機車驅動例行試驗臺應用研究

嚴世洪，何新，李凌

（中車大連機車車輛有限公司，遼寧 大連 116022）

引言

隨著鐵路機車車輛運行速度的不斷提高，大功率牽引機車逐步成為我國鐵路干線上的主力，HXD2 型電力機車牽引功率達到10000kW，HXD3 系列電力機車牽引功率達到9600kW，不管是在高速領域還是在重載領域，輪軸驅動系統都是機車最重要的運動系統，更大功率、更高轉速的牽引電機對輪軸驅動系統牽引齒輪和驅動軸承的可靠性也提出了更高的要求。因此，機車驅動例行試驗臺作為檢驗機車驅動裝置可靠性的重要保障，對它的研究及應用，成為改善我國大功率交流傳動機車動力性能的重要一環。

1 機車驅動例行試驗臺簡介

機車驅動裝置例行試驗臺的主要功能是通過測試電力機車的振動速度、溫度的變化，來檢驗輪對裝配、電機懸掛裝置、軸箱裝配的組裝質量。國內現有的機車驅動試驗臺通用性差，只能滿足單一品種機車的實驗要求，而且采用高壓驅動，設備龐大、成本昂貴、維護困難。

為解決上述問題，項目組研制出一種新型驅動裝置例行試驗臺。試驗臺主要由控制、信號采集與分析、監控管理等部分組成，直接采用低壓驅動，可同時滿足兩臺不同型號機車驅動的實驗要求，系統架構圖如圖1-1所示。

圖1 -1 機車驅動裝置例行試驗臺系統構架圖

控制部分，主要通過變頻器來控制電機的啟、停，并以一定的速度斜率控制電機的轉速；信號采集部分，由溫度傳感器采集齒輪箱油的溫度信號和由振動速度傳感器檢測并提取X、Y、Z 軸的振動信號；監控管理部分，實現對采集到的信號進行分析、報警、儲存、打印、人機對話、參數設定，以及實時動態測量曲線的顯示等功能。試驗臺主要結構包括工控機、PLC、LCD 顯示器、打印機、振動信號分析儀、變頻器、電源轉換開關、驅動裝置支架等，具體工作平臺如圖1-2 所示。

圖1 -2 工作平臺實物圖

2 實用創新點

（1）直接采用低電壓驅動，免去了原有實驗平臺需要一個升壓變壓器，將變頻器輸出脈沖電壓升至額定電壓后才能供給機車驅動裝置的復雜結構，采用低壓驅動提高了系統的安全性，也降低了維護難度。

（2）本系統中，變頻器選用法國施耐德公司的ATV71EXC2C16N4 柜式工程變頻器，由此變頻器驅動并控制電機的速度，并通過通訊端口（PROFIBUS 總線）與PLC 進行數據通訊，調控電機的轉速，并獲取變頻器運行過程中的參數。變頻器的起、停、正、反轉由控制柜控制面板上的操控按鍵進行控制。同時控制器選用了先進的直接轉矩控制（DTC）方式，具有簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能，不需要將交流電動機等效為直流電動機，因而省去了矢量旋轉變換中的許多復雜計算，它不需要模仿直流電動機的控制，也不需要為解耦而簡化交流電動機的數學模型。

（3）本系統設有接地控制開關，當某個機車驅動裝置試驗完，需人工操作響應的接地按鈕，接地轉換開關動作，將對應機車驅動裝置的電線和變頻器輸出線斷開，并將驅動裝置電線接地，大大加強了系統的安全性能，有效避免意外事故發生傷及試驗人員的人身安全。

（4）信號采集部分，本系統通過獲取機車驅動裝置（驅動電機）實時的振動、溫度等信號，對驅動裝置的運行狀態進行判斷，并對異常情況做出報警。最大數據采集配置為32 個振動速度點，10 個溫度點，兩個環境溫度點，并采用三線制接線法，低通濾波，頻域變換等方式，提高溫度、震動等信號的測量精度，以目前機車上應用較廣的龐巴迪電機為例，信號檢測位置如圖2-1 所示。

圖2 -1 龐巴迪電機信號檢測位置示意圖

（5）本系統數據處理部分基于OPC 技術自主研發，與PLC 之間通信靈活，可以同時支持2 個試驗臺，分別對兩套電機裝置進行獨立操作，具有自定義曲線運行和內置曲線運行兩種方式，最多可設置12 個控制節點。并且具有測點實時運行曲線，單點轉速振動曲線，和多點轉速振動曲線三種顯示模式，三種曲線可以通過單擊下面的選項卡來進行切換，最終測試結果曲線包含整個測試過程的所有配置測點數據，均可通過顯示控制面板對各測點趨勢的顯示進行控制，實時數據瀏覽界面如圖2-2 所示。

圖2 -2 實時數據瀏覽界面

3 工程應用與社會評價

機車驅動例行試驗臺由中國北車大連機車公司自主設計研發，通過了由大連交通大學、南京工業大學、鐵道部駐公司驗收室和公司內外專家組成的專家組評審，專家評審組一致認為，該機車驅動裝置例行試驗臺設計方案，操作簡單，使用方便，功能齊全，檢測結果準確，工作效率高，適用于各種和諧型機車以及城軌、客運機車的驅動裝置試驗，在國內應用上優于國際同類產品。

目前該機車驅動例行實驗臺在大連廠內廣泛應用于HXD3，HXD3B 等和諧型大功率機車，成為鐵路機車大功率牽引轉型升級，實現從貨運到客貨通用拓展的重要品質保障。自該實驗平臺投入使用以來，累計實驗各品種機車一千余臺，成為檢驗大功率機車動力學性能的有效手段。得到了社會各界的廣泛認可。

4 結語

機車驅動裝置例行試驗臺性能先進，其控制系統、信號采集系統、變頻調速系統融入多項創新技術，采用了結構簡單、運行安全的低電壓驅動，選用了先進的直接轉矩控制（DTC）方式，實現了簡潔明了的系統結構、優良的動靜態性能；信號采集實現了32 個振動速度點、10 個溫度點、2 個環境溫度點的實時數據采集，信號處理部分基于OPC 技術完全自主設計開發，達到國內現有機車驅動裝置的實驗平臺的領先水平。

實驗臺有操作性好，適用車型廣的使用優勢，可以同時支持2 個試驗臺，分別對2 套電機裝置進行獨立操作，能滿足和諧型不同功率等級的交流傳動機車，以及城軌、200km 客運機車等多種驅動裝置試驗和生產需要。投入使用以來，完成了一千余臺機車實驗，有效保障了鐵路裝備質量，促進國家“一帶一路”戰略發展。