轨道车辆电子机械制动系统闸片磨损检测方法及系统与流程

1.本发明涉及列车制动技术领域，涉及一种轨道车辆电子机械制动系统闸片磨损检测方法及系统。


背景技术：

2.轨道车辆常用的摩擦制动方式为空气制动、液压制动，通过控制压缩空气或液压油的压力，推动夹钳对制动盘施加不同的压力，以达到实现不同制动力的目的。
3.电子机械制动作为一种新型制动技术，采用电机作为动力源，通过机械机构(基础制动装置)的传递(丝杠等)推动夹钳对制动盘施加不同的压力。
4.电子机械制动系统在夹钳上安装有闸片，当施加制动力时，由闸片和制动盘接触产生摩擦力进行列车制动。闸片的材质相对较软，摩擦时会产生磨损。经过一段时间使用后，闸片磨损到一定程度后就需要更换闸片，否则将影响制动效果。
5.闸片更换目前是靠人工目检或定期更换。若能在线监测闸片磨损情况，为更换闸片提供依据，将有助于实现制动系统的智能检修。现有技术中，也具有闸片磨损的自动监测系统，多采用图像分析和位移传感器的监测方式。
6.例如：
7.cn201911283954.7公开了一种闸片磨损故障检测的方法及系统，采集闸片图像，进行二值化处理，通过计算连通域的方法来判断闸片是否发生了磨损。
8.cn201811256672.3公开了一种基础制动在线检测器以及智能检测方法，采用连接杆组成配合磁致伸缩式位移传感器，置于制动单元内部连接管中，利用磁环配合位移传感器对闸片进行定位检测。
9.图形处理的方法处理程序复杂，传感器检测的方法检测功能单一。


技术实现要素：

10.本发明的目的在于解决上述技术问题之一，提供一种智能化闸片检测方法及系统，可自动检测闸片磨损度。
11.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
12.一种轨道车辆电子机械制动系统闸片磨损检测方法，包括以下步骤：
13.初始化步骤：更换新闸片后，启动电机，驱动夹钳向制动缓解方向运动，至电机堵转，记录此时电机运动位置，对应转动圈数为零点；
14.标定步骤：启动电机，驱动夹钳向制动施加方向运动，至电机堵转，记录此时电机转动圈数，将电机转动圈数转化为制动夹钳行程，并记录自电机启动至电机堵转的运动时间；
15.检测步骤：制动系统工作一段时间后，自缓解方向的堵转位置开始，启动电机，驱动夹钳向制动施加方向运动，至电机堵转，记录此时电机转动圈数，将电机转动圈数转化为制动夹钳行程，并记录自电机启动至电机堵转的运动时间；
16.计算转动圈数差值、夹钳行程差值、运动时间差值；
17.若转动圈数差值超过设定的圈数差阈值，
18.或，夹钳行程差值超过设定的行程差阈值，
19.或，运动时间差值超过设定的时间差阈值，
20.则判断需要更换闸片。
21.本发明一种实施例中，进一步包括以下步骤：
22.检测标定步骤时的环境温度，以及检测步骤时的环境温度；
23.计算温度对运动行程的影响因子：
24.δf＝g(t2)-g(t1)
25.计算夹钳行程差值时，考虑温度对运动行程的影响因子。
26.本发明一种实施例中，进一步包括以下步骤：
27.基于转动圈数差值的大小对转动圈数差值进行分级；
28.基于夹钳行程差值的大小对夹钳行程差值进行分级；
29.基于运动时间差值的大小对运动时间差值进行分级；
30.基于不同转动圈数差值等级，或，不同夹钳行程差值等级，或，不同运动时间差值等级，生成不同等级预警信号。
31.本发明一种实施例中，进一步包括以下步骤：
32.设定磨损速度阈值；
33.对整车闸片的磨损速度进行监控，若某闸片的磨损速度大于磨损速度阈值，则判断该闸片磨损异常。
34.本发明一种实施例中，进一步包括以下步骤：
35.设定磨损速度差值阈值；
36.对整车闸片的磨损速度进行监控，比较各闸片磨损速度差；
37.若某闸片的磨损速度与其它闸片的平均磨损速度的差值大于磨损速度差值阈值，则判断该闸片磨损异常。
38.本发明一种实施例还提供一种轨道车辆电子机械制动系统闸片磨损检测系统，包括：
39.电机控制单元：用于控制电机转动，以驱动夹钳运动；
40.计数单元：用于记录电机的转动圈数；
41.行程计算单元：用于基于电机的转动圈数计算夹钳的运动距离；
42.计时单元：用于记录电机运行到指定位置时的运动时间；
43.标定数据计算单元：用于记录更换新闸片后，夹钳自缓解方向的堵转位置开始沿制动施加方向运动到电机堵转位置时，电机转动圈数，制动夹钳行程，电机堵转的运动时间；
44.检测数据计算单元：用于记录制动系统工作一段时间后，夹钳自缓解方向的堵转位置开始沿制动施加方向运动到电机堵转位置时，电机转动圈数，制动夹钳行程，电机堵转的运动时间；基于计算值与标定数据计算单元记录的计算差值，生成闸片故障检测信号。
45.本发明一种实施例中，磨损检测系统进一步包括：
46.温度采集单元：用于检测标定步骤时的环境温度，以及检测步骤时的环境温度；
47.温度因子计算单元：用于计算温度对运动行程的影响因子；
48.所述检测数据计算单元基于温度影响因子修正制动夹钳行程。
49.本发明一种实施例中，磨损检测系统进一步包括：
50.磨损速度计算单元：基于制动过程中制动夹钳的行程变化及变化产生的时间计算闸片磨损速度；
51.所述磨损速度计算单元对整车闸片的磨损速度进行监控，若某闸片的磨损速度大于磨损速度阈值，则判断该闸片磨损异常。
52.本发明一种实施例中，磨损检测系统进一步包括：
53.磨损速度计算单元：基于制动过程中制动夹钳的行程变化及变化产生的时间计算闸片磨损速度，并计算各闸片的磨损速度差；
54.所述磨损速度计算单元对整车闸片的磨损速度进行监控，若某闸片的磨损速度与其它闸片的平均磨损速度的差值大于磨损速度差值阈值，则判断该闸片磨损异常。
55.本发明提供的轨道车辆电子机械制动系统闸片磨损检测方法，其有益效果在于：
56.本方法由电子机械制动系统自动控制实现：在更换新闸片时，通过检测命令控制电子机械制动系统机构运动，计算其运动行程并记录为闸片零磨损参数。在日常使用时，也通过检测命令控制机构运动，计算其运动行程作为闸片实时磨损参数。根据零磨损参数与实时磨损参数的差值是否超过预设的更换闸片的磨损限值，决定是否发出更换闸片的提示。
57.本发明提供的方法可以计算闸片的磨损速度，并据此分析闸片状态是否正常；以及统计分析多个闸片的磨损情况，判断闸片状态、预测闸片寿命和维护成本等。
附图说明
58.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
59.图1为电子机械制动系统组成示意图。
60.图2为电子机械制动系统制动施加结构示意图。
61.图3为一种实施方式闸片磨损检测方法流程示意图。
62.图4为一种实施方式闸片磨损检测方法流程示意图。
具体实施方式
63.为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
64.一种轨道车辆电子机械制动系统闸片磨损检测方法，用于电子机械制动系统闸片在线监测，以及时对闸片故障做出监测。
65.首先介绍电子机械制动系统的组成及作用原理，参考图1和图2。
66.制动控制器(ebcu)向电机控制器发送制动力指令(制动力施加和力值大小、缓解
等)，电机控制器控制电机旋转，进而通过传动机构带动夹钳(夹钳上在靠近制动盘的一侧装有闸片)对制动盘施加压力，或缓解。
67.一般在传动机构中设置检测实际压力的压力传感器，通过实测压力值和目标制动力值进行闭环控制，最终使实际压力值逼近目标制动力值。
68.传动机构可以但不限于，由减速机构、丝杠、丝杠螺母、夹钳等组成。电机通过减速机构带动丝杠螺母旋转，丝杠有限位措施无法旋转，将螺母的旋转运动转变为丝杠的直线运动。丝杠带动夹钳向制动施加方向运动对制动盘施加压力，或向制动缓解方向运动进行缓解。当制动缓解时，丝杠最终会顶到后端的限位机构上；当制动施加时，丝杠向制动施加方向运动，最终会使闸片顶到制动盘上，而反作用力使丝杠螺母顶到限位机构上。
69.闸片磨损检测方法包括以下步骤。
70.初始化步骤：更换新闸片后，启动电机，驱动夹钳向制动缓解方向运动，至电机堵转，记录此时电机运动位置，对应转动圈数为零点；此步骤在更换新的闸片，且闸片投入使用前进行。
71.具体的，电子机械制动电机控制器接收车辆制动控制器(ebcu)的检测指令，以固定扭矩(或固定电流/电压)控制电机转动，进而通过传动机构带动夹钳(以及闸片)向制动缓解方向运动，直至电机完全堵转(传动机构中的相关部件顶到限位机构上)。记录此时的运动位置为零点(电机转动圈数记为0)。
72.标定步骤：启动电机，驱动夹钳向制动施加方向运动，至电机堵转，记录此时电机转动圈数，将电机转动圈数转化为制动夹钳行程，并记录自电机启动至电机堵转的运动时间；标定步骤的目的是为了获得闸片故障判定的标准值，该值反应了新闸片在未产生任何磨损状态下的相关参数，存储相关参数。
73.具体的，以固定扭矩(或固定电流/电压)控制电机转动，进而通过传动机构带动夹钳(以及闸片)向制动施加方向运动，直至电机完全堵转(夹钳压到制动盘上)。记录此时电机转过的圈数。根据电机转动圈数n与夹钳运动行程l之间的传递关系l＝f(n),计算运动行程l1。(比如采用减速机构 丝杠形式时，减速机构的减速比i、丝杠导程p，电机转过的圈数n1，计算l1＝p*n1/i)。存储l1和检测时间，也可以是电机转动圈数n1和检测时间，或电机运动时间和检测时间。
74.检测步骤：制动系统工作一段时间后，自缓解方向的堵转位置开始，启动电机，驱动夹钳向制动施加方向运动，至电机堵转，记录此时电机转动圈数，将电机转动圈数转化为制动夹钳行程l2，并记录自电机启动至电机堵转的运动时间；制动系统工作一段时间后，闸片将产生磨损，这种磨损可体现在多个参数指标的变化，例如，闸片磨损后，当达到制动到位后，电机需要转动更多的圈数，或，夹钳需要运动更长的距离，或，需要更长的时间达到制动到位。
75.具体的，根据需要(比如每天列车出库前，或入库后，或定时等)ebcu向电机控制器发送检测指令。电机控制器重复标定时的初始化步骤
→
标定步骤的控制动作，计算检测数据。
76.计算行程l2与l1的差值δl＝l
2-l1，此即闸片的实时磨损量，并存储此信息(比如可以存储磨损量δl和检测时间；也可以是行程l2和检测时间；还可以是电机转动圈数n2和检测时间、或者电机运动时间和检测时间)。
77.计算转动圈数差值、夹钳行程差值、运动时间差值；
78.若转动圈数差值超过设定的圈数差阈值，
79.或，夹钳行程差值超过设定的行程差阈值，
80.或，运动时间差值超过设定的时间差阈值，
81.则判断需要更换闸片。在故障判定过程中，可择一参数选用，例如：若δl达到规定的更换闸片的磨损量限值要求，则提示更换闸片。
82.本发明一种实施例中，进一步包括以下步骤：
83.检测标定步骤时的环境温度，以及检测步骤时的环境温度；
84.计算温度对运动行程的影响因子：
85.δf＝g(t2)-g(t1)；
86.计算夹钳行程差值时，考虑温度对运动行程的影响因子。其中δf表示在温度t2和t1时夹钳的机械形变量差值，g(t2)表示在温度t2时，相对于某基准温度(如可以是0℃)时夹钳的机械形变量；g(t1)表示在温度t1时，相对于基准温度(如可以是0℃)时夹钳的机械形变量。
87.具体的，将温度因素考虑在内。温度变化会影响传动机构所用材料在受力时的形变量，将形变量受温度影响的关系表示为f＝g(t)。在更换新闸片后的初次测量中，记录当时的温度t1；在日常测量中，检测实时温度t2，在计算差值δl时，将δf＝g(t2)-g(t1)考虑在内，δl＝l
2-l
1-δf。优选的，将测量时的温度信息也存储在此条信息内，便于后续步骤计算闸片磨损信息。
88.本发明一种实施例中，进一步包括以下步骤：
89.基于转动圈数差值的大小对转动圈数差值进行分级；
90.基于夹钳行程差值的大小对夹钳行程差值进行分级；
91.基于运动时间差值的大小对运动时间差值进行分级；
92.基于不同转动圈数差值等级，或，不同夹钳行程差值等级，或，不同运动时间差值等级，生成不同等级预警信号。不同等级对应不同的预警信号，例如，可以为需要更换闸片或更换预警。
93.本发明一种实施例中，进一步包括以下步骤：
94.设定磨损速度阈值；
95.对整车闸片的磨损速度进行监控，若某闸片的磨损速度大于磨损速度阈值，则判断该闸片磨损异常。
96.本发明一种实施例中，进一步包括以下步骤：
97.设定磨损速度差值阈值；
98.对整车闸片的磨损速度进行监控，比较各闸片磨损速度差；
99.若某闸片的磨损速度与其它闸片的平均磨损速度的差值大于磨损速度差值阈值，则判断该闸片磨损异常。通过统计分析闸片的磨损速度预测闸片的使用寿命，维护成本等。
100.本发明一种实施例还提供一种轨道车辆电子机械制动系统闸片磨损检测系统，包括：
101.电机控制单元：用于控制电机转动，以驱动夹钳运动；
102.计数单元：用于记录电机的转动圈数；
103.行程计算单元：用于基于电机的转动圈数计算夹钳的运动距离；
104.计时单元：用于记录电机运行到指定位置时的运动时间；
105.标定数据计算单元：用于记录更换新闸片后，夹钳自缓解方向的堵转位置开始沿制动施加方向运动到电机堵转位置时，电机转动圈数，制动夹钳行程，电机堵转的运动时间；
106.检测数据计算单元：用于记录系统工作一段时间后，夹钳自缓解方向的堵转位置开始沿制动施加方向运动到电机堵转位置时，电机转动圈数，制动夹钳行程，电机堵转的运动时间；基于计算值与标定数据计算单元记录的计算差值，生成闸片故障检测信号。
107.本发明一种实施例中，磨损检测系统进一步包括：
108.温度采集单元：用于检测标定步骤时的环境温度，以及检测步骤时的环境温度；
109.温度因子计算单元：用于计算温度对运动行程的影响因子；
110.所述检测数据计算单元基于温度影响因子修正制动夹钳行程。
111.本发明一种实施例中，磨损检测系统进一步包括：
112.磨损速度计算单元：基于制动过程中制动夹钳的行程变化及变化产生的时间计算闸片磨损速度；
113.所述磨损速度计算单元对整车闸片的磨损速度进行监控，若某闸片的磨损速度大于磨损速度阈值，则判断该闸片磨损异常。
114.本发明一种实施例中，磨损检测系统进一步包括：
115.磨损速度计算单元：基于制动过程中制动夹钳的行程变化及变化产生的时间计算闸片磨损速度，并计算各闸片的磨损速度差；
116.所述磨损速度计算单元对整车闸片的磨损速度进行监控，若某闸片的磨损速度与其他任一闸片的磨损速度比大于磨损速度差值阈值，则判断该闸片磨损异常。
117.以下，结合具体的实施例来说明本发明的实施过程。
118.基础制动装置的丝杠导程为10mm，减速比为10。提示信息分两级：更换闸片磨损量为5mm，预警提示磨损量为4mm。
119.更换新闸片后，ebcu向电机控制器发送检测命令，控制器以固定扭矩控制电机运行；电机从制动缓解方向堵转位置向制动施加方向堵转位置共转过了28圈，计算得到行程l1为28mm。电机控制器记录此28mm为闸片零磨损的参数。
120.在每天列车上电后，ebcu会向电机控制器发送一次闸片磨损检测命令，控制器以固定扭矩控制电机运行，执行检测动作。(1)若电机转过的圈数为30.5圈，则计算当次行程l2为30.5mm，闸片磨损量为2.5mm；则电机控制器向ebcu发出闸片磨损在正常范围内的信息。(2)若电机转过的圈数为32.5圈，则计算当次行程l2为32.5mm，闸片磨损量为4.5mm，则电机控制器向ebcu发出闸片磨损预警提示信息。(3)若电机转过的圈数为33.2圈，则计算当次行程l2为33.2mm，闸片磨损量为5.2mm，则电机控制器向ebcu发出更换闸片提示信息。
121.温度对传动机构机械形变量的影响：初次测量时，温度为10℃，机械形变量为0.2mm。日常检测的某次测量时温度为30℃，机械形变量为0.5mm。若如上段中(3)的情况，则闸片的真实磨损量为:
122.δl＝l
2-l
1-δf＝33.2-28-(0.5-0.2)＝4.9mm
123.此时会发出预警信息，而不是更换信息。
124.磨损速度快于1mm/月时，提示检修该闸片。比如8月5日检测的磨损量为2.2mm，一月前(7月5日)检测的磨损量为1.0mm，单月磨损量为1.2mm，则认为此闸片磨损过快，发出检修此闸片的提示信息。
125.统计一列车的闸片磨损速度。该列车共24个闸片，其中23个闸片的磨损速度集中在0.2～0.4mm/月之间，只有一个闸片的磨损速度为0.8mm/月，虽未达到单闸片的磨损速度提示检修限值，但明显大于本车其它闸片的磨损速度，也提示检修该闸片。
126.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。