大功率机车轮轴驱动系统试验台研究

林新海 温士明 李兴荣 李光辉

(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 江苏 常州 213011)

随着我国铁路的快速发展，铁路车辆的数量、载重量不断增加，同时也凸显了列车运行的寿命和安全性问题，轮轴驱动系统是机车可靠性的关键环节。因此需要设计一款轮轴驱动系统动态加载试验台，通过模拟实际运行环境测试其性能与可靠性。

1 机车轮轴驱动系统主要结构及特点

1.1 主要结构形式

受机车车辆的速度、功率和轴重的影响，轮轴驱动系统采用不同的悬挂方式，目前主要分为抱轴式半悬挂和全悬挂(见图1)。抱轴式半悬挂也称为轴悬式，是轮轴驱动系统最经济的结构形式，用于120 km/h以下的机车，其牵引电机一侧借助抱轴轴承直接支撑在车轴上，另一侧通过吊杆悬挂在转向架横梁上[1]。当机车速度提高到140 km/h以上时，机车牵引电机及钢轨都难以继续承受持续增加的振动冲击，其安装方式也由车轴半支撑发展到构架全支撑，为了适应架悬电机轴与车轴之间更大尺度的垂向及横向位移，牵引大齿轮的转矩输出也由直接到车轴改成通过齿轮腹板连接弹性连杆空心万向轴的传动方式[2]。

图1 轮轴驱动系统

1.2 轮轴驱动系统运用中的动力学环境

轮轴驱动系统都布置于转向架中，受到钢轨及转向架构架约束，在输出动力的同时，将承受轮轨和构架的振动冲击，工作条件恶劣。其主要承受的载荷包括：①轴重(机车上所有的重量都将直接作用到车轴上)；②牵引动力(驱动系统将牵引电机的旋转运动转化为沿轨道的直线运动)；③外部钢轨施加在车轮底部的直接的动态力或动态位移；④机车内部车体通过二系及转向架构架间接施加的力或位移，牵引电机转矩产生的复杂耦合的振动，其动力学模型如图2所示[3]。

图2 机车轮轴驱动系统动力学模型

2 试验台结构

由于机车轮轴驱动系统试验台的尺寸与结构的复杂性，试验台需要电气、机械、液压、基建以及测控系统的系统集成来满足轮轴驱动系统的综合测试。

2.1 试验台总体概念

机车轮轴驱动系统试验台主要目标是满足时速220 km、轴重40 t、牵引功率2 000 kW以内交流传动大功率机车轮轴驱动系统性能试验和可靠性试验的需求，通过在不同试验工况下测试轮轴驱动系统的温升、振动、密封、电流、电压、转速、扭矩等性能参数的变化，以达到轮轴驱动系统性能评价和可靠性试验的目标。轮轴驱动系统试验台主要功能包括：

(1)对不同功率、轴重、速度等级机车轮轴驱动系统进行模拟试验；

(2)模拟机车轮轴驱动系统在功率传递过程中的负荷特性；

(3)模拟机车轮轴驱动系统承受的轴重，测定轴重对轮轴驱动系统的性能影响；

(4)模拟机车轮轴驱动系统所承受的轮轨激扰，构架激扰；

(5)整个试验过程中由计算机实时监控，数据采集与处理，典型报告自动生成；

轮轴驱动系统试验台由基础平台、工作台、轨道轮、驱动电机及传动装置、纵向定位装置、振动激振系统、测试系统及数据采集处理系统等组成。试验台总体结构如图3所示。

图3 试验台总体结构图

2.2 电气传动系统

试验台系统电路原理图如图4所示，试验台从厂房接入交流电源，经输入开关柜分两路输出，一路用作试验陪试品电源,经输入开关柜送至负载电机变频器，控制负载电机转动，经传动装置和轨道轮后给被试轮轴驱动系统提供负载；另一路用作被试电源，经输入开关柜送至牵引变流器，从而控制被试轮轴驱动系统中的牵引电机转动，再经轮轴驱动系统中的齿轮箱、轮对等和陪试系统形成能量回路。

图4 试验台电气系统原理图

2.3 机械系统

试验台机械系统如图5所示，其中负载电机通过联轴节、齿轮箱等机械传动装置联接轨道轮。轨道轮安装在工作台上，被试轮轴驱动系统通过引导梁牵入试验台并安置于轨道轮上，副构架通过一系悬挂安装在轮轴驱动系统上，主构架与副构架刚性联接，主构架由定位装置定位。定位装置可对主构架及驱动系统进行约束，又不影响主构架的横向摆动，使试验条件更接近于运行情况。在试验过程中通过驱动负载系统对被试轮轴驱动系统进行加载模拟，同时通过提供液压激振进行振动激扰模拟。

图5 试验台机械系统图

3 试验台主要应用

中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司研制的机车轮轴驱动系统试验台如图6所示。试验台自建成以来，先后为中车株洲电力机车有限公司、中车大连机车车辆有限公司、中车大同电力机车有限公司多个型号的机车轮轴驱动系统进行了型式试验与研究性试验。除了进行常规的传动系统性能试验外，该试验台还可开展关于机车车轮踏面磨耗发展过程、车轮多边形发展机理以及车轮多边形、轨道不平顺对机车轮轴驱动系统振动特性影响的试验研究。

图6 机车轮轴驱动系统试验台实景图

机车在实际运用过程中，由于轮轨相互作用，不可避免会产生轮轨磨耗， 严重时甚至会出现车轮多边形现象。轮轨接触界面的不平顺会引起复杂的振动和冲击，是影响机车轮轴驱动系统耐久性和可靠性的重要因素[4]。基于机车轮轴驱动系统试验台可模拟轮轴驱动系统的实际运用工况，并跟踪测试轮轨磨耗和轮轨接触界面不平顺的发展过程和趋势(见图7)。在不同轮轨磨耗状态下开展机车轮轴驱动系统的振动测试试验，通过数据采集系统采集轮轴驱动系统关键部位的振动加速度信号，并运用信号处理的相关技术进行系统处理和分析，获取不同轮轨磨耗状态对轮轴驱动系统振动特性的影响规律(见图8)。基于机车轮轴驱动系统试验台开展轮轨磨耗、机车车轮多边形发展机理以及车轮多边形、轨道不平顺对机车轮轴驱动系统振动特性影响的试验研究对于机车轮轴驱动系统的运行维护具有重要的工程意义。

图7 采用阶次或波数表示的车轮不圆度测试结果

图8 轴箱垂向振动加速度频谱图

4 结论

大功率机车轮轴驱动系统试验台建立以后，优化了机车车辆轮轴驱动系统试验手段，标志着我国在机车轮轴驱动系统开发上具备了必要的试验研究条件。通过对不同型号机车轮轴驱动系统的试验，不但为产品的性能评定和改进提供了试验依据，也为试验台应用积累了经验。