一种轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估方法与流程

1.本发明涉及一种轨道交通车辆，尤其涉及一种轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估方法。


背景技术：

2.轨道交通车辆摩擦制动又称空气制动，按照制动方式可以分为踏面制动和盘式制动，前者一般用于速度等级较低的车辆，后者一般用于速度较高车辆。其中踏面制动又叫闸瓦制动。空气制动系统主要包括供风系统、制动控制装置和基础制动装置等几部分。制动闸瓦属于基础制动装置。摩擦制动通过制动缸压力将闸瓦推向踏面，产生制动力。闸瓦通常由摩擦系数较高的合成材料制成，常见的有铸铁闸瓦、合成闸瓦、粉末冶金闸瓦和复合材料闸瓦等。
3.列车在制动过程中，闸瓦与踏面接触并产生摩擦力，磨损剧烈，同时闸瓦在摩擦期间，温度剧烈升高，表面容易氧化，加速了闸瓦的磨耗。因此，闸瓦是一种易损易耗件，随着车辆运行里程增加，闸瓦重量不断减少，从而达到设计使用寿命，需要定期测量和更换。
4.传统损耗检测方式是根据设计使用寿命以及检修维护周期，人工测量闸瓦的磨损量，当磨损量达到了设计的更换阈值，则更换。然而，轨道交通车辆在运营使用过程中，运行环境和工况存在较大差异，车辆设计性能也存在差异，因此，根据设计的使用寿命来判断制动闸瓦的剩余寿命，人工检测磨损量属于事后检测方法，两者都存在缺陷。在地铁车辆实际的运用维护中，时常出现闸瓦异常磨损的问题，在事后调查时，由于缺乏历史数据和场景支撑，调查存在很大的困难。同时，采取现有定期测量检测闸瓦厚度方法，一是增加了检测成本，更为重要的是无法动态掌握各个闸瓦厚度，如果出现闸瓦异常磨损，降低空气制动性能，影响行车安全和停车对标准确性。
5.现有技术中也有预测或评估的方法，比如一种闸瓦摩擦系数的预测方法(公告号：cn101710062b)，通过闸瓦的温度、滑速和比压参数预测闸瓦的摩擦系数，进而预测闸瓦的寿命，但该预测方法结合了神经网络及遗传算法，包括温度、滑速、比压、算法参数、衰减因子、控制因子、精度修正等因素经过多次迭代才得到函数映射关系，该方法复杂、深奥，实现不易，而且采用人工智能方法增加了控制系统不确定性，不满足轨道交通领域对车载处理程序技术要求。
6.因此如何合理高效的评估出轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命，是目前轨道交通车辆设计中需应对的难题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于合理高效评估出轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命，而不是仅仅根据设计的使用寿命来判断制动闸瓦的剩余寿命，解决现有定期人工测量闸瓦厚度方法存在的成本高以及无法动态掌握闸瓦厚度的弊端，实现轨道交通车辆基础空气制动装置的健康管理和故障预测，提升轨道交通车辆制动系统运行安全保障能力。
8.基于上述目的，本发明采用技术方案如下：
9.一种轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估方法，包括以下步骤：
10.a1:计算单位周期内转向架制动缸施加在闸瓦组的总作用力，所述闸瓦组的总作用力与所述转向架的制动缸压力形成一次函数关系，具体函数关系如下：
11.fi＝k
×
x
i-b(xi＞x
t
)
12.其中，fi为闸瓦组的总作用力，xi为转向架的制动缸压力,k为制动缸压力转换系数，b为制动力转换系数，x
t
为能够将所述闸瓦组推向踏面的阈值，所述阈值、所述制动缸压力转换系数与所述制动力转换系数均为预设值；
13.a2:根据所述总作用力计算单位周期内施加在所述转向架的闸瓦组的摩擦力功率，
14.pi＝fi×vi
15.其中pi为闸瓦组的摩擦力功率，fi为闸瓦组的总作用力，vi为轨道交通车辆的速度；
16.a3:根据所述摩擦力功率得出单位周期内作用在闸瓦组的能量，
17.ei＝pi×
t
18.其中ei为所述转向架的单个周期摩擦能量，pi为周期时间内的所述闸瓦组的摩擦力功率，t为周期时间，车载程序是plc程序，按照固定的时间间隔执行，这个时间间隔就是单位周期；
19.a4:对历史周期内能量累加，计算转向架制动缸作用在闸瓦组上的总制动能量
20.根据闸瓦组包括单个闸瓦n个，则作用在单个闸瓦的能量为e/n；
21.a5:根据单位能量闸瓦磨损量与所述总制动能量，计算得出每个闸瓦当前的磨损量评估值，
22.w＝e/(mr×
n)；
23.其中mr为预设的单位能量闸瓦磨损量；
24.a6:计算闸瓦的剩余寿命l，
25.l＝l
max
×
(1-w/w
t
)
26.其中l
max
为所述闸瓦为未磨损时的最大寿命值，w
t
为所述闸瓦的最大磨损量。
27.作为优选的方案，所述评估方法还包括校验步骤，所述校验步骤包括：
28.设置第一运行里程，计算出所述第一运行里程运行结束后单个闸瓦的磨损量评估值w1，实测出所述第一运行里程运行结束后单个闸瓦的磨损量w
1-test
，用w
1-test
除以w1得到修正值，根据所述修正值修正mr得到m
r-updated
,
29.m
r-updated
＝mr×w1-test
/w1；
30.根据修正后的单位能量闸瓦磨损量与所述总制动能量，计算得出每个闸瓦当前的磨损量评估值，
31.w
updated
＝e/(m
r-updated
×
n)；
32.修正计算闸瓦的剩余寿命l，
33.l＝l
max
×
(1-w
updated
/w
t
)，
34.其中l
max
为所述闸瓦为未磨损时的最大寿命，w
t
为所述闸瓦的最大磨损量。
35.为了便于评估，所述第一运行里程为100000公里。
36.作为进一步的方案，所述单个闸瓦的数量为4个。技术方案以转向架为对象分析，地铁车辆通常有6节编组，每节车有2个转向架，每个转向架有2对车轮，每对车轮左右各有1个闸瓦，因此一个转向架包括单个闸瓦是4个。
37.作为优选的方案，其中a3中，所述转向架的单个周期摩擦能量是周期时间内的所述闸瓦组的摩擦力功率与周期时间的乘积，所述转向架的单个周期摩擦能量的单位从焦耳换算成兆焦，得到
38.ei＝pi×
t/1000000
39.其中ei为所述转向架的单个周期摩擦能量，pi为周期时间内的所述闸瓦组的摩擦力功率，t为周期时间；
40.所述预设的单位能量闸瓦磨损量mr＝0.03g/mj，所述闸瓦的最大磨损量w
t
为1000g。
41.作为进一步的方案，所述最大磨损值w
t
是通过事先预设闸瓦需要更换的厚度尺寸为hc,再根据所述闸瓦的初始厚度h0,得到所述闸瓦的最大厚度变化值，所述闸瓦的最大厚度变化值作为所述闸瓦的最大磨损量。
42.与上述方法相对应的是一种轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估装置，所述装置包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估程序，所述处理器执行所述轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估程序以实现上述的轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估方法的步骤。
43.作为进一步的方式，所述轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估装置为列车中央控制单元，所述列车中央控制单元根据转向架制动缸压力值换算成施加在车轮踏面的闸瓦作用力，所述列车中央控制单元根据闸瓦作用力和列车当前速度，计算单位周期内转向架制动功率，所述列车中央控制单元根据单位周期内转向架制动功率的时间累积计算得出转向架制动能量，所述列车中央控制单元根据制动能量和磨损的线性关系计算转向架制动闸瓦的磨损量，根据所述磨损量评估出制动闸瓦剩余寿命。
44.实现的有益效果：
45.本发明根据转向架制动缸压力值换算成施加在车轮踏面的闸瓦作用力，再根据闸瓦作用力和列车当前速度，计算单位周期内转向架制动功率，接着根据单位周期内转向架制动功率和时间乘积计算得出转向架制动能量，又根据制动能量和磨损的线性关系计算转向架制动闸瓦的磨损量，根据所述磨损量评估出制动闸瓦剩余寿命，而不是仅仅根据设计的使用寿命来判断制动闸瓦的剩余寿命，解决现有定期人工测量闸瓦厚度方法存在的成本高以及无法动态掌握闸瓦厚度的弊端，实现轨道交通车辆基础空气制动装置的健康管理和故障预测，提升轨道交通车辆制动系统运行安全保障能力。
附图说明
46.图1为本发明实施例的闸瓦剩余寿命评估流程图；
47.图2为本发明实施例的带修正值的闸瓦剩余寿命评估流程图。
具体实施方式
48.如图1所示，一种轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估方法，包括以下步骤：
49.a1:计算单位周期内转向架制动缸施加在闸瓦组的总作用力，闸瓦组由4个闸瓦组成，4个闸瓦的总作用力与所述转向架的制动缸压力形成一次函数关系，具体函数关系如下：
50.fi＝k
×
x
i-b(xi＞x
t
)
51.其中，fi为闸瓦组的总作用力，xi为转向架的制动缸压力,k为制动缸压力转换系数，b为制动力转换系数，x
t
为能够将所述闸瓦组推向踏面的阈值，所述阈值、所述制动缸压力转换系数与所述制动力转换系数均为预设值，k和b与制动闸瓦设计特性有关，是闸瓦性能参数，一般由闸瓦设计厂家提供；
52.说明，本技术方案以转向架为对象分析，地铁车辆通常有6节编组，每节车有2个转向架，每个转向架有2对车轮，每对车轮左右各有1个闸瓦，因此一个转向架包括单个闸瓦是4个,作为一种具体的实施例，k＝0.087，b＝2.94，xt＝34kpa。
53.a2:根据所述总作用力计算单位周期内施加在所述转向架的闸瓦组的摩擦力功率，pi＝fi×vi
54.其中pi为闸瓦组的摩擦力功率，单位为w，fi为闸瓦组的总作用力，vi为轨道交通车辆的速度；具体说来，车载程序是plc程序，按照固定的时间间隔执行，这个时间间隔就是单位周期，通常为50ms，单位周期的时间可调；
55.a3:根据所述摩擦力功率得出单位周期内作用在闸瓦组的能量，
56.ei＝pi×
t
57.其中ei为所述转向架的单个周期摩擦能量，pi为周期时间内的所述闸瓦组的摩擦力功率，t为周期时间；
58.a4:对历史周期内能量累加，计算转向架制动缸作用在闸瓦组上的总制动能量
59.所述闸瓦组包括单个闸瓦n个，则作用在单个闸瓦的能量为e/n，总制动能量单位为焦耳，如果换成单位为兆焦，则除以1000000；
60.a5:根据单位能量闸瓦磨损量与所述总制动能量，计算得出n个闸瓦每个闸瓦当前的磨损量评估值，
61.w＝e/(mr×
n)；
62.其中mr为预设的单位能量闸瓦磨损量，本实施例为0.03g/mj；
63.a6:计算闸瓦的剩余寿命l，
64.l＝l
max
×
(1-w/w
t
)
65.其中l
initial
为所述闸瓦为未磨损时的最大寿命值，w
t
为所述闸瓦的最大磨损量,本实施例为1000g。
66.如图2，所述评估方法还包括校验步骤，所述校验步骤包括：
67.设置第一运行里程，所述第一运行里程为100000公里，计算出所述第一运行里程运行结束后单个闸瓦的磨损量评估值w1，实测出所述第一运行里程运行结束后单个闸瓦的磨损量w
1-test
，用w
1-test
除以w1得到修正值，根据所述修正值修正mr得到m
r-updated
,m
r-updated
＝mr×w1-test
/w1；
68.根据修正后的单位能量闸瓦磨损量与所述总制动能量，计算得出每个闸瓦当前的磨损量评估值，
69.w
updated
＝e/(m
r-updated
×
n)；
70.修正计算闸瓦的剩余寿命l，
71.l＝l
max
×
(1-w
updated
/w
t
)，
72.其中l
initial
为所述闸瓦为未磨损时的最大寿命值，w
t
为所述闸瓦的最大磨损量。
73.实际中，闸瓦不是磨光才换的，所述最大磨损值w
t
是通过事先预设闸瓦需要更换的厚度尺寸为hc,再根据所述闸瓦的初始厚度h0,得到所述闸瓦的最大厚度变化值，所述闸瓦的最大厚度变化值作为所述闸瓦的最大磨损量。
74.与上述方法相对应的是一种轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估装置，所述装置包括存储器、处理器及存储在所述存储器上的轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估程序，所述处理器执行所述轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估程序以实现上述的轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估方法的步骤。
75.具体的，所述轨道交通车辆制动闸瓦剩余寿命评估装置为列车中央控制单元，所述列车中央控制单元根据转向架制动缸压力值换算成施加在车轮踏面的闸瓦作用力，所述列车中央控制单元根据闸瓦作用力和列车当前速度，计算单位周期内转向架制动功率，所述列车中央控制单元根据单位周期内转向架制动功率的时间累积计算得出转向架制动能量，所述列车中央控制单元根据制动能量和磨损的线性关系计算转向架制动闸瓦的磨损量，根据所述磨损量评估出制动闸瓦剩余寿命。
76.最后需要说明的是，上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本技术所附权利要求所限定的范围。