一種齒輪箱高速跑合試驗臺升級改造方法

—種齒輪箱高速跑合試驗臺升級改造方摘要：本文在介紹了DP380-1型齒輪箱高速跑合試驗臺的作用、改造前的結構特點與不足的基礎上，論述了設備升級改造的方法和改造后的效果，從而實現(xiàn)擴展設備功能，提升設備利用效率的目的。關鍵詞：齒輪箱；高速跑合試驗臺；升級改造；驅動裝置1齒輪箱跑合試驗臺的作用齒輪箱跑合試驗臺是一種對單獨齒輪箱或者齒輪箱與輪對組合的綜合體，進行模擬空載運行檢查維護或維修的專用試驗裝置。即將齒輪箱或齒輪箱與輪對的組合體安裝在齒輪箱跑合試驗臺上進行不同運動方式的測試，例如：加減速試驗，不同速度勻速試驗，正反轉變換跑合試驗等。通過試驗來檢驗裝配后的輪對及齒輪箱的機械效能，記錄試驗結果可以便于深入分析和了解部件的性能，便于改進和優(yōu)化裝配工藝，也便于給產品進行綜合的指標分析，保證輪對以及齒輪箱的裝配質量。這對于預防齒輪箱上線運行后產生的熱軸事故，甚至燃軸事故有著重要的意義。2DP380-1型齒輪箱高速跑合試驗臺改造前的特點DP380-1型齒輪箱高速跑合試驗臺是為動車組齒輪箱清洗跑合試驗的關鍵設備，具有對齒輪箱、軸箱的溫度、振動、噪音、轉速等信號進行自動測量、分析、存儲、報警、報告和記錄查詢等功能，主要配置包括設備主體部分、液壓系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)，溫度檢測系統(tǒng)，振動檢測系統(tǒng)，聲音檢測反饋系統(tǒng)，控制監(jiān)視系統(tǒng)，試驗報告輸出打印系統(tǒng)，開合門，扶梯，走臺等（如圖1）。設備主體部分又包括主體平臺、工藝軸箱、支撐夾緊裝置、驅動裝置等組成（如圖2）。

圖1圖22.1驅動裝置部分齒輪箱高速跑合試驗臺驅動裝置采用電機與聯(lián)軸節(jié)驅動方式（如圖3）。電機驅動部分由變頻電機、底座、絲杠調節(jié)裝置、大皮帶輪及罩和皮帶組成（如圖4）。聯(lián)軸節(jié)裝置包括底座、軸承座、軸、端蓋、V帶輪、皮帶輪蓋、聯(lián)軸盤、鼓形齒聯(lián)軸器、速度傳感器、調距定位鍵、油潤滑系統(tǒng)等（如圖5）。圖3圖4圖52.2工藝軸箱部分

工藝軸箱用于保護車軸軸頸和車軸回轉定工藝軸箱用于保護車軸軸頸和車軸回轉定心，主要結構包括軸承座、軸承端蓋、彈性夾緊套、左右絲套、內錐套、壓套、螺母、軸承，緊固卡盤（齒輪箱側，電機側為聯(lián)軸盤）如圖6所示。圖62.3溫度檢測系統(tǒng)齒輪箱高速跑合試驗臺的溫度監(jiān)測位置包括齒輪箱小齒輪兩側軸承蓋管堵、大齒輪兩側軸承蓋管堵、排油塞、實驗環(huán)境共6處檢測點的溫度。其中在齒輪箱小齒輪兩側軸承和大齒輪兩側軸承蓋兩處選用非接觸溫度傳感器（如圖7），排油塞處選用接觸式溫度傳感器（如圖8）。圖7圖7圖83DP380-1型齒輪箱高速跑合試驗臺存在的問題3.1不能覆蓋現(xiàn)有車型DP380-1型齒輪箱高速跑合試驗臺僅能實現(xiàn)CRH1、CRH2、CRH3型齒輪箱不帶輪跑合能力，缺少CR300AF、CR400AF、CRH6A、CRH6F、高寒動車組等型號齒輪箱不帶輪跑合能力。3.2驅動提升速度不能達到新技術要求DP380-1型齒輪箱高速跑合試驗臺選用的驅動電機功率為55kw、額定轉矩為177N-m的西門子電機。產品試驗要求提高，要求能夠實現(xiàn)速度等級在0?400km/h任意設定范圍內，大軸變頻提升速度每秒鐘不低于12rpm，現(xiàn)有電機轉矩不能實現(xiàn)齒輪箱帶車輪加速跑合的試驗能力。3.3傳動方式存在缺陷DP380-1型齒輪箱高速跑合試驗臺選用皮帶傳動方式，該方式是靠摩擦力傳動，不能實現(xiàn)大功率傳遞。皮帶在運行時產生彈性滑動、滑動損失、滯后損失，導致帶輪與從動輪的速度損失，過載引起的打滑使皮帶的運動處于不穩(wěn)定狀態(tài)，不能保證準確的傳動比，效率急劇下降，磨損加劇，嚴重影響皮帶壽命。同時傳動皮帶暴露在空氣中，高速傳動時風阻會造成轉矩損耗。3.4工藝軸箱不能滿足多種軸端接口需求DP380-1型齒輪箱高速跑合試驗臺采用的工藝軸箱的軸端接口形式是按照CRH1、CRH2、CRH3型齒輪箱形式設計的。如要滿足其他多種車型的試驗需求，就必須滿足包括軸端外螺紋結構、軸端三螺紋孔、軸端四螺紋孔等軸端結構的安裝要求，從而實現(xiàn)多類齒輪箱綜合跑合試驗能力。3.5試驗臺溫度檢測方式不能模擬實際運行狀態(tài)溫度檢測參數(shù)是齒輪箱試驗的一個主要參數(shù)，試驗臺進行溫度參數(shù)檢測時，采用的是非接觸溫度傳感器的檢測方式，與齒輪箱實際運用過程的有線檢測方式不同，受檢測環(huán)境及產品差異的影響，容易造成測試數(shù)據(jù)不夠精準，使得對產品質量實際情況形成判斷偏差。另一個問題是試驗設備未設置溫升報警功能，不能及時確定不合格品，不合格齒輪箱長時間跑合易造成進一步損壞，同時影響了生產效率。4試驗臺改造方案基于試驗臺存在的問題，為了保證試驗臺能夠適應多種車型的試驗需求，在保證原有設備功能參數(shù)、整機使用壽命、整機安全性能不降低的基礎上。對齒輪箱跑合試驗臺設備進行升級改造，以實現(xiàn)CRH1型、CRH2型、CRH3型、CRH380A

(L)型、中國標準動車組、城際動車組等動車組齒輪箱帶輪加速跑合試驗及清洗的能力，具體改造包括以下幾方面：4.1驅動裝置改造去掉原有皮帶傳動方式，改為增速箱傳動結構。具體方式為驅動電機與增速箱直聯(lián)，再由聯(lián)軸節(jié)組成通過工藝聯(lián)軸節(jié)驅動小齒輪，布局結構如圖9所示。采用此種結構具有傳動穩(wěn)定、傳動比精確、傳動效率高(0.98?0.995)、傳遞扭矩大、工作可靠、壽命長，結構緊湊適合工作空間要求等優(yōu)點。圖94.1.1驅動電機選擇由于原有驅動電機功率偏小，不能滿足高速試驗需求，需根據(jù)現(xiàn)有試驗車型重新計算選型。驅動電機功率計算采用轉動慣量來計算，輪對基本參數(shù)及計算過程如下。輪對基本參數(shù)：大齒輪軸最高轉速：2800rpm小齒輪軸最高轉速：6500rpm齒輪箱傳動比：i=2.517(CR400AF車型)轉速加速度：a=12rpm/s車輪質量：638kg車軸質量：524kg車輪最大踏面直徑：950mm車軸最大直徑：205mm4.1.1.1輪對轉動慣量計算根據(jù)轉動慣量公式J=1/2mR2計算：式中：m產品質量；R車輪(或車軸)半徑。單個車輪轉動慣量：J=1/2mR2=0.5X638X(0.95/2)2=71.974kgmm2車軸轉動慣量：J=1/2mR2=0.5X524X(0.205/2)2=2.753kgmm2輪對轉動慣量：J=2J+J=2X71.974+2.753=146.7kgmm2。1 24.1.1.2電機驅動功率計算電機的驅動功率最大值是在模擬車輪速度400公里/小時的跑合試驗。試驗要求試驗臺應能以12rpm/s的加速度，將車輪轉速從零提速到列車400公里車速時轉速，也就是車輪外圓線速度需達到v=111m/s。在此條件下，需要對電機功率進行驗算：線加速度：a=2nra=nda=3.14X0.95X12^60=0.6m/s2從v=2nnr得到，當車速400公里/小時的車輪轉速為：n=v/2nr=v/dn=111：0.95：3.14X60=2233rpm從v=at得到，當車速從零加速到400公里/小時，加速時間為：t=v/a=111：0.6=185s此時車輪角速度為：3=2nn=2X3.14X2235：60=233.93rad/s從而可知連接軸輸出力矩應為:T=j3/t=146.7X233.93：185=185.5Nm輸出功率為：P=Tn/9550=185.5X2233：9550=43.37kW總效率：n=nxnxnxnxnxn總 軸承 聯(lián)軸器1 聯(lián)軸器2 齒輪箱1 齒輪箱2 電機=0.98x0.97x0.97x0.95x0.95x0.938=0.78電機功率應為：P=P/n=43.37：0.78=55.6kW通過計算得出電機輸出功率最小應達到55.6kW，查電機選型手冊，應選用功率為75kW的電機。因為試驗設備需要長時間運轉，選用具有冷卻系統(tǒng)的西門子高速變頻電機，頻率10Hz?125Hz,額定轉速為2970r/min，轉矩為241N?m，變頻調速后轉速為590?7350r/min，可以滿足齒輪箱清洗和各運行工況的需求。4.1.2增速箱的選擇在滿足工作穩(wěn)定可靠性和工作壽命要求的前提下，增速箱的選擇應以最小體積、最小重量為目標，結構上應滿足傳遞功率和空間限制為前提，考慮結構簡單、運行可靠、維修方便。傳動比計算：因為75KW的變頻電機轉速為2970r/min，不能滿足產品小齒輪軸最高6500r/min的轉速要求，應選用帶增速箱的改造。改造過程中考慮到后期產品的需求及傳動效率的影響，小齒輪軸最高轉速按照7000r/min計算，具體計算如下：i=7000/2970=2.3569（考慮傳遞功率和空間限制，增速箱傳動比按i=2.37計算）。通過計算及綜合條件要求，選用用額定功率為75kW，傳動比為2.37的增速箱。驅動電機與增速箱共同安裝在材質為碳素結構鋼的底座上，可實現(xiàn)在平臺上移動，以滿足不同車軸軸向、徑向的安裝需求。4.1.3傳動方式改造為聯(lián)軸節(jié)傳動，在電機與增速箱之間（如圖10）、增速箱與產品之間（如圖11）安裝聯(lián)軸節(jié)，其中在齒輪箱側小齒輪軸上安裝工藝聯(lián)軸節(jié)（或現(xiàn)車聯(lián)軸節(jié)），通過增速箱與電機側工藝聯(lián)軸節(jié)相連，帶動齒輪箱內齒輪轉動。圖10圖114.2工藝軸箱改造為實現(xiàn)軸端外螺紋結構、軸端三螺紋孔、軸端四螺紋孔三種軸端結構產品的安裝要求，結合工藝軸箱A型（如圖12）新增工藝軸箱B型（如圖13），在工藝軸箱端部增加不同端蓋（如圖14、15）的安裝結構，通過更換不同型號的端蓋，實現(xiàn)了通過替換工藝軸箱和簡單調整各種定位即可滿足CRH1型、CRH2型、CRH380A（L）型、中國標準動車組、城際動車組軸承輪對試驗清洗跑合試驗需求。圖12工藝軸箱A型圖13工藝軸箱B型（適用于200km/h、300km/h、（適用于200km/h、CRH6F、380km/h、380AM、CRH6A型）CRCR400AF型）圖14軸端三螺紋孔結構圖15軸端四螺紋孔結構圖14軸端三螺紋孔結構圖15軸端四螺紋孔結構LUUiM： *i>--r>■.■n--.I“4.3溫度檢測系統(tǒng)改造溫度檢測方式改造為模擬現(xiàn)車安裝方式，將齒輪箱小齒輪兩側軸承蓋管堵、大齒輪兩側軸承蓋管堵、排油塞處的溫度傳感器更換為接觸式溫度檢測器，以時速380km車型用齒輪箱為例，接觸式溫度檢測安裝要求如圖16-20。為快速確定不合格齒輪箱，避免對不合格齒輪箱無效跑合運行，在試驗臺控制系統(tǒng)中增加溫升報警功能，當齒輪箱試驗溫升達到8°C/min（或其他規(guī)定參數(shù)）時，試驗臺將進行聲（或光）報警，及時提示操作人員檢查齒輪箱是否為不合格產品。同時為滿足不同車型齒輪箱的測試要求，將試驗臺各溫度測試點及溫升設置為人工可調模式，方便操作人員根據(jù)現(xiàn)場試驗產品進行迅速調整。圖16小齒輪車輪溫度檢測器圖圖16小齒輪車輪溫度檢測器圖17小齒輪電機溫度檢測器圖18大齒輪車輪溫度檢測器圖19大齒輪電機溫度檢測器圖20排油塞溫度檢測器5齒輪箱跑合試驗臺改造后的效果5.1通過對驅動電機升級后，重新設計了增速箱，轉矩達到241N-m，滿足產品轉矩185.5N?m的需求，不僅實現(xiàn)了齒輪箱帶輪跑合能力，而且達到0?400km/h任意設定范圍內，大軸變頻提升速度每秒鐘不低于12rpm加速跑合試驗要求。同時，傳動方式改造為聯(lián)軸節(jié)直連方式，解決了因皮帶傳動特性造成的彈性滑動、轉矩損耗、滯后損失、滑動損失等問題，滿足了穩(wěn)定、精準傳動要求，大大降低了帶輪跑合時的噪聲及振動。5.2新增工藝軸箱(B型)后，解決了多種軸端結構安裝問題，實現(xiàn)了CRH1型、CRH2型、CRH3型、CRH380A(L)型、中國標準動車組、城際動車組等動車組齒輪箱試驗能力。5.3通過改造溫度檢測安裝方式，解決了溫度檢測數(shù)據(jù)與齒輪箱實際運行數(shù)據(jù)差距大的問題。改造后溫度檢測數(shù)據(jù)與齒輪箱運行速度成正比，數(shù)據(jù)更精準，改造前后溫度曲線變化情況如圖21、圖22所示。同時驗臺控制系統(tǒng)新增溫升報警功能后，能夠快速確認不合格產品，縮短了生產時間，提高了設備有效利用率。圖21圖21改造前試驗報告圖22改造后試驗報告6結束語現(xiàn)