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1、材料加工检测与控制课程学习报告武汉理工大学火车刹车片摩擦性能检测系统研究课程名称： 材料加工检测与控制 指导教师： 余小华 姓 名: 刘 晨 辉 班 级： 材料加工工程 10班 学 号： 1 012年月日火车刹车片摩擦性能检测系统研究1.引言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。此外，我国铁路长期处于低装备率
2、、高使用率、高强度运输状态。199年，我国铁路货物周转量为11549亿/千米,仅次于俄罗斯和美国一级铁路,居世界第三位，旅客周转量,远高于俄罗斯,日本和其它国家,居世界第一位,铁路运输密度达743.8,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。目前,正在服役的无毒害刹车片材料为橡胶树脂金属纤维碳纤维组成的复合材料。例如,H300型制动盘的合成刹车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刹车片。合成刹车片分为两种牌号：一种为HZ408牌号合成刹车片(普通双层客车用)，另一种为HZ5445牌号合成刹车片(准高速客车用)。合成刹车片的特
3、点是:（）热稳定性好。树脂分解温度高，实际测定温度为377；(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.由于国民经济快速发展的需要，铁道部几次规定火车提速。当前,我国列车已处于第三次提速阶段。随着运输密度的提高,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。火车不断提速以及运输密度的提高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
4、不断的研发出新型刹车片。开发新的刹车片的同时,也需要我们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。2.摩擦片创新试验台的结构与工作原理根据需要，火车刹车片测试系统要求实现以下功能：首先，建立一个可以模拟火车制动过程的试验台；其次,试验台应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;最后，测试系统可对已测参数进行分析，得出刹车片的摩擦特性曲线。2.1摩擦片创新试验台结构机车刹车片惯性制动计算机检测装置CX-1创新实验台由计算机系统,机械系统，运动控制系统和检测系统组成，火车片刹车系统总体框图如图1所示。图1 火车刹车片测试系统总体框图该系统主要设备有：计算
5、机1套;ITSUBISHIX2N64R可编程逻辑控制器1台；XN-2数模转换器2台；SD2000-4T0100/变频调速器1台；机电装置1套；压力发生器套；2B-0118空气压缩装置一套。检测传感器：霍尔电流脉冲传感器1个;光电非接触测温传感器1套；接触测温热电偶1对；应变式力传感器及信号放大装置1套；应变式压力传感器1个。采集软件编程（V)；可编程逻辑控制器编程(PLC梯形图）；数模转换选用与安装;传感器的装调及抗干扰。图2到图分别为火车刹车片摩擦性能测试系统的现场图、三维图和总体机构布置图。图2火车刹车片测试系统现场图图 火车刹车片系统三维实体图图4火车刹车片CX-1创新试验台总体机构布置
6、2.工作原理X-1创新试验台具体的试验过程为:（1)交流电动机通过联轴器与制动盘中轴相连,从而带动制动盘,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使试件压紧制动盘。加载是通过带压力表的气缸提供一定的压力传递到气缸中，在气压的作用下推动活塞运动，通过活动铰链将试件以一定的压力压紧在制动盘表面上实现制动。（3）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并同时记录制动转数，以保证试验结果的准确性。该试验台还安装有热电偶，以测量刹车片材料表面的摩擦温度。2.2
7、.1速度测试原理在转速测试系统中常见的转速检测方式有测速发电机和光电编码器两种。前者的输出为电压信号,主要用于测量精度要求小高的场合，后者的输出为脉文冲信号，常用于测量精度要求较高的数字测速场合。本测控系统采用了LEC-0G5E增量式光电旋转编码器,它是一种角位移传感器，可将角位移转换为一系列脉冲串,每转一周输出个脉冲,这样通过测量脉冲串的频率或周期即可得到转速值。在用uC841测量光电编码器输出脉冲时，利用了CA的捕捉模式。捕捉模式的功能是监视外部事件的发生。当外部事件发生、使相应引脚（CEX1)电平跳变（上升沿或下降沿)时,可将该事件发生的时间记录下来(即将定时器的定时值捕捉到相应寄存器中
8、),并可根据要求决定是否中断。捕捉功能可用于测量某个事件的发生时刻,或多个事件的时间间隔,由此可测量脉冲宽度、周期、频率等。利用捕捉功能测量脉冲与利用普通I/O口测量脉冲相比,软、硬件都更为简单、测量精度更高、速度更快。为了测量脉冲周期，可由PC捕捉相邻两个上升沿(或下降沿）tAP的时间、tCP2，而两次捕捉的时间差即为脉冲周期(t1-CP)，进而可算出转速即22.2压力测量原理对刹车片进行测试时,需要测量出刹车片的正压力FN和摩擦力Ff。具体压力测量方案如下,施加在刹车片上的正压力的测量，只需要在制动台上安装一个压力传感器便能测量。而在高速转动下,刹车片与制动盘的摩擦力很难直接测得。在本试验
9、中，通过设计一个转动梁与制动装置相连。因此,制动盘反作用在制动装置上的摩擦力就给了转动梁一个力矩，而在转动梁的另一端装上压力传感器,能够直接测量出压力。压力测量原理图如图所示。 图5 压力测试装置图2.23温度测量能够用来感测温度变化的元件有很多,几种常见的测温元件有热电偶、感温、电阻式温度感测器等。本系统温度测量是通过一对热电偶传感器实现的。刹车片在制动时，处于相对静止状态,在对刹车片表面温度测量时，只需要将热电偶粘结在刹车片表面,通过在刹车片上钻孔,把电路引出,粘贴位置如图所示。测量温度时,大部分的误差是因测量时破坏了热传导的平衡而形成的,需测定的表面（规定点)与被测点的温度不同时，就无法
10、实现准确的测量。实际上,当粘结剂的热传导率低于被测体的话,就会产生温度差,因此要尽可能使实际测量点靠近规定点。因为热量会从规定点传入实际测量点,并传至热电偶的心线中,所以规定点的温度就会低于实际温度。与被测物体的热容量相比，若热电偶、粘结剂的热容量较大，达到不可忽略的程度时，这一影响就更大了。但是刹车片在制动过程,会表面会有一定的磨损，所以在设计中热电偶需同表面保持的距离0.5m(热电偶粘结位置如图所示）。而且,为了保证测量的精确,在刹车片上粘结3个热电偶，分别粘在规定点的位置。图热电偶粘结位置.程序设计该试验台控制程序主要分为两大部分,其一为计算机控制程序，另一个就是P程序设计。前者主要由V
11、B语言编写而成，它是用户与设备联系的窗口;后一部分则由PL实现，PLC是计算机与设备之间的桥梁。.1 三菱PLC控制系统程序设计该系统主要由三菱可编程控制器（PLC）实现的。L采用一类可编程的储存器,用于其内部储存程序，执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数与算术操作等面向用户的指令,并通过数字或模拟式输入输出控制各类机械或生产过程。PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。图为PL图。该检测系统中L主要实现了以下功能：(1)支持写入并储存LC程序；(2)接收测试系统数据采集信息;(）向计算机发送采集的数据，接收计算机发出的控制指令，并向测试系统控制部分发出控
12、制指令。图7 PLCPLC的工作原理可以简单地表述为在系统程序的管理下,通过运行应用程序，对控制要求进行处理判断,并通过执行用户程序来实现控制任务。（)输入映像区中的数据，取决于本扫描周期输入采样阶段所处的状态。在程序执行阶段和输出刷新阶段,输入映像区中的数据不会因为有新的输入信号而发生改变。（2)输出映像区中的数据由程序中输出指令的执行结果决定。在输入采样阶段和输出刷新阶段,输出映像区的数据不会发生改变。()输出端子直接与外部负载连接，其状态由输出状态寄存器中的数据来确定。梯形图是L使用得最多的图形编程语言，被称为PLC的第一编程语言。梯形图与电器控制系统的电路图很相似,具有直观易懂的优点,
13、很容易被工厂电气人员掌握,特别适用于开关量逻辑控制。梯形图常被称为电路或程序,梯形图的设计称为编程。图是该刹车片检测分析程序的梯形图的一部分。表1 三菱PLC-Fx系列参数设置标记进制点数起始结束锁存起始结束锁存设置范围 辅助继电器M1030720371501230 - 13状态S10100009909990 - 999定时器T125025计数器(6位）020019910019 - 19计数器（32位)C520055220550 -255数据寄存器D0800099205110 - 51图8PL梯形图3.2 VB程序设计本试验台的计算机控制程序是由Visal Basic程序语言编写的。VB6.0
14、是面向对象的可视化程序设计软件,其功能强大,设计过程直观，简便。下图为使用6.0编写的CX1测试系统软件窗口。准备工作做好后，只需在此窗口中输入相关数据就可以开始刹车片的测试工作。图9和图1分别为X-1测试软件参数设置界面和工作界面。图9计算机参数设置界面图1 计算机测试结果界面以下一段程序为此界面的部分代码：rivte ub Commd4_lck(）$= E1440008B$ = Hex(Combo1().Tx） 惯性速度设定B21= ex(Int(al（Com1（).Text）)） 闸片压力设定,整数部分_tmp = l（Como1(1).Tet) - n(Vl(Com1（1)Text）)If amp 0 Then22 = Hex(Mid(t, 2, Le(a_mp）- 1) 闸片压力设定，小数部分EnfB3$ (obo1(6).Txt) 叠加测试次数Fo = 1 o 4If Len(1$)4Then B1 0 B1$If Len(B2$) The B21$ = 0 & B21$If Le(B2) TheB22$ =0 22I
