盧文冠 楊 鐳

(成都中車電機(jī)有限公司 四川 成都 610051)

成都中車電機(jī)有限公司設(shè)計(jì)一款驅(qū)動(dòng)單元一體化結(jié)構(gòu)交流牽引電動(dòng)機(jī)，其額定轉(zhuǎn)矩為11 300 N·m，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為13 750 N·m，該牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子為單邊軸承支撐且傳動(dòng)機(jī)構(gòu)增加端面齒嚙合傳動(dòng)，因此，設(shè)計(jì)了一種試驗(yàn)裝置，以對(duì)該牽引電動(dòng)機(jī)進(jìn)行例行試驗(yàn)、型式試驗(yàn)、研究試驗(yàn)等試驗(yàn)驗(yàn)證。

1 背景

1.1 技術(shù)背景

牽引電動(dòng)機(jī)作為機(jī)車的核心部件，為機(jī)車提供整車牽引力，機(jī)車的牽引力主要取決于牽引電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩主要受限于傳動(dòng)端軸承的最大載荷，原因在于電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩越大則傳動(dòng)端軸承載荷就越大，傳動(dòng)端軸承載荷越大則需要直徑更大的軸承才能承受。軸承直徑的大小和其所承載的載荷成正相關(guān)，與其最高轉(zhuǎn)速成負(fù)相關(guān)，即直徑越大的軸承最高轉(zhuǎn)速越小。因?yàn)檩S承載荷和轉(zhuǎn)速的這一關(guān)系，導(dǎo)致牽引電動(dòng)機(jī)的最大輸出轉(zhuǎn)矩受限于傳動(dòng)端軸承。驅(qū)動(dòng)單元一體化結(jié)構(gòu)采用承載式齒輪箱，在齒輪箱中設(shè)計(jì)2個(gè)軸承替代電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)端軸承，牽引電動(dòng)機(jī)輸出高轉(zhuǎn)矩，傳動(dòng)端軸承難匹配[1]。

1.2 電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)

因驅(qū)動(dòng)單元一體化結(jié)構(gòu)采用承載式齒輪箱，所以該結(jié)構(gòu)中機(jī)車驅(qū)動(dòng)裝置的齒輪箱箱體就是牽引電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)端端蓋，在該結(jié)構(gòu)中電動(dòng)機(jī)的非傳動(dòng)端端蓋與齒輪箱箱體安裝在電動(dòng)機(jī)的定子上，通過軸承支撐電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子。由于齒輪箱箱體為主機(jī)廠生產(chǎn)的零部件，所以牽引電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)完成后其轉(zhuǎn)子為非傳動(dòng)端單邊軸承支承，其剖視圖如圖1所示。

圖1 牽引電動(dòng)機(jī)剖視圖

一款全新牽引電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)完成后，需要制造2臺(tái)樣機(jī)并對(duì)樣機(jī)進(jìn)行型式試驗(yàn)，型式試驗(yàn)驗(yàn)證滿足設(shè)計(jì)要求后方可正式投產(chǎn)。電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證需要試驗(yàn)裝置輔助才能完成，其中型式試驗(yàn)、研究試驗(yàn)需將2臺(tái)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行機(jī)械耦合，以傳遞轉(zhuǎn)矩。

1.3 現(xiàn)有試驗(yàn)裝置

因該牽引電動(dòng)機(jī)是為配套32 t軸重的重載貨運(yùn)機(jī)車而設(shè)計(jì)，所以在設(shè)計(jì)之初，主機(jī)廠與成都中車電機(jī)有限公司技術(shù)人員調(diào)研了國內(nèi)擁有相應(yīng)重載貨運(yùn)機(jī)車設(shè)計(jì)能力的主機(jī)廠及電機(jī)公司，得到現(xiàn)有的驅(qū)動(dòng)單元一體化結(jié)構(gòu)交流牽引電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置，其試驗(yàn)裝置主要包含例行試驗(yàn)裝置和型式試驗(yàn)裝置。

例行試驗(yàn)裝置為主機(jī)廠提供的齒輪箱裝配，主機(jī)廠將齒輪、軸承、齒輪箱等零部件加工完成后包裝發(fā)運(yùn)至電機(jī)公司，電機(jī)公司待電動(dòng)機(jī)生產(chǎn)裝配完成后將齒輪箱零部件與電動(dòng)機(jī)組裝，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子被齒輪箱箱體和非傳動(dòng)端端蓋支承于電動(dòng)機(jī)定子上，組裝完成后對(duì)電動(dòng)機(jī)做例行試驗(yàn)，電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)合格后將組裝后的電動(dòng)機(jī)與齒輪箱裝配一體包裝發(fā)運(yùn)至主機(jī)廠。

型式試驗(yàn)裝置除了包含例行試驗(yàn)裝置(齒輪箱裝配)外，還需為被試電動(dòng)機(jī)和陪試電動(dòng)機(jī)單獨(dú)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)軸、非傳動(dòng)端密封環(huán)和連接法蘭等，其轉(zhuǎn)軸的非傳動(dòng)端需要伸出一個(gè)帶錐度軸頭，以便裝配連接法蘭以傳遞轉(zhuǎn)矩，非傳動(dòng)端密封環(huán)密封非傳動(dòng)端軸承潤滑脂，連接法蘭與轉(zhuǎn)軸、扭矩儀連接以傳遞轉(zhuǎn)矩。待型式試驗(yàn)完成且合格后，將電動(dòng)機(jī)解體，把轉(zhuǎn)軸非傳動(dòng)端伸出的帶錐度軸頭加工去除后，再將電動(dòng)機(jī)裝配成整機(jī)，并與齒輪箱零部件組裝后包裝發(fā)運(yùn)至主機(jī)廠。

現(xiàn)有試驗(yàn)方案存在以下弊端：

(1)例行試驗(yàn)采用主機(jī)廠的齒輪箱零部件裝配，且齒輪箱裝配零部件較多，不僅發(fā)運(yùn)過程中容易損壞，且電動(dòng)機(jī)的試驗(yàn)驗(yàn)證周期受主機(jī)廠齒輪箱生產(chǎn)周期的影響。

(2)齒輪箱零部件較多，僅軸承就有3個(gè)，安裝復(fù)雜，且需一對(duì)一配對(duì)裝配，每個(gè)電動(dòng)機(jī)都需要主機(jī)廠發(fā)運(yùn)一套齒輪箱零部件，安裝成本高、周期長，齒輪箱零部件的發(fā)運(yùn)費(fèi)用高。

(3)型式試驗(yàn)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸、非傳動(dòng)端密封環(huán)、連接法蘭需單獨(dú)設(shè)計(jì)、加工，試驗(yàn)合格后電動(dòng)機(jī)要解體、加工轉(zhuǎn)軸、組裝。試驗(yàn)周期長，成本高。

出于成本、周期、精益研發(fā)的考慮，成都中車電機(jī)有限公司設(shè)計(jì)了一種驅(qū)動(dòng)單元一體化結(jié)構(gòu)牽引電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置。

2 設(shè)計(jì)的試驗(yàn)裝置

2.1 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

該驅(qū)動(dòng)單元一體化結(jié)構(gòu)牽引電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)裝置主要零部件包括端蓋、內(nèi)油封(靜件)、內(nèi)油封(動(dòng)件)、輔助軸、墊塊、螺栓、鍵、連接法蘭、外油封(靜件)、外油封(動(dòng)件)、深溝球軸承等，如圖2所示。

1—端蓋；2—內(nèi)油封(靜件)；3—內(nèi)油封(動(dòng)件)；4—輔助軸；5—墊塊；6—螺栓；7—鍵；8—連接法蘭；9—外油封(靜件)；10—外油封(動(dòng)件)；11—深溝球軸承；12—撓性聯(lián)軸節(jié)。圖2 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

端蓋設(shè)有與電動(dòng)機(jī)機(jī)座相配合的安裝止口、拆卸工藝孔、出風(fēng)口、注油孔等，其軸承位通過4根筋支撐于端蓋右側(cè)，加強(qiáng)懸臂位置強(qiáng)度；輔助軸為空心軸設(shè)計(jì)，其左側(cè)設(shè)計(jì)與電動(dòng)機(jī)撓性聯(lián)軸節(jié)相嚙合的端面齒，右側(cè)的配合面加工2個(gè)鍵槽與鍵配合用以傳遞轉(zhuǎn)矩，中心孔為螺栓安裝孔，外圓柱面除軸肩外其余按相應(yīng)配合尺寸加工；連接法蘭左側(cè)內(nèi)柱面加工2個(gè)鍵槽，右側(cè)根據(jù)扭矩儀的安裝接口尺寸設(shè)計(jì)加工。

2.2 試驗(yàn)裝置中轉(zhuǎn)矩的傳遞過程

試驗(yàn)裝置中轉(zhuǎn)矩的傳遞過程為：電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩由轉(zhuǎn)軸傳遞給撓性聯(lián)軸節(jié)，撓性聯(lián)軸節(jié)通過端面齒嚙合傳遞給輔助軸，輔助軸通過鍵的配合傳遞給連接法蘭，再由連接法蘭通過螺栓連接傳遞給扭矩儀。型式試驗(yàn)的轉(zhuǎn)矩傳遞過程為：被試電動(dòng)機(jī)→試驗(yàn)裝置→扭矩儀→試驗(yàn)裝置→陪試電動(dòng)機(jī)。

該試驗(yàn)裝置可以做負(fù)載試驗(yàn)，也可以做空載試驗(yàn)，即取消鍵和連接法蘭的安裝，這樣既可保證各零部件的互換性，也減少了工裝投入。

2.3 試驗(yàn)裝置的裝配順序

該試驗(yàn)裝置裝配順序如下：

(1)將內(nèi)油封(靜件)通過配合面安裝到端蓋。

(2)將內(nèi)油封(動(dòng)件)、軸承、外油封(動(dòng)件)安裝在輔助軸上。

(3)將輔助軸裝配到端蓋，并通過外油封(動(dòng)件)、螺栓緊固固定。

(4)將連接法蘭與鍵安裝在輔助軸上。

(5)采用螺栓、墊塊使輔助軸端面齒與電動(dòng)機(jī)的撓性聯(lián)軸節(jié)端面齒嚙合，端蓋與電動(dòng)機(jī)機(jī)座裝配。從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的定子與試驗(yàn)裝置端蓋裝配，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子與試驗(yàn)裝置輔助軸連接，以達(dá)到電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的雙邊支撐且實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)矩的傳遞。

由于該試驗(yàn)裝置采用深溝球軸承，可同時(shí)承受徑向力與軸向力，整個(gè)試驗(yàn)裝置可以預(yù)先安裝為一個(gè)試驗(yàn)裝置單元，根據(jù)試驗(yàn)要求一體拆裝。

2.4 試驗(yàn)裝置的效果

成都中車電機(jī)有限公司新設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)單元一體化結(jié)構(gòu)交流牽引電動(dòng)機(jī)CDJD114A已采用該試驗(yàn)裝置(見圖3)，該試驗(yàn)裝置不僅解決了原試驗(yàn)方案的弊端，且同時(shí)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)裝置結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計(jì)合理，不僅實(shí)現(xiàn)了驅(qū)動(dòng)單元一體化結(jié)構(gòu)牽引電動(dòng)機(jī)的型式試驗(yàn)，也可用于一體化結(jié)構(gòu)牽引電動(dòng)機(jī)出廠試驗(yàn)、研究試驗(yàn)等，減少工裝投入，降低試驗(yàn)成本。

(2)可以根據(jù)試驗(yàn)要求預(yù)先裝配成試驗(yàn)裝置單元，一體拆裝，不僅減少裝、拆試驗(yàn)工裝的耗時(shí)，縮短試驗(yàn)周期，也降低了試驗(yàn)工裝的拆裝難度。

(3)該試驗(yàn)裝置可以實(shí)現(xiàn)最大13 700 N·m的轉(zhuǎn)矩傳遞。

3 結(jié)論

該試驗(yàn)裝置不僅可以對(duì)新設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)單元一體化結(jié)構(gòu)交流牽引電動(dòng)機(jī)(大轉(zhuǎn)矩、端面齒、單邊支撐)進(jìn)行型式試驗(yàn)、研究試驗(yàn)等各種電動(dòng)機(jī)性能驗(yàn)證試驗(yàn)，也適用于既有的驅(qū)動(dòng)單元一體化結(jié)構(gòu)交流牽引電動(dòng)機(jī)的例行試驗(yàn)，保證了牽引電動(dòng)機(jī)能夠按要求進(jìn)行各項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)，在滿足設(shè)計(jì)要求后裝車運(yùn)用，從而確保機(jī)車可靠運(yùn)行。

圖3 試驗(yàn)裝置實(shí)物圖