軌道車換向分動箱磨合檢測試驗臺的研發(fā)與應用

申 強

（中國鐵路呼和浩特局集團有限公司 科研所，工程師，內(nèi)蒙古呼和浩特 010050）

1 問題提出

軌道車是鐵路供電單位開展供電設(shè)施養(yǎng)護維修工作的主要設(shè)備之一；注重軌道車檢修質(zhì)量是保證其正常工作的重要前提，而軌道車檢修質(zhì)量達標與提升要靠配套的檢測設(shè)備、手段認定與保證。目前鐵路企業(yè)軌道車檢修存在檢測設(shè)備不全問題，尤其是缺少軌道車換向分動箱大修試驗臺，由于路外相關(guān)設(shè)備制造廠家和生產(chǎn)維修企業(yè)也沒有同類設(shè)備，致使鐵路企業(yè)在軌道車換向分動箱大修質(zhì)量檢測只能沿用傳統(tǒng)方法，即分別通過點溫槍測溫度，分貝儀測噪聲，轉(zhuǎn)速儀測轉(zhuǎn)速的方式來進行測量，檢測過程中存在較多人為因素影響，導致測量數(shù)據(jù)不準確，維修質(zhì)量難以保證。

換向分動箱是軌道車的主要部件，其工作性能關(guān)乎軌道車工作質(zhì)量，關(guān)乎鐵路運輸安全。基于上述分析，中國鐵路呼和浩特局集團有限公司科研所研發(fā)軌道車換向分動箱磨合檢測試驗臺，旨在為確保軌道車檢修質(zhì)量提供可靠的檢測支撐。

該試驗臺技術(shù)指標達到《接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車大修規(guī)則》規(guī)定：在低速狀態(tài)下轉(zhuǎn)動10 min，檢查換向分動箱各部軸承溫度，不得有突然升溫現(xiàn)象。在100r/min、1000r/min、1400r/min三種轉(zhuǎn)速下各自運行5 min，檢查各部軸承溫度及噪聲有無異常。同時，以最高轉(zhuǎn)速進行正、反拖磨試驗，每個轉(zhuǎn)向時間不得少于1 h。拖磨試驗中，在正對箱體1 m處，噪聲應平穩(wěn)且無突變，最大噪聲不高于90 dB。采集箱體各軸承部溫度，溫升不大于70℃，最高溫度不大于110℃，具有可靠性、穩(wěn)定性、安全性特點。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

軌道車換向分動箱大修試驗臺由機械承載作業(yè)臺、動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及地面數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)三部分組成，通過機械承載作業(yè)臺驅(qū)動模擬軌道車分動換向箱作業(yè)工況，然后利用動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測換向分動箱在當前轉(zhuǎn)速下溫度和分貝值的變化，最后將采集的數(shù)據(jù)導入到地面數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進行分析，進而判斷軌道車部件質(zhì)量的好壞。圖1為動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)原理圖。

圖1 動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)原理

3 試驗臺設(shè)計思路

該試驗臺的設(shè)計與研制，采用三維仿真技術(shù)，應用成熟的機械設(shè)計理論，設(shè)計機械承載作業(yè)操作平臺，并采用結(jié)構(gòu)有限元理論，完成整體系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以軟件編程為基礎(chǔ)，設(shè)計動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及地面分析系統(tǒng)，保證大修平臺實時監(jiān)測、分析準確，確保整體檢修質(zhì)量。

3.1機械作業(yè)平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計工件定位平臺是軌道車分動箱磨合檢測試驗臺的基礎(chǔ)部位，承受軌道車分動箱、電機驅(qū)動裝置和傳動裝置的全部重量。在檢測時當轉(zhuǎn)速高的時候，平臺往往會顫動，對檢測結(jié)果造成影響。因此，全面了解工件定位平臺在受到軌道車的重力時工件定位裝置應力分布狀態(tài)、位移情況，對其進行靜力分析顯得尤為必要。圖2為工件定位平臺幾何模型示意圖，圖3為應力結(jié)果示意圖。

圖2 工件定位平臺幾何模型圖

圖3 應力結(jié)果圖

從圖3可知，單元最大應力是122.73 Mpa，遠小于材料的抗彎、抗拉、抗壓強度（215 Mpa）及屈服強度（235 Mpa），結(jié)構(gòu)安全滿足靜力要求。從應力結(jié)果圖可以看出，單元最大應力位于工件定位裝置底角加勁肋板處，每個加勁肋板與方鋼及平臺板采用焊接連接，其受力狀態(tài)與焊接工藝關(guān)系密切。若存在焊接缺陷，容易造成應力集中，應力發(fā)生突變。因此，機械作業(yè)平臺的加工生產(chǎn)必須注意方鋼與平臺、方鋼與連接板的焊接質(zhì)量及焊接的后處理工作，才能有效保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與受力安全。

根據(jù)上述有限元分析的結(jié)果可知，所用材料已滿足結(jié)構(gòu)受力的要求，加工的實物如圖4所示。

圖4 機械承載作業(yè)臺實物圖

3.2動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)集成設(shè)計動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)主要由單片機、溫度檢測傳感器、分貝傳感器、變頻器、電機、485-TTL模塊以及電腦終端組成，并系統(tǒng)集成在一個控制柜內(nèi)。

系統(tǒng)由380 V電源供電，經(jīng)過空開以及接觸器，再經(jīng)過變頻器來控制電機。通過面板調(diào)速旋鈕，可以直接調(diào)速至100r/min、1 000r/min、1 400r/min三個檔位。同時單片機采集溫度傳感器以及分貝計的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析，在上位機顯示數(shù)據(jù)。變頻器工作原理見圖5。

圖5 變頻器工作原理圖

動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)采用的主控單元是Arduino UNO，是以ATmega328 MCU控制器為基礎(chǔ)，具有14路數(shù)字輸入/輸出引腳，6路模擬輸入。這款單片機完全能夠滿足項目的需求。

Arduino是一款基于AVR單片機的開源硬件及軟件平臺，具有開發(fā)簡單、便捷靈活等特點。它構(gòu)建于開放原始碼simple I/O界面版，并且具有使用類似Java、C語言的Processing開發(fā)環(huán)境。

3.3上位機編程上位機編程軟件采用LabView編程，LabView是可視化編程，類似于組態(tài)軟件，具有編程簡單，采用了結(jié)構(gòu)化、面向?qū)ο蟆⒔M件、構(gòu)架、集成化等技術(shù)，在運行效率、性價比、全可視化支持、面向?qū)ο蟮确矫婢哂刑厣?/p>

電腦終端軟件設(shè)計包括溫度測試點圖示區(qū)域、分貝測試點圖示區(qū)域、數(shù)據(jù)分析區(qū)、數(shù)據(jù)實時采集區(qū)、數(shù)據(jù)打印等功能。

4 系統(tǒng)功能測試

該試驗臺在內(nèi)蒙古鐵路運營管理集團有限責任公司軌道車檢修基地進行現(xiàn)場測試，嚴格按照《接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車大修規(guī)則》（鐵部運2016[6]號）的規(guī)定，在以空擋低速轉(zhuǎn)動10 min，在以100r/min、1000r/min、1400r/min轉(zhuǎn)速各轉(zhuǎn)動5 min，在以最高轉(zhuǎn)速進行正反拖磨試驗（不少于1 h），來檢查各軸承溫度及轉(zhuǎn)動所引起的噪聲有無異常，結(jié)合部有無漏油現(xiàn)象。測試過程持續(xù)時間160 min。檢測過程中需要特別注意以下幾個方面：

1）將待檢測的換向分動箱固定在機械承載作業(yè)臺上，安裝牢固。用抹布擦拭換向分動箱各軸承表面塵土、油污等，防止其對溫度測量造成干擾。

2）若換向分動箱后半軸上有不能拆卸的螺桿，須用細鐵絲或者喉箍等配件擰緊固定，防止由于機械振動致使螺桿松動而卡住軸承轉(zhuǎn)動，損傷設(shè)備。

3）安裝皮帶，并將防護罩安裝到相應位置，用羊角手擰螺絲固定牢固。

4）拖磨試驗時，安裝4個溫度傳感器和1個噪聲傳感器傳感器，連接線序號和控制柜的接口序號保持一致。噪聲傳感器直接磁吸在控制柜上，探頭對準換向分動箱，溫度傳感器直接磁吸在換向分動箱的各軸承部位。

5）接通電源，打開工控主機。雙擊打開地面數(shù)據(jù)分析軟件，即進入軟件界面，無需任何操作，軟件自動顯示、采集和存儲數(shù)據(jù)，如圖6所示。現(xiàn)場試驗場景見圖7。

圖6 地面數(shù)據(jù)分析軟件界面圖

圖7 現(xiàn)場試驗場景

5 結(jié)束語

經(jīng)現(xiàn)場測試和實際應用，軌道車換向分動箱磨合試驗臺作用效果達到設(shè)計研發(fā)預期，即能夠定性量化其性能指標，嚴格按照軌道車的檢修工藝標準、范圍執(zhí)行，顯著提升軌道車檢修質(zhì)量；印證了該試驗臺具有以下特點：（1）檢測機理科學，檢測效果明顯。機械承載作業(yè)臺用來安置和運轉(zhuǎn)待檢測的換向分動箱，動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、地面數(shù)據(jù)分析軟件系統(tǒng)集成于控制柜內(nèi)，借助于傳感器進行溫度、噪聲采集，通過單片機分析處理后，將處理的數(shù)據(jù)實時地顯示在控制柜顯示屏上，并進行存儲和打印出測試報告。整個檢測過程符合《接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車大修規(guī)則》相關(guān)規(guī)定，檢測數(shù)據(jù)準確全面，達到預期效果；（2）控制操作簡單，提高勞動效率。設(shè)備基于機電一體化設(shè)計，一鍵啟動、停止，自動控制，無須人為干涉，有效降低了職工的勞動強度，提高了作業(yè)效率。考慮到了磨合過程中發(fā)生的機械故障，設(shè)置了過載停機保護，防止故障擴大造成損失；（3）設(shè)備安裝方便，檢測精度較高。換向分動箱固定后，采用磁鐵固定傳感器，安裝方便、牢固。采用AVR單片機作為主控單元，能夠準確采集各個傳感器的狀態(tài)，檢測精度高，實時性好。實踐應用可行，檢測效果明顯，應用前景廣闊。