聯軸器試驗系統偏擺裝置優化設計

青克爾，楊秀光，白 峰，王榮剛

(中機試驗裝備股份有限公司，吉林 長春 130103)

1 引 言

近20年來，我國鐵路行業快速發展，高速鐵路和地鐵發展尤其迅速。聯軸器是高速列車驅動的關鍵部件，其主要作用是將牽引電機的扭矩有效傳遞到齒輪箱中，并能適應牽引電機輸出軸與齒輪箱之間較大的軸向、徑向跳動的復雜環境。

隨著高速鐵路關鍵部件的國產化，測試聯軸器性能的試驗系統的研發成為試驗機企業的巨大機遇和挑戰，怎樣使試驗系統能夠有效地模擬聯軸器的實際運行工況成為重中之重。其中，模擬聯軸器位移補償功能的偏擺裝置是試驗系統的重要組成。

本偏擺裝置是中機試驗裝備股份有限公司生產的聯軸器試驗系統的關鍵部件，能實現聯軸器運行過程中軸向、徑向偏移，具有位移行程能夠有效控制的特點，同時能采集聯軸器偏擺過程中產生的附加軸向和徑向摩擦力。

2 聯軸器主要技術指標

轉速范圍：0-7000r/min；

扭矩范圍：±5000N·m；

軸向位移范圍：±10mm；

徑向位移范圍：±20mm；

位移精度：±0.1mm；

位移頻率：0-2Hz；

測力范圍：0-30kN。

3 偏擺裝置結構及工作原理

3.1 工作原理

本偏擺裝置主要由軸向、徑向直線作動器，軸向、徑向力傳感器，軸向、徑向位移傳感器，液壓系統，伺服控制系統等組成，工作原理圖如圖1所示。被測聯軸器數量為2個，中間安裝1個軸承座，軸向和徑向直線作動器推動中間軸承座做軸向和徑向移動，從而聯軸器產生軸向和徑向偏移。液壓系統為直線作動器提供動力源，伺服控制器精確控制直線作動器的位移量，力傳感器采集聯軸器產生的摩擦力。

圖1 工作原理圖

3.2 偏擺裝置結構

偏擺裝置結構主要由軸向支撐臺、徑向支撐臺、軸向伺服作動器、徑向伺服作動器、軸向作動器安裝座、徑向作動器安裝座、軸向直線導軌、徑向直線導軌、標尺、伺服閥、伺服閥塊、力傳感器、位移傳感器、軸向徑向液壓膠管等幾部分組成。

(1)偏擺裝置結構Ⅰ

偏擺裝置結構Ⅰ主要特點是軸向和徑向作動器逐層疊加安裝，徑向直線作動器缸筒端固定在工作臺上，活塞桿端固定在徑向支撐臺上，軸向直線作動器缸筒端固定在徑向支撐臺上，活塞桿端固定在軸向支撐臺上，軸向支撐臺通過導軌安裝在徑向支撐臺上，軸向支撐臺上安裝聯軸器中間軸承座，如圖2所示。

圖2 偏擺裝置結構Ⅰ

(2)偏擺裝置結構Ⅱ

偏擺裝置結構Ⅱ主要特點是軸向和徑向作動器均獨立安裝，徑向直線作動器缸筒端固定在工作臺上，活塞桿端固定在徑向支撐臺上，軸向直線作動器缸筒端也固定在工作臺上，活塞桿端固定在軸向支撐臺上，徑向支撐臺通過導軌安裝在軸向支撐臺上，軸向支撐臺上安裝聯軸器中間軸承座，如圖3所示。

圖3 偏擺裝置結構Ⅱ

3.3 液壓系統

液壓系統主要為擺動作動器和直線作動器提供動力，如圖4所示，主要由油泵電機組、油箱、油源冷卻系統、動力配電箱、管路系統及液壓附件組成，設計流量為60L/min，額定壓力為28MPa，冷卻系統采用釬焊板式換熱器。

圖4 液壓系統

3.4 伺服控制系統

伺服控制系統包括強電控制系統、工控機、可編程控制器(PLC)及試驗軟件等部分，由控制器、驅動器、放大器等組成，電控系統給定的電信號與位移傳感器輸出的反饋信號比較，將差值信號送至電液伺服閥，閉環控制直線作動器位移量。試驗軟件系統運行在WINDOWS操作系統上，所有操作均在虛擬界面上進行，操作直觀，便捷。

4 偏擺裝置運動分析

4.1 偏擺裝置結構Ⅰ

偏擺裝置結構Ⅰ的軸向直線作動器安裝在徑向支撐架上，軸向直線作動器的零點位置隨徑向直線作動器的運動變化，所以該結構的軸向、徑向直線作動器的位移就是聯軸器的軸向和徑向偏移量，試驗數據如表1所示。

表1 偏擺裝置結構Ⅰ位移值

4.2 偏擺裝置結構Ⅱ

偏擺裝置結構Ⅱ的徑向直線作動器軸線與聯軸器的軸線夾角隨著軸向直線作動器的運動發生變化，因此聯軸器實際徑向位移與徑向直線作動器的命令值存在偏差。偏擺裝置簡化結構圖如圖5所示。

圖5 偏擺裝置結構Ⅱ結構簡圖

H1為直線作動器長度，O和O1為軸向直線作動器活塞和缸筒支點，O2和O3為徑向直線作動器缸筒和活塞支點，A為軸向直線作動器的運動瞬時位置，B為徑向直線作動器運動的瞬時位置。

軸向和徑向運動位移為：

式中：x為軸向油缸運動振幅；y為徑向油缸運動振幅；f1為軸向油缸運動頻率；f2為徑向油缸運動頻率；φ為軸向油缸與徑向油缸相位差；t為運動時間。

根據三角函數關系可得：

則有：

其中，y1為O2O3的長度。

其中，y2為O3B的長度。

徑向作動器需要實現位移量為：

Y=y1+y2-H1

從上述函數關系可得，當軸向位移達到最大時，夾角α最大，徑向位移達到最大時產生的誤差最大，計算結果如表2所示。

5 結束語

本文介紹了聯軸器試驗系統的兩種偏擺裝置結構，從計算和試驗結果可知，兩種結構均能滿足聯軸器性能試驗的模擬軸向徑向偏移工況，且位移精度均在0.1mm以內。兩種偏擺機構的區別在于，偏擺裝置Ⅰ的結構緊湊，但垂直高度較高，不適用于垂向高度尺寸受限制的試驗系統；偏擺裝置Ⅱ具有垂向高度低和高剛度的特點，但此種結構當軸向位移需求達到15mm時，徑向位移控制精度達不到0.1mm精度要求，需要采用具有耦合加載功能的控制器才能滿足要求。

表2 偏擺裝置結構Ⅱ位移值