轉(zhuǎn)向架靜態(tài)加載電氣同步控制研究

李政達(dá)，周文祥，王 穎

（西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610031）

0 引言

機(jī)車(chē)車(chē)輛轉(zhuǎn)向架起著支撐車(chē)體并引導(dǎo)車(chē)輛運(yùn)行的作用，因此轉(zhuǎn)向架的許多涉及安全性能的測(cè)試試驗(yàn)必須在軸重靜態(tài)加載的條件下進(jìn)行。常用砝碼裝載框加載，吊裝50 噸砝碼至少需2 小時(shí)，耗時(shí)太久，因此在廣州地鐵1、2號(hào)線使用的轉(zhuǎn)向架靜壓試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)伺服控制液壓加載缸及龍門(mén)架進(jìn)行靜態(tài)加載。但是，在實(shí)際使用中液壓油容易泄露，造成車(chē)間環(huán)境較差[1-2]。

對(duì)轉(zhuǎn)向架靜態(tài)加載常使一、二系彈簧壓縮量達(dá)到150 mm。加載特點(diǎn)是采用的兩點(diǎn)加載，低速要求加載力大，在加載過(guò)程中要求兩個(gè)加載臂同步加載不能超偏，以免影響測(cè)試結(jié)果；在微調(diào)過(guò)程中要求可單點(diǎn)加載，與起重機(jī)的點(diǎn)動(dòng)過(guò)程類(lèi)似。

本文根據(jù)轉(zhuǎn)向架靜態(tài)加載系統(tǒng)的特點(diǎn)，嘗試采用更先進(jìn)安全的電動(dòng)螺桿加載代替液壓加載。

1 加載系統(tǒng)方案研究

1.1 電軸同步控制研究

轉(zhuǎn)向架靜態(tài)加載系統(tǒng)如圖1，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)螺桿升降機(jī)，利用龍門(mén)架橫梁進(jìn)行兩點(diǎn)加載，其電氣控制柜就近安裝于升降機(jī)兩側(cè)；通過(guò)行程開(kāi)關(guān)、位移傳感器、壓力傳感器、電壓/電流表來(lái)監(jiān)視系統(tǒng)的運(yùn)行狀況。在電控柜1、2上分別設(shè)置急停按鈕，在遇到緊急情況下均可緊急停止保證安全。

起重機(jī)在吊裝較長(zhǎng)重物時(shí)，需保證兩吊鉤升降同步，否則傾斜會(huì)造成安全事故，在完成吊裝時(shí)又需要兩吊鉤單獨(dú)微調(diào)完成配合，其通過(guò)加裝帶公共電阻的電軸系統(tǒng)徹底解決了無(wú)機(jī)械聯(lián)系的兩吊鉤的同步升降問(wèn)題[3]。針對(duì)轉(zhuǎn)向架靜態(tài)加載裝置與起重機(jī)起吊重物的類(lèi)似性，本文設(shè)計(jì)了以公共電阻電軸電路為核心的螺桿升降機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，電氣原理如圖2所示。

圖1 龍門(mén)架垂向電動(dòng)加載系統(tǒng)工藝圖

圖2 龍門(mén)架電動(dòng)加載電軸電氣原理圖

兩臺(tái)繞線式異步電機(jī)定子接于電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子電路并聯(lián)接在公共電阻器上。其中，KM1/KM2通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)定子側(cè)相序來(lái)控制龍門(mén)架加載裝置的升降；KM3 控制渦流制動(dòng)器是否啟動(dòng)；KM4/KM5 控制兩臺(tái)電機(jī)單獨(dú)升降，實(shí)現(xiàn)微調(diào)偏載；KM6 實(shí)現(xiàn)帶公共電阻的電軸同步系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)同步加載。同步運(yùn)行原理為：當(dāng)兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載相等時(shí)，它們同步運(yùn)行，轉(zhuǎn)子軸線之間沒(méi)有位差角，轉(zhuǎn)子內(nèi)只有各自流過(guò)公共電阻的工作電流。當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)負(fù)載不同時(shí)，轉(zhuǎn)子電路中除有流過(guò)公共電阻的工作電流外，還會(huì)產(chǎn)生只在兩轉(zhuǎn)子中流動(dòng)的平衡電流，保證兩臺(tái)電機(jī)同步運(yùn)行[4]。由于龍門(mén)架下落直至接觸到轉(zhuǎn)向架的過(guò)程中電機(jī)負(fù)載很輕，而帶公共電阻的電軸系統(tǒng)在負(fù)載較輕的時(shí)候最易失去同步能力[5]，因此選用了帶渦流制動(dòng)器的繞線式異步電機(jī)，在負(fù)載輕的時(shí)候通過(guò)渦流制動(dòng)提供負(fù)載，避免失步。

系統(tǒng)在單獨(dú)加載時(shí)采用的是電機(jī)定子接于電網(wǎng)，轉(zhuǎn)子串電阻短接的方式，使得每一臺(tái)電機(jī)都可以單獨(dú)運(yùn)行，方便微調(diào)加載力。

1.2 電軸控制系統(tǒng)的整步

電軸系統(tǒng)在起動(dòng)時(shí)，必須先對(duì)兩臺(tái)電機(jī)整步，因?yàn)樵谏弦淮瓮C(jī)時(shí)，兩軸的阻力等不一樣，造成兩電機(jī)之間存在位差角，如果不整步可能造成系統(tǒng)失步，合閘沖擊電流大，容易產(chǎn)生跳閘。

工程應(yīng)用中常采用的整步方式為單相整步、變頻整步等，單相整步在整步開(kāi)始時(shí)會(huì)出現(xiàn)沖擊電流，振動(dòng)噪聲較大。結(jié)合本系統(tǒng)實(shí)際研究了一種基于同步轉(zhuǎn)速控制的整步方式。將兩臺(tái)電機(jī)單獨(dú)采用轉(zhuǎn)子側(cè)串電阻同時(shí)啟動(dòng)，當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)運(yùn)行至最高速度時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)將兩臺(tái)電機(jī)轉(zhuǎn)子側(cè)并聯(lián)，利用兩臺(tái)電機(jī)的自然特性，待電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)完成整步。

2 加載系統(tǒng)工作步驟

轉(zhuǎn)向架靜態(tài)加載系統(tǒng)控制面板要考慮實(shí)際工況及操作簡(jiǎn)捷方便，設(shè)置如圖3 所示，其中四個(gè)“上限/下限”為警示燈，其余為帶燈按鈕，矩形部分為搖桿。

圖3 龍門(mén)架電動(dòng)加載系統(tǒng)控制面板

轉(zhuǎn)向架靜態(tài)參數(shù)測(cè)試臺(tái)工作步驟：

（1）將轉(zhuǎn)向架通過(guò)軌道推行到試驗(yàn)工位上，對(duì)其進(jìn)行橫向、縱向的定位，使轉(zhuǎn)向架處于標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)位置，同時(shí)處于自由狀態(tài)；

（2）在準(zhǔn)備工作完畢后，首先打開(kāi)“電鎖”開(kāi)關(guān)，按下“自檢”按鈕，龍門(mén)架在下降50～80 mm過(guò)程中完成兩臺(tái)電機(jī)整步工作；

（3）將搖桿下拉，此時(shí)進(jìn)行垂向預(yù)加載，工作人員通過(guò)觀察左右位移表、壓力表判斷預(yù)加載完成時(shí)，將搖桿松開(kāi)；

（4）對(duì)左右的加載力進(jìn)行獨(dú)立調(diào)整，通過(guò)按左/右載荷的?/?按鈕；

（5）在垂向加載試驗(yàn)完畢后，將搖桿上推，此時(shí)龍門(mén)架返回到初始位置，完成一次轉(zhuǎn)向架靜態(tài)垂向加載。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)中所用電機(jī)為5.5 kW 冶金用繞線式異步電機(jī)YZR160M1-6，其參數(shù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)一，通過(guò)搭建電路，驗(yàn)證新的電軸整步方法。

測(cè)試方法：將兩臺(tái)電機(jī)分別串相同阻值的電阻進(jìn)行啟動(dòng)，當(dāng)兩臺(tái)電機(jī)達(dá)到最高轉(zhuǎn)速的時(shí)候，通過(guò)投切開(kāi)關(guān)將兩臺(tái)電機(jī)的轉(zhuǎn)子側(cè)進(jìn)行并聯(lián)，觀察電機(jī)停下時(shí)是否整步完成。測(cè)試環(huán)境如圖5所示。

表1 YZR160M1-6電機(jī)參數(shù)

測(cè)試結(jié)果：當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)通過(guò)手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)軸端，觀察到兩臺(tái)電機(jī)是同步旋轉(zhuǎn)的，可以證明兩臺(tái)電機(jī)在此過(guò)程中完成了整步。整步過(guò)程中轉(zhuǎn)子電流波形如圖4所示，電機(jī)整步震蕩時(shí)間為2 s。

圖4 電機(jī)整步過(guò)程轉(zhuǎn)子電流震蕩波形

圖5 電機(jī)電軸整步實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)二，根據(jù)電軸電氣原理圖來(lái)搭建電機(jī)電軸電路，驗(yàn)證電軸系統(tǒng)是否可以滿足龍門(mén)架同步加載的要求，測(cè)試環(huán)境如圖5和圖6所示。

圖6 電機(jī)電軸同步試驗(yàn)

測(cè)試方法：在電機(jī)整步完成之后通過(guò)在其軸上貼上白色標(biāo)簽，通過(guò)閉合KM1，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)5分鐘后斷開(kāi)KM1 觀察兩電機(jī)標(biāo)簽是否在同一位置。

測(cè)試結(jié)果：當(dāng)電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，觀察電機(jī)軸上標(biāo)簽位置在同一位置，證明兩臺(tái)電機(jī)在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中始終保持同步，可以滿足龍門(mén)架同步加載的要求。

4 結(jié)論

本文針對(duì)轉(zhuǎn)向架靜態(tài)加載設(shè)備的特點(diǎn)，研究了以公共電阻電軸電路為核心的螺桿升降機(jī)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)，具有自鎖、管線布置簡(jiǎn)單、避免環(huán)境污染同時(shí)保證加載性能指標(biāo)不變的特點(diǎn)。結(jié)合裝置運(yùn)行過(guò)程，研究了一種基于同步轉(zhuǎn)速控制的整步方式，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效果良好。

［1］孫磊.軌道車(chē)輛轉(zhuǎn)向架剛度試驗(yàn)臺(tái)液壓伺服加載系統(tǒng)研究［D］.長(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2007.

［2］曹勇.地鐵車(chē)輛轉(zhuǎn)向架靜壓試驗(yàn)臺(tái)［J］.機(jī)車(chē)電傳動(dòng)，2007（6）：51-55.

［3］何報(bào)杏.雙小車(chē)起重機(jī)加裝電氣同步升降裝置［J］.設(shè)備管理與維修，1993（9）：19-20.

［4］周岳南.龍門(mén)起重機(jī)的公共變阻器電軸同步系統(tǒng)［J］.起重運(yùn)輸機(jī)械，1993（2）：6-8.

［5］顧谷繩.電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1983.