簡述一種機(jī)械封閉功率流聯(lián)軸器臺架試驗(yàn)系統(tǒng)

摘 要 隨著中國鐵路的發(fā)展，近幾年高速鐵路及軌道交通的快速發(fā)展，高鐵車輛及城市軌道交通車輛數(shù)量隨著運(yùn)營里程的增長而不斷增長。而聯(lián)軸器作為軌道車輛傳動(dòng)部分的一個(gè)重要部件也得到越來越多的關(guān)注，而軌道車輛聯(lián)軸器的型式試驗(yàn)是檢驗(yàn)聯(lián)軸器產(chǎn)品性能的關(guān)鍵所在。目前國內(nèi)市場中研制軌道車輛聯(lián)軸器的臺架試驗(yàn)系統(tǒng)還非常少;因此能滿足軌道車輛聯(lián)軸器型式試驗(yàn)的臺架設(shè)備也非常少。本文闡述了一種機(jī)械封閉功率流的臺架試驗(yàn)系統(tǒng)，解決了目前軌道交通聯(lián)軸器對型式試驗(yàn)存在的一些問題，如試驗(yàn)功率損耗大、試驗(yàn)設(shè)備壽命短、試驗(yàn)系統(tǒng)操作復(fù)雜、覆蓋試件的參數(shù)范圍低等問題。

關(guān)鍵詞 機(jī)械封閉功率流;聯(lián)軸器;扭矩加載器;滑動(dòng)軸承;變位滑臺

引言

聯(lián)軸器臺架試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于檢驗(yàn)聯(lián)軸器的工作性能，疲勞壽命;模擬車輛線路運(yùn)行中的工作：加減載荷、轉(zhuǎn)速、溫度、變位情況。用以考核、檢驗(yàn)、測試聯(lián)軸器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。國內(nèi)目前的試驗(yàn)臺只可對一般運(yùn)行環(huán)境的聯(lián)軸器進(jìn)行檢測檢驗(yàn)，無法實(shí)現(xiàn)對高速、重載、大變位以及高低溫下的聯(lián)軸器進(jìn)行試驗(yàn)并實(shí)時(shí)監(jiān)控。本封閉功率流試驗(yàn)臺相比目前國內(nèi)的試驗(yàn)臺，具有損耗功率小、試驗(yàn)扭矩大、轉(zhuǎn)速高、覆蓋試件尺寸廣、軸承座能承受較大徑向力和軸向力、滑移平臺精度高、高速運(yùn)轉(zhuǎn)振動(dòng)小、操作簡便等特點(diǎn)。這些性能直接影響了整個(gè)臺架系統(tǒng)的可靠性和使用壽命。該設(shè)備的研發(fā)成功，極大地改善了國內(nèi)軌道交通聯(lián)軸器型式試驗(yàn)所面臨的問題，也為提高國內(nèi)聯(lián)軸器臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)水平奠定了一定的基礎(chǔ)[1]。

1聯(lián)軸器臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的原理、總體機(jī)構(gòu)與分析

1.1 臺架試驗(yàn)系統(tǒng)原理

本封閉功率流試驗(yàn)系統(tǒng)采用臥式結(jié)構(gòu)，其工作原理就是扭矩加載器通過前后齒輪箱把扭矩加載在一個(gè)封閉的機(jī)械機(jī)構(gòu)中，同時(shí)該扭矩也作用在聯(lián)軸器上，當(dāng)試件和加載器在外部電機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)起來時(shí)，功率就在一個(gè)閉環(huán)的結(jié)構(gòu)中循環(huán)，電機(jī)只需要補(bǔ)充整體機(jī)構(gòu)的能量損失，比如系統(tǒng)摩擦損耗、系統(tǒng)風(fēng)阻損耗、攪油損耗等。因此該機(jī)構(gòu)如設(shè)計(jì)合理，既能滿足聯(lián)軸器試驗(yàn)功率范圍大的需求，又能以非常小的能耗進(jìn)行試驗(yàn)。

1.2 臺架試驗(yàn)系統(tǒng)總體機(jī)構(gòu)及參數(shù)

1.控制系統(tǒng) 2.主機(jī)系統(tǒng) 3.潤滑冷卻系統(tǒng) 4.液壓系統(tǒng)

5.測溫系統(tǒng) 6.測噪音系統(tǒng) 7.環(huán)境箱

聯(lián)軸器臺架試驗(yàn)系統(tǒng)（圖1）主要由主機(jī)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)，輔助潤滑系統(tǒng)，冷卻系統(tǒng)，測溫系統(tǒng)，測噪音系統(tǒng)和環(huán)境箱系統(tǒng)等主要部分組成。試驗(yàn)系統(tǒng)達(dá)到的主要參數(shù)如下：試樣軸最高轉(zhuǎn)速：6049r/min（可調(diào)），轉(zhuǎn)速精度±1%FS;試樣軸扭矩加載范圍：±4000N.m;扭矩測量精度：±1%FS;試件尺寸：最大外徑500mm，最大軸向長度500mm;允許試件最大徑向位移：±30mm，頻率0. 1-2Hz，調(diào)節(jié)精度0.1mm;最大軸向位移：±30mm，頻率0.1-2Hz，調(diào)節(jié)精度0.1mm;控制方式：轉(zhuǎn)速、扭矩、位移控制方式;紅外測溫傳感器：0-100℃，傳感器精度：±1℃;齒輪箱冷卻方式：水冷;液壓站：100L/min，額度壓力21Mpa，功率約37kW，冷卻水流量≤32℃，10T/h，水壓0.2-0.4Mpa;自動(dòng)保護(hù)功能：扭矩設(shè)定保護(hù);轉(zhuǎn)速設(shè)定保護(hù);位移設(shè)定保護(hù);油溫超調(diào)保護(hù);液位保護(hù);限位保護(hù)[2]。

1.3 臺架試驗(yàn)系統(tǒng)主機(jī)機(jī)構(gòu)的組成及工作原理

臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)部分主要在試驗(yàn)臺主機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主機(jī)各部件的設(shè)計(jì)以及各個(gè)部件的位置布置決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能好壞。主機(jī)主要由工作平臺，驅(qū)動(dòng)電機(jī)、前后端齒輪箱、位移滑臺裝置、扭矩加載器及油路分配器、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，軸承座，膜片聯(lián)軸器，波紋管聯(lián)軸器等組成。其中驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過電機(jī)支架固定在工作臺上、前后端齒輪箱、移動(dòng)滑臺裝置等布置在工作平臺上。不同的試樣對應(yīng)相應(yīng)的專用夾具，通過更換專用夾具滿足不同試樣長度等要求。測溫系統(tǒng)的測溫傳感器采用紅外溫度傳感器，傳感器固定在試樣下端，測頭對準(zhǔn)試樣采集溫度。主機(jī)的工作原理（圖2）：將扭矩加載器，扭矩轉(zhuǎn)速傳感器，試樣，軸承座等部件通過工作臺上的兩個(gè)齒輪箱串聯(lián)在一個(gè)封閉環(huán)中，兩端齒輪箱傳動(dòng)比為1：4.28，電機(jī)和扭矩加載器安裝在低速軸上，試樣和扭矩轉(zhuǎn)速傳感器安裝在高速軸上，最高轉(zhuǎn)速能達(dá)到6049 r/min，扭矩能達(dá)到4000N.m。設(shè)備扭矩加載器施加扭矩通過齒輪箱傳遞到試樣上，再通過變頻電機(jī)帶動(dòng)其中一個(gè)齒輪箱向扭矩相反方向旋轉(zhuǎn)，從而使整個(gè)機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)起來，這樣試樣即作為整個(gè)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置又是試驗(yàn)對象，同時(shí)通過位移滑臺裝置來實(shí)現(xiàn)試樣的軸向和徑向位移工況，最終達(dá)到試樣模擬實(shí)際工況的目的。同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)利用齒輪箱將加載功率封閉起來，在傳動(dòng)鏈中形成寄生功率，電機(jī)只是負(fù)擔(dān)整個(gè)機(jī)械系統(tǒng)的摩擦損耗、攪油損耗、旋轉(zhuǎn)風(fēng)阻損耗等的損耗功率，從而達(dá)到節(jié)能目的[3]。

1.4 臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)

系統(tǒng)中設(shè)置了3個(gè)滑動(dòng)軸承座，安裝在高速軸系Ⅰ中?；瑒?dòng)軸承座采用的是軸瓦技術(shù)，通過循環(huán)潤滑油給軸瓦潤滑和散熱;采用這種技術(shù)解決了試件在做變位運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生較大徑向推力和軸向推力的問題，能大范圍的滿足各種聯(lián)軸器進(jìn)行變位試驗(yàn)。這項(xiàng)技術(shù)的運(yùn)用使得臺架系統(tǒng)能測試聯(lián)軸器的參數(shù)范圍得以很大提升，這也是目前國內(nèi)試驗(yàn)臺所不具有的特點(diǎn)。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用了波紋管聯(lián)軸器和膜片聯(lián)軸器，解決了兩軸系同軸度和安裝困難的問題。該技術(shù)運(yùn)用使得試驗(yàn)平臺在調(diào)節(jié)同軸度的難度上大大降低，因此試驗(yàn)安裝過程的效率得到提升。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中采用了X、Y方向的滑移平臺，解決了聯(lián)軸器徑向和軸向的偏擺工況。滑移平臺的位移行程為±30mm，工作頻率為0.1-2Hz，調(diào)節(jié)精度為0.1mm，X、Y方向的推力最大為30KN;且能實(shí)現(xiàn)X、Y方向的多種波形組合運(yùn)動(dòng)方式。該技術(shù)解決了軌道交通聯(lián)軸器實(shí)際運(yùn)動(dòng)的多工況需求。

該系統(tǒng)配備了環(huán)境箱，能給試驗(yàn)的聯(lián)軸器提供各種極限環(huán)境的溫度。環(huán)境箱的參數(shù)：可控溫度范圍：-50℃～+50℃（可設(shè)定任意溫度點(diǎn)）;升溫速率：3℃～5℃/min ;降溫速率：0.7℃～1℃/ min;恒溫后溫度波動(dòng)度：±2℃（100℃范圍內(nèi)）。該技術(shù)在臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)用打破了目前國內(nèi)所有聯(lián)軸器試驗(yàn)系統(tǒng)都不具備高低溫試驗(yàn)的困境[4]。

1.5 臺架系統(tǒng)數(shù)字伺服控制器工作原理

從液壓源輸出的高壓油流經(jīng)濾油器、蓄能器進(jìn)入電液伺服閥，同時(shí)由電控系統(tǒng)給定的電信號與從扭矩傳感器或位移傳感器輸出的反饋信號相比較，將此差值信號放大后送至電液伺服閥，把電信號轉(zhuǎn)變?yōu)橛偷牧髁浚邏河徒蛔兊剌斎氲絼?dòng)作器的動(dòng)作腔，驅(qū)動(dòng)活塞高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)和擺動(dòng)，活塞桿與試件、工裝、傳感器相連，因此使試件上即扭矩傳感器產(chǎn)生的扭矩值與電控系統(tǒng)給定的設(shè)定信號有相同的變化，這時(shí)作用于試件上的扭矩、位移值由扭矩傳感器和位移傳感器測出，從而構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行工作。

1.6 臺架系統(tǒng)安全保護(hù)功能

軌道交通聯(lián)軸器型式試驗(yàn)都是長時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)，工作過程在規(guī)定要求內(nèi)允許無人看守，所以要求設(shè)備具有完備的保護(hù)功能。根據(jù)保護(hù)的形式可以分硬保護(hù)和軟保護(hù);硬保護(hù)有電機(jī)缺相保護(hù)、油溫互鎖保護(hù)，濾芯堵塞保護(hù)，急停保護(hù)等，當(dāng)上述任何一項(xiàng)保護(hù)發(fā)生時(shí)，系統(tǒng)都會(huì)自動(dòng)停機(jī)，同時(shí)伴有報(bào)警提示。該臺架系統(tǒng)保護(hù)功能有：扭矩設(shè)定保護(hù); 轉(zhuǎn)速設(shè)定保護(hù);位移設(shè)定保護(hù);油溫超調(diào)保護(hù);液位保護(hù);限位保護(hù)[5]。

2結(jié)束語

機(jī)械功率封閉流聯(lián)軸器臺架試驗(yàn)系統(tǒng)的成功研制，改善了目前軌道交通聯(lián)軸器的試驗(yàn)條件;不僅能測試軌道交通各系列的聯(lián)軸器，也能以更加符合實(shí)際的工況去模擬聯(lián)軸器的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。這為軌道交通聯(lián)軸器的國產(chǎn)化進(jìn)程也起到了重要作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 許紅平.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)多功能試驗(yàn)臺的設(shè)計(jì)研究[J].機(jī)電工程， 2002（3）：10-12.

[2] 徐龍祥.高速旋轉(zhuǎn)機(jī)械軸系動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1994：109.

[3] 孔祥瑩.封閉齒輪傳動(dòng)效率的試驗(yàn)研究[J].山西機(jī)械，2002（1）：52-53，56.

[4] 吳立言.機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析[J].機(jī)械傳動(dòng)，2003（2）：18-20.

[5] 孫桓.機(jī)械原理[M].北京：高等教育出版社，2001：73.

作者簡介

謝磊（1986-），男，北京人;畢業(yè)院校：湖南科技大學(xué)，學(xué)歷：本科;現(xiàn)就職單位：康為同創(chuàng)集團(tuán)有限公司，研究方向：軌道交通車輛的傳動(dòng)系統(tǒng)。