作业车主动轮对和从动轮对磨合试验设计与实现

谭兆海 印 军 王远新

(中国铁路兰州局集团有限公司 甘肃 兰州 730050)

0 引言

作业车是供铁路特种作业的车辆。车轴齿轮箱和轮对轴箱是保证作业车安全作业的关键部件。铁道部在车轴齿轮箱和轮对轴箱检修的相关规则中明确规定车轴齿轮和轮对轴箱组装后必须检查组装状态，轴承的轴向窜动量应符合规定，并进行转速不小于200 r/min，时间不短于5 min的磨合测试，磨合过程中需使用测温仪和专用诊断测试仪测试轴承状态，并做好记录。所以设计、研制车轴齿轮箱和轮对轴箱磨合试验设备，提高铁路作业车的安全技术含量势在必行[1]。

1 系统概述

试验设备主要用于作业车主动轮对(车轴齿轮箱+轮对轴箱)、从动轮对(轮对轴箱)的磨合试验工作。设计采用双工位，既可以对单一轮对进行磨合试验，也可以实现作业车主动轮对和从动轮对同时进行磨合试验。设备具有计算机自动控制和手动控制两种试验运行操作方式，自动控制由计算机软件实现，手动控制时通过操作面板控制按钮实现。

2 功能实现

磨合试验设备主要的试验目的是检测轴承温度。试验时采用温度传感器检测以及监控齿轮箱主动齿轮、被动齿轮、减速箱体和轴箱轴承的温度。

2.1 硬件结构设计

试验台采用双工位设计，主要有操作柜、试验平台、试验工装、驱动装置、检测系统、控制系统组成。轮对安装试验平台根据各种车型轮对的外形和安装特性进行设计，采用各种车轴支撑工装以及锁紧工装来固定车轴齿轮箱。

另外，试验台监测输出电压、输出电流、频率，提供完善的安全保护功能。包括机械安全防护、电气输出过载保护等。试验台总体布置图如图1所示。

图1 试验台总体布置图

(1)车轴齿轮箱试验设备

车轴齿轮箱试验设备主要由试验安装平台、车轴支撑、齿轮箱支撑、集油盒、电机驱动装置和防护装置组成。其三维图如图2所示。

车轴齿轮箱的安装平台采用HT200铸铁平台，长3 m，宽2.5 m。铸铁平台作为被试品安装基础。平台上设计有加强筋，使得其具有足够的强度和稳定度。平台安装表面加工并布置有T型槽，保证安装支架均可在T型槽内进行调节。平台底部设置调整垫铁，用于调整平台的安装面。

车轴支撑装置安装在铸铁平台T型槽中，可根据不同轴承安装距离进行适应性调节。

传动装置是一个电机通过万向联轴器和法兰驱动车轴齿轮箱。为安全起见，对万向联轴器的位置设计了防护罩，起安全保护作用。

电机驱动装置的支撑座用于安装变频电机。支撑座固定在试验平台上，通过旋转手轮左右移动电机的位置，从而实现对准齿轮箱输出法兰。通过增加橡胶垫块满足不同高度的动力输入。

(2)轮对轴箱试验设备

轮对轴箱试验设备主要由试验安装平台、轴箱支撑工装、电机驱动装置和防护装置等组成，其效果图如图3所示。

图3 轮对轴箱试验设备图

此试验设备安装平台也采用HT200铸铁平台，长2.5 m，宽2.5 m。铸铁平台作为被试品安装基础，平台上设计有加强筋，使其具有足够的强度和稳定度。平台安装表面加工并布置T型槽，保证各安装支架均可在T型槽内进行调节。平台底部设置调整垫铁，用于调整平台的安装面。

车轴支撑安装在铸铁平台T型槽中，可根据不同的轴承安装距离进行适应性调节。

电机驱动安装在铸铁平台T型槽中，可根据不同车型进行适应性调节。工装主要由摩擦轮、防护罩、变频电机、电机安装座、夹紧气缸、气缸安装座等组成。

(3)变频驱动设备

变频驱动装置由驱动电机、变频器及制动电阻等组成。其中驱动电机选用变频，可以正反转，转速在0～5 000 r/min范围内可无级变频调速。调速采用工业变频器控制，通过变频器控制面板可手动控制电机运转，也可自动按程序运行。

由于试验时的速度较高、转动惯量较大，试验结束时，若让电机自由停车需要较长的时间，且容易对变频驱动装置造成冲击，本装置设计了制动电阻，进行电阻制动，可使齿轮箱传动装置快速停止运转，反馈能量在电阻上消耗，减少对变频器的冲击。

2.2 测控系统

(1)测控拓扑图

测控系统主要的设备包括工控机、PLC、断路器、A/D转换电路板、各种传感器、变频器和电机。测控拓扑图如图4所示。

图4 测控拓扑图

测控系统是以工控计算机为核心控制设备，对PLC、A/D转换以及变频器进行数据收集和控制。系统通过PLC对主电路中的断路器、接触器等器件进行控制，并反馈电器器件状态，PLC代替了复杂的继电器控制电路，通过软件程序的编写可以灵活地替代中间继电器，方便完善和修改电路；断路器、接触器等器件是用于控制电机运转的主要电器元件，负责电机的启动和停止，在本试验设备中，断路器和接触器是电机主回路中重要的开关器件，断路器主要是接通和断开电源，接触器主要用于对电机进行远程控制和本地控制，保护操作人员。A/D转换电路将传感器的模拟数据变为数字量输入到工控机中；各种传感器包括温度传感器、速度传感器；变频器控制参数是工控机通过485总线进行设置的，该变频器采用模块化设计，具有可编程功能，并且带有基本操作面板，电压、频率等参数都可以在面板上显示。根据电动机的特性参数和电动机运转要求以及负载的特性，变频器可以提供相应的电压、电流、频率；电机选用三相异步电动机，功率分别为22 kW和7.5 kW，并通过万向连接器旋转带动轮轴和齿轮箱转动。

(2)温度测量

温度测量包括轮轴的左、右大小轴承以及油温、环境温度，温度信号的变化相对缓慢，并且需要将温度传感器采集到的温度模拟量数据在智能温度仪表上直接显示。该试验设备的温度传感器采用磁吸贴片式PT100进行温度测量，选用16通道智能温度巡检仪表进行温度信号的处理显示，并以通讯的方式将温度数据传送到计算机进行集中显示和存储，需要将温度曲线直接显示出来。智能温度巡检仪表采用XMT60X系统智能显示仪表，该仪表集成了显示、控制、变送器等多种功能。

(3)转速测试

转速检测采用变频器频率计算得出转速的数值，通过485总线将数值直接传送到工控计算机中。

(4)其他参数测试

试验设备的其他参数包括试验电压和试验电流。电压和电流的测试采用霍尔传感器和信号放大电路构成，将采集到的电压和电流输入到A/D转换电路中，最后上传到计算机中。

(5)设备保护功能

为了使设备安全正常运行，试验设备设计了过载保护功能和紧急停机功能。在电机主回路中，安装过载传感器，当电机发生过载，传感器辅助触点闭合，触发接触器动作断开主回路，使电机断电停止运转。紧急停机功能是主动保护方法，当设备发生故障时，操作人员直接按下停机按钮，强制将电机断电停止运转。

2.3 测控软件设计

(1)人机操作界面

人机操作界面主要实现操作指令的输入、试验参数的设定以及试验状态监视和试验数据的显示。设计选用立式操作，在面板上布置工业计算机、数显仪表及操作按钮、指示灯，既可以使用计算机进行自动操作，也可以通过按钮、变频器操作面板进行手动操作，软件界面如图5所示。

图5 软件界面示意图

试验台具有手动/自动选择试验操作旋钮和紧急停止按钮，通过紧急停止按钮，可在紧急情况下快速停止电机转动。

软件权限分为软件设计管理员、工程师和操作人员3个不同等级的用户权限。不同的权限可进行不同的操作和参数设置。系统记录用户登录信息。管理员具有最高权限，可修改所有的试验参数，主要用于试验设备调试。工程师具有试验工艺参数设定和试验操作权限。可修改试验工艺参数，但不能修改设备设定参数。操作人员具有试验台操作权限，必须按照设定的工艺步骤及参数进行操作，不允许进行新工艺参数和硬件设置参数的修改。这种分级分权限的管理方式可以防止误操作，有利于保护设备的历史数据。

(2)数据处理

数据处理包括试验过程中的实时数据采集、试验结束后数据计算分析与自动生成的报表。报表可以输入被试品的编号、型号、参数以及试验人员等信息，对于部分信息计算机会自动填入试验报表。试验结束后自动生成试验报表。考虑数据安全性和完整性，报表内容写入数据库，查询时数据从数据库中读出。

测试软件有试验历史数据查询功能，可按申请时间或试验编号等信息进行查询。

(3)试验数据

试验数据包括电量、温度、转速3种物理量，转速参数采用监测变频器相关值，通过通讯传送至计算机；温度信号采用温度传感器进行采集传送至计算机；电量信号通过传感器将数值传送到计算机中。

3 应用效果

此试验设备在试验前，先由试验工艺员设置试验的阶段数以及每个阶段的试验转速、试验转向和相应的试验时间，操作员需要选择车型，软件自动调用相应的试验数据自动进行试验，并实时采集温度等数据，生成报表。

该试验设备已经在车辆段经过长时间的测试和使用，由于其检测数据准确，检测效果明显，并且全程自动化，没有人为参与，提高了劳动效率，其效果达到了设计预期，可以对齿轮箱的数据进行定量的分析和判断，显著提升了作业车的检修速度，得到了用户的一致认可和好评。