一种驱动单元一体化结构交流牵引电动机试验装置的设计

卢文冠 杨 镭

(成都中车电机有限公司 四川 成都 610051)

成都中车电机有限公司设计一款驱动单元一体化结构交流牵引电动机，其额定转矩为11 300 N·m，起动转矩为13 750 N·m，该牵引电动机转子为单边轴承支撑且传动机构增加端面齿啮合传动，因此，设计了一种试验装置，以对该牵引电动机进行例行试验、型式试验、研究试验等试验验证。

1 背景

1.1 技术背景

牵引电动机作为机车的核心部件，为机车提供整车牵引力，机车的牵引力主要取决于牵引电动机的输出转矩，电动机的输出转矩主要受限于传动端轴承的最大载荷，原因在于电动机输出转矩越大则传动端轴承载荷就越大，传动端轴承载荷越大则需要直径更大的轴承才能承受。轴承直径的大小和其所承载的载荷成正相关，与其最高转速成负相关，即直径越大的轴承最高转速越小。因为轴承载荷和转速的这一关系，导致牵引电动机的最大输出转矩受限于传动端轴承。驱动单元一体化结构采用承载式齿轮箱，在齿轮箱中设计2个轴承替代电动机传动端轴承，牵引电动机输出高转矩，传动端轴承难匹配[1]。

1.2 电动机结构

因驱动单元一体化结构采用承载式齿轮箱，所以该结构中机车驱动装置的齿轮箱箱体就是牵引电动机传动端端盖，在该结构中电动机的非传动端端盖与齿轮箱箱体安装在电动机的定子上，通过轴承支撑电动机的转子。由于齿轮箱箱体为主机厂生产的零部件，所以牵引电动机生产完成后其转子为非传动端单边轴承支承，其剖视图如图1所示。

图1 牵引电动机剖视图

一款全新牵引电动机设计完成后，需要制造2台样机并对样机进行型式试验，型式试验验证满足设计要求后方可正式投产。电动机试验验证需要试验装置辅助才能完成，其中型式试验、研究试验需将2台电动机进行机械耦合，以传递转矩。

1.3 现有试验装置

因该牵引电动机是为配套32 t轴重的重载货运机车而设计，所以在设计之初，主机厂与成都中车电机有限公司技术人员调研了国内拥有相应重载货运机车设计能力的主机厂及电机公司，得到现有的驱动单元一体化结构交流牵引电动机试验装置，其试验装置主要包含例行试验装置和型式试验装置。

例行试验装置为主机厂提供的齿轮箱装配，主机厂将齿轮、轴承、齿轮箱等零部件加工完成后包装发运至电机公司，电机公司待电动机生产装配完成后将齿轮箱零部件与电动机组装，电动机转子被齿轮箱箱体和非传动端端盖支承于电动机定子上，组装完成后对电动机做例行试验，电动机试验合格后将组装后的电动机与齿轮箱装配一体包装发运至主机厂。

型式试验装置除了包含例行试验装置(齿轮箱装配)外，还需为被试电动机和陪试电动机单独设计转轴、非传动端密封环和连接法兰等，其转轴的非传动端需要伸出一个带锥度轴头，以便装配连接法兰以传递转矩，非传动端密封环密封非传动端轴承润滑脂，连接法兰与转轴、扭矩仪连接以传递转矩。待型式试验完成且合格后，将电动机解体，把转轴非传动端伸出的带锥度轴头加工去除后，再将电动机装配成整机，并与齿轮箱零部件组装后包装发运至主机厂。

现有试验方案存在以下弊端：

(1)例行试验采用主机厂的齿轮箱零部件装配，且齿轮箱装配零部件较多，不仅发运过程中容易损坏，且电动机的试验验证周期受主机厂齿轮箱生产周期的影响。

(2)齿轮箱零部件较多，仅轴承就有3个，安装复杂，且需一对一配对装配，每个电动机都需要主机厂发运一套齿轮箱零部件，安装成本高、周期长，齿轮箱零部件的发运费用高。

(3)型式试验电动机转轴、非传动端密封环、连接法兰需单独设计、加工，试验合格后电动机要解体、加工转轴、组装。试验周期长，成本高。

出于成本、周期、精益研发的考虑，成都中车电机有限公司设计了一种驱动单元一体化结构牵引电动机试验装置。

2 设计的试验装置

2.1 试验装置结构

该驱动单元一体化结构牵引电动机试验装置主要零部件包括端盖、内油封(静件)、内油封(动件)、辅助轴、垫块、螺栓、键、连接法兰、外油封(静件)、外油封(动件)、深沟球轴承等，如图2所示。

1—端盖；2—内油封(静件)；3—内油封(动件)；4—辅助轴；5—垫块；6—螺栓；7—键；8—连接法兰；9—外油封(静件)；10—外油封(动件)；11—深沟球轴承；12—挠性联轴节。图2 试验装置结构

端盖设有与电动机机座相配合的安装止口、拆卸工艺孔、出风口、注油孔等，其轴承位通过4根筋支撑于端盖右侧，加强悬臂位置强度；辅助轴为空心轴设计，其左侧设计与电动机挠性联轴节相啮合的端面齿，右侧的配合面加工2个键槽与键配合用以传递转矩，中心孔为螺栓安装孔，外圆柱面除轴肩外其余按相应配合尺寸加工；连接法兰左侧内柱面加工2个键槽，右侧根据扭矩仪的安装接口尺寸设计加工。

2.2 试验装置中转矩的传递过程

试验装置中转矩的传递过程为：电动机的转矩由转轴传递给挠性联轴节，挠性联轴节通过端面齿啮合传递给辅助轴，辅助轴通过键的配合传递给连接法兰，再由连接法兰通过螺栓连接传递给扭矩仪。型式试验的转矩传递过程为：被试电动机→试验装置→扭矩仪→试验装置→陪试电动机。

该试验装置可以做负载试验，也可以做空载试验，即取消键和连接法兰的安装，这样既可保证各零部件的互换性，也减少了工装投入。

2.3 试验装置的装配顺序

该试验装置装配顺序如下：

(1)将内油封(静件)通过配合面安装到端盖。

(2)将内油封(动件)、轴承、外油封(动件)安装在辅助轴上。

(3)将辅助轴装配到端盖，并通过外油封(动件)、螺栓紧固固定。

(4)将连接法兰与键安装在辅助轴上。

(5)采用螺栓、垫块使辅助轴端面齿与电动机的挠性联轴节端面齿啮合，端盖与电动机机座装配。从而实现电动机的定子与试验装置端盖装配，电动机转子与试验装置辅助轴连接，以达到电动机转子的双边支撑且实现转矩的传递。

由于该试验装置采用深沟球轴承，可同时承受径向力与轴向力，整个试验装置可以预先安装为一个试验装置单元，根据试验要求一体拆装。

2.4 试验装置的效果

成都中车电机有限公司新设计的驱动单元一体化结构交流牵引电动机CDJD114A已采用该试验装置(见图3)，该试验装置不仅解决了原试验方案的弊端，且同时具有以下优点：

(1)装置结构简单、设计合理，不仅实现了驱动单元一体化结构牵引电动机的型式试验，也可用于一体化结构牵引电动机出厂试验、研究试验等，减少工装投入，降低试验成本。

(2)可以根据试验要求预先装配成试验装置单元，一体拆装，不仅减少装、拆试验工装的耗时，缩短试验周期，也降低了试验工装的拆装难度。

(3)该试验装置可以实现最大13 700 N·m的转矩传递。

3 结论

该试验装置不仅可以对新设计的驱动单元一体化结构交流牵引电动机(大转矩、端面齿、单边支撑)进行型式试验、研究试验等各种电动机性能验证试验，也适用于既有的驱动单元一体化结构交流牵引电动机的例行试验，保证了牵引电动机能够按要求进行各项验证试验，在满足设计要求后装车运用，从而确保机车可靠运行。

图3 试验装置实物图