作業車主動輪對和從動輪對磨合試驗設計與實現

譚兆海 印 軍 王遠新

(中國鐵路蘭州局集團有限公司 甘肅 蘭州 730050)

0 引言

作業車是供鐵路特種作業的車輛。車軸齒輪箱和輪對軸箱是保證作業車安全作業的關鍵部件。鐵道部在車軸齒輪箱和輪對軸箱檢修的相關規則中明確規定車軸齒輪和輪對軸箱組裝后必須檢查組裝狀態，軸承的軸向竄動量應符合規定，并進行轉速不小于200 r/min，時間不短于5 min的磨合測試，磨合過程中需使用測溫儀和專用診斷測試儀測試軸承狀態，并做好記錄。所以設計、研制車軸齒輪箱和輪對軸箱磨合試驗設備，提高鐵路作業車的安全技術含量勢在必行[1]。

1 系統概述

試驗設備主要用于作業車主動輪對(車軸齒輪箱+輪對軸箱)、從動輪對(輪對軸箱)的磨合試驗工作。設計采用雙工位，既可以對單一輪對進行磨合試驗，也可以實現作業車主動輪對和從動輪對同時進行磨合試驗。設備具有計算機自動控制和手動控制兩種試驗運行操作方式，自動控制由計算機軟件實現，手動控制時通過操作面板控制按鈕實現。

2 功能實現

磨合試驗設備主要的試驗目的是檢測軸承溫度。試驗時采用溫度傳感器檢測以及監控齒輪箱主動齒輪、被動齒輪、減速箱體和軸箱軸承的溫度。

2.1 硬件結構設計

試驗臺采用雙工位設計，主要有操作柜、試驗平臺、試驗工裝、驅動裝置、檢測系統、控制系統組成。輪對安裝試驗平臺根據各種車型輪對的外形和安裝特性進行設計，采用各種車軸支撐工裝以及鎖緊工裝來固定車軸齒輪箱。

另外，試驗臺監測輸出電壓、輸出電流、頻率，提供完善的安全保護功能。包括機械安全防護、電氣輸出過載保護等。試驗臺總體布置圖如圖1所示。

圖1 試驗臺總體布置圖

(1)車軸齒輪箱試驗設備

車軸齒輪箱試驗設備主要由試驗安裝平臺、車軸支撐、齒輪箱支撐、集油盒、電機驅動裝置和防護裝置組成。其三維圖如圖2所示。

車軸齒輪箱的安裝平臺采用HT200鑄鐵平臺，長3 m，寬2.5 m。鑄鐵平臺作為被試品安裝基礎。平臺上設計有加強筋，使得其具有足夠的強度和穩定度。平臺安裝表面加工并布置有T型槽，保證安裝支架均可在T型槽內進行調節。平臺底部設置調整墊鐵，用于調整平臺的安裝面。

車軸支撐裝置安裝在鑄鐵平臺T型槽中，可根據不同軸承安裝距離進行適應性調節。

傳動裝置是一個電機通過萬向聯軸器和法蘭驅動車軸齒輪箱。為安全起見，對萬向聯軸器的位置設計了防護罩，起安全保護作用。

電機驅動裝置的支撐座用于安裝變頻電機。支撐座固定在試驗平臺上，通過旋轉手輪左右移動電機的位置，從而實現對準齒輪箱輸出法蘭。通過增加橡膠墊塊滿足不同高度的動力輸入。

(2)輪對軸箱試驗設備

輪對軸箱試驗設備主要由試驗安裝平臺、軸箱支撐工裝、電機驅動裝置和防護裝置等組成，其效果圖如圖3所示。

圖3 輪對軸箱試驗設備圖

此試驗設備安裝平臺也采用HT200鑄鐵平臺，長2.5 m，寬2.5 m。鑄鐵平臺作為被試品安裝基礎，平臺上設計有加強筋，使其具有足夠的強度和穩定度。平臺安裝表面加工并布置T型槽，保證各安裝支架均可在T型槽內進行調節。平臺底部設置調整墊鐵，用于調整平臺的安裝面。

車軸支撐安裝在鑄鐵平臺T型槽中，可根據不同的軸承安裝距離進行適應性調節。

電機驅動安裝在鑄鐵平臺T型槽中，可根據不同車型進行適應性調節。工裝主要由摩擦輪、防護罩、變頻電機、電機安裝座、夾緊氣缸、氣缸安裝座等組成。

(3)變頻驅動設備

變頻驅動裝置由驅動電機、變頻器及制動電阻等組成。其中驅動電機選用變頻，可以正反轉，轉速在0～5 000 r/min范圍內可無級變頻調速。調速采用工業變頻器控制，通過變頻器控制面板可手動控制電機運轉，也可自動按程序運行。

由于試驗時的速度較高、轉動慣量較大，試驗結束時，若讓電機自由停車需要較長的時間，且容易對變頻驅動裝置造成沖擊，本裝置設計了制動電阻，進行電阻制動，可使齒輪箱傳動裝置快速停止運轉，反饋能量在電阻上消耗，減少對變頻器的沖擊。

2.2 測控系統

(1)測控拓撲圖

測控系統主要的設備包括工控機、PLC、斷路器、A/D轉換電路板、各種傳感器、變頻器和電機。測控拓撲圖如圖4所示。

圖4 測控拓撲圖

測控系統是以工控計算機為核心控制設備，對PLC、A/D轉換以及變頻器進行數據收集和控制。系統通過PLC對主電路中的斷路器、接觸器等器件進行控制，并反饋電器器件狀態，PLC代替了復雜的繼電器控制電路，通過軟件程序的編寫可以靈活地替代中間繼電器，方便完善和修改電路；斷路器、接觸器等器件是用于控制電機運轉的主要電器元件，負責電機的啟動和停止，在本試驗設備中，斷路器和接觸器是電機主回路中重要的開關器件，斷路器主要是接通和斷開電源，接觸器主要用于對電機進行遠程控制和本地控制，保護操作人員。A/D轉換電路將傳感器的模擬數據變為數字量輸入到工控機中；各種傳感器包括溫度傳感器、速度傳感器；變頻器控制參數是工控機通過485總線進行設置的，該變頻器采用模塊化設計，具有可編程功能，并且帶有基本操作面板，電壓、頻率等參數都可以在面板上顯示。根據電動機的特性參數和電動機運轉要求以及負載的特性，變頻器可以提供相應的電壓、電流、頻率；電機選用三相異步電動機，功率分別為22 kW和7.5 kW，并通過萬向連接器旋轉帶動輪軸和齒輪箱轉動。

(2)溫度測量

溫度測量包括輪軸的左、右大小軸承以及油溫、環境溫度，溫度信號的變化相對緩慢，并且需要將溫度傳感器采集到的溫度模擬量數據在智能溫度儀表上直接顯示。該試驗設備的溫度傳感器采用磁吸貼片式PT100進行溫度測量，選用16通道智能溫度巡檢儀表進行溫度信號的處理顯示，并以通訊的方式將溫度數據傳送到計算機進行集中顯示和存儲，需要將溫度曲線直接顯示出來。智能溫度巡檢儀表采用XMT60X系統智能顯示儀表，該儀表集成了顯示、控制、變送器等多種功能。

(3)轉速測試

轉速檢測采用變頻器頻率計算得出轉速的數值，通過485總線將數值直接傳送到工控計算機中。

(4)其他參數測試

試驗設備的其他參數包括試驗電壓和試驗電流。電壓和電流的測試采用霍爾傳感器和信號放大電路構成，將采集到的電壓和電流輸入到A/D轉換電路中，最后上傳到計算機中。

(5)設備保護功能

為了使設備安全正常運行，試驗設備設計了過載保護功能和緊急停機功能。在電機主回路中，安裝過載傳感器，當電機發生過載，傳感器輔助觸點閉合，觸發接觸器動作斷開主回路，使電機斷電停止運轉。緊急停機功能是主動保護方法，當設備發生故障時，操作人員直接按下停機按鈕，強制將電機斷電停止運轉。

2.3 測控軟件設計

(1)人機操作界面

人機操作界面主要實現操作指令的輸入、試驗參數的設定以及試驗狀態監視和試驗數據的顯示。設計選用立式操作，在面板上布置工業計算機、數顯儀表及操作按鈕、指示燈，既可以使用計算機進行自動操作，也可以通過按鈕、變頻器操作面板進行手動操作，軟件界面如圖5所示。

圖5 軟件界面示意圖

試驗臺具有手動/自動選擇試驗操作旋鈕和緊急停止按鈕，通過緊急停止按鈕，可在緊急情況下快速停止電機轉動。

軟件權限分為軟件設計管理員、工程師和操作人員3個不同等級的用戶權限。不同的權限可進行不同的操作和參數設置。系統記錄用戶登錄信息。管理員具有最高權限，可修改所有的試驗參數，主要用于試驗設備調試。工程師具有試驗工藝參數設定和試驗操作權限。可修改試驗工藝參數，但不能修改設備設定參數。操作人員具有試驗臺操作權限，必須按照設定的工藝步驟及參數進行操作，不允許進行新工藝參數和硬件設置參數的修改。這種分級分權限的管理方式可以防止誤操作，有利于保護設備的歷史數據。

(2)數據處理

數據處理包括試驗過程中的實時數據采集、試驗結束后數據計算分析與自動生成的報表。報表可以輸入被試品的編號、型號、參數以及試驗人員等信息，對于部分信息計算機會自動填入試驗報表。試驗結束后自動生成試驗報表。考慮數據安全性和完整性，報表內容寫入數據庫，查詢時數據從數據庫中讀出。

測試軟件有試驗歷史數據查詢功能，可按申請時間或試驗編號等信息進行查詢。

(3)試驗數據

試驗數據包括電量、溫度、轉速3種物理量，轉速參數采用監測變頻器相關值，通過通訊傳送至計算機；溫度信號采用溫度傳感器進行采集傳送至計算機；電量信號通過傳感器將數值傳送到計算機中。

3 應用效果

此試驗設備在試驗前，先由試驗工藝員設置試驗的階段數以及每個階段的試驗轉速、試驗轉向和相應的試驗時間，操作員需要選擇車型，軟件自動調用相應的試驗數據自動進行試驗，并實時采集溫度等數據，生成報表。

該試驗設備已經在車輛段經過長時間的測試和使用，由于其檢測數據準確，檢測效果明顯，并且全程自動化，沒有人為參與，提高了勞動效率，其效果達到了設計預期，可以對齒輪箱的數據進行定量的分析和判斷，顯著提升了作業車的檢修速度，得到了用戶的一致認可和好評。