制动夹钳单元的实时状态监测装置、制动夹钳单元及方法

摘要

本发明涉及一种制动夹钳单元的实时状态监测装置、制动夹钳单元及方法，所述监测装置包括两个对称设置且结构相同的监测单元和显示单元，所述监测单元包括：角位移传感器，安装于制动夹钳单元的连接架上，所述角位移传感器与所述显示单元电连接；第一连接件，与制动夹钳单元的夹钳臂连接；第二连接件，一端与所述角位移传感器滑动连接，另一端与第一连接件转动连接；所述显示单元设有计算模块和绘图模块，所述计算模块根据角位移传感器测量的角度计算制动夹钳单元位移，所述绘图模块绘制角位移传感器测量的角度与制动夹钳单元位移之间的关系图以及制动夹钳单元的实时状态图。本发明实现实时监测制动夹钳单元状态的功能。

权利要求

1.一种制动夹钳单元的实时状态监测装置，其特征在于，包括两个对称设置且结构相同的监测单元和显示单元，所述监测单元包括：角位移传感器(1)，安装于制动夹钳单元的连接架(12)上，所述角位移传感器(1)与所述显示单元电连接；

第一连接件(2)，与制动夹钳单元的夹钳臂(11)连接；

第二连接件(3)，一端与所述角位移传感器(1)滑动连接，另一端与第一连接件(2)转动连接；

所述显示单元设有计算模块和绘图模块，所述计算模块根据角位移传感器测量的角度计算制动夹钳单元位移，所述绘图模块绘制角位移传感器测量的角度与制动夹钳单元位移之间的关系图以及制动夹钳单元的实时状态图；所述显示单元还包括磨耗极限报警模块，用于磨耗极限判断及报警。

2.如权利要求1所述的制动夹钳单元的实时状态监测装置，其特征在于，所述角位移传感器(1)包括传感器本体(101)以及与传感器本体(101)连接的旋转轴(102)，所述传感器本体(101)上设有与所述显示单元电连接的电器插口(103)，所述传感器本体(101)设有安装法兰(104)，所述传感器本体(101)通过设于所述安装法兰(104)上的安装接口(105)和紧固件(4)安装于所述连接架(12)上，所述旋转轴(102)穿过设于所述连接架(12)上的通孔与所述第二连接件(3)滑动连接。

3.如权利要求2所述的制动夹钳单元的实时状态监测装置，其特征在于，所述第二连接件(3)的一端压装有轴套(301)，另一端设有滑槽(302)；所述第一连接件(2)套装于所述轴套(301)内，且与所述轴套(301)间隙配合；所述旋转轴(102)套装于所述滑槽(302)内，且与所述滑槽(302)间隙配合。

4.如权利要求3所述的制动夹钳单元的实时状态监测装置，其特征在于，还包括第一限位装置和第二限位装置，所述第一限位装置安装于所述第一连接件(2)的端部，所述第二限位装置安装于所述旋转轴(102)的端部。

5.如权利要求4所述的制动夹钳单元的实时状态监测装置，其特征在于，所述第一限位装置包括套装于所述第一连接件(2)端部的第一止档件(501)和贯穿所述第一连接件(2)端部的第一限位件(502)，所述第一限位件(502)位于所述第一止档件(501)的外侧；所述第二限位装置包括套装于所述旋转轴(102)端部的第二止档件(601)和安装于所述旋转轴(102)顶部的第二限位件(602)。

6.如权利要求2所述的制动夹钳单元的实时状态监测装置，其特征在于，计算模块根据角位移传感器测量的角度计算制动夹钳单元位移的具体方法为：以制动夹钳单元两侧中任一侧的转轴的中心为坐标原点，车辆行进方向的横向为X轴，车辆行进方向的纵向为Y轴，建立平面直角坐标系XOY，转轴的中心(21)至第一连接件的中心(22)距离为R，转轴的中心(21)至制动夹钳单元横向中心线(23)的距离为m，第一连接件的中心坐标为A(x,y)，第一连接件的中心(22)至制动夹钳单元横向中心线(23)的距离为n，则有：n＝m‑x,直线OA与X轴的夹角为α，则有：x＝R cosα，y＝R sinα；

旋转轴(102)在直角坐标系XOY的位置为C(a,b)，直线AC与X轴的夹角为θ，即夹钳臂与连接架的夹角为θ，则有：

根据以上求得：

同理，通过制动夹钳单元另一侧的转轴的中心为坐标原点建立平面直角坐标系，求得另一侧第一连接件的中心坐标A'(x',y')至制动夹钳单元横向中心线的距离为n'相对于另一侧夹钳臂与连接架的夹角θ'的关系，正常状态下，制动夹钳单元呈轴对称状态，即n＝n'，θ＝θ'；

设制动夹钳单元的放大倍率为γ，则制动夹钳单元的位移T与单元制动缸的位移L的关系为：T＝L/γ＝n+n'/γ＝2n/γ；

根据以上求得：

式中，m、n、a、b、R均为已知量；

即制动夹钳单元的位移T通过测量的夹钳臂与连接架的夹角θ求解。

7.如权利要求6所述的制动夹钳单元的实时状态监测装置，其特征在于，所述计算模块还用于计算制动夹钳单元的灵敏度、一次最大调整量以及缓解间隙,其具体计算方法为：设在任意缓解状态下对应的制动夹钳单元位移为T1，制动夹钳单元的单元制动缸充入压缩空气后对应的制动夹钳单元位移为T2，制动夹钳单元的单元制动缸排出压缩空气后对应的制动夹钳单元位移为T3，则|T2‑T1|为制动夹钳单元的灵敏度，|T3‑T2|为制动夹钳单元的一次最大调整量，|T3‑T1|为制动夹钳单元的缓解间隙，T1、T2、T3通过公式(2)求解。

8.如权利要求6所述的制动夹钳单元的实时状态监测装置，其特征在于，所述磨耗极限报警模块设有磨耗极限报警阈值，所述磨耗极限报警阈值为当达到制动闸片的磨耗极限时对应的夹角θ值。

9.如权利要求1至8任意一项所述的制动夹钳单元的实时状态监测装置，其特征在于，还包括防护件，所述防护件设于所述角位移传感器、第一连接件和第二连接件外部。

10.一种制动夹钳单元，其特征在于，包括夹钳臂(11)、与所述夹钳臂(11)铰接的连接架(12)以及连接于所述夹钳臂(11)与所述连接架(12)之间的实时状态监测装置，所述实时状态监测装置为如权利要求1至8任意一项所述的制动夹钳单元的实时状态监测装置。

11.一种制动夹钳单元的实时状态监测方法，其特征在于，采用如权利要求6至8任意一项所述的制动夹钳单元的实时状态监测装置，包括以下步骤：实时获取制动夹钳单元连接架与两侧夹钳臂之间的夹角θ和θ'，绘制夹角θ和θ'与制动夹钳单元的位移T的关系图以及制动夹钳单元的实时状态图；

根据夹角θ和θ'判断制动夹钳单元的状态；

根据夹角θ与制动夹钳单元的位移T的关系求取任一缓解状态下对应的制动夹钳单元位移T1、向单元制动缸充入压缩空气后对应的制动夹钳单元位移T2以及单元制动缸排出压缩空气后对应的制动夹钳单元位移T3，则有：|T2‑T1|为制动夹钳单元的灵敏度，|T3‑T2|为制动夹钳单元的一次最大调整量，|T3‑T1|为制动夹钳单元的缓解间隙；

记录夹角θ和θ'之和的有效变化次数，根据夹角θ和θ'之和的有效变化次数直接得出制动闸片的累计磨耗次数，进而根据累计磨耗次数计算得到制动闸片一次更换周期的平均磨耗次数、单次制动平均磨耗量以及使用寿命。

12.如权利要求11所述的制动夹钳单元的实时状态监测方法，其特征在于，根据夹角θ和θ'判断制动夹钳单元的状态的方法为：制动夹钳单元初始状态下，夹角θ和θ'相等；当夹角θ和θ'同时增大时，说明制动夹钳单元有压缩空气充入，即处于制动状态；当夹角θ和θ'同时减小时，说明制动动夹钳单元有压缩空气排出，即处于缓解状态；当夹角θ和θ'不相等时，说明制动夹钳单元发生了偏转，且偏向于夹角小的一侧，即对应该侧制动盘与制动闸片的间隙小，另一侧制动盘与制动闸片的间隙大；当夹角θ和θ'等于达到制动闸片的磨耗极限时对应的磨耗极限报警值时，需更换制动闸片；当处于缓解状态的制动夹钳单元充入压缩空气后，若夹角θ和θ'不发生变化或变化值小于正常变化值，说明制动夹钳单元出现制动失效或制动力不足的故障；当处于制动状态的制动夹钳单元排出压缩空气后，若夹角θ和θ'不发生变化或变化值小于正常变化值，说明制动夹钳单元出现制动不缓解或缓解不良故障。

说明书

制动夹钳单元的实时状态监测装置、制动夹钳单元及方法

技术领域

[0001] 本发明属于轨道交通技术领域，涉及轨道交通制动技术，具体地说，涉及一种制动夹钳单元的实时状态监测装置、制动夹钳单元及方法。

背景技术

[0002] 制动夹钳单元是将压缩空气压力转化为机械推力并放大该机械推力，通过制动盘与制动闸片之间的摩擦作用使得轨道车辆的动能转换为热能，用以实现调速或停车目的的
基础制动装置。参见图1，常见的制动夹钳单元包括单元制动缸10、夹钳臂11、连接架12、转
轴13、闸片托14(含制动闸片)、吊臂15、销轴16、连接螺栓17以及铰接螺栓18等零部件组成。
其中，夹钳臂11与连接架12通过转轴13铰接，构成转动副A；夹钳臂11通过销轴16与闸片托
14铰接，闸片托14通过连接螺栓17与吊臂15铰接，合称制动夹钳；单元制动缸10通过铰接螺
栓18与夹钳臂11连接，构成转动副B。制动夹钳单元通过吊臂螺栓19和柱螺栓20与转向架铰
接。当向制动夹钳单元的单元制动缸10充入一定的压缩空气后，单元制动缸10伸长，通过铰
接螺栓带动两侧的夹钳臂11分别绕转轴13转动，使得闸片托14(含制动闸片)压制制动盘，
产生制动作用，当单元制动缸10内的压缩空气排出后，单元制动缸10回缩，带动两侧夹钳臂
11分别绕转轴13反向转动，使得闸片托14(含制动闸片)与制动盘分离，实现缓解作用。

[0003] 在机车车辆运行过程中，制动闸片与制动盘之间的间隙保持稳定是保证机车制动性能可靠、制动盘和制动闸片正常磨耗的必要条件，而制动夹钳单元的制动灵敏度、缓解间
隙和一次最大调整量等位移参数以及制动状态与缓解状态是决定制动闸片与制动盘之间
的间隙稳定的重要指标。制动灵敏度为缓解状态下的制动夹钳单元充入一定量的压缩空气
后，制动闸片与制动盘之间间隙的减小量，是评定制动夹钳单元在最小压缩空气压力条件
下制动能力的位移参数。缓解间隙为制动夹钳单元制动状态与排气缓解状态下的制动闸片
与制动盘之间间隙的增大量，是保证制动闸片与制动盘之间的间隙稳定性的直接位移参
数。一次最大调整量为制动夹钳单元连续两次缓解状态下制动盘和制动闸片之间间隙的减
小量，是评定制动夹钳单元自动间隙补充能力的位移参数。

[0004] 目前，在试验台上可以观察到制动夹钳单元的制动与缓解过程，确认制动、缓解是否到位以及制动状态或者缓解状态制动夹钳单元是否存在偏转现象，测量制动灵敏度、缓
解间隙和一次最大调整量等位移参数。而机车车辆运行中制动夹钳单元的制动与缓解过程
是无法直接观测的，机车车辆运行状态下制动夹钳单元的动作是否与静态下一致不得而
知。现有机车车辆制动系统对制动夹钳单元的监测是通过监控单元制动缸压力实现的，而
这种监测方式只能知道控制压力施加或者排出，对制动夹钳单元的实际响应状态是无法明
确的，即如果制动夹钳单元发生偏转、制动不缓解或者不制动，甚至断裂等机械故障，单元
制动缸的压力信号是无法体现的。

[0005] 公开号为CN 106926838A的中国专利申请公开了一种铁道机车车辆的制动夹钳单元状态检测装置及方法。铁道机车车辆的制动夹钳单元状态检测装置包括：传感器触动装
置，传感器，固定装置和信号输出装置；传感器触动装置固定于铁道机车车辆的制动夹钳单
元的活塞上，与活塞同步移动，用于触发传感器；传感器通过固定装置，固定于制动夹钳单
元的制动缸的固定部件上，用于根据与传感器触动装置的相对位置的变化，向信号输出装
置发出制动夹钳单元的制动状态信息或缓解状态信息；信号输出装置与传感器连接，固定
于固定部件上，用于输出传感器发出的制动夹钳单元的制动状态信息或缓解状态信息。该
专利申请通过检测制动缸内零部件的位置变化信息以监测制动夹钳单元的制动状态和缓
解状态是否正常，从而判断制动夹钳单元在运用过程中是否出现故障，但该专利申请只能
定性判断制动夹钳单元的动作是否正常，无法定量评估以及无法评价制动夹钳单元是否偏
转和偏转程度。

[0006] 此外，目前对于运用到一定的里程或时间后需要做状态修的制动夹钳单元，一般下车才能进行制动灵敏度、缓解间隙和一次最大调整量等位移参数测量或者停止静止状态
下进行测量，这造成严重的检修成本和检修时间的浪费。公开号为CN 110118232A的中国专
利申请公开了一种检测闸片、制动夹钳单元故障检测装置及检测方法，其中检测闸片用于
车辆制动装置的故障检测，车辆制动装置包括制动闸片及动力执行机构，动力执行机构具
有第一安装部，第一安装部与制动闸片连接，检测闸片包括闸片本体、支撑腔室、移动件、弹
力传递介质及伸出件，闸片本体具有第二安装部及位移检测安装部，第二安装部的结构与
第一安装部相适应，支撑腔室具有进出口，移动件套接于支撑腔室中，弹力传递介质位于移
动件与闸片本体之间，伸出件与移动件固定连接，伸出件与进出口对应设置，伸出件与位移
检测安装部对应设置。公开号为CN 110103933A的中国专利申请公开了一种检测闸片、制动
夹钳单元故障检测装置及检测方法，其中检测闸片用于车辆制动装置的故障检测，车辆制
动装置包括制动闸片及动力执行机构，动力执行机构具有第一安装部，第一安装部与制动
闸片连接，检测闸片包括闸片本体、支撑缸室、活塞及伸出件，闸片本体具有第二安装部及
压力检测部，第二安装部的结构与第一安装部相适应，支撑缸室形成于闸片本体中，支撑缸
室与压力检测部对应设置，支撑缸室具有压力输入口及进出口，活塞密封套接于支撑缸室
中，伸出件与活塞固定连接，伸出件与进出口对应设置。上述两件专利申请均提出了便携式
制动夹钳单元故障检测装置，能在制动夹钳单元与转向架不分离的条件下使用，独立于制
动系统，同时测量制动夹钳单元的灵敏度、一次最大调整量、缓解间隙等位移参数。但上述
检测均需要更换检测闸片，且只有在静止状态下才可完成检测，无法达到实时检测的功能
要求。

发明内容

[0007] 本发明针对现有制动夹钳单元在状态检测过程中存在的无法进行实时检测等上述问题，提供了一种制动夹钳单元的实时状态监测装置、制动夹钳单元及方法，能够实时监
测制动夹钳单元的状态。

[0008] 为了达到上述目的，本发明提供了一种制动夹钳单元的实时状态监测装置，包括两个对称设置且结构相同的监测单元和显示单元，所述监测单元包括：

[0009] 角位移传感器，安装于制动夹钳单元的连接架上，所述角位移传感器与所述显示单元电连接；

[0010] 第一连接件，与制动夹钳单元的夹钳臂连接；

[0011] 第二连接件，一端与所述角位移传感器滑动连接，另一端与第一连接件转动连接；

[0012] 所述显示单元设有计算模块和绘图模块，所述计算模块根据角位移传感器测量的角度计算制动夹钳单元位移，所述绘图模块绘制角位移传感器测量的角度与制动夹钳单元
位移之间的关系图以及制动夹钳单元的实时状态图。

[0013] 优选的，所述角位移传感器包括传感器本体以及与传感器本体连接的旋转轴，所述传感器本体上设有与所述显示单元电连接的电器插口，所述传感器本体设有安装法兰，
所述传感器本体通过设于所述安装法兰上的安装接口和紧固件安装于所述连接架上，所述
旋转轴穿过设于所述连接架上的通孔与所述第二连接件滑动连接。

[0014] 优选的，所述第二连接件的一端压装有轴套，另一端设有滑槽；所述第一连接件套装于所述轴套内，且与所述轴套间隙配合；所述旋转轴套装于所述滑槽内，且与所述滑槽间
隙配合。

[0015] 进一步的，还包括第一限位装置和第二限位装置，所述第一限位装置安装于所述第一连接件的端部，所述第二限位装置安装于所述旋转轴的端部。

[0016] 优选的，所述第一限位装置包括套装于所述第一连接件端部的第一止档件和贯穿所述第一连接件端部的第一限位件，所述第一限位件位于所述第一止档件的外侧；所述第
二限位装置包括套装于所述旋转轴端部的第二止档件和安装于所述旋转轴顶部的第二限
位件。

[0017] 优选的，计算模块根据角位移传感器测量的角度计算制动夹钳单元位移的具体方法为：

[0018] 以制动夹钳单元两侧中任一侧的转轴的中心为坐标原点，车辆行进方向的横向为X轴，车辆行进方向的纵向为Y轴，建立平面直角坐标系XOY，转轴的中心至第一连接件的中
心距离为R，转轴的中心至制动夹钳单元横向中心线的距离为m，第一连接件的中心坐标为A
(x,y)，第一连接件的中心至制动夹钳单元横向中心线的距离为n，则有：n＝m‑x,直线OA与X
轴的夹角为α，则有：x＝Rcosα，y＝Rsinα；

[0019] 旋转轴在直角坐标系XOY的位置为C(a,b)，直线AC与X轴的夹角为θ，即夹钳臂与连接架的夹角为θ，则有：

[0020] 根据以上求得：

[0021] 同理，通过制动夹钳单元另一侧的转轴的中心为坐标原点建立平面直角坐标系，求得另一侧第一连接件的中心坐标A'(x',y')至制动夹钳单元横向中心线的距离为n'相对
于另一侧夹钳臂与连接架的夹角θ'的关系，正常状态下，制动夹钳单元呈轴对称状态，即n
＝n'，θ＝θ'；

[0022] 设制动夹钳单元的放大倍率为γ，则制动夹钳单元的位移T与单元制动缸的位移L的关系为：T＝L/γ＝n+n'/γ＝2n/γ；

[0023] 根据以上求得：

[0024]

[0025]

[0026] 式中，m、n、a、b、R均为已知量；

[0027] 即制动夹钳单元的位移T通过测量的夹钳臂与连接架的夹角θ求解。

[0028] 优选的，所述计算模块还用于计算制动夹钳单元的灵敏度、一次最大调整量以及缓解间隙,其具体计算方法为：设在任意缓解状态下对应的制动夹钳单元位移为T1，制动夹
钳单元的单元制动缸充入压缩空气后对应的制动夹钳单元位移为T2，制动夹钳单元的单元
制动缸排出压缩空气后对应的制动夹钳单元位移为T3，则|T2‑T1|为制动夹钳单元的灵敏
度，|T3‑T2|为制动夹钳单元的一次最大调整量，|T3‑T1|为制动夹钳单元的缓解间隙，T1、T2、
T3通过公式(2)求解。

[0029] 进一步的，所述显示单元还包括磨耗极限报警模块，用于磨耗极限判断及报警，所述磨耗极限报警模块设有磨耗极限报警阈值，所述磨耗极限报警阈值为当达到制动闸片的
磨耗极限时对应的夹角θ值。

[0030] 进一步的，还包括防护件，所述防护件设于所述角位移传感器、第一连接件和第二连接件外部。

[0031] 为了达到上述目的，本发明还提供了一种制动夹钳单元，包括夹钳臂、与所述夹钳臂铰接的连接架以及连接于所述夹钳臂与所述连接架之间的实时状态监测装置，所述实时
状态监测装置为上述制动夹钳单元的实时状态监测装置。

[0032] 为了达到上述目的，本发明还提供了一种制动夹钳单元的实时状态监测方法，采用上述制动夹钳单元的实时状态监测装置，包括以下步骤：

[0033] 实时获取制动夹钳单元连接架与两侧夹钳臂之间的夹角θ和θ'，绘制夹角θ和θ'与制动夹钳单元的位移T的关系图以及制动夹钳单元的实时状态图；

[0034] 根据夹角θ和θ'判断制动夹钳单元的状态；

[0035] 根据夹角θ与制动夹钳单元的位移T的关系求取任一缓解状态下对应的制动夹钳单元位移T1、向单元制动缸充入压缩空气后对应的制动夹钳单元位移T2以及单元制动缸排
出压缩空气后对应的制动夹钳单元位移T3，则有：|T2‑T1|为制动夹钳单元的灵敏度，|T3‑T2|
为制动夹钳单元的一次最大调整量，|T3‑T1|为制动夹钳单元的缓解间隙；

[0036] 记录夹角θ和θ'之和的有效变化次数，根据夹角θ和θ'之和的有效变化次数直接得出制动闸片的累计磨耗次数，进而根据累计磨耗次数计算得到制动闸片一次更换周期的平
均磨耗次数、单次制动平均磨耗量以及使用寿命。

[0037] 优选的，根据夹角θ和θ'判断制动夹钳单元的状态的方法为：制动夹钳单元初始状态下，夹角θ和θ'相等；当夹角θ和θ'同时增大时，说明制动夹钳单元有压缩空气充入，即处
于制动状态；当夹角θ和θ'同时减小时，说明制动动夹钳单元有压缩空气排出，即处于缓解
状态；当夹角θ和θ'不相等时，说明制动夹钳单元发生了偏转，且偏向于夹角小的一侧，即对
应该侧制动盘与制动闸片的间隙小，另一侧制动盘与制动闸片的间隙大；当夹角θ和θ'等于
达到制动闸片的磨耗极限时对应的磨耗极限报警值时，需更换制动闸片；当处于缓解状态
的制动夹钳单元充入压缩空气后，若夹角θ和θ'不发生变化或变化值小于正常变化值，说明
制动夹钳单元出现制动失效或制动力不足的故障；当处于制动状态的制动夹钳单元排出压
缩空气后，若夹角θ和θ'不发生变化或变化值小于正常变化值，说明制动夹钳单元出现制动
不缓解或缓解不良故障。

[0038] 与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

[0039] (1)本发明通过检测两侧夹钳臂相对于连接架偏转角度，实现对制动交夹钳单元状态实时监测的功能，并绘制制动夹钳单元的实时状态，反馈实际制动与缓解情况，根据偏
转角度的变化评估制动夹钳单元是否故障，避免出现带闸运行或制动力不施加故障发生。

[0040] (2)本发明不仅能够在制动夹钳单元不下架且机车车辆运行条件下，根据两侧夹钳臂相对于连接架偏转角度实时检测制动夹钳单元的制动灵敏度、一次最大调整量、缓解
间隙三种位移参数，为持续累积相关技术数据，为产品持续改进和线上故障分析等提供参
考。还能够应用于对运用一定里程或时间后需要做状态修的制动夹钳单元的制动灵敏度、
一次最大调整量、缓解间隙三种位移参数测量，实现产品不下车的情况下快速故障诊断，大
大降低检修成本。

[0041] (3)本发明根据夹钳臂相对于连接架偏转角度有效变化次数，计算制动闸片一次更换周期内的平均磨耗次数、单次制动平均磨耗量以及使用寿命，为制动闸片的性能提升
提供数据。

[0042] (4)本发明根据制动夹钳单元的实时状态信息评估制动制动夹钳单元是否偏转及偏转程度，以便及早发现偏磨的可能性。

[0043] (5)本发明能够根据夹钳臂相对于连接架偏转角度实现制动夹钳单元制动闸片磨耗极限自动报警并提示更换功能，能够有效避免提前更换造成的浪费及之后更换带来的运
用风险。

[0044] (6)本发明能够根据夹钳臂相对于连接架偏转角度变化得到制动夹钳单元的全寿命周期内盘片间隙的信息，更好的掌握制动夹钳单元的实际运用情况。

附图说明

[0045] 图1为现有制动夹钳单元的结构示意图；

[0046] 图2为本发明实施例制动夹钳单元的结构示意图；

[0047] 图3为本发明实施例制动夹钳单元的侧视图；

[0048] 图4为图3中E部的放大图；

[0049] 图5为图3中F部的放大图；

[0050] 图6为本发明实施例角位移传感器的结构示意图；

[0051] 图7为图6的A向示意图；

[0052] 图8为本发明实施例第二连接件的结构示意图；

[0053] 图9为本发明实施例建立的平面直角坐标系示意图。

[0054] 图中，1、角位移传感器，101、传感器本体，102、旋转轴，103、电器接口，104、安装法兰，105、安装接口，106、平面，107、安装槽，2、第一连接件，3、第二连接件，301、轴套，302、滑
槽，4、紧固件，501、第一止档件，502、第一限位件，601、第二止档件，602、第二限位件，10、单
元制动缸，11、夹钳臂，12、连接架，13、转轴，14、闸片托，15、吊臂，16、销轴，17、连接螺栓，
18、铰接螺栓，19、吊臂螺栓，20、柱螺栓，21、转轴的中心，22、第一连接件的中心，23、制动夹
钳单元横向中心线。

具体实施方式

[0055] 下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式
中。

[0056] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而
不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此
不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指
示或暗示相对重要性。

[0057] 为了清楚制动夹钳单元的实时状态，分析制动夹钳单元在运用过程中出现的偏磨现象，为改善偏磨现像提供数据来源；发现运用中制动夹钳单元制动缸不缓解、不制动等异
常状态，及早避免行车隐患；掌握制动闸片的磨耗信息，例如：制动闸片的平均单次磨耗量、
平均磨耗次数及使用寿命等，为研究高磨耗性能的制动闸片提供数据支撑；定量测量制动
夹钳单元的灵敏度、一次最大调整量及缓解间隙，用于制动夹钳单元不下车的条件下故障
诊断及状态修，缩短检修周期及降低检修成本，探索延长检修周期的可行性。本发明提供了
一种制动夹钳单元的实时状态监测装置、制动夹钳单元及方法，通过监测两侧夹钳臂与分
别相对于连接架偏转角度的方式，实现实时监测制动夹钳单元状态的功能，并绘制制动夹
钳单元的实时状态图。以下以具体的实施例对上述装置及方法进行详细说明。

[0058] 参见图2至图5，本发明一实施例提供了一种制动夹钳单元的实时状态监测装置，包括两个对称设置且结构相同的监测单元和显示单元，所述监测单元包括：

[0059] 角位移传感器1，安装于制动夹钳单元的连接架12上，所述角位移传感器1与所述显示单元电连接；

[0060] 第一连接件2，与制动夹钳单元的夹钳臂11连接；

[0061] 第二连接件3，一端与所述角位移传感器1滑动连接，另一端与第一连接件2转动连接；

[0062] 所述显示单元设有计算模块和绘图模块，所述计算模块根据角位移传感器测量的角度计算制动夹钳单元位移，所述绘图模块绘制角位移传感器测量的角度与制动夹钳单元
位移之间的关系图以及制动夹钳单元的实时状态图。

[0063] 当向制动夹钳单元的单元制动缸10充入压缩空气后，单元制动缸10伸长，通过铰接螺栓18带动两侧夹钳臂11分别绕转轴13转动，从而使得闸片托14(含制动闸片)压紧制动
盘，产生制动作用，夹钳臂绕转轴转动的同时，通过第二连接件3带动角位移传感器1转动，
测量冲入压缩空气时制动夹钳单元夹钳臂对于连接架偏转角度。当向制动夹钳单元的单元
制动缸10排出压缩空气后，单元制动缸10回缩，通过铰接螺栓18带动两侧夹钳臂11分别绕
转轴13反向转动，使闸片托14(含制动闸片)与制动盘分离，实现缓解作用，夹钳臂绕转轴转
动的同时，通过第二连接件3带动角位移传感器1反向转动，测量排出压缩空气时制动夹钳
单元夹钳臂对于连接架偏转角度。

[0064] 本发明上述实施例通过角位移传感器实时检测制动夹钳单元夹钳臂对于连接架偏转角度，显示单元根据检测的偏转角度计算制动夹钳单元位移，并绘制角度与制动夹钳
单元位移之间的关系图以及制动夹钳单元的实时状态图，通过偏转角度可以反馈实际制动
和缓解信号，根据偏转角度随制动夹钳单元位移的变化评估制动夹钳单元是否故障。

[0065] 具体地，继续参见图2至4，所述第一连接件2固定于制动夹钳单元的铰接螺栓18上，通过铰接螺栓18与夹钳臂11连接。需要说明的是，第一连接件的安装位置不限于夹钳臂
上的铰接螺栓处，夹钳臂上的任意位置均可作为第一连接件的安装位置，作为优选，第一连
接件可以为轴结构，也可以为其他圆柱形物体。

[0066] 具体地，参见图6、图7，所述角位移传感器1包括传感器本体101以及与传感器本体101连接的旋转轴102，所述传感器本体101上设有与所述显示单元电连接的电器插口103，
所述传感器本体101设有安装法兰104，所述传感器本体101通过设于所述安装法兰104上的
安装接口105和紧固件4安装于所述连接架12上，所述旋转轴102穿过设于所述连接架12上
的通孔与所述第二连接件3滑动连接。其中，紧固件可以是紧固螺钉，也可以是紧固螺栓。需
要说明的是，角位移传感器的安装位置不限于连接架上某一位置，连接架上任意位置均可
作为角位移传感器的安装位置。

[0067] 具体地，参见图8，为了实现第二连接件与角位移传感器之间的滑动连接以及第二连接件与第一连接件之间的转动连接。所述第二连接件3的一端压装有轴套301，另一端设
有滑槽302；所述第一连接件2套装于所述轴套301内，且与所述轴套301间隙配合；所述旋转
轴102套装于所述滑槽302内，且与所述滑槽302间隙配合。第一连接件与轴套间隙配合，可
使得第二连接件绕第一连接件自由转动。旋转轴与滑槽间隙配合，可使得第二连接件带动
旋转轴转动，同时旋转轴可沿着滑槽直线运动，保证第二连接件能顺畅转动，且使第二连接
件与旋转轴不能发生相对转动。更具体地，继续参见图6，为了使旋转轴与滑槽更好地配合，
所述旋转轴的端部铣出两个平面106，旋转轴通过两个平面与滑槽配合。

[0068] 具体地，所述显示单元还设有存储模块，用于存储制动夹钳单元的实时状态，所述存储模块与所述计算模块连接。通过显示单元可以查看制动夹钳单元的实时状态。更具体
地，所述显示单元为显示屏，不仅接收来自角位移传感器的角位移信息，还为角位移传感器
供电以及对测量的角度数据进行处理。

[0069] 具体地，在机车车辆运行过程中，制动盘磨耗量远远小于制动闸片的磨耗量，相对于制动闸片的磨耗，制动盘的磨耗可以忽略。参见图9，以第一连接件安装于铰接螺栓13上
时为例对制动夹钳单元的位移进行说明，计算模块角位移传感器测量的角度计算制动夹钳
单元的位移的具体方法为：以制动夹钳单元两侧中任一侧的转轴的中心为坐标原点，车辆
行进方向的横向为X轴，车辆行进方向的纵向为Y轴，建立平面直角坐标系XOY。假设任意状
态下制动夹钳单元两铰接螺栓18的横向距离为L，L即为制动夹钳单元单元制动缸的任意状
态下的位移。转轴的中心至第一连接件的中心距离为R，转轴的中心至制动夹钳单元横向中
心线的距离为m，第一连接件的中心坐标为A(x,y)，第一连接件的中心至制动夹钳单元横向
中心线的距离为n，则有：n＝m‑x,直线OA与X轴的夹角为α，则有：x＝Rcosα，y＝Rsinα；

[0070] 旋转轴在直角坐标系XOY的位置为C(a,b)，直线AC与X轴的夹角为θ，即夹钳臂与连接架的夹角为θ，则有：

[0071] 根据以上求得：

[0072] 同理，通过制动夹钳单元另一侧的转轴的中心为坐标原点建立平面直角坐标系，求得另一侧第一连接件的中心坐标A'(x',y')至制动夹钳单元横向中心线的距离为n'相对
于另一侧夹钳臂与连接架的夹角θ'的关系，正常状态下，制动夹钳单元呈轴对称状态，即n
＝n'，θ＝θ'；

[0073] 设制动夹钳单元的放大倍率为γ，则制动夹钳单元的位移T(即两侧制动闸片之间的间隙)与单元制动缸的位移L的关系为：T＝L/γ＝n+n'/γ＝2n/γ；

[0074] 根据以上求得：

[0075]

[0076]

[0077] 式中，m、n、a、b、R均为已知量；

[0078] 即制动夹钳单元的位移T通过测量的夹钳臂与连接架的夹角θ求解。

[0079] 在制动夹钳单元初始状态下，由于m、n、a、b均为已知量，可根据公式(1)求得制动夹钳单元初始状态下的两侧夹钳臂与连接架的夹角θ与θ'，此时θ＝θ'，并赋予角位移传感
器初始值。当θ与θ'同时增大时，说明制动夹钳单元有压缩空气充入，即处于制动状态，当θ
与θ'同时减小时，说明制动夹钳单元有压缩空气排出，即处于缓解状态。当θ与θ'不相等时，
说明制动夹钳单元发生了偏转，且偏向于θ与θ'中值小的一侧，对应该侧制动盘与制动闸片
间隙偏小，而对侧制动盘与制动闸片间隙偏大。

[0080] 继续参见图2至图5，在一实施方式中，上述监测装置还包括第一限位装置和第二限位装置，所述第一限位装置安装于所述第一连接件2的端部，所述第二限位装置安装于所
述旋转轴102的端部。通过第一限位装置和第二限位装置限制第二连接件的垂向位移，防止
第二连接件在制动或缓解过程中脱离第一连接件和旋转轴，发生监测装置故障。

[0081] 具体地，继续参见图2至图5，所述第一限位装置包括套装于所述第一连接件2端部的第一止档件501和贯穿所述第一连接件2端部的第一限位件502，所述第一限位件502位于
所述第一止档件501的外侧；所述第二限位装置包括套装于所述旋转轴102端部的第二止档
件601和安装于所述旋转轴102顶部的第二限位件602。更具体地，第一止档件501为止档垫
片，第一限位件502为圆柱销；第二止档件601为止档垫片，第二限位件602为止档螺钉。

[0082] 具体地，继续参见图7，为了实现旋转轴与第二限位装置之间的连接。所述旋转轴102的端部设有安装槽107，所述第二限位件602安装于所述安装槽107中。

[0083] 在一实施方式中，所述计算模块还用于计算制动夹钳单元的灵敏度、一次最大调整量以及缓解间隙,其具体计算方法为：设在任意缓解状态下对应的制动夹钳单元位移为
T1，制动夹钳单元的单元制动缸充入压缩空气后对应的制动夹钳单元位移为T2，制动夹钳单
元的单元制动缸排出压缩空气后对应的制动夹钳单元位移为T3，则|T2‑T1|为制动夹钳单元
的灵敏度，|T3‑T2|为制动夹钳单元的一次最大调整量，|T3‑T1|为制动夹钳单元的缓解间
隙，T1、T2、T3通过公式(2)求解。需要说明的是，制动夹钳单元的一次最大调整量需要在制动
夹钳单元充分调整的条件下进行测试计算。由于算制动夹钳单元的灵敏度、一次最大调整
量以及缓解间隙是基于实时监测的制动夹钳单元夹钳臂与连接架之间的夹角进行计算的，
因此，不仅能够实现制动夹钳单元的灵敏度、一次最大调整量以及缓解间隙的实时监测，还
可以也用于运用到一定里程或时间后需要做状态修的算制动夹钳单元的灵敏度、一次最大
调整量以及缓解间隙的测量。

[0084] 在另一实施方式中，所述显示单元还包括磨耗极限报警模块，用于磨耗极限判断及报警，所述磨耗极限报警模块设有磨耗极限报警阈值，所述磨耗极限报警阈值为当达到
制动闸片的磨耗极限时对应的夹角θ值。在机车车辆运行过程中，通过磨耗极限报警模块可
以实现制动夹钳单元制动闸片磨耗极限自动报警提示，可以避免提前更换造成的浪费及滞
后更换带来的运用风险。

[0085] 继续参见图2至图8，本发明另一实施例还提供了一种制动夹钳单元，包括单元制动缸10、与所述单元制动缸10铰接的夹钳臂11、与所述夹钳臂11铰接的连接架12、与所述夹
钳臂11铰接的闸片托14、与所述闸片托14铰接的吊臂15以及连接于所述夹钳臂11与所述连
接架12之间的实时状态监测装置，所述实时状态监测装置为上述实施例所述制动夹钳单元
的实时状态监测装置。使用时，制动夹钳单元通过两个吊臂螺栓19和一个柱螺栓20与转向
架连接。

[0086] 具体地，继续参见图2至图5，连接架12通过转轴13与夹钳臂11铰接，构成转动副A，并通过销轴16与闸片托14铰接，闸片托通过连接螺栓17与吊臂15铰接，合成制动夹钳；单元
制动缸10通过铰接螺栓18与夹钳臂11铰接，构成转动副B。角位移传感器1通过紧固件4固定
在连接架12上，第二连接件3的两端分别与角位移传感器1和第二连接件3连接，第一连接件
2固接于铰接螺栓18上。角位移传感器测量的数据及供电通过线缆连接至显示单元，通过显
示单元进行显示并存储，通过显示单元可以查看制动夹钳单元的实时状态。

[0087] 本发明上述制动夹钳单元，通过制动夹钳单元的实时状态监测装置，通过检测两侧夹钳臂分别相对于连接架偏转角度的方式，实现状态实时监测功能，不仅能够在制动夹
钳单元不下架且机车车辆运行条件下获取制动夹钳单元的实时状态，还能够在一定里程或
时间后需要做状态修的的情况下获取制动夹钳单元的实时状态，大大降低了维修成本，实
现了实时监测的功能。

[0088] 参见图9，本发明又一实施例，提供了一种制动夹钳单元的实时状态监测方法，

[0089] S1、实时获取制动夹钳单元连接架与两侧夹钳臂之间的夹角θ和θ'，绘制夹角θ和θ'与制动夹钳单元的位移T的关系图以及制动夹钳单元的实时状态图。

[0090] S2、根据夹角θ和θ'判断制动夹钳单元的状态；其具体方法为：

[0091] 根据夹角和判断制动夹钳单元的状态的方法为：制动夹钳单元初始状态下，夹角和相等；当夹角和同时增大时，说明制动夹钳单元有压缩空气充入，即处于制动状态；当夹
角和同时减小时，说明制动动夹钳单元有压缩空气排出，即处于缓解状态；当夹角和不相等
时，说明制动夹钳单元发生了偏转，且偏向于夹角小的一侧，即对应该侧制动盘与制动闸片
的间隙小，另一侧制动盘与制动闸片的间隙大；当夹角和等于达到制动闸片的磨耗极限时
对应的磨耗极限报警值时，需更换制动闸片；当处于缓解状态的制动夹钳单元充入压缩空
气后，若夹角和不发生变化或变化值小于正常变化值，说明制动夹钳单元出现制动失效或
制动力不足的故障；当处于制动状态的制动夹钳单元排出压缩空气后，若夹角和不发生变
化或变化值小于正常变化值，说明制动夹钳单元出现制动不缓解或缓解不良故障。

[0092] 根据实时获取制动夹钳单元连接架与两侧夹钳臂之间的夹角的变化判断制动夹钳单元的状态，能够根据夹钳臂相对于连接架偏转角度的变化得到制动夹钳单元的全寿命
周期内盘片间隙的信息，更好的掌握制动夹钳单元的实际运用状况，

[0093] S3、根据夹角θ与制动夹钳单元的位移T的关系求取任一缓解状态下对应的制动夹钳单元位移T1、向单元制动缸充入压缩空气后对应的制动夹钳单元位移T2以及单元制动缸
排出压缩空气后对应的制动夹钳单元位移T3，则有：|T2‑T1|为制动夹钳单元的灵敏度，|T3‑
T2|为制动夹钳单元的一次最大调整量，|T3‑T1|为制动夹钳单元的缓解间隙。根据制动夹钳
单元连接架与夹钳臂之间的夹角计算制动夹钳单元的灵敏度、一次最大调整量及缓解间
隙。不仅能够在制动夹钳单元不下架且机车车辆运行条件下，实时监测制动夹钳单元的灵
敏度、一次最大调整量及缓解间隙，为持续积累相关技术数据、产品持续改进、线上故障诊
断分析等提供参考；还能够应用于一定里程或时间后需要做状态修的制动夹钳单元的灵敏
度、一次最大调整量及缓解间隙测量，实现产品不下车的情况下快速故障诊断，大大降低维
修成本。

[0094] S4、记录夹角θ和θ'之和的有效变化次数，根据夹角θ和θ'之和的有效变化次数直接得出制动闸片的累计磨耗次数，进而根据累计磨耗次数计算得到制动闸片一次更换周期
的平均磨耗次数、单次制动平均磨耗量以及使用寿命。具体地，夹角θ和θ'之和的有效变化
指当制动夹钳单元的缓解间隙变化时对应的夹角θ和θ'之和的变化，即一次充排气发生的
角度变化，只有制动时夹角θ和θ'之和才会发生变化，非制动状态下，夹角θ和θ'之和基本不
变。由于每一次制动均会造成制动闸片磨耗，制动闸片磨耗到一定厚度之后则寿命终止，至
寿命终止时总共制动缓解的次数等于夹角θ和θ'之和的有效变化次数。需要说明的是，制动
闸片的累计磨耗次数即制动闸片磨耗至寿命终止时总共制动缓解的次数，也就是说，制动
闸片的累计磨耗次数等于夹角θ和θ'之和的有效变化次数，因此，记录夹角θ和θ'之和的有
效变化次数即可直接得出制动闸片的累计磨耗次数。制动闸片一次更换周期的平均磨耗次
数为多个制动闸片的平均磨耗次数，即对多个制动闸片的累计磨耗次数之和求平均得到制
动闸片一次更换周期的平均磨耗次数。单次制动平均磨耗量为允许磨耗厚度与平均磨耗次
数的比值。使用寿命指总的磨耗次数，即制动闸片磨耗至寿命终止时总共制动缓解的次数，
也就是指制动闸片的累计磨耗次数，也可以根据平均每天的制动缓解次数换算成允许使用
时间。得到的制动闸片一次更换周期的平均磨耗次数、单次制动平均磨耗量以及使用寿命
可以为制动闸片性能的提升提供数据支撑。

[0095] 本发明上述监测方法，步骤S2、S3、S4的顺序可以互换，也可以同时进行，此处不再赘述。

[0096] 上述实施例用来解释本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。