簡述一種機械封閉功率流聯軸器臺架試驗系統

摘 要 隨著中國鐵路的發展，近幾年高速鐵路及軌道交通的快速發展，高鐵車輛及城市軌道交通車輛數量隨著運營里程的增長而不斷增長。而聯軸器作為軌道車輛傳動部分的一個重要部件也得到越來越多的關注，而軌道車輛聯軸器的型式試驗是檢驗聯軸器產品性能的關鍵所在。目前國內市場中研制軌道車輛聯軸器的臺架試驗系統還非常少;因此能滿足軌道車輛聯軸器型式試驗的臺架設備也非常少。本文闡述了一種機械封閉功率流的臺架試驗系統，解決了目前軌道交通聯軸器對型式試驗存在的一些問題，如試驗功率損耗大、試驗設備壽命短、試驗系統操作復雜、覆蓋試件的參數范圍低等問題。

關鍵詞 機械封閉功率流;聯軸器;扭矩加載器;滑動軸承;變位滑臺

引言

聯軸器臺架試驗系統主要用于檢驗聯軸器的工作性能，疲勞壽命;模擬車輛線路運行中的工作：加減載荷、轉速、溫度、變位情況。用以考核、檢驗、測試聯軸器的各項性能指標。國內目前的試驗臺只可對一般運行環境的聯軸器進行檢測檢驗，無法實現對高速、重載、大變位以及高低溫下的聯軸器進行試驗并實時監控。本封閉功率流試驗臺相比目前國內的試驗臺，具有損耗功率小、試驗扭矩大、轉速高、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、高速運轉振動小、操作簡便等特點。這些性能直接影響了整個臺架系統的可靠性和使用壽命。該設備的研發成功，極大地改善了國內軌道交通聯軸器型式試驗所面臨的問題，也為提高國內聯軸器臺架試驗系統的技術水平奠定了一定的基礎[1]。

1聯軸器臺架試驗系統的原理、總體機構與分析

1.1 臺架試驗系統原理

本封閉功率流試驗系統采用臥式結構，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封閉的機械機構中，同時該扭矩也作用在聯軸器上，當試件和加載器在外部電機的動力驅動下旋轉起來時，功率就在一個閉環的結構中循環，電機只需要補充整體機構的能量損失，比如系統摩擦損耗、系統風阻損耗、攪油損耗等。因此該機構如設計合理，既能滿足聯軸器試驗功率范圍大的需求，又能以非常小的能耗進行試驗。

1.2 臺架試驗系統總體機構及參數

1.控制系統 2.主機系統 3.潤滑冷卻系統 4.液壓系統

5.測溫系統 6.測噪音系統 7.環境箱

聯軸器臺架試驗系統（圖1）主要由主機系統、控制系統、液壓系統，輔助潤滑系統，冷卻系統，測溫系統，測噪音系統和環境箱系統等主要部分組成。試驗系統達到的主要參數如下：試樣軸最高轉速：6049r/min（可調），轉速精度±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，調節精度0.1mm;最大軸向位移：±30mm，頻率0.1-2Hz，調節精度0.1mm;控制方式：轉速、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;自動保護功能：扭矩設定保護;轉速設定保護;位移設定保護;油溫超調保護;液位保護;限位保護[2]。

1.3 臺架試驗系統主機機構的組成及工作原理

臺架試驗系統的機械設計部分主要在試驗臺主機結構的設計，主機各部件的設計以及各個部件的位置布置決定了整個系統的性能好壞。主機主要由工作平臺，驅動電機、前后端齒輪箱、位移滑臺裝置、扭矩加載器及油路分配器、扭矩轉速傳感器，軸承座，膜片聯軸器，波紋管聯軸器等組成。其中驅動電機通過電機支架固定在工作臺上、前后端齒輪箱、移動滑臺裝置等布置在工作平臺上。不同的試樣對應相應的專用夾具，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，測頭對準試樣采集溫度。主機的工作原理（圖2）：將扭矩加載器，扭矩轉速傳感器，試樣，軸承座等部件通過工作臺上的兩個齒輪箱串聯在一個封閉環中，兩端齒輪箱傳動比為1：4.28，電機和扭矩加載器安裝在低速軸上，試樣和扭矩轉速傳感器安裝在高速軸上，最高轉速能達到6049 r/min，扭矩能達到4000N.m。設備扭矩加載器施加扭矩通過齒輪箱傳遞到試樣上，再通過變頻電機帶動其中一個齒輪箱向扭矩相反方向旋轉，從而使整個機構運轉起來，這樣試樣即作為整個機構的傳動裝置又是試驗對象，同時通過位移滑臺裝置來實現試樣的軸向和徑向位移工況，最終達到試樣模擬實際工況的目的。同時整個系統利用齒輪箱將加載功率封閉起來，在傳動鏈中形成寄生功率，電機只是負擔整個機械系統的摩擦損耗、攪油損耗、旋轉風阻損耗等的損耗功率，從而達到節能目的[3]。

1.4 臺架試驗系統的技術特點

系統中設置了3個滑動軸承座，安裝在高速軸系Ⅰ中。滑動軸承座采用的是軸瓦技術，通過循環潤滑油給軸瓦潤滑和散熱;采用這種技術解決了試件在做變位運動時產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軸器進行變位試驗。這項技術的運用使得臺架系統能測試聯軸器的參數范圍得以很大提升，這也是目前國內試驗臺所不具有的特點。

系統結構中采用了波紋管聯軸器和膜片聯軸器，解決了兩軸系同軸度和安裝困難的問題。該技術運用使得試驗平臺在調節同軸度的難度上大大降低，因此試驗安裝過程的效率得到提升。

系統結構中采用了X、Y方向的滑移平臺，解決了聯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，調節精度為0.1mm，X、Y方向的推力最大為30KN;且能實現X、Y方向的多種波形組合運動方式。該技術解決了軌道交通聯軸器實際運動的多工況需求。

該系統配備了環境箱，能給試驗的聯軸器提供各種極限環境的溫度。環境箱的參數：可控溫度范圍：-50℃～+50℃（可設定任意溫度點）;升溫速率：3℃～5℃/min ;降溫速率：0.7℃～1℃/ min;恒溫后溫度波動度：±2℃（100℃范圍內）。該技術在臺架試驗系統的運用打破了目前國內所有聯軸器試驗系統都不具備高低溫試驗的困境[4]。

1.5 臺架系統數字伺服控制器工作原理

從液壓源輸出的高壓油流經濾油器、蓄能器進入電液伺服閥，同時由電控系統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，把電信號轉變為油的流量，高壓油交變地輸入到動作器的動作腔，驅動活塞高速往復運動和擺動，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生的扭矩值與電控系統給定的設定信號有相同的變化，這時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，從而構成閉環系統進行工作。

1.6 臺架系統安全保護功能

軌道交通聯軸器型式試驗都是長時間運轉，工作過程在規定要求內允許無人看守，所以要求設備具有完備的保護功能。根據保護的形式可以分硬保護和軟保護;硬保護有電機缺相保護、油溫互鎖保護，濾芯堵塞保護，急停保護等，當上述任何一項保護發生時，系統都會自動停機，同時伴有報警提示。該臺架系統保護功能有：扭矩設定保護; 轉速設定保護;位移設定保護;油溫超調保護;液位保護;限位保護[5]。

2結束語

機械功率封閉流聯軸器臺架試驗系統的成功研制，改善了目前軌道交通聯軸器的試驗條件;不僅能測試軌道交通各系列的聯軸器，也能以更加符合實際的工況去模擬聯軸器的運轉情況。這為軌道交通聯軸器的國產化進程也起到了重要作用。

參考文獻

[1] 許紅平.機械傳動系統多功能試驗臺的設計研究[J].機電工程， 2002（3）：10-12.

[2] 徐龍祥.高速旋轉機械軸系動力學設計[M].北京：國防工業出版社，1994：109.

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

[4] 吳立言.機械傳動系統可靠性分析[J].機械傳動，2003（2）：18-20.

[5] 孫桓.機械原理[M].北京：高等教育出版社，2001：73.

作者簡介

謝磊（1986-），男，北京人;畢業院校：湖南科技大學，學歷：本科;現就職單位：康為同創集團有限公司，研究方向：軌道交通車輛的傳動系統。