回路不产生电流，绕线异步电机均空载运行，不产生同步调 节转矩。如某一电机轴系的动力转矩增加或负载转矩减少，相对其余的电机，转子产生超前 转角e ，合成电势不为零，转子绕组回路产生电流的有功分量，形成的同步调节转矩将使该
电机减速，其余电机加速，最终建立新的平衡，使各电机轴的转速相同，但转角差e。因此，
当电轴电路工作时，即可确保各绕线异步电机的转速相同，也即各轨道轮的旋转速度相同， 简单有效的保证了各轨道轮对的同步旋转。 有电轴电路作保证，同时绕线异步电机的直径/长度比大于1 ，使测试单元有较大 的转动惯量，可有效抑制机车因转矩脉动导致的转速波动，有效解决定置试验的稳定性问 题。这样，将机车置于适当的牵引低级位后，车轮同步加速到对应低转速，比如50r/min，再适当调高牵引级位、适当提高轮对转速，并维持此转速，即完成同步启动的试验准备工作。 二、牵引及制动工况试验操作一个试验台位上的被试机车，使其处于特定的牵引 级位，通过被试机车的牵引电机转换成机械能再通过电轴电路传递到另一个或另两个试验 台位上的一至两台陪试机车；陪试机车则处于特定的制动级位，通过其牵引电机将机械能 转换成电能在电阻中消耗或通过变流器返回牵引电网进行制动，在被试机车进行牵引工况 试验的同时，陪试机车则进行制动工况试验。相反，也可被试机车进行制动工况试验，陪试 机车则进行牵引工况试验。当陪试机车为两台时，其制动力比被试机车的牵引力大得多，从 而可以对被试机车进行充分的牵引工况试验。反之，可对被试机车进行充分的制动工况试 验。如果机车的牵引性能与制动性能的外包线(速度——制动力曲线和速度——牵引力的 最大边界)相近，可以只用两台相同的机车互相陪试。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是 —、直接采用绕线异步电机通过电路转换直接构成同步电轴电路，其频率相等使 各机车的所有轮对转速相等，简单有效的实现了全速范围内优秀的同步功能。全部省掉试 验台轨道轮机械轴连接同步系统或者直流电机的同步电机控制系统，其机械结构简单。 并且，较之机械横向轴连接方式的双机车试验台，两台机车的轮对轴距、定距必须 完全一致，且排列方式必须横向平行。本实用新型各轨道轮对是采用电连接方式进行同步， 参加试验的一至三台机车的轴数可以不等，轴距也可以不等，机车定置试验台可以任意布 置，对场地的要求低，只需通过电缆将测试单元和各辅助测试单元能够联通即可。尤其是 针对不同机车的不同轮距，机械轴连接同步需要进行复杂的调整，而本实用新型各测试单 元的电机通过电缆连接，针对不同轮距，仅有少量调节，大大縮短了试验的机械调整准备时 间。 如果两个试验台位，分别选用额定电压及功率相同，但极对数不同的绕线异步电 机，例如6极和10极电机，还可以将不同额定速度如200km/h和120km/h的机车进行配对， 进行负载反馈试验。 二、采用直径/长度比大于1的粗短结构的绕线异步电机，其惯性大，能够改善试 验的稳定性。 三、粗短结构的绕线异步电机还减少了电机的横向占地面积；且电机绕线异步电 机的轴可直接安装于轨道轮一侧的轴端上，或者串接安装在轨道轮对的轴的中部，其结构 紧凑，所需安装区域的宽度为4米或2. 4米，占地面积小，对试验厂房要求低，可以直接在现 有的检修厂、段建造。 上述的两个或三个试验台位中有一个试验台位为主试验台位，该主试验台位的测 试单元中的轨道轮对的轴还与同步电机的轴连接，同步电机的直径/长度比大于l，且该主 试验台位的各测试单元的同步电机电连接的具体方式是同步电机的定子绕组并联到同步 电机定子三相母排上，同步电机定子三相母排通过三相开关七连接到三个星接的电阻，同 步电机的转子绕组相互串接后，再与可控整流器连接。 这样，当主试验台位上的被试机车进行牵引试验时，使可控整流器51工作，给主 试验台位上的同步电机的转子绕组提供励磁电流，并闭合三相开关，使同步电机定子与电 阻65连通；此时，同步电机工作于发电机状态，也即同步测功状态，进一步加大了被试机车 的牵引负载，更好地避免被试机车发生振荡，保证了试验的稳定；同时也增强了机车牵引性能试验能力。 上述的两个或三个试验台位中，部分或全部轨道轮对的轴的中部还串接安装有飞轮一。 这样，轨道轮对的轴的中部上增设的飞轮一与轨道轮共用轴承，简单、有效地进一 步增加了转动轴系的转动惯量，从而进一步增强试验的稳定性。 上述的测试单元组中还设有不与轨道轮对轴连接的2极或4极的辅助绕线异步电
机，辅助绕线异步电机的定子绕组分别通过三相开关十并联到异步电机定子三相母排，而
转子绕组则直接并联到异步电机转子三相母排，辅助绕线异步电机的轴连接飞轮二。 这样，当三相开关十闭合时，辅助绕线异步电机将并接到电轴电路中，若轨道轮对
及与轨道轮对轴连接的绕线异步电机转速发生变化，将引起电轴电路中所有电机的转子电
压、频率发生变化，少极数的辅助绕线异步电机及其轴连接的飞轮二转速变化更大，轴连电
机与辅助电机的极数比即为升速比，使飞轮二的等效惯量增加升速比的平方倍，从而可用
体积与惯量均比飞轮一小的飞轮二，使被试验系统转动轴系的转动惯量达到或超过线路试
验的水平，以彻底解决定置试验的稳定性问题。试验结束后，将三相开关十断开，辅助绕线
异步电机及其飞轮则与电轴电路断开，电轴电路中的电机及其轴连接的轨道轮对及车轮轮
对可以更快地停止转动，结束试验。 上述的一种机车定置滚动试验台，其上车桥与机车轮对轮缘相接触的部位开有凹 槽，在凹槽中嵌有硬度低于机车轮的材料。这样试验开始前，机车上桥(驶上试验台)时， 可减少机车轮轮缘的应力集中和变形，减少对机车轮缘的破坏。 上述的一种机车定置滚动试验台，其反力架整体置于与其适配的混凝土井中，反 力架底板上垂向固定有电动螺杆升降机，底板上开有供电动螺杆升降机的螺杆穿过的螺杆 孔。 这样在试验开始前，反力架整体置于与其适配的混凝土井中，机车可以不受反力 架的阻挡，直接驶入试验台的规定位置上，使车辆轮对与轨道轮对对中，再操作反力架上的 电动螺杆升降机，使其螺杆向下伸出，顶住混泥土井底部。随着螺杆的不断伸长，反力架则 向上伸出至规定位置，即可完成实验前的安装准备工作。试验完后，再操作电动螺杆升降 机，使螺杆縮回，反力架即沉入混泥土井中，将井盖上即可。较之现有的安装于地面的反力 架，上车前需移走反力架，上车后又需将反力架移回并固定，本实用新型的反力架使试验准 备工作，不需要行车，节省基建投资，操作简单、方便，降低对试验车间房屋的要求。
以下结合附图和具体实施方式
对本实用新型作进一步的详细说明。
图1为本实用新型实施例一的一个试验台位的俯视结构示意图。 图2为本实用新型实施例二的主试验台位的俯视结构示意图。 图3为图1、2的D-D剖视结构示意图。 图4为本实用新型实施例一的一个试验台位的端面结构示意图。 图5为本实用新型实施例二的一个试验台位的端面结构示意图。 图6为图4、图5中的I-I局部放大示意图。 图7为本实用新型实施例一的电气原理示意图。[0054] 图8为本实用新型实施例二的电气原理示意图。
具体实施方式实施例一 图1、3、4、7示出，本实用新型的一种具体实施方式
为一种基于绕线异步电机的 多机车定置滚动试验台，包括两个试验台位A、B，其中每个试验台位A或B，又包括一对反力 架1、一座上车桥2以及与单台机车轮对41数目相同的测试单元构成的测试单元组。 所有测试单元的构成是，支撑机车轮对41的轨道轮对43的轴与绕线异步电机36 轴连接，绕线异步电机的直径/长度比大于1 。 图7示出，每一测试单元组中的各个绕线异步电机36的定子绕组并联到异步电机 定子三相母排53，并通过三相开关一 63与电网相连；转子绕组并联到异步电机转子三相母 排49上；各个试验台位的测试单元组的异步电机转子三相母排49通过断路器62连接。 图1、4示出，本例的两个试验台位中，全部轨道轮对43的轴的中部，串接安装有飞 轮一 38。 图1、7还示出，测试单元组中还设有不与轨道轮对43轴连接的2极或4极的辅助 绕线异步电机36A，辅助绕线异步电机36A的定子绕组分别通过三相开关十69并联到异步 电机定子三相母排53，而转子绕组则直接并联到异步电机转子三相母排，辅助绕线异步电 机36A的轴连接飞轮二 67。 图1、4、6示出，本例中上车桥2与机车轮对41轮缘相接触的部位开有凹槽，在凹 槽中嵌有硬度低于车轮的材料42。 图1、3还示出，反力架1整体置于与其适配的混凝土井中，反力架1底板3上垂向 固定有电动螺杆升降机4，底板3上开有供电动螺杆升降机的螺杆5穿过的螺杆孔。 本例可用于对两台机车同时进行定置试验。 实施例二 图2 、 3 、 5 、 8示出，本例与实施例一基本相同，不同的仅仅是试验台位为A、 B、 C三
个，其中有一个试验台位A为主试验台位，该主试验台位A的测试单元中的轨道轮对43的 轴还与同步电机30的轴连接，同步电机30的直径/长度比大于l，且该主试验台位的各 测试单元的同步电机30电连接的具体方式是同步电机30的定子绕组并联到同步电机定 子三相母排61上，同步电机定子三相母排61通过三相开关七64连接到三个星接的电阻 65 (即三个电阻65未与三相开关七64连接的另一端通过星形接法连接在一起)，同步电机 30的转子绕组相互串接后，再与可控整流器51连接。 本实用新型的试验台位中的测试单元的数目与单台被试机车或陪试机车的轮对 数目相同，通常为4个或6个。当然如果被试机车或陪试机车的轮对数目发生变化，试验台 位中的测试单元数目也随同发生变化。 本实用新型实施时，既可如实施例一、二那样在所有的轨道轮对43的轴上安装飞 轮一38 ;也可仅在部分轨道轮对43的轴上安装飞轮一38 ;也可不安装飞轮一38。同样，辅 助绕线异步电机36A的台数可以是一台，也可是多台。飞轮一 38和绕线异步电机36A的具 体数目根据试验对稳定性的要求而定；安装的飞轮一 38越多，设置的绕线异步电机的台数 就越多，试验的稳定性越高。
权利要求一种基于绕线异步电机的多机车定置滚动试验台，包括两个或三个试验台位，其中每个试验台位又包括一对反力架(1)、一座上车桥(2)以及与单台机车轮对数目相同的测试单元构成的测试单元组，其特征在于所有测试单元的构成是，支撑机车轮对(41)的轨道轮对(43)的轴与绕线异步电机(36)轴连接，绕线异步电机的直径/长度比大于1；且每一测试单元组中的各个绕线异步电机(36)的定子绕组并联到异步电机定子三相母排(53)，并通过三相开关一(63)与电网相连；转子绕组并联到异步电机转子三相母排(49)上；各个试验台位的测试单元组的异步电机转子三相母排(49)通过断路器(62)连接。
2. 根据权利要求1所述的一种基于绕线异步电机的多机车定置滚动试验台，其特征在于；所述的两个或三个试验台位中有一个试验台位为主试验台位，该主试验台位的测试单 元中的轨道轮对(43)的轴还与同步电机(30)的轴连接，同步电机(30)的直径/长度比大 于l，且该主试验台位的各测试单元的同步电机(30)电连接的具体方式是同步电机(30) 的定子绕组并联到同步电机定子三相母排(61)上，同步电机定子三相母排(61)通过三相 开关七(64)连接到三个星接的电阻(65)，同步电机(30)的转子绕组相互串接后，再与可控 整流器(51)连接。
3. 根据权利要求1或2所述的一种基于绕线异步电机的多机车定置滚动试验台，其特 征在于所述的两个或三个试验台位中，部分或全部轨道轮对(43)的轴的中部，串接安装 有飞轮一 (38)。
4. 根据权利要求1或2所述的一种基于绕线异步电机的多机车定置滚动试验台，其特 征是所述的测试单元组中还设有不与轨道轮对(43)轴连接的2极或4极的辅助绕线异步 电机(36A)，辅助绕线异步电机(36A)的定子绕组分别通过三相开关十(69)并联到异步电 机定子三相母排(53)，而转子绕组则直接并联到异步电机转子三相母排(49)，辅助绕线异 步电机(36A)的轴连接飞轮二 (67)。
5. 根据权利要求1或2所述的一种基于绕线异步电机的多机车定置滚动试验台，其特 征是所述的上车桥(2)与机车轮对(41)轮缘相接触的部位开有凹槽，在凹槽中嵌有硬度 低于车轮的材料(42)。
6. 根据权利要求1或2所述的一种基于绕线异步电机的多机车定置滚动试验台，其特 征是所述的反力架(1)整体置于与其适配的混凝土井中，反力架(1)底板(3)上垂向固定 有电动螺杆升降机(4)，底板(3)上开有供电动螺杆升降机的螺杆(5)穿过的螺杆孔。
专利摘要一种基于绕线异步电机的多机车定置滚动试验台，包括两个或三个试验台位，其中每个试验台位又包括一对反力架(1)、一座上车桥(2)以及与单台机车轮对(41)数目相同的测试单元构成的测试单元组，其中所有测试单元的构成是，支撑机车轮对(41)的轨道轮对(43)的轴与绕线异步电机(36)轴连接，绕线异步电机的直径/长度比大于1；且每一测试单元组中的各个绕线异步电机(36)的定子绕组通过异步电机定子三相母排(53)上的三相开关一(63)与电网相连，转子绕组并联到异步电机转子三相母排(49)上；各个测试单元组的异步电机转子三相母排通过断路器(62)连接。试验台利用多台机车相互陪试，同步可靠、试验方便。可形成能量互馈，降低电源容量，节省能源与费用。
文档编号G01M17/08GK201503350SQ20092017685
公开日2010年6月9日 申请日期2009年9月18日 优先权日2009年9月18日
发明者卢瑞彪, 周文祥, 孙效杰, 沈玉飞, 邹晓霞, 郝领地, 郭成磊, 郭杨 申请人:西南交通大学