高速動車組齒輪箱例行試驗臺的研制

馬玉強

(中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011)

高速動車組齒輪箱是車輛動力轉向架的關鍵零部件之一，其性能和質量的好壞，直接影響到傳動系統的工作性能和壽命[1]。齒輪箱組裝完成后，需要在出廠前進行例行試驗，在各級轉速下測量齒輪箱的溫度及振動，檢驗其潤滑與密封系統是否可靠、軸承溫升及齒輪嚙合是否正常，同時也使潤滑油充分黏附。

試驗臺是對高速動車組齒輪箱進行例行試驗的專用設備，通過驅動電機帶動齒輪箱小齒輪軸，即從齒輪箱的輸入端施加一定的動力，模擬動車齒輪箱各個工況下的空載運行，在試驗過程中同時監測齒輪箱各項性能指標，對齒輪箱進行試驗評價。

1 試驗臺性能特點

中車戚墅堰機車車輛工藝研究所有限公司自主研制的高速動車組齒輪箱例行試驗臺采用專門設計的車軸支撐裝置(見圖1)，具有試驗轉速高，運行平穩，裝拆快捷，數據采集、處理及存儲方便，自動化程度高的優點，可進行420 km/h以下各種速度等級的高鐵及城際動車組齒輪箱的例行跑合試驗。試驗臺主要性能特點有：

圖1 試驗臺實物

(1)試驗臺基座采用鑄鐵平臺，設有能夠調整安裝位置的標準“T”型槽，便于工裝調整安裝；

(2)設有專用車軸支撐裝置安裝車軸，使齒輪箱在高速運行過程中安全可靠；

(3)齒輪箱輸入軸(小齒輪軸)的轉速可在0～6 500 r/min內連續調節，轉速、轉向、運行時間可在控制界面上任意設定；

(4)試驗臺可分別進行自動或手動控制，轉速誤差控制在最高轉速±0.1%的范圍之內；

(5)試驗運行過程中可進行5通道齒輪箱溫升、1通道環境溫度及3通道振動測試記錄，計算機自動數據采集、存儲，可打印輸出時間-溫度曲線。

2 試驗臺系統組成

試驗臺由鐵平臺、機械系統、驅動系統及測控系統等模塊構成。其中鐵平臺作為安裝工作臺，機械系統起動力傳遞、支撐定位齒輪箱及調整驅動電機位置的作用，驅動系統為被試齒輪箱提供動力，測控系統負責對被試齒輪箱的各種工況模擬控制及試驗數據(溫度、振動)的采集、記錄與處理[2]。

(1)機械系統

機械系統包括車軸支撐裝置、齒輪箱吊掛固定裝置、電機調整裝置以及帶傳動機構，如圖2所示。

1—車軸支撐裝置；2—吊掛固定裝置；3—電機調整裝置；4—帶傳動機構；5—電機；6—被試齒輪箱；7—鐵平臺。圖2 試驗臺機械系統

為了滿足高轉速試驗需求，專門設計制作了車軸支撐裝置用來支撐定位車軸，如圖3所示。安裝平臺上的軸承箱為整體式結構，試驗臺左右側各布置一個，軸箱體上方設有注油口，內壁下部設置有油池，可以增加集油容積，增強潤滑及冷卻效果。采用圓柱滾子軸承承重支撐，深溝球軸承限位緊定。試驗時為了避免車軸劃傷，結合車軸尺寸設計有車軸保護套，材質為圓筒薄壁合金鋼件，更改車軸保護套以及軸承適配座，可適配不同尺寸的車軸軸頸，并匹配圓柱滾子軸承的內徑尺寸，充當圓柱滾子軸承內圈的作用；在套裝于車軸兩端軸頸后，可將軸承箱沿著水平方向直接推入軸頸位置，這樣可有效保護車軸表面；車軸保護套的外圓也設有階梯臺階，在推入軸箱體時起軸向定位作用。拆卸時只需推移開軸承箱，取下車軸保護套即可，操作簡單、方便裝拆、組裝效率高、試驗安全，可靠性高。

1—軸箱體；2—定位環；3—深溝球軸承；4—軸承適配座；5—圓柱滾子軸承；6—端蓋；7—車軸保護套。圖3 車軸支撐裝置

吊掛固定裝置中的可滑移底座包括底盤和焊接在底盤上的圓柱形螺桿，圓柱形螺桿的中心設有螺紋孔，螺桿上半部套裝有用于支撐齒輪箱的托板，托板上方的螺桿配有鎖緊螺母，通過螺桿的旋入和旋出，調整托板的支撐高度，滿足不同吊掛位置齒輪箱的安裝。

電機調整裝置包括固定安裝在試驗臺基座上的底板，在底板上裝有一條直線滑軌及兩條“T”型槽導軌，其上一層放置有可移動的上平板，上平板的底部設有導向凸臺，與導軌配合滑移；電機安裝在上平板，底板與上平板之間又設有滾珠絲杠，在滾珠絲杠的端部安裝手輪，通過旋轉手輪驅動上平板運動，這樣可有效調整變頻電機前后方向的位置，同時起到組裝時張緊皮帶、拆卸時松弛皮帶的作用，并且方便齒輪箱的拆裝。

考慮到被試齒輪箱小齒輪軸高轉速的輸入要求，同時盡量避免傳動鏈對被試件的振動影響，設計采用帶傳動機構。在電機的主軸上熱裝有大帶輪，大帶輪通過2根SPA型窄V皮帶與壓裝在齒輪箱輸入端小齒輪軸上的小帶輪連接，大、小帶輪的皮帶傳動比為2～3，小帶輪材質選用尼龍材料，這樣既滿足了高轉速的試驗輸入要求，又避免了小齒輪軸被擦傷，同時有效隔離了電機運轉帶來的振動影響。

(2)驅動系統

驅動系統采用電傳動形式，包括變頻電機及變頻單元，通過編碼器反饋調整電機轉速，可控制轉速誤差不超出最高轉速的±0.1%。由于上述帶傳動機構的增速作用，且齒輪箱空載啟動扭矩不大，這里選用標準型2級變頻電機驅動，電機額定功率20 kW，最高轉速3 000 r/min左右，經升速后即可達到齒輪箱輸入端6 500 r/min的試驗需求，降低了對電機性能的要求。

(3)測控系統

試驗臺測控系統主要由PLC和工控機組成，通過網絡通信實現整個控制系統的監控功能，涵蓋了轉速、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，實現試驗數據的自動化采集。測控系統架構如圖4所示。

圖4 測控系統框圖

控制系統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；上位機為測控系統工控機，負責人機界面及數據交換，實現試驗臺的試驗操作；上下位機采用工業以太網通訊。變頻器采用目前工業系統使用最為廣泛的Profibus-DP總線與主控PLC連接，物理介質為工業雙絞線，最高的傳輸速率為12 MB/s；主控PLC通過RS485方式與工控機PC連接，以減少現場信號線的數量和開發工程量，節省投資，方便維修。

如圖5所示，上位機軟件的操作運行狀態的界面布局為：頂欄顯示當前項目信息(產品編號、車軸號、箱體編號)、時間及當前操作者的用戶名；中間欄為操作監控畫面區，用于顯示齒輪箱各軸承的實時測量溫度，以及電機狀態參數(轉速、功率、扭矩、電流、溫度)；界面下部區域包括自動/手動運行模式選擇、啟動/停止按鈕，用于控制齒輪箱輸入軸的轉速；底欄是軟件的功能鍵，用于切換不同的現場監控畫面。

圖5 主控界面

齒輪箱試驗運行過程中采集并顯示轉速-時間曲線，實時記錄6通道溫升曲線及同步采集記錄3通道振動速度曲線，溫度測量范圍：0～+150 ℃，振動速度測量范圍：0～20 mm/s。此外，當溫度、轉速或振動超出規定值時，試驗臺能夠聲光報警或自動停機。

3 試驗內容

目前高速動車組齒輪箱例行試驗主要參照標準《TB/T 3134—2013動車組用驅動齒輪箱》以及CRCC鐵路產品認證技術條件《TD/B 1399-ZXJ-006動車組齒輪箱組成》的相關條款，編寫對應的《齒輪箱例行試驗大綱》進行試驗。具體試驗過程如下：

首先，將試驗齒輪箱組裝到試驗臺上，在齒輪箱分箱面及軸承座迷宮密封處噴密封檢查著色劑；其次用手轉動小齒輪，要求小齒輪轉動均勻正常，不應有異常碰擊、強烈摩擦聲或轉動不暢的情況，否則應找出原因，加以排除后才允許試驗；再次從注油口加入規定用潤滑油至齒輪箱油標中油位；最后，啟動電機，按圖6試驗模式進行運轉試驗。

試驗結束后，觀察齒輪箱各密封部位是否有潤滑油滲漏，檢查磁性油堵是否有塊狀或片狀吸附物，記錄并打印出溫度-時間曲線、振動-時間曲線(見表1)。

表1 試驗數據

圖6 例行試驗模式

4 結束語

試驗臺投入使用3年多來，運行穩定可靠，裝拆效率高，數據采集、處理及存儲方便，可滿足各種型號、不同速度等級的齒輪箱例行試驗，已成為高速動車組齒輪箱生產工序中的一套關鍵設備。另外，還進行了裝有輪對的車軸齒輪箱跑合試驗，試驗臺無異常振動及溫升，狀態良好。今后結合智能制造車間的信息化建設，可考慮將試驗臺測控系統接入現場MES系統，與上游系統信息交互，實現數據互聯，完成試驗報告上傳。