轉向架靜態加載電氣同步控制研究

李政達，周文祥，王 穎

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室，四川成都 610031）

0 引言

機車車輛轉向架起著支撐車體并引導車輛運行的作用，因此轉向架的許多涉及安全性能的測試試驗必須在軸重靜態加載的條件下進行。常用砝碼裝載框加載，吊裝50 噸砝碼至少需2 小時，耗時太久，因此在廣州地鐵1、2號線使用的轉向架靜壓試驗臺，通過伺服控制液壓加載缸及龍門架進行靜態加載。但是，在實際使用中液壓油容易泄露，造成車間環境較差[1-2]。

對轉向架靜態加載常使一、二系彈簧壓縮量達到150 mm。加載特點是采用的兩點加載，低速要求加載力大，在加載過程中要求兩個加載臂同步加載不能超偏，以免影響測試結果；在微調過程中要求可單點加載，與起重機的點動過程類似。

本文根據轉向架靜態加載系統的特點，嘗試采用更先進安全的電動螺桿加載代替液壓加載。

1 加載系統方案研究

1.1 電軸同步控制研究

轉向架靜態加載系統如圖1，通過電機帶動螺桿升降機，利用龍門架橫梁進行兩點加載，其電氣控制柜就近安裝于升降機兩側；通過行程開關、位移傳感器、壓力傳感器、電壓/電流表來監視系統的運行狀況。在電控柜1、2上分別設置急停按鈕，在遇到緊急情況下均可緊急停止保證安全。

起重機在吊裝較長重物時，需保證兩吊鉤升降同步，否則傾斜會造成安全事故，在完成吊裝時又需要兩吊鉤單獨微調完成配合，其通過加裝帶公共電阻的電軸系統徹底解決了無機械聯系的兩吊鉤的同步升降問題[3]。針對轉向架靜態加載裝置與起重機起吊重物的類似性，本文設計了以公共電阻電軸電路為核心的螺桿升降機電氣傳動系統，電氣原理如圖2所示。

圖1 龍門架垂向電動加載系統工藝圖

圖2 龍門架電動加載電軸電氣原理圖

兩臺繞線式異步電機定子接于電網，轉子電路并聯接在公共電阻器上。其中，KM1/KM2通過調節電機定子側相序來控制龍門架加載裝置的升降；KM3 控制渦流制動器是否啟動；KM4/KM5 控制兩臺電機單獨升降，實現微調偏載；KM6 實現帶公共電阻的電軸同步系統，實現同步加載。同步運行原理為：當兩臺電動機的負載相等時，它們同步運行，轉子軸線之間沒有位差角，轉子內只有各自流過公共電阻的工作電流。當兩臺電機負載不同時，轉子電路中除有流過公共電阻的工作電流外，還會產生只在兩轉子中流動的平衡電流，保證兩臺電機同步運行[4]。由于龍門架下落直至接觸到轉向架的過程中電機負載很輕，而帶公共電阻的電軸系統在負載較輕的時候最易失去同步能力[5]，因此選用了帶渦流制動器的繞線式異步電機，在負載輕的時候通過渦流制動提供負載，避免失步。

系統在單獨加載時采用的是電機定子接于電網，轉子串電阻短接的方式，使得每一臺電機都可以單獨運行，方便微調加載力。

1.2 電軸控制系統的整步

電軸系統在起動時，必須先對兩臺電機整步，因為在上一次停機時，兩軸的阻力等不一樣，造成兩電機之間存在位差角，如果不整步可能造成系統失步，合閘沖擊電流大，容易產生跳閘。

工程應用中常采用的整步方式為單相整步、變頻整步等，單相整步在整步開始時會出現沖擊電流，振動噪聲較大。結合本系統實際研究了一種基于同步轉速控制的整步方式。將兩臺電機單獨采用轉子側串電阻同時啟動，當兩臺電機運行至最高速度時，閉合開關將兩臺電機轉子側并聯，利用兩臺電機的自然特性，待電機停轉時完成整步。

2 加載系統工作步驟

轉向架靜態加載系統控制面板要考慮實際工況及操作簡捷方便，設置如圖3 所示，其中四個“上限/下限”為警示燈，其余為帶燈按鈕，矩形部分為搖桿。

圖3 龍門架電動加載系統控制面板

轉向架靜態參數測試臺工作步驟：

（1）將轉向架通過軌道推行到試驗工位上，對其進行橫向、縱向的定位，使轉向架處于標準的試驗位置，同時處于自由狀態；

（2）在準備工作完畢后，首先打開“電鎖”開關，按下“自檢”按鈕，龍門架在下降50～80 mm過程中完成兩臺電機整步工作；

（3）將搖桿下拉，此時進行垂向預加載，工作人員通過觀察左右位移表、壓力表判斷預加載完成時，將搖桿松開；

（4）對左右的加載力進行獨立調整，通過按左/右載荷的?/?按鈕；

（5）在垂向加載試驗完畢后，將搖桿上推，此時龍門架返回到初始位置，完成一次轉向架靜態垂向加載。

3 實驗驗證

實驗中所用電機為5.5 kW 冶金用繞線式異步電機YZR160M1-6，其參數如表1所示。

實驗一，通過搭建電路，驗證新的電軸整步方法。

測試方法：將兩臺電機分別串相同阻值的電阻進行啟動，當兩臺電機達到最高轉速的時候，通過投切開關將兩臺電機的轉子側進行并聯，觀察電機停下時是否整步完成。測試環境如圖5所示。

表1 YZR160M1-6電機參數

測試結果：當電機停轉時通過手動轉動電機軸端，觀察到兩臺電機是同步旋轉的，可以證明兩臺電機在此過程中完成了整步。整步過程中轉子電流波形如圖4所示，電機整步震蕩時間為2 s。

圖4 電機整步過程轉子電流震蕩波形

圖5 電機電軸整步實驗

實驗二，根據電軸電氣原理圖來搭建電機電軸電路，驗證電軸系統是否可以滿足龍門架同步加載的要求，測試環境如圖5和圖6所示。

圖6 電機電軸同步試驗

測試方法：在電機整步完成之后通過在其軸上貼上白色標簽，通過閉合KM1，當電機轉動5分鐘后斷開KM1 觀察兩電機標簽是否在同一位置。

測試結果：當電機停轉時，觀察電機軸上標簽位置在同一位置，證明兩臺電機在旋轉過程中始終保持同步，可以滿足龍門架同步加載的要求。

4 結論

本文針對轉向架靜態加載設備的特點，研究了以公共電阻電軸電路為核心的螺桿升降機電氣傳動系統，具有自鎖、管線布置簡單、避免環境污染同時保證加載性能指標不變的特點。結合裝置運行過程，研究了一種基于同步轉速控制的整步方式，實驗驗證效果良好。

［1］孫磊.軌道車輛轉向架剛度試驗臺液壓伺服加載系統研究［D］.長春：吉林大學，2007.

［2］曹勇.地鐵車輛轉向架靜壓試驗臺［J］.機車電傳動，2007（6）：51-55.

［3］何報杏.雙小車起重機加裝電氣同步升降裝置［J］.設備管理與維修，1993（9）：19-20.

［4］周岳南.龍門起重機的公共變阻器電軸同步系統［J］.起重運輸機械，1993（2）：6-8.

［5］顧谷繩.電機及拖動基礎［M］.北京：機械工業出版社，1983.