交直流輪對(duì)電機(jī)跑合試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張春紅

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 常州鐵道分院，江蘇 常州 213011）

1 概述

輪對(duì)是車(chē)輛行走的重要部件。輪對(duì)電機(jī)總成作為機(jī)車(chē)轉(zhuǎn)向架上最重要的組成部分,由車(chē)軸、輪對(duì)、牽引電機(jī)、齒輪箱、軸承等組成。其性能直接決定了機(jī)車(chē)以及機(jī)車(chē)后方運(yùn)行列車(chē)的安全。在轉(zhuǎn)向架總組裝之前要對(duì)機(jī)車(chē)輪對(duì)電機(jī)總成進(jìn)行跑合試驗(yàn),跑合試驗(yàn)有以下功能：①軸箱勻脂；②齒輪箱齒輪磨合；③測(cè)試牽引電機(jī)軸承溫升值、振動(dòng)值；④測(cè)試輪對(duì)軸承溫升值、振動(dòng)值；⑤測(cè)試齒輪箱溫升值、振動(dòng)值；⑥測(cè)試輪對(duì)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速；

通過(guò)以上參數(shù)的采集測(cè)量,判斷機(jī)車(chē)輪對(duì)內(nèi)部齒輪以及軸承的安裝是否正常，是否符合安裝要求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)考慮到效率問(wèn)題,將臺(tái)位設(shè)計(jì)為三工位，可以進(jìn)行單軸試驗(yàn),也可同時(shí)三軸試驗(yàn)。系統(tǒng)框圖如圖1所示。三相交流電源經(jīng)變頻器和直流驅(qū)動(dòng)器后，輸出的電壓驅(qū)動(dòng)輪對(duì)電機(jī)旋轉(zhuǎn)。輪對(duì)跑合過(guò)程中，采用工控機(jī)作為輸入、輸出控制和數(shù)據(jù)處理的核心單元。工控機(jī)采集的輸入信號(hào)有轉(zhuǎn)速信號(hào)（每軸1路）)、振動(dòng)信號(hào)（(每軸6路）)、溫度信號(hào)（每軸6路）。同時(shí)工控機(jī)輸出模擬量調(diào)節(jié)信號(hào)，控制電機(jī)自動(dòng)調(diào)速功能。

圖1 系統(tǒng)框圖

3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

數(shù)據(jù)采集，是指從傳感器和其它待測(cè)設(shè)備等模擬和數(shù)字被測(cè)單元中自動(dòng)采集信息的過(guò)程。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)整合了信號(hào)、傳感器、激勵(lì)器、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)采集設(shè)備和應(yīng)用軟件。下面以振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)為例進(jìn)行介紹。

對(duì)于沖擊和振動(dòng)信號(hào)的獲取，最常見(jiàn)的是用壓電加速度傳感器。該傳感器最主要的權(quán)衡因素是重量、頻率響應(yīng)和靈敏度。選擇內(nèi)裝微型IC放大器的LC0156T壓電加速度傳感器。內(nèi)裝IC需要恒流源供電，典型值為24VDC、4mA，并不是電子儀器通常具備的恒壓源供電。需要對(duì)信號(hào)調(diào)理而設(shè)計(jì)，選擇LC0212信號(hào)調(diào)理器，其電路如圖2所示。

圖2 LC0156T與LC0212原理圖

調(diào)理后的振動(dòng)模擬信號(hào)并不能直接通過(guò)儀表或通信接口被計(jì)算機(jī)所接受。需要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，這里采用數(shù)據(jù)采集模塊方式。采集模塊根據(jù)傳感信號(hào)類型和傳感器區(qū)域分布情況設(shè)置多個(gè)采集模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)不同數(shù)據(jù)的采集，各個(gè)采集模塊通過(guò)主通信模塊與計(jì)算機(jī)相連，組成分布式的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。振動(dòng)信號(hào)采集模塊選用ADAM-4017+。ADAM-4017+是16位A/D 8通道的模擬量輸入模塊，可以采集電壓、電流等模擬量輸入信號(hào)。其方案電路如圖3所示。

圖3 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集模塊方案

4 交直流傳動(dòng)系統(tǒng)

對(duì)于交直流傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，首要考慮的問(wèn)題是空載跑合，元件功率的選擇，既要求保證能夠驅(qū)動(dòng)設(shè)備達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行要求的水平，同時(shí)不造成功率浪費(fèi)?？傮w技術(shù)參數(shù)如下。

工作電源：3相380V交流；工作環(huán)境溫度：-10℃～43℃；抗震等級(jí)：Ⅵ；

輸出直流電壓DC0～300V；輸出直流電流DC0～300A；3組；

輸出交流電壓AC0～400V；輸出交流電流AC0～205A；輸出交流輸出功率110k W；頻率0～180Hz；3組；

方案設(shè)計(jì)中交流傳動(dòng)系統(tǒng)采用變頻器、直流傳動(dòng)系統(tǒng)采用直流調(diào)速裝置，同時(shí)需要PLC配合控制兩傳動(dòng)系統(tǒng)的手動(dòng)和自動(dòng)兩種模式。

4.1 變頻器設(shè)計(jì)

機(jī)車(chē)整個(gè)傳動(dòng)屬于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載就是在負(fù)載一定的情況下負(fù)載阻轉(zhuǎn)矩不變，在負(fù)載變化時(shí)其轉(zhuǎn)矩仍然是隨負(fù)載變化的。從理想的角度來(lái)說(shuō)，對(duì)于恒轉(zhuǎn)矩類負(fù)載或有較高靜態(tài)轉(zhuǎn)速精度要求的機(jī)械應(yīng)采用具有轉(zhuǎn)矩控制功能的高性能變頻器6SE6440。

以HXN5牽引電機(jī)型號(hào)5GEB32B1為例，其額定電壓626V（基波有效值），額定電流760A（基波有效值）。由于電機(jī)近似空載運(yùn)行，實(shí)際工作中將它設(shè)在AC380V電壓等級(jí)上。輪對(duì)電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，定子三相繞組中通過(guò)的電流是空載電流。一般大中型電動(dòng)機(jī)的空載電流約為額定電流的20%－40%。如空載電流選額定電流的40%，即I空=0.4×760A=304A,選300A。因此電機(jī)空載運(yùn)行的功率是P=1.732×U×I×cosφ,其中cosφ為功率因數(shù)，是0到1之間的數(shù)值，電動(dòng)機(jī)一般為0.75到0.85，即P=1.732×380×300×0.75=148086W。為了不浪費(fèi)功率，推定變頻器功率110k W可以滿足。變頻器作為交流牽引電機(jī)試驗(yàn)的電源,需要設(shè)置參數(shù)，涉及參數(shù)有命令參數(shù)組（CDS），以及與電機(jī)、負(fù)載相關(guān)的驅(qū)動(dòng)參數(shù)組（DDS）。

4.2 直流調(diào)速裝置設(shè)計(jì)

由于直流電氣傳動(dòng)技術(shù)已比較成熟，尤其是全數(shù)字直流系統(tǒng)的出現(xiàn)，更提高了直流調(diào)速系統(tǒng)的精度及可靠性。特別是當(dāng)前現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的普及和發(fā)展，就更加確立了數(shù)字控制的主導(dǎo)地位。選擇6RA70系列調(diào)速裝置為三相交流電源直接供電的全數(shù)字晶閘管整流控制裝置，由可控的電樞、勵(lì)磁晶閘管整流模塊及全數(shù)字調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成。

由于直流牽引電機(jī)為串勵(lì)電機(jī)，為了使跑合試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際環(huán)境更相近，試驗(yàn)中直流電機(jī)也采用串勵(lì)供電方式。電機(jī)的正反向運(yùn)轉(zhuǎn)是通過(guò)接觸器換向，改變勵(lì)磁回路的正反極性。為了達(dá)到更高的精度，通過(guò)調(diào)節(jié)以下系統(tǒng)參數(shù)。由于直流牽引電機(jī)各自參數(shù)都不一樣。所以在設(shè)這些參數(shù)的時(shí)候往往選大一點(diǎn)數(shù)值。6RA70主要參數(shù)設(shè)置如下：P083=2（速度實(shí)際值由脈沖編碼器提供）；P140=1（脈沖編碼器類型）；P141=1024（脈沖數(shù)/轉(zhuǎn)）；P142=1（15V信號(hào)電壓）；P143=3000最大運(yùn)行速度（轉(zhuǎn)/分）；P051=25（開(kāi)始 電樞和勵(lì)磁的預(yù)控制以及電流調(diào)節(jié)器的優(yōu)化運(yùn)行）；P051=26（開(kāi)始 速度調(diào)節(jié)器的優(yōu)化運(yùn)行）。

5 智能測(cè)控系統(tǒng)

測(cè)控系統(tǒng)采用工控機(jī)IPC－610H，配上串口通訊卡PCI1622cu，可以采集來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的各路信號(hào)，包括電壓、電流、轉(zhuǎn)速、溫度、振動(dòng)加速度等。所有現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)均通過(guò)RS485通訊方式，其優(yōu)點(diǎn)是接線簡(jiǎn)單，信號(hào)線屏蔽抗干擾能力強(qiáng)。

5.1 測(cè)控系統(tǒng)工程組態(tài)

隨著工業(yè)控制要求的不斷提高，專門(mén)用于工業(yè)控制的組態(tài)軟件應(yīng)運(yùn)而生。MCGS（Monitorand ControlGenerated System，監(jiān)視與控制通用系統(tǒng)）是用于快速構(gòu)造和生成上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的組態(tài)軟件系統(tǒng)，主要完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測(cè)、前端數(shù)據(jù)的處理與控制。

以運(yùn)行策略為例，運(yùn)行策略使系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的順序和條件操作實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，控制各用戶窗口的打開(kāi)、關(guān)閉以及設(shè)備構(gòu)件的工作狀態(tài)，以及通過(guò)編程可達(dá)到較復(fù)雜的控制要求。數(shù)據(jù)采集循環(huán)腳本程序如下。

圖4 DF11G機(jī)車(chē)電機(jī)編號(hào)1106E3090跑合數(shù)據(jù)

5.2 控制系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行

在完成軟件組態(tài)、設(shè)備連接、PLC程序設(shè)計(jì)以后，可以進(jìn)行試驗(yàn)的組態(tài)監(jiān)控。利用MCGS強(qiáng)大的組態(tài)功能，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示、保存、計(jì)算處理，以及將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為最為直觀的曲線圖。圖4所示是DF11G機(jī)車(chē)電機(jī)編號(hào)是1106E3090跑合數(shù)據(jù)。

利用MCGS軟件運(yùn)行環(huán)境實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，從而實(shí)現(xiàn)了管理層對(duì)設(shè)備層的實(shí)時(shí)監(jiān)控。實(shí)踐證明整個(gè)數(shù)據(jù)采集非常順暢，能滿足各種工況試驗(yàn)需求公司反映良好。

6 結(jié)束語(yǔ)

機(jī)車(chē)輪對(duì)電機(jī)跑合試驗(yàn)臺(tái)交付運(yùn)行已有半年多，運(yùn)行狀況正常。滿足了DF系列內(nèi)燃機(jī)車(chē)/SS系列電力機(jī)車(chē)/HXN5交流傳動(dòng)機(jī)車(chē)/DF8CJ等機(jī)車(chē)。本裝置具有良好的人機(jī)交互界面，操作通用性好，節(jié)省了大量的人力物力，創(chuàng)造了良好經(jīng)濟(jì)效益。

［1］生春林.輪對(duì)電機(jī)跑合試驗(yàn)裝置的電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.內(nèi)燃機(jī)車(chē)，2012，（5）.

［2］劉喜梅.輪對(duì)跑合試驗(yàn)臺(tái)計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)的研究與研發(fā)［J］.鐵路計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2009，（1）.

［3］崔曉軍，姚衛(wèi)東，楊清泉.利用西門(mén)子數(shù)字直流調(diào)速裝置改造龍門(mén)刨床［J］.裝備維修技術(shù)，2002，（4）.

［4］肖英輝，任惠英，孫 棟.變頻調(diào)速在牽引機(jī)車(chē)中的應(yīng)用［J］.煤礦機(jī)械，2007，（9）.

［5］張福學(xué).實(shí)用傳感器手冊(cè)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［6］袁秀英.組態(tài)控制技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003.