齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)的優(yōu)化改進(jìn)

常 星， 張 璐， 馬慧強(qiáng)

（智道鐵路設(shè)備有限公司， 山西 太原 030032）

齒輪箱是高速動(dòng)車產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)之一。齒輪箱出廠前試驗(yàn)是其交付用戶使用之前最后一道質(zhì)量控制手段，是保證齒輪箱安全可靠運(yùn)行的重要環(huán)節(jié)。齒輪箱的振動(dòng)、噪聲、溫升試驗(yàn)等，都屬于齒輪箱測試的重要內(nèi)容，它們一般在專業(yè)的齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行。以某項(xiàng)或某幾項(xiàng)測試為主要任務(wù)，在齒輪箱出廠前100%進(jìn)行測試。

齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)包括功率開放型和功率封閉型兩大類。隨著高速動(dòng)車運(yùn)行的速度越來越快，齒輪箱傳遞的功率也越來越大，而且整個(gè)行業(yè)也越來越意識(shí)到節(jié)能降耗的重要性，這些都使功率開放型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)不能適應(yīng)發(fā)展的要求。功率封閉型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)，克服了耗能高的缺點(diǎn)，因此特別適用于大批量生產(chǎn)、大功率齒輪箱的例行跑合試驗(yàn)[1]。

1 功率開放型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)

如圖1所示，功率開放型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)通常由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、被測試齒輪箱、耗能負(fù)載裝置組成。驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的能量，經(jīng)過被測試齒輪箱，最終消耗于負(fù)載裝置。此裝置結(jié)構(gòu)簡單，配置靈活，故障率低。但對于功率較大的齒輪箱，跑合試驗(yàn)?zāi)芎倪^大。為了降低能耗，或試驗(yàn)條件的限制，有的試驗(yàn)臺(tái)取消了耗能負(fù)載裝置，這樣又無法在跑合試驗(yàn)中施加負(fù)載，無法模擬真實(shí)工況，僅進(jìn)行空載全速試驗(yàn)初步檢查性能和可靠性，從而也部分失去了齒輪箱出廠前跑合測試的意義[2]。

圖1 功率開放型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)

2 機(jī)械功率封閉型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)

為了克服功率開放型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)的上述缺點(diǎn)，目前生產(chǎn)中采用的是功率封閉型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)。如圖2所示，即為現(xiàn)在正在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的機(jī)械功率封閉型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)[3]。

圖2 機(jī)械功率封閉型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)

齒輪箱2和齒輪箱3平行安裝在測試平臺(tái)上，其高速軸通過聯(lián)軸器6連接在一起。輸出軸則通過測試平臺(tái)上的軸頭支撐裝置11固定。驅(qū)動(dòng)電機(jī)1與齒輪箱2低速軸一端連接，齒輪箱2低速軸另一端與液壓扭矩加載器4連接，并通過皮帶裝置5，最終與齒輪箱3輸出軸連接。這樣，齒輪箱2、齒輪箱3、液壓扭矩加載器4、皮帶裝置5和各相關(guān)聯(lián)軸器構(gòu)成了典型的機(jī)械式封閉系統(tǒng)。

通過液壓扭矩加載器4（如葉片液壓加載器）分別給兩側(cè)施加一個(gè)大小相等，方向相反的扭矩T，封閉系統(tǒng)內(nèi)相關(guān)零件都會(huì)產(chǎn)生彈性扭轉(zhuǎn)變形，這樣齒輪箱2和齒輪箱3就同時(shí)處于扭矩T的作用下，封閉系統(tǒng)加載完成。而通過改變扭矩T的大小，可以實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載的跑合試驗(yàn)。此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)1啟動(dòng)，帶動(dòng)齒輪箱低速軸以角速度ω轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣封閉系統(tǒng)中就有T·ω的功率周而復(fù)始的循環(huán)傳遞，且不可能傳遞到封閉系統(tǒng)之外，即封閉功率。但此功率并非有效功率，它只是封閉系統(tǒng)內(nèi)平衡內(nèi)力的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的乘積。因此，封閉功率不是由驅(qū)動(dòng)電機(jī)1提供，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1只是使封閉系統(tǒng)能夠以ω的速度運(yùn)轉(zhuǎn)而已，即補(bǔ)償因摩擦、攪油等引起的功率損失。因此，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的功率很小，一般僅為封閉功率的10% ～15%左右，其大小主要與跑合測試臺(tái)傳動(dòng)效率和試驗(yàn)功率有關(guān)，這樣就可以節(jié)省大量的能耗[4]。

以目前某型號(hào)齒輪箱跑合試驗(yàn)?zāi)骋浑A段為例，負(fù)載扭矩T為1500Nm，運(yùn)行速度n為2 461 r/min，則在此測試階段，其封閉功率P約為386 kW。根據(jù)大量齒輪箱跑合測試經(jīng)驗(yàn)，普通V帶結(jié)構(gòu)的傳動(dòng)效率大約在95%左右，采用飛濺潤滑6級(jí)精度單級(jí)齒輪傳動(dòng)的效率約為99%，因此在此測試階段，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸入的補(bǔ)償功率僅為28.6 kW。

綜上所述，通過液壓扭矩加載器4可以改變扭矩T的大小，通過驅(qū)動(dòng)電機(jī)1可以改變封閉系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動(dòng)角速度ω，從而獲得不同的封閉功率。驅(qū)動(dòng)電機(jī)1只需提供補(bǔ)償封閉系統(tǒng)內(nèi)因摩擦、攪油等損耗的功率。并通過采用相應(yīng)的控制技術(shù)，可以很容易地實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速及不同負(fù)載工況下的的試驗(yàn)要求。

由于機(jī)械功率封閉型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)能夠節(jié)約大量能源的特點(diǎn)，其被廣泛應(yīng)用于齒輪箱各類型檢測試驗(yàn)中。但同時(shí)，也存在一些問題，如結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接件多，通用性差，保證試驗(yàn)臺(tái)正常運(yùn)轉(zhuǎn)各類型傳感器也多。在齒輪箱批量生產(chǎn)連續(xù)跑合測試階段，極易產(chǎn)生各類故障，而由此導(dǎo)致的設(shè)備停機(jī)維護(hù)也極大地影響了正常生產(chǎn)。此外，皮帶裝置在高速運(yùn)行下產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，對工廠生產(chǎn)環(huán)境影響也十分巨大。

3 電功率封閉型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)

為了解決目前由于設(shè)備故障，頻繁停機(jī)對生產(chǎn)的影響，以及提高試驗(yàn)臺(tái)的通用性，新建的齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)采用電功率封閉型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)。如圖3所示，相較于機(jī)械功率封閉型試驗(yàn)臺(tái)，取消了液壓扭矩加載裝置和皮帶裝置，而是通過加載電機(jī)2對齒輪箱3和齒輪箱4同時(shí)進(jìn)行加載。

圖3 電功率封閉型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)

跑合測試中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)1和加載電機(jī)2為同型號(hào)交流整流子電機(jī)，并聯(lián)于電源。通過改變同相電刷在電刷轉(zhuǎn)盤上的位置，可以改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)1的轉(zhuǎn)速，使其在同步轉(zhuǎn)速以下運(yùn)行，此時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)1為電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)齒輪箱轉(zhuǎn)動(dòng)。而加載電機(jī)2變?yōu)榘l(fā)電機(jī)，發(fā)出的電能回饋電網(wǎng)，從而形成電封閉系統(tǒng)。跑合試驗(yàn)中，電源線只需補(bǔ)充電能差值ΔP，即可正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

由于電功率封閉型試驗(yàn)臺(tái)要求2臺(tái)電機(jī)的功率容量不小于試驗(yàn)齒輪箱功率且需要與之配套的電能回收控制系統(tǒng)，因此設(shè)備投資昂貴，操作較為復(fù)雜，且電能一般僅能回收60%至70%。相較于機(jī)械功率封閉型試驗(yàn)臺(tái)10% ～15%的驅(qū)動(dòng)電機(jī)加載能量，效率偏低、損失偏大。

但電功率封閉型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)最大的優(yōu)點(diǎn)是建設(shè)周期短，結(jié)構(gòu)簡單，連接件少。同時(shí)在齒輪箱批量生產(chǎn)、連續(xù)跑合測試階段故障率低，能最大程度保證生產(chǎn)。并且易于實(shí)現(xiàn)不同轉(zhuǎn)速及不同負(fù)載的試驗(yàn)條件，運(yùn)行穩(wěn)定可靠[5]。

4 結(jié)語

目前機(jī)械功率封閉型和電功率封閉型齒輪箱跑合試驗(yàn)臺(tái)都具備按照試驗(yàn)大綱，自動(dòng)跑合、自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)數(shù)據(jù)采集保存打印及可視化監(jiān)控等功能。并且通過模擬不同轉(zhuǎn)速、不同方向、以及不同負(fù)載情況下齒輪箱跑合情況，并通過檢測齒輪箱油溫變化、軸承溫度變化、振動(dòng)烈度變化來分析判斷齒輪箱各部件的適配狀態(tài)和性能，從而可以防止因裝配質(zhì)量問題、軸承質(zhì)量問題等引發(fā)的早期運(yùn)行事故，這對高速動(dòng)車的安全運(yùn)行有著重要的意義。