列車齒輪箱綜合性能試驗臺的研制

馬玉強 陳 琪

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

軌道交通車輛齒輪箱是車輛轉向架上的重要部件，其軸承和齒輪是支承和動力傳遞的關鍵部件，軸承和齒輪潤滑狀態(tài)的好壞，密封系統(tǒng)是否可靠，將直接影響其工作性能和壽命。為了保證機車車輛的運行品質，通過臺架試驗以檢驗齒輪箱的產(chǎn)品性能顯得尤為重要[1]。下文根據(jù)軌道交通車輛齒輪箱的使用特點及其功能要求，設計并搭建了齒輪箱綜合性能試驗臺。

1 試驗臺主要技術參數(shù)

中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司自主研制的列車齒輪箱試驗臺采用電功率流封閉模式，具有功能先進、試驗項點全面、數(shù)據(jù)采集處理及存儲方便、自動化程度高、節(jié)能環(huán)保等特點，可實現(xiàn)對420 km/h以下各種速度等級的高鐵、城際動車組及城軌齒輪箱的型式試驗與耐久性試驗。

試驗臺主要技術參數(shù)有：驅動電動機功率為900 kW；被試齒輪箱功率不大于700 kW；被試齒輪箱傳動比不大于8；輸入端(主動齒輪端)最大扭矩不大于4 000 N·m(相當于牽引電機最大啟動扭矩)；輸出端(車軸端)最大轉速不大于2 800 r/min(相當于列車420 km/h的運行速度)。

齒輪箱輸入軸與輸出軸中心距在350～400 mm可調整。

2 試驗臺系統(tǒng)組成及工作原理

2.1 系統(tǒng)組成

列車齒輪箱綜合性能試驗臺主要包括傳動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測試系統(tǒng)及輔助系統(tǒng)等，試驗臺系統(tǒng)由變頻器控制電機的轉速、扭矩、轉向等，可以設定四象限加載試驗工況。

(1)傳動系統(tǒng)

傳動系統(tǒng)主要由驅動電機、負載電機、被試齒輪箱、陪試齒輪箱、扭矩轉速傳感器、傳動軸和聯(lián)軸器等組成，試驗臺傳動方案如圖1所示。驅動電機通過膜片聯(lián)軸器與陪試齒輪箱1連接，經(jīng)升速后通過高速萬向軸連接被試齒輪箱輸入端(主動齒輪端)，被試齒輪箱輸出端(車軸端)通過膜片聯(lián)軸器與陪試齒輪箱2連接，再通過膜片聯(lián)軸器與負載電機連接。2臺電機共直流母線，構成了典型的電封閉功率流試驗臺。

圖1 傳動系統(tǒng)示意圖

(2)控制系統(tǒng)

試驗臺控制系統(tǒng)主要由PLC和工控機組成，通過網(wǎng)絡通信實現(xiàn)整個控制系統(tǒng)的監(jiān)控功能，控制系統(tǒng)架構如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)架構圖

控制系統(tǒng)為上、下位機結構方式，下位機為主控PLC，負責邏輯及流程控制，程序模塊化設計；上位機為2臺測控系統(tǒng)工控機(一用一備)，負責人機界面及數(shù)據(jù)交換，實現(xiàn)試驗臺的試驗操作；上、下位機采用工業(yè)以太網(wǎng)通訊。試驗電源柜、輔助電源柜通過I/O硬連線將信號送到主控PLC；整流器、逆變器采用Profibus-DP總線與主控PLC連接；測量柜使用I/O硬連線與主控PLC連接，另外通過RS485方式與測控工控機IPC連接。

(3)測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)涵蓋了轉速、扭矩、振動、溫度等常見試驗參量的測量功能，與上位機軟件通訊互聯(lián)，實現(xiàn)試驗數(shù)據(jù)的自動化采集，具體測試結構如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)結構圖

該系統(tǒng)的高頻信號有振動傳感器輸出的加速度信號、轉矩轉速傳感器輸出的轉矩和轉速信號，這兩類信號對采樣頻率要求較高。振動傳感器輸出的加速度信號高頻為6 kHz，根據(jù)采樣定理，采樣頻率為信號最高頻率的5～7倍以上，因此傳感器信號采用NI的高速采集卡PXIe-6358進行多通道同步采集，采集卡的采樣頻率不小于50 kHz。這樣具有較高實時性，以便分析各個振動測點在同一時間的振動特性。轉矩轉速傳感器輸出的轉矩轉速信號為頻率信號，采用NI的頻率卡PXIe-6612進行采集，頻率卡的采樣頻率不小于1 MHz。溫度信號不具有突變性，采用刷新頻率0.5 Hz的溫度巡檢儀可以滿足使用要求。

此外，試驗臺還配備了分體式高低溫環(huán)境箱等輔助系統(tǒng)，用來模擬高溫、低溫環(huán)境，通過加載試驗考察被試齒輪箱在啟動工況下的溫度特性。

2.2 工作原理

試驗臺利用電封閉功率流原理，如圖4所示，采用2臺電機背靠背加載、共直流母線回饋的拓撲，因此整流器只提供試驗臺的機械損耗，電機背靠背加載的能量在直流母線、逆變單元、電機之間循環(huán)。試驗時，驅動電機由逆變單元2控制電機處于電動狀態(tài)，并通過聯(lián)軸器、扭矩儀將被試齒輪箱拖動至需要的運行轉速，產(chǎn)生的能量通過陪試齒輪箱、聯(lián)軸器、扭矩儀帶動加載電機運轉，此時逆變單元1控制加載電機工作在發(fā)電狀態(tài)，將能量向直流母線回饋，形成電能封閉回饋系統(tǒng)，降低試驗電能損耗。

圖4 電封閉功率流原理圖

驅動電機、加載電機的角色可通過逆變單元的控制指令進行在線切換，如驅動電機處于正向旋轉，加載電機處于正向扭矩，當此工況(定義為第I象限)試驗完成后，可直接在控制臺輸入驅動電機的反向運行指令，加載電機扭矩方向不變，直接進入第II象限運行工況。其他兩個工況以此類推，滿足被試齒輪箱進行四象限加載的試驗需求。

3 試驗內(nèi)容

目前軌道交通車輛齒輪箱試驗主要參照TB/T 3134—2013《動車組用驅動齒輪箱》以及CRCC鐵路產(chǎn)品認證技術條件TD/B 1399-ZXJ-006《動車組齒輪箱組成》執(zhí)行，該試驗臺加載試驗中轉速-扭矩采用四象限模式(見圖5)，覆蓋齒輪箱運行過程中的啟動、制動工況，正向、反向旋轉。具體試驗內(nèi)容如表1所示。

圖5 四象限加載定義

表1 試驗內(nèi)容

注：P—電機持續(xù)(持續(xù))功率，kW；N1—最高運營轉速，r/min；T1—最高運營轉速對應扭矩；N2—最高試驗轉速，r/min；T2—最高試驗轉速對應扭矩，N·m；N3—最大啟動扭矩對應轉速，r/min；T3—最大啟動扭矩，N·m。

四象限試驗模式定義如下：第I象限為正向旋轉+正向扭矩(牽引工況)；第II象限為反向旋轉+正向扭矩(制動工況)；第III象限為反向旋轉+反向扭矩(牽引工況)；第IV象限為正向旋轉+反向扭矩(制動工況)。

4 結束語

列車齒輪箱試驗臺首次模擬軌道交通齒輪箱的運行環(huán)境，實現(xiàn)滿功率傳遞，在多種試驗工況下測試齒輪箱的溫升、振動、密封、噪聲、轉速、扭矩等參數(shù)的變化，可對齒輪箱的性能和可靠性進行耐久試驗，確定產(chǎn)品的可靠性。

基于上述設計方案的試驗臺已搭建完成并投入運行，運轉穩(wěn)定，且已完成了不同速度等級的動車組齒輪箱及地鐵齒輪箱型式試驗，達到了設計要求，技術處于國內(nèi)領先水平。