青克爾，楊秀光，白 峰，王榮剛

(中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司，吉林 長(zhǎng)春 130103)

1 引 言

近20年來(lái)，我國(guó)鐵路行業(yè)快速發(fā)展，高速鐵路和地鐵發(fā)展尤其迅速。聯(lián)軸器是高速列車驅(qū)動(dòng)的關(guān)鍵部件，其主要作用是將牽引電機(jī)的扭矩有效傳遞到齒輪箱中，并能適應(yīng)牽引電機(jī)輸出軸與齒輪箱之間較大的軸向、徑向跳動(dòng)的復(fù)雜環(huán)境。

隨著高速鐵路關(guān)鍵部件的國(guó)產(chǎn)化，測(cè)試聯(lián)軸器性能的試驗(yàn)系統(tǒng)的研發(fā)成為試驗(yàn)機(jī)企業(yè)的巨大機(jī)遇和挑戰(zhàn)，怎樣使試驗(yàn)系統(tǒng)能夠有效地模擬聯(lián)軸器的實(shí)際運(yùn)行工況成為重中之重。其中，模擬聯(lián)軸器位移補(bǔ)償功能的偏擺裝置是試驗(yàn)系統(tǒng)的重要組成。

本偏擺裝置是中機(jī)試驗(yàn)裝備股份有限公司生產(chǎn)的聯(lián)軸器試驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，能實(shí)現(xiàn)聯(lián)軸器運(yùn)行過(guò)程中軸向、徑向偏移，具有位移行程能夠有效控制的特點(diǎn)，同時(shí)能采集聯(lián)軸器偏擺過(guò)程中產(chǎn)生的附加軸向和徑向摩擦力。

2 聯(lián)軸器主要技術(shù)指標(biāo)

轉(zhuǎn)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(cè)力范圍：0-30kN。

3 偏擺裝置結(jié)構(gòu)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(dòng)器，軸向、徑向力傳感器，軸向、徑向位移傳感器，液壓系統(tǒng)，伺服控制系統(tǒng)等組成，工作原理圖如圖1所示。被測(cè)聯(lián)軸器數(shù)量為2個(gè)，中間安裝1個(gè)軸承座，軸向和徑向直線作動(dòng)器推動(dòng)中間軸承座做軸向和徑向移動(dòng)，從而聯(lián)軸器產(chǎn)生軸向和徑向偏移。液壓系統(tǒng)為直線作動(dòng)器提供動(dòng)力源，伺服控制器精確控制直線作動(dòng)器的位移量，力傳感器采集聯(lián)軸器產(chǎn)生的摩擦力。

圖1 工作原理圖

3.2 偏擺裝置結(jié)構(gòu)

偏擺裝置結(jié)構(gòu)主要由軸向支撐臺(tái)、徑向支撐臺(tái)、軸向伺服作動(dòng)器、徑向伺服作動(dòng)器、軸向作動(dòng)器安裝座、徑向作動(dòng)器安裝座、軸向直線導(dǎo)軌、徑向直線導(dǎo)軌、標(biāo)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(jié)構(gòu)Ⅰ

偏擺裝置結(jié)構(gòu)Ⅰ主要特點(diǎn)是軸向和徑向作動(dòng)器逐層疊加安裝，徑向直線作動(dòng)器缸筒端固定在工作臺(tái)上，活塞桿端固定在徑向支撐臺(tái)上，軸向直線作動(dòng)器缸筒端固定在徑向支撐臺(tái)上，活塞桿端固定在軸向支撐臺(tái)上，軸向支撐臺(tái)通過(guò)導(dǎo)軌安裝在徑向支撐臺(tái)上，軸向支撐臺(tái)上安裝聯(lián)軸器中間軸承座，如圖2所示。

圖2 偏擺裝置結(jié)構(gòu)Ⅰ

(2)偏擺裝置結(jié)構(gòu)Ⅱ

偏擺裝置結(jié)構(gòu)Ⅱ主要特點(diǎn)是軸向和徑向作動(dòng)器均獨(dú)立安裝，徑向直線作動(dòng)器缸筒端固定在工作臺(tái)上，活塞桿端固定在徑向支撐臺(tái)上，軸向直線作動(dòng)器缸筒端也固定在工作臺(tái)上，活塞桿端固定在軸向支撐臺(tái)上，徑向支撐臺(tái)通過(guò)導(dǎo)軌安裝在軸向支撐臺(tái)上，軸向支撐臺(tái)上安裝聯(lián)軸器中間軸承座，如圖3所示。

圖3 偏擺裝置結(jié)構(gòu)Ⅱ

3.3 液壓系統(tǒng)

液壓系統(tǒng)主要為擺動(dòng)作動(dòng)器和直線作動(dòng)器提供動(dòng)力，如圖4所示，主要由油泵電機(jī)組、油箱、油源冷卻系統(tǒng)、動(dòng)力配電箱、管路系統(tǒng)及液壓附件組成，設(shè)計(jì)流量為60L/min，額定壓力為28MPa，冷卻系統(tǒng)采用釬焊板式換熱器。

圖4 液壓系統(tǒng)

3.4 伺服控制系統(tǒng)

伺服控制系統(tǒng)包括強(qiáng)電控制系統(tǒng)、工控機(jī)、可編程控制器(PLC)及試驗(yàn)軟件等部分，由控制器、驅(qū)動(dòng)器、放大器等組成，電控系統(tǒng)給定的電信號(hào)與位移傳感器輸出的反饋信號(hào)比較，將差值信號(hào)送至電液伺服閥，閉環(huán)控制直線作動(dòng)器位移量。試驗(yàn)軟件系統(tǒng)運(yùn)行在WINDOWS操作系統(tǒng)上，所有操作均在虛擬界面上進(jìn)行，操作直觀，便捷。

4 偏擺裝置運(yùn)動(dòng)分析

4.1 偏擺裝置結(jié)構(gòu)Ⅰ

偏擺裝置結(jié)構(gòu)Ⅰ的軸向直線作動(dòng)器安裝在徑向支撐架上，軸向直線作動(dòng)器的零點(diǎn)位置隨徑向直線作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)變化，所以該結(jié)構(gòu)的軸向、徑向直線作動(dòng)器的位移就是聯(lián)軸器的軸向和徑向偏移量，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 偏擺裝置結(jié)構(gòu)Ⅰ位移值

4.2 偏擺裝置結(jié)構(gòu)Ⅱ

偏擺裝置結(jié)構(gòu)Ⅱ的徑向直線作動(dòng)器軸線與聯(lián)軸器的軸線夾角隨著軸向直線作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)發(fā)生變化，因此聯(lián)軸器實(shí)際徑向位移與徑向直線作動(dòng)器的命令值存在偏差。偏擺裝置簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 偏擺裝置結(jié)構(gòu)Ⅱ結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

H1為直線作動(dòng)器長(zhǎng)度，O和O1為軸向直線作動(dòng)器活塞和缸筒支點(diǎn)，O2和O3為徑向直線作動(dòng)器缸筒和活塞支點(diǎn)，A為軸向直線作動(dòng)器的運(yùn)動(dòng)瞬時(shí)位置，B為徑向直線作動(dòng)器運(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)位置。

軸向和徑向運(yùn)動(dòng)位移為：

式中：x為軸向油缸運(yùn)動(dòng)振幅；y為徑向油缸運(yùn)動(dòng)振幅；f1為軸向油缸運(yùn)動(dòng)頻率；f2為徑向油缸運(yùn)動(dòng)頻率；φ為軸向油缸與徑向油缸相位差；t為運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

根據(jù)三角函數(shù)關(guān)系可得：

則有：

其中，y1為O2O3的長(zhǎng)度。

其中，y2為O3B的長(zhǎng)度。

徑向作動(dòng)器需要實(shí)現(xiàn)位移量為：

Y=y1+y2-H1

從上述函數(shù)關(guān)系可得，當(dāng)軸向位移達(dá)到最大時(shí)，夾角α最大，徑向位移達(dá)到最大時(shí)產(chǎn)生的誤差最大，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了聯(lián)軸器試驗(yàn)系統(tǒng)的兩種偏擺裝置結(jié)構(gòu)，從計(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果可知，兩種結(jié)構(gòu)均能滿足聯(lián)軸器性能試驗(yàn)的模擬軸向徑向偏移工況，且位移精度均在0.1mm以內(nèi)。兩種偏擺機(jī)構(gòu)的區(qū)別在于，偏擺裝置Ⅰ的結(jié)構(gòu)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(yàn)系統(tǒng)；偏擺裝置Ⅱ具有垂向高度低和高剛度的特點(diǎn)，但此種結(jié)構(gòu)當(dāng)軸向位移需求達(dá)到15mm時(shí)，徑向位移控制精度達(dá)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(jié)構(gòu)Ⅱ位移值