大功率機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)研究

林新海 溫士明 李興榮 李光輝

(中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

隨著我國(guó)鐵路的快速發(fā)展，鐵路車(chē)輛的數(shù)量、載重量不斷增加，同時(shí)也凸顯了列車(chē)運(yùn)行的壽命和安全性問(wèn)題，輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)車(chē)可靠性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。因此需要設(shè)計(jì)一款輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載試驗(yàn)臺(tái)，通過(guò)模擬實(shí)際運(yùn)行環(huán)境測(cè)試其性能與可靠性。

1 機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

1.1 主要結(jié)構(gòu)形式

受機(jī)車(chē)車(chē)輛的速度、功率和軸重的影響，輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用不同的懸掛方式，目前主要分為抱軸式半懸掛和全懸掛(見(jiàn)圖1)。抱軸式半懸掛也稱(chēng)為軸懸式，是輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)最經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，用于120 km/h以下的機(jī)車(chē)，其牽引電機(jī)一側(cè)借助抱軸軸承直接支撐在車(chē)軸上，另一側(cè)通過(guò)吊桿懸掛在轉(zhuǎn)向架橫梁上[1]。當(dāng)機(jī)車(chē)速度提高到140 km/h以上時(shí)，機(jī)車(chē)牽引電機(jī)及鋼軌都難以繼續(xù)承受持續(xù)增加的振動(dòng)沖擊，其安裝方式也由車(chē)軸半支撐發(fā)展到構(gòu)架全支撐，為了適應(yīng)架懸電機(jī)軸與車(chē)軸之間更大尺度的垂向及橫向位移，牽引大齒輪的轉(zhuǎn)矩輸出也由直接到車(chē)軸改成通過(guò)齒輪腹板連接彈性連桿空心萬(wàn)向軸的傳動(dòng)方式[2]。

圖1 輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

1.2 輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)用中的動(dòng)力學(xué)環(huán)境

輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)都布置于轉(zhuǎn)向架中，受到鋼軌及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架約束，在輸出動(dòng)力的同時(shí)，將承受輪軌和構(gòu)架的振動(dòng)沖擊，工作條件惡劣。其主要承受的載荷包括：①軸重(機(jī)車(chē)上所有的重量都將直接作用到車(chē)軸上)；②牽引動(dòng)力(驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將牽引電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為沿軌道的直線運(yùn)動(dòng))；③外部鋼軌施加在車(chē)輪底部的直接的動(dòng)態(tài)力或動(dòng)態(tài)位移；④機(jī)車(chē)內(nèi)部車(chē)體通過(guò)二系及轉(zhuǎn)向架構(gòu)架間接施加的力或位移，牽引電機(jī)轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的復(fù)雜耦合的振動(dòng)，其動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示[3]。

圖2 機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型

2 試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)

由于機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)的尺寸與結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，試驗(yàn)臺(tái)需要電氣、機(jī)械、液壓、基建以及測(cè)控系統(tǒng)的系統(tǒng)集成來(lái)滿足輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的綜合測(cè)試。

2.1 試驗(yàn)臺(tái)總體概念

機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)主要目標(biāo)是滿足時(shí)速220 km、軸重40 t、牽引功率2 000 kW以?xún)?nèi)交流傳動(dòng)大功率機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)和可靠性試驗(yàn)的需求，通過(guò)在不同試驗(yàn)工況下測(cè)試輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫升、振動(dòng)、密封、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、扭矩等性能參數(shù)的變化，以達(dá)到輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)性能評(píng)價(jià)和可靠性試驗(yàn)的目標(biāo)。輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)主要功能包括：

(1)對(duì)不同功率、軸重、速度等級(jí)機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)；

(2)模擬機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在功率傳遞過(guò)程中的負(fù)荷特性；

(3)模擬機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)承受的軸重，測(cè)定軸重對(duì)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能影響；

(4)模擬機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)所承受的輪軌激擾，構(gòu)架激擾；

(5)整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中由計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)據(jù)采集與處理，典型報(bào)告自動(dòng)生成；

輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)由基礎(chǔ)平臺(tái)、工作臺(tái)、軌道輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)裝置、縱向定位裝置、振動(dòng)激振系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)等組成。試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 試驗(yàn)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖

2.2 電氣傳動(dòng)系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)電路原理圖如圖4所示，試驗(yàn)臺(tái)從廠房接入交流電源，經(jīng)輸入開(kāi)關(guān)柜分兩路輸出，一路用作試驗(yàn)陪試品電源,經(jīng)輸入開(kāi)關(guān)柜送至負(fù)載電機(jī)變頻器，控制負(fù)載電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，經(jīng)傳動(dòng)裝置和軌道輪后給被試輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)提供負(fù)載；另一路用作被試電源，經(jīng)輸入開(kāi)關(guān)柜送至牽引變流器，從而控制被試輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的牽引電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再經(jīng)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的齒輪箱、輪對(duì)等和陪試系統(tǒng)形成能量回路。

圖4 試驗(yàn)臺(tái)電氣系統(tǒng)原理圖

2.3 機(jī)械系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)如圖5所示，其中負(fù)載電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱等機(jī)械傳動(dòng)裝置聯(lián)接軌道輪。軌道輪安裝在工作臺(tái)上，被試輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)引導(dǎo)梁牽入試驗(yàn)臺(tái)并安置于軌道輪上，副構(gòu)架通過(guò)一系懸掛安裝在輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，主構(gòu)架與副構(gòu)架剛性聯(lián)接，主構(gòu)架由定位裝置定位。定位裝置可對(duì)主構(gòu)架及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行約束，又不影響主構(gòu)架的橫向擺動(dòng)，使試驗(yàn)條件更接近于運(yùn)行情況。在試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)驅(qū)動(dòng)負(fù)載系統(tǒng)對(duì)被試輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行加載模擬，同時(shí)通過(guò)提供液壓激振進(jìn)行振動(dòng)激擾模擬。

圖5 試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械系統(tǒng)圖

3 試驗(yàn)臺(tái)主要應(yīng)用

中車(chē)戚墅堰機(jī)車(chē)車(chē)輛工藝研究所有限公司研制的機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)如圖6所示。試驗(yàn)臺(tái)自建成以來(lái)，先后為中車(chē)株洲電力機(jī)車(chē)有限公司、中車(chē)大連機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司、中車(chē)大同電力機(jī)車(chē)有限公司多個(gè)型號(hào)的機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了型式試驗(yàn)與研究性試驗(yàn)。除了進(jìn)行常規(guī)的傳動(dòng)系統(tǒng)性能試驗(yàn)外，該試驗(yàn)臺(tái)還可開(kāi)展關(guān)于機(jī)車(chē)車(chē)輪踏面磨耗發(fā)展過(guò)程、車(chē)輪多邊形發(fā)展機(jī)理以及車(chē)輪多邊形、軌道不平順對(duì)機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)特性影響的試驗(yàn)研究。

圖6 機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)實(shí)景圖

機(jī)車(chē)在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中，由于輪軌相互作用，不可避免會(huì)產(chǎn)生輪軌磨耗， 嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)車(chē)輪多邊形現(xiàn)象。輪軌接觸界面的不平順會(huì)引起復(fù)雜的振動(dòng)和沖擊，是影響機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)耐久性和可靠性的重要因素[4]?；跈C(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)可模擬輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)用工況，并跟蹤測(cè)試輪軌磨耗和輪軌接觸界面不平順的發(fā)展過(guò)程和趨勢(shì)(見(jiàn)圖7)。在不同輪軌磨耗狀態(tài)下開(kāi)展機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的振動(dòng)測(cè)試試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)關(guān)鍵部位的振動(dòng)加速度信號(hào)，并運(yùn)用信號(hào)處理的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)處理和分析，獲取不同輪軌磨耗狀態(tài)對(duì)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)特性的影響規(guī)律(見(jiàn)圖8)。基于機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)開(kāi)展輪軌磨耗、機(jī)車(chē)車(chē)輪多邊形發(fā)展機(jī)理以及車(chē)輪多邊形、軌道不平順對(duì)機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)振動(dòng)特性影響的試驗(yàn)研究對(duì)于機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)具有重要的工程意義。

圖7 采用階次或波數(shù)表示的車(chē)輪不圓度測(cè)試結(jié)果

圖8 軸箱垂向振動(dòng)加速度頻譜圖

4 結(jié)論

大功率機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)建立以后，優(yōu)化了機(jī)車(chē)車(chē)輛輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)手段，標(biāo)志著我國(guó)在機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)上具備了必要的試驗(yàn)研究條件。通過(guò)對(duì)不同型號(hào)機(jī)車(chē)輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的試驗(yàn)，不但為產(chǎn)品的性能評(píng)定和改進(jìn)提供了試驗(yàn)依據(jù)，也為試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)用積累了經(jīng)驗(yàn)。