機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)例行試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用研究

嚴(yán)世洪，何新，李凌

（中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司，遼寧 大連 116022）

引言

隨著鐵路機(jī)車(chē)車(chē)輛運(yùn)行速度的不斷提高，大功率牽引機(jī)車(chē)逐步成為我國(guó)鐵路干線上的主力，HXD2 型電力機(jī)車(chē)牽引功率達(dá)到10000kW，HXD3 系列電力機(jī)車(chē)牽引功率達(dá)到9600kW，不管是在高速領(lǐng)域還是在重載領(lǐng)域，輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都是機(jī)車(chē)最重要的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，更大功率、更高轉(zhuǎn)速的牽引電機(jī)對(duì)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)牽引齒輪和驅(qū)動(dòng)軸承的可靠性也提出了更高的要求。因此，機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)例行試驗(yàn)臺(tái)作為檢驗(yàn)機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置可靠性的重要保障，對(duì)它的研究及應(yīng)用，成為改善我國(guó)大功率交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)動(dòng)力性能的重要一環(huán)。

1 機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)例行試驗(yàn)臺(tái)簡(jiǎn)介

機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置例行試驗(yàn)臺(tái)的主要功能是通過(guò)測(cè)試電力機(jī)車(chē)的振動(dòng)速度、溫度的變化，來(lái)檢驗(yàn)輪對(duì)裝配、電機(jī)懸掛裝置、軸箱裝配的組裝質(zhì)量。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)通用性差，只能滿足單一品種機(jī)車(chē)的實(shí)驗(yàn)要求，而且采用高壓驅(qū)動(dòng)，設(shè)備龐大、成本昂貴、維護(hù)困難。

為解決上述問(wèn)題，項(xiàng)目組研制出一種新型驅(qū)動(dòng)裝置例行試驗(yàn)臺(tái)。試驗(yàn)臺(tái)主要由控制、信號(hào)采集與分析、監(jiān)控管理等部分組成，直接采用低壓驅(qū)動(dòng)，可同時(shí)滿足兩臺(tái)不同型號(hào)機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)要求，系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1-1所示。

圖1 -1 機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置例行試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)構(gòu)架圖

控制部分，主要通過(guò)變頻器來(lái)控制電機(jī)的啟、停，并以一定的速度斜率控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速；信號(hào)采集部分，由溫度傳感器采集齒輪箱油的溫度信號(hào)和由振動(dòng)速度傳感器檢測(cè)并提取X、Y、Z 軸的振動(dòng)信號(hào)；監(jiān)控管理部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的信號(hào)進(jìn)行分析、報(bào)警、儲(chǔ)存、打印、人機(jī)對(duì)話、參數(shù)設(shè)定，以及實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量曲線的顯示等功能。試驗(yàn)臺(tái)主要結(jié)構(gòu)包括工控機(jī)、PLC、LCD 顯示器、打印機(jī)、振動(dòng)信號(hào)分析儀、變頻器、電源轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、驅(qū)動(dòng)裝置支架等，具體工作平臺(tái)如圖1-2 所示。

圖1 -2 工作平臺(tái)實(shí)物圖

2 實(shí)用創(chuàng)新點(diǎn)

（1）直接采用低電壓驅(qū)動(dòng)，免去了原有實(shí)驗(yàn)平臺(tái)需要一個(gè)升壓變壓器，將變頻器輸出脈沖電壓升至額定電壓后才能供給機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，采用低壓驅(qū)動(dòng)提高了系統(tǒng)的安全性，也降低了維護(hù)難度。

（2）本系統(tǒng)中，變頻器選用法國(guó)施耐德公司的ATV71EXC2C16N4 柜式工程變頻器，由此變頻器驅(qū)動(dòng)并控制電機(jī)的速度，并通過(guò)通訊端口（PROFIBUS 總線）與PLC 進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，調(diào)控電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并獲取變頻器運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)。變頻器的起、停、正、反轉(zhuǎn)由控制柜控制面板上的操控按鍵進(jìn)行控制。同時(shí)控制器選用了先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式，具有簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能，不需要將交流電動(dòng)機(jī)等效為直流電動(dòng)機(jī)，因而省去了矢量旋轉(zhuǎn)變換中的許多復(fù)雜計(jì)算，它不需要模仿直流電動(dòng)機(jī)的控制，也不需要為解耦而簡(jiǎn)化交流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型。

（3）本系統(tǒng)設(shè)有接地控制開(kāi)關(guān)，當(dāng)某個(gè)機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置試驗(yàn)完，需人工操作響應(yīng)的接地按鈕，接地轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)動(dòng)作，將對(duì)應(yīng)機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置的電線和變頻器輸出線斷開(kāi)，并將驅(qū)動(dòng)裝置電線接地，大大加強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性能，有效避免意外事故發(fā)生傷及試驗(yàn)人員的人身安全。

（4）信號(hào)采集部分，本系統(tǒng)通過(guò)獲取機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置（驅(qū)動(dòng)電機(jī)）實(shí)時(shí)的振動(dòng)、溫度等信號(hào)，對(duì)驅(qū)動(dòng)裝置的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，并對(duì)異常情況做出報(bào)警。最大數(shù)據(jù)采集配置為32 個(gè)振動(dòng)速度點(diǎn)，10 個(gè)溫度點(diǎn)，兩個(gè)環(huán)境溫度點(diǎn)，并采用三線制接線法，低通濾波，頻域變換等方式，提高溫度、震動(dòng)等信號(hào)的測(cè)量精度，以目前機(jī)車(chē)上應(yīng)用較廣的龐巴迪電機(jī)為例，信號(hào)檢測(cè)位置如圖2-1 所示。

圖2 -1 龐巴迪電機(jī)信號(hào)檢測(cè)位置示意圖

（5）本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理部分基于OPC 技術(shù)自主研發(fā)，與PLC 之間通信靈活，可以同時(shí)支持2 個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，分別對(duì)兩套電機(jī)裝置進(jìn)行獨(dú)立操作，具有自定義曲線運(yùn)行和內(nèi)置曲線運(yùn)行兩種方式，最多可設(shè)置12 個(gè)控制節(jié)點(diǎn)。并且具有測(cè)點(diǎn)實(shí)時(shí)運(yùn)行曲線，單點(diǎn)轉(zhuǎn)速振動(dòng)曲線，和多點(diǎn)轉(zhuǎn)速振動(dòng)曲線三種顯示模式，三種曲線可以通過(guò)單擊下面的選項(xiàng)卡來(lái)進(jìn)行切換，最終測(cè)試結(jié)果曲線包含整個(gè)測(cè)試過(guò)程的所有配置測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，均可通過(guò)顯示控制面板對(duì)各測(cè)點(diǎn)趨勢(shì)的顯示進(jìn)行控制，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽界面如圖2-2 所示。

圖2 -2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)瀏覽界面

3 工程應(yīng)用與社會(huì)評(píng)價(jià)

機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)例行試驗(yàn)臺(tái)由中國(guó)北車(chē)大連機(jī)車(chē)公司自主設(shè)計(jì)研發(fā)，通過(guò)了由大連交通大學(xué)、南京工業(yè)大學(xué)、鐵道部駐公司驗(yàn)收室和公司內(nèi)外專(zhuān)家組成的專(zhuān)家組評(píng)審，專(zhuān)家評(píng)審組一致認(rèn)為，該機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置例行試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)方案，操作簡(jiǎn)單，使用方便，功能齊全，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確，工作效率高，適用于各種和諧型機(jī)車(chē)以及城軌、客運(yùn)機(jī)車(chē)的驅(qū)動(dòng)裝置試驗(yàn)，在國(guó)內(nèi)應(yīng)用上優(yōu)于國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品。

目前該機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)例行實(shí)驗(yàn)臺(tái)在大連廠內(nèi)廣泛應(yīng)用于HXD3，HXD3B 等和諧型大功率機(jī)車(chē)，成為鐵路機(jī)車(chē)大功率牽引轉(zhuǎn)型升級(jí)，實(shí)現(xiàn)從貨運(yùn)到客貨通用拓展的重要品質(zhì)保障。自該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)投入使用以來(lái)，累計(jì)實(shí)驗(yàn)各品種機(jī)車(chē)一千余臺(tái)，成為檢驗(yàn)大功率機(jī)車(chē)動(dòng)力學(xué)性能的有效手段。得到了社會(huì)各界的廣泛認(rèn)可。

4 結(jié)語(yǔ)

機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置例行試驗(yàn)臺(tái)性能先進(jìn)，其控制系統(tǒng)、信號(hào)采集系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)融入多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行安全的低電壓驅(qū)動(dòng)，選用了先進(jìn)的直接轉(zhuǎn)矩控制（DTC）方式，實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、優(yōu)良的動(dòng)靜態(tài)性能；信號(hào)采集實(shí)現(xiàn)了32 個(gè)振動(dòng)速度點(diǎn)、10 個(gè)溫度點(diǎn)、2 個(gè)環(huán)境溫度點(diǎn)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，信號(hào)處理部分基于OPC 技術(shù)完全自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，達(dá)到國(guó)內(nèi)現(xiàn)有機(jī)車(chē)驅(qū)動(dòng)裝置的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的領(lǐng)先水平。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)有操作性好，適用車(chē)型廣的使用優(yōu)勢(shì)，可以同時(shí)支持2 個(gè)試驗(yàn)臺(tái)，分別對(duì)2 套電機(jī)裝置進(jìn)行獨(dú)立操作，能滿足和諧型不同功率等級(jí)的交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)，以及城軌、200km 客運(yùn)機(jī)車(chē)等多種驅(qū)動(dòng)裝置試驗(yàn)和生產(chǎn)需要。投入使用以來(lái)，完成了一千余臺(tái)機(jī)車(chē)實(shí)驗(yàn)，有效保障了鐵路裝備質(zhì)量，促進(jìn)國(guó)家“一帶一路”戰(zhàn)略發(fā)展。