譚兆海 印 軍 王遠(yuǎn)新

(中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 甘肅 蘭州 730050)

0 引言

作業(yè)車是供鐵路特種作業(yè)的車輛。車軸齒輪箱和輪對軸箱是保證作業(yè)車安全作業(yè)的關(guān)鍵部件。鐵道部在車軸齒輪箱和輪對軸箱檢修的相關(guān)規(guī)則中明確規(guī)定車軸齒輪和輪對軸箱組裝后必須檢查組裝狀態(tài)，軸承的軸向竄動量應(yīng)符合規(guī)定，并進(jìn)行轉(zhuǎn)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(tài)，并做好記錄。所以設(shè)計(jì)、研制車軸齒輪箱和輪對軸箱磨合試驗(yàn)設(shè)備，提高鐵路作業(yè)車的安全技術(shù)含量勢在必行[1]。

1 系統(tǒng)概述

試驗(yàn)設(shè)備主要用于作業(yè)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(yàn)工作。設(shè)計(jì)采用雙工位，既可以對單一輪對進(jìn)行磨合試驗(yàn)，也可以實(shí)現(xiàn)作業(yè)車主動輪對和從動輪對同時進(jìn)行磨合試驗(yàn)。設(shè)備具有計(jì)算機(jī)自動控制和手動控制兩種試驗(yàn)運(yùn)行操作方式，自動控制由計(jì)算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)，手動控制時通過操作面板控制按鈕實(shí)現(xiàn)。

2 功能實(shí)現(xiàn)

磨合試驗(yàn)設(shè)備主要的試驗(yàn)?zāi)康氖菣z測軸承溫度。試驗(yàn)時采用溫度傳感器檢測以及監(jiān)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺采用雙工位設(shè)計(jì)，主要有操作柜、試驗(yàn)平臺、試驗(yàn)工裝、驅(qū)動裝置、檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)組成。輪對安裝試驗(yàn)平臺根據(jù)各種車型輪對的外形和安裝特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，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(yàn)臺監(jiān)測輸出電壓、輸出電流、頻率，提供完善的安全保護(hù)功能。包括機(jī)械安全防護(hù)、電氣輸出過載保護(hù)等。試驗(yàn)臺總體布置圖如圖1所示。

圖1 試驗(yàn)臺總體布置圖

(1)車軸齒輪箱試驗(yàn)設(shè)備

車軸齒輪箱試驗(yàn)設(shè)備主要由試驗(yàn)安裝平臺、車軸支撐、齒輪箱支撐、集油盒、電機(jī)驅(qū)動裝置和防護(hù)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(chǔ)。平臺上設(shè)計(jì)有加強(qiáng)筋，使得其具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)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(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。平臺底部設(shè)置調(diào)整墊鐵，用于調(diào)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(jù)不同軸承安裝距離進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)。

傳動裝置是一個電機(jī)通過萬向聯(lián)軸器和法蘭驅(qū)動車軸齒輪箱。為安全起見，對萬向聯(lián)軸器的位置設(shè)計(jì)了防護(hù)罩，起安全保護(hù)作用。

電機(jī)驅(qū)動裝置的支撐座用于安裝變頻電機(jī)。支撐座固定在試驗(yàn)平臺上，通過旋轉(zhuǎn)手輪左右移動電機(jī)的位置，從而實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn)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(yàn)設(shè)備

輪對軸箱試驗(yàn)設(shè)備主要由試驗(yàn)安裝平臺、軸箱支撐工裝、電機(jī)驅(qū)動裝置和防護(hù)裝置等組成，其效果圖如圖3所示。

圖3 輪對軸箱試驗(yàn)設(shè)備圖

此試驗(yàn)設(shè)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(chǔ)，平臺上設(shè)計(jì)有加強(qiáng)筋，使其具有足夠的強(qiáng)度和穩(wěn)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(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。平臺底部設(shè)置調(diào)整墊鐵，用于調(diào)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(jù)不同的軸承安裝距離進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)。

電機(jī)驅(qū)動安裝在鑄鐵平臺T型槽中，可根據(jù)不同車型進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)節(jié)。工裝主要由摩擦輪、防護(hù)罩、變頻電機(jī)、電機(jī)安裝座、夾緊氣缸、氣缸安裝座等組成。

(3)變頻驅(qū)動設(shè)備

變頻驅(qū)動裝置由驅(qū)動電機(jī)、變頻器及制動電阻等組成。其中驅(qū)動電機(jī)選用變頻，可以正反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速在0～5 000 r/min范圍內(nèi)可無級變頻調(diào)速。調(diào)速采用工業(yè)變頻器控制，通過變頻器控制面板可手動控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，也可自動按程序運(yùn)行。

由于試驗(yàn)時的速度較高、轉(zhuǎn)動慣量較大，試驗(yàn)結(jié)束時，若讓電機(jī)自由停車需要較長的時間，且容易對變頻驅(qū)動裝置造成沖擊，本裝置設(shè)計(jì)了制動電阻，進(jìn)行電阻制動，可使齒輪箱傳動裝置快速停止運(yùn)轉(zhuǎn)，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(tǒng)

(1)測控拓?fù)鋱D

測控系統(tǒng)主要的設(shè)備包括工控機(jī)、PLC、斷路器、A/D轉(zhuǎn)換電路板、各種傳感器、變頻器和電機(jī)。測控拓?fù)鋱D如圖4所示。

圖4 測控拓?fù)鋱D

測控系統(tǒng)是以工控計(jì)算機(jī)為核心控制設(shè)備，對PLC、A/D轉(zhuǎn)換以及變頻器進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和控制。系統(tǒng)通過PLC對主電路中的斷路器、接觸器等器件進(jìn)行控制，并反饋電器器件狀態(tài)，PLC代替了復(fù)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(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的主要電器元件，負(fù)責(zé)電機(jī)的啟動和停止，在本試驗(yàn)設(shè)備中，斷路器和接觸器是電機(jī)主回路中重要的開關(guān)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(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和本地控制，保護(hù)操作人員。A/D轉(zhuǎn)換電路將傳感器的模擬數(shù)據(jù)變?yōu)閿?shù)字量輸入到工控機(jī)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(shù)是工控機(jī)通過485總線進(jìn)行設(shè)置的，該變頻器采用模塊化設(shè)計(jì)，具有可編程功能，并且?guī)в谢静僮髅姘?，電壓、頻率等參數(shù)都可以在面板上顯示。根據(jù)電動機(jī)的特性參數(shù)和電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)要求以及負(fù)載的特性，變頻器可以提供相應(yīng)的電壓、電流、頻率；電機(jī)選用三相異步電動機(jī)，功率分別為22 kW和7.5 kW，并通過萬向連接器旋轉(zhuǎn)帶動輪軸和齒輪箱轉(zhuǎn)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(huán)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(shù)據(jù)在智能溫度儀表上直接顯示。該試驗(yàn)設(shè)備的溫度傳感器采用磁吸貼片式PT100進(jìn)行溫度測量，選用16通道智能溫度巡檢儀表進(jìn)行溫度信號的處理顯示，并以通訊的方式將溫度數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)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(tǒng)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(zhuǎn)速測試

轉(zhuǎn)速檢測采用變頻器頻率計(jì)算得出轉(zhuǎn)速的數(shù)值，通過485總線將數(shù)值直接傳送到工控計(jì)算機(jī)中。

(4)其他參數(shù)測試

試驗(yàn)設(shè)備的其他參數(shù)包括試驗(yàn)電壓和試驗(yàn)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(gòu)成，將采集到的電壓和電流輸入到A/D轉(zhuǎn)換電路中，最后上傳到計(jì)算機(jī)中。

(5)設(shè)備保護(hù)功能

為了使設(shè)備安全正常運(yùn)行，試驗(yàn)設(shè)備設(shè)計(jì)了過載保護(hù)功能和緊急停機(jī)功能。在電機(jī)主回路中，安裝過載傳感器，當(dāng)電機(jī)發(fā)生過載，傳感器輔助觸點(diǎn)閉合，觸發(fā)接觸器動作斷開主回路，使電機(jī)斷電停止運(yùn)轉(zhuǎn)。緊急停機(jī)功能是主動保護(hù)方法，當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障時，操作人員直接按下停機(jī)按鈕，強(qiáng)制將電機(jī)斷電停止運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.3 測控軟件設(shè)計(jì)

(1)人機(jī)操作界面

人機(jī)操作界面主要實(shí)現(xiàn)操作指令的輸入、試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定以及試驗(yàn)狀態(tài)監(jiān)視和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的顯示。設(shè)計(jì)選用立式操作，在面板上布置工業(yè)計(jì)算機(jī)、數(shù)顯儀表及操作按鈕、指示燈，既可以使用計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動操作，也可以通過按鈕、變頻器操作面板進(jìn)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(yàn)臺具有手動/自動選擇試驗(yàn)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(jī)轉(zhuǎn)動。

軟件權(quán)限分為軟件設(shè)計(jì)管理員、工程師和操作人員3個不同等級的用戶權(quán)限。不同的權(quán)限可進(jìn)行不同的操作和參數(shù)設(shè)置。系統(tǒng)記錄用戶登錄信息。管理員具有最高權(quán)限，可修改所有的試驗(yàn)參數(shù)，主要用于試驗(yàn)設(shè)備調(diào)試。工程師具有試驗(yàn)工藝參數(shù)設(shè)定和試驗(yàn)操作權(quán)限?？尚薷脑囼?yàn)工藝參數(shù)，但不能修改設(shè)備設(shè)定參數(shù)。操作人員具有試驗(yàn)臺操作權(quán)限，必須按照設(shè)定的工藝步驟及參數(shù)進(jìn)行操作，不允許進(jìn)行新工藝參數(shù)和硬件設(shè)置參數(shù)的修改。這種分級分權(quán)限的管理方式可以防止誤操作，有利于保護(hù)設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)。

(2)數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理包括試驗(yàn)過程中的實(shí)時數(shù)據(jù)采集、試驗(yàn)結(jié)束后數(shù)據(jù)計(jì)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(shù)以及試驗(yàn)人員等信息，對于部分信息計(jì)算機(jī)會自動填入試驗(yàn)報表。試驗(yàn)結(jié)束后自動生成試驗(yàn)報表?？紤]數(shù)據(jù)安全性和完整性，報表內(nèi)容寫入數(shù)據(jù)庫，查詢時數(shù)據(jù)從數(shù)據(jù)庫中讀出。

測試軟件有試驗(yàn)歷史數(shù)據(jù)查詢功能，可按申請時間或試驗(yàn)編號等信息進(jìn)行查詢。

(3)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

試驗(yàn)數(shù)據(jù)包括電量、溫度、轉(zhuǎn)速3種物理量，轉(zhuǎn)速參數(shù)采用監(jiān)測變頻器相關(guān)值，通過通訊傳送至計(jì)算機(jī)；溫度信號采用溫度傳感器進(jìn)行采集傳送至計(jì)算機(jī)；電量信號通過傳感器將數(shù)值傳送到計(jì)算機(jī)中。

3 應(yīng)用效果

此試驗(yàn)設(shè)備在試驗(yàn)前，先由試驗(yàn)工藝員設(shè)置試驗(yàn)的階段數(shù)以及每個階段的試驗(yàn)轉(zhuǎn)速、試驗(yàn)轉(zhuǎn)向和相應(yīng)的試驗(yàn)時間，操作員需要選擇車型，軟件自動調(diào)用相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)自動進(jìn)行試驗(yàn)，并實(shí)時采集溫度等數(shù)據(jù)，生成報表。

該試驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)在車輛段經(jīng)過長時間的測試和使用，由于其檢測數(shù)據(jù)準(zhǔn)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(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期，可以對齒輪箱的數(shù)據(jù)進(jìn)行定量的分析和判斷，顯著提升了作業(yè)車的檢修速度，得到了用戶的一致認(rèn)可和好評。