高速動車組齒輪箱例行試驗臺的研制

馬玉強(qiáng)

(中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

高速動車組齒輪箱是車輛動力轉(zhuǎn)向架的關(guān)鍵零部件之一，其性能和質(zhì)量的好壞，直接影響到傳動系統(tǒng)的工作性能和壽命[1]。齒輪箱組裝完成后，需要在出廠前進(jìn)行例行試驗，在各級轉(zhuǎn)速下測量齒輪箱的溫度及振動，檢驗其潤滑與密封系統(tǒng)是否可靠、軸承溫升及齒輪嚙合是否正常，同時也使?jié)櫥统浞逐じ健?/p>

試驗臺是對高速動車組齒輪箱進(jìn)行例行試驗的專用設(shè)備，通過驅(qū)動電機(jī)帶動齒輪箱小齒輪軸，即從齒輪箱的輸入端施加一定的動力，模擬動車齒輪箱各個工況下的空載運(yùn)行，在試驗過程中同時監(jiān)測齒輪箱各項性能指標(biāo)，對齒輪箱進(jìn)行試驗評價。

1 試驗臺性能特點

中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司自主研制的高速動車組齒輪箱例行試驗臺采用專門設(shè)計的車軸支撐裝置(見圖1)，具有試驗轉(zhuǎn)速高，運(yùn)行平穩(wěn)，裝拆快捷，數(shù)據(jù)采集、處理及存儲方便，自動化程度高的優(yōu)點，可進(jìn)行420 km/h以下各種速度等級的高鐵及城際動車組齒輪箱的例行跑合試驗。試驗臺主要性能特點有：

圖1 試驗臺實物

(1)試驗臺基座采用鑄鐵平臺，設(shè)有能夠調(diào)整安裝位置的標(biāo)準(zhǔn)“T”型槽，便于工裝調(diào)整安裝；

(2)設(shè)有專用車軸支撐裝置安裝車軸，使齒輪箱在高速運(yùn)行過程中安全可靠；

(3)齒輪箱輸入軸(小齒輪軸)的轉(zhuǎn)速可在0～6 500 r/min內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、運(yùn)行時間可在控制界面上任意設(shè)定；

(4)試驗臺可分別進(jìn)行自動或手動控制，轉(zhuǎn)速誤差控制在最高轉(zhuǎn)速±0.1%的范圍之內(nèi)；

(5)試驗運(yùn)行過程中可進(jìn)行5通道齒輪箱溫升、1通道環(huán)境溫度及3通道振動測試記錄，計算機(jī)自動數(shù)據(jù)采集、存儲，可打印輸出時間-溫度曲線。

2 試驗臺系統(tǒng)組成

試驗臺由鐵平臺、機(jī)械系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)及測控系統(tǒng)等模塊構(gòu)成。其中鐵平臺作為安裝工作臺，機(jī)械系統(tǒng)起動力傳遞、支撐定位齒輪箱及調(diào)整驅(qū)動電機(jī)位置的作用，驅(qū)動系統(tǒng)為被試齒輪箱提供動力，測控系統(tǒng)負(fù)責(zé)對被試齒輪箱的各種工況模擬控制及試驗數(shù)據(jù)(溫度、振動)的采集、記錄與處理[2]。

(1)機(jī)械系統(tǒng)

機(jī)械系統(tǒng)包括車軸支撐裝置、齒輪箱吊掛固定裝置、電機(jī)調(diào)整裝置以及帶傳動機(jī)構(gòu)，如圖2所示。

1—車軸支撐裝置；2—吊掛固定裝置；3—電機(jī)調(diào)整裝置；4—帶傳動機(jī)構(gòu)；5—電機(jī)；6—被試齒輪箱；7—鐵平臺。圖2 試驗臺機(jī)械系統(tǒng)

為了滿足高轉(zhuǎn)速試驗需求，專門設(shè)計制作了車軸支撐裝置用來支撐定位車軸，如圖3所示。安裝平臺上的軸承箱為整體式結(jié)構(gòu)，試驗臺左右側(cè)各布置一個，軸箱體上方設(shè)有注油口，內(nèi)壁下部設(shè)置有油池，可以增加集油容積，增強(qiáng)潤滑及冷卻效果。采用圓柱滾子軸承承重支撐，深溝球軸承限位緊定。試驗時為了避免車軸劃傷，結(jié)合車軸尺寸設(shè)計有車軸保護(hù)套，材質(zhì)為圓筒薄壁合金鋼件，更改車軸保護(hù)套以及軸承適配座，可適配不同尺寸的車軸軸頸，并匹配圓柱滾子軸承的內(nèi)徑尺寸，充當(dāng)圓柱滾子軸承內(nèi)圈的作用；在套裝于車軸兩端軸頸后，可將軸承箱沿著水平方向直接推入軸頸位置，這樣可有效保護(hù)車軸表面；車軸保護(hù)套的外圓也設(shè)有階梯臺階，在推入軸箱體時起軸向定位作用。拆卸時只需推移開軸承箱，取下車軸保護(hù)套即可，操作簡單、方便裝拆、組裝效率高、試驗安全，可靠性高。

1—軸箱體；2—定位環(huán)；3—深溝球軸承；4—軸承適配座；5—圓柱滾子軸承；6—端蓋；7—車軸保護(hù)套。圖3 車軸支撐裝置

吊掛固定裝置中的可滑移底座包括底盤和焊接在底盤上的圓柱形螺桿，圓柱形螺桿的中心設(shè)有螺紋孔，螺桿上半部套裝有用于支撐齒輪箱的托板，托板上方的螺桿配有鎖緊螺母，通過螺桿的旋入和旋出，調(diào)整托板的支撐高度，滿足不同吊掛位置齒輪箱的安裝。

電機(jī)調(diào)整裝置包括固定安裝在試驗臺基座上的底板，在底板上裝有一條直線滑軌及兩條“T”型槽導(dǎo)軌，其上一層放置有可移動的上平板，上平板的底部設(shè)有導(dǎo)向凸臺，與導(dǎo)軌配合滑移；電機(jī)安裝在上平板，底板與上平板之間又設(shè)有滾珠絲杠，在滾珠絲杠的端部安裝手輪，通過旋轉(zhuǎn)手輪驅(qū)動上平板運(yùn)動，這樣可有效調(diào)整變頻電機(jī)前后方向的位置，同時起到組裝時張緊皮帶、拆卸時松弛皮帶的作用，并且方便齒輪箱的拆裝。

考慮到被試齒輪箱小齒輪軸高轉(zhuǎn)速的輸入要求，同時盡量避免傳動鏈對被試件的振動影響，設(shè)計采用帶傳動機(jī)構(gòu)。在電機(jī)的主軸上熱裝有大帶輪，大帶輪通過2根SPA型窄V皮帶與壓裝在齒輪箱輸入端小齒輪軸上的小帶輪連接，大、小帶輪的皮帶傳動比為2～3，小帶輪材質(zhì)選用尼龍材料，這樣既滿足了高轉(zhuǎn)速的試驗輸入要求，又避免了小齒輪軸被擦傷，同時有效隔離了電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)帶來的振動影響。

(2)驅(qū)動系統(tǒng)

驅(qū)動系統(tǒng)采用電傳動形式，包括變頻電機(jī)及變頻單元，通過編碼器反饋調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，可控制轉(zhuǎn)速誤差不超出最高轉(zhuǎn)速的±0.1%。由于上述帶傳動機(jī)構(gòu)的增速作用，且齒輪箱空載啟動扭矩不大，這里選用標(biāo)準(zhǔn)型2級變頻電機(jī)驅(qū)動，電機(jī)額定功率20 kW，最高轉(zhuǎn)速3 000 r/min左右，經(jīng)升速后即可達(dá)到齒輪箱輸入端6 500 r/min的試驗需求，降低了對電機(jī)性能的要求。

(3)測控系統(tǒng)

試驗臺測控系統(tǒng)主要由PLC和工控機(jī)組成，通過網(wǎng)絡(luò)通信實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能，涵蓋了轉(zhuǎn)速、振動、溫度等常見試驗參量的測量功能，與上位機(jī)軟件通訊互聯(lián)，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的自動化采集。測控系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 測控系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)為上下位機(jī)結(jié)構(gòu)方式，下位機(jī)為主控PLC，負(fù)責(zé)邏輯及流程控制，程序模塊化設(shè)計；上位機(jī)為測控系統(tǒng)工控機(jī)，負(fù)責(zé)人機(jī)界面及數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)試驗臺的試驗操作；上下位機(jī)采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊。變頻器采用目前工業(yè)系統(tǒng)使用最為廣泛的Profibus-DP總線與主控PLC連接，物理介質(zhì)為工業(yè)雙絞線，最高的傳輸速率為12 MB/s；主控PLC通過RS485方式與工控機(jī)PC連接，以減少現(xiàn)場信號線的數(shù)量和開發(fā)工程量，節(jié)省投資，方便維修。

如圖5所示，上位機(jī)軟件的操作運(yùn)行狀態(tài)的界面布局為：頂欄顯示當(dāng)前項目信息(產(chǎn)品編號、車軸號、箱體編號)、時間及當(dāng)前操作者的用戶名；中間欄為操作監(jiān)控畫面區(qū)，用于顯示齒輪箱各軸承的實時測量溫度，以及電機(jī)狀態(tài)參數(shù)(轉(zhuǎn)速、功率、扭矩、電流、溫度)；界面下部區(qū)域包括自動/手動運(yùn)行模式選擇、啟動/停止按鈕，用于控制齒輪箱輸入軸的轉(zhuǎn)速；底欄是軟件的功能鍵，用于切換不同的現(xiàn)場監(jiān)控畫面。

圖5 主控界面

齒輪箱試驗運(yùn)行過程中采集并顯示轉(zhuǎn)速-時間曲線，實時記錄6通道溫升曲線及同步采集記錄3通道振動速度曲線，溫度測量范圍：0～+150 ℃，振動速度測量范圍：0～20 mm/s。此外，當(dāng)溫度、轉(zhuǎn)速或振動超出規(guī)定值時，試驗臺能夠聲光報警或自動停機(jī)。

3 試驗內(nèi)容

目前高速動車組齒輪箱例行試驗主要參照標(biāo)準(zhǔn)《TB/T 3134—2013動車組用驅(qū)動齒輪箱》以及CRCC鐵路產(chǎn)品認(rèn)證技術(shù)條件《TD/B 1399-ZXJ-006動車組齒輪箱組成》的相關(guān)條款，編寫對應(yīng)的《齒輪箱例行試驗大綱》進(jìn)行試驗。具體試驗過程如下：

首先，將試驗齒輪箱組裝到試驗臺上，在齒輪箱分箱面及軸承座迷宮密封處噴密封檢查著色劑；其次用手轉(zhuǎn)動小齒輪，要求小齒輪轉(zhuǎn)動均勻正常，不應(yīng)有異常碰擊、強(qiáng)烈摩擦聲或轉(zhuǎn)動不暢的情況，否則應(yīng)找出原因，加以排除后才允許試驗；再次從注油口加入規(guī)定用潤滑油至齒輪箱油標(biāo)中油位；最后，啟動電機(jī)，按圖6試驗?zāi)Ｊ竭M(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)試驗。

試驗結(jié)束后，觀察齒輪箱各密封部位是否有潤滑油滲漏，檢查磁性油堵是否有塊狀或片狀吸附物，記錄并打印出溫度-時間曲線、振動-時間曲線(見表1)。

表1 試驗數(shù)據(jù)

圖6 例行試驗?zāi)Ｊ?/p>

4 結(jié)束語

試驗臺投入使用3年多來，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，裝拆效率高，數(shù)據(jù)采集、處理及存儲方便，可滿足各種型號、不同速度等級的齒輪箱例行試驗，已成為高速動車組齒輪箱生產(chǎn)工序中的一套關(guān)鍵設(shè)備。另外，還進(jìn)行了裝有輪對的車軸齒輪箱跑合試驗，試驗臺無異常振動及溫升，狀態(tài)良好。今后結(jié)合智能制造車間的信息化建設(shè)，可考慮將試驗臺測控系統(tǒng)接入現(xiàn)場MES系統(tǒng)，與上游系統(tǒng)信息交互，實現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)，完成試驗報告上傳。