趙 璐 黃 勇 王文生 劉煥偉 顏曉飛

(1.中車戚墅堰機(jī)車車輛工藝研究所有限公司 江蘇 常州 213011；2.中車常州車輛有限公司 江蘇 常州 213011)

0 引言

大功率機(jī)車輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)車車輛的重要部件，它包括從牽引電機(jī)到輪對(duì)的傳動(dòng)環(huán)節(jié)中的全部零件。主要包含牽引電機(jī)、齒輪箱組成、抱軸箱組成和輪對(duì)，對(duì)部分驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)還包含六連桿機(jī)構(gòu)和彈性聯(lián)軸節(jié)等。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)為整個(gè)車輛的行駛提供驅(qū)動(dòng)力并將扭矩平穩(wěn)輸出到車軸上，在傳遞動(dòng)力的同時(shí)還直接承受來自軌道和車輪不平順的振動(dòng)和各種載荷，作為轉(zhuǎn)向架的重要部件，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)決定著轉(zhuǎn)向架的運(yùn)行性能和牽引性能。為了對(duì)大功率機(jī)車輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能、壽命進(jìn)行測(cè)試和分析，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)與質(zhì)量評(píng)價(jià)提供可靠的科學(xué)依據(jù)，需要通過試驗(yàn)來檢驗(yàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，加工、制造、裝配和調(diào)試的工藝性。

大功率機(jī)車輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)是目前國(guó)內(nèi)唯一的大功率機(jī)車輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)綜合模擬試驗(yàn)裝置，由基礎(chǔ)平臺(tái)、工作臺(tái)、軌道輪、驅(qū)動(dòng)電機(jī)及傳動(dòng)裝置、縱向定位裝置、振動(dòng)系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成，驅(qū)動(dòng)電機(jī)由聯(lián)軸節(jié)、齒輪箱經(jīng)過萬(wàn)向節(jié)與軌道輪相連接，軌道輪安裝在工作臺(tái)上，被試輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過引導(dǎo)梁牽入試驗(yàn)臺(tái)并安置于軌道輪上，副構(gòu)架通過一系列懸架安裝在輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)上，通過驅(qū)動(dòng)負(fù)載系統(tǒng)對(duì)被試輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行加載模擬，同時(shí)通過液壓、電磁激振提供振動(dòng)激擾模擬，并在試驗(yàn)中通過測(cè)試及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和分析。試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足時(shí)速220 km/h、軸重40 t、牽引功率2 000 kW以內(nèi)交流傳動(dòng)大功率機(jī)車輪軸系統(tǒng)的型式試驗(yàn)，通過不同工況下測(cè)試輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的溫升、振動(dòng)、密封、電流、電壓、轉(zhuǎn)速、扭矩等性能參數(shù)評(píng)判驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的性能及可靠性。

1 問題的提出

在某型電力機(jī)車輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型式試驗(yàn)過程中，額定功率為1 250 kW，模擬時(shí)速110 km/h的工況下，發(fā)現(xiàn)軌道輪與被試品車輪結(jié)合處出現(xiàn)打火花現(xiàn)象，同時(shí)噪聲高達(dá)100 dB(A)，且振動(dòng)烈度異常激烈，超過試驗(yàn)要求，該型輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)已經(jīng)完成了3 000 km的型式試驗(yàn)。

停機(jī)檢查，磁粉探傷觀察發(fā)現(xiàn)軌道輪左右兩輪表面多處呈現(xiàn)網(wǎng)格狀磨削裂紋(見圖1)，裂紋深度約7 mm左右。通過便攜式硬度計(jì)測(cè)得裂紋處硬度為39.7 HRC，非裂紋面為35.0 HRC，所測(cè)部位為同一材質(zhì)。經(jīng)推測(cè)本試驗(yàn)為大功率機(jī)車輪驅(qū)系統(tǒng)型式試驗(yàn)，車輪與軌道輪之間傳遞的載荷較大[1-3],試驗(yàn)中黏著力不夠會(huì)引起車輪出現(xiàn)多邊形,振動(dòng)烈度隨著輪與輪之間異常磨合頻次的增加而逐漸放大，隨之產(chǎn)生打火花現(xiàn)象。同時(shí)在試驗(yàn)過程中輪輪異常磨合時(shí)，結(jié)合處溫度能達(dá)到800～1 000 ℃，出現(xiàn)熱應(yīng)變而導(dǎo)致類似淬火現(xiàn)象，輪表面會(huì)發(fā)生結(jié)晶硬化導(dǎo)致裂紋處硬度上升，同時(shí)表面受力導(dǎo)致熱裂紋，形成裂紋擴(kuò)展，呈現(xiàn)圖1所示面貌。利用渦流傳感器測(cè)得試驗(yàn)前后輪跳已經(jīng)擴(kuò)大。

圖1 軌道輪表面磨痕示意圖

2 問題的解決

輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型式試驗(yàn)在運(yùn)行一段里程后出現(xiàn)故障是因?yàn)轲ぶ禂?shù)不足引起的，當(dāng)前改善黏著的措施主要有：向接觸面噴砂顆粒、機(jī)械方法、化學(xué)方法、電弧和等離子處理等[4]。

結(jié)合試驗(yàn)所處的實(shí)際環(huán)境和工況，將某型號(hào)動(dòng)車組研磨子應(yīng)用到機(jī)車輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)中來解決黏著問題。研磨子結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由掛鉤、鋼背和磨耗體組成，將研磨子壓在踏面上進(jìn)行清掃，能夠保證車輪踏面具有良好的表面狀態(tài)，在車輛行駛過程中能清除附著在車輪踏面上的塵埃、銹跡、油脂等[5-6]，同時(shí)，研磨子還能在雨、雪天氣等濕潤(rùn)狀態(tài)下有增強(qiáng)輪軌之間黏著力的功能。

圖2 研磨子結(jié)構(gòu)示意圖

如圖3所示，根據(jù)試驗(yàn)條件設(shè)計(jì)相應(yīng)工裝，將一副研磨子安裝到試驗(yàn)臺(tái)架上，分別貼合好被試品左右車輪。軌道輪經(jīng)旋輪后重新開始試驗(yàn)，試驗(yàn)工況為疲勞試驗(yàn)，額定功率為1 250 kW，額定時(shí)速為110 km/h，研磨子工作方式為每分鐘連續(xù)作用20 s，作用氣壓為490 kPa，試驗(yàn)里程為800 km。

圖3 研磨子工作示意圖

試驗(yàn)過程中每運(yùn)行200 km停機(jī)利用渦流傳感器采集車輪圓跳，同時(shí)不定期采集振動(dòng)數(shù)據(jù)，振動(dòng)測(cè)點(diǎn)為輪驅(qū)系統(tǒng)的軸箱橫向和垂向(輪輪關(guān)系對(duì)軸箱的振動(dòng)影響最為明顯)，左軸箱、右軸箱分別定義為L(zhǎng)A、RA，垂向、橫向分別定義為Z、X，振動(dòng)測(cè)試布置如圖4所示，測(cè)試系統(tǒng)為M+P動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)，傳感器為ICP式單軸加速度振動(dòng)傳感器，傳感器靈敏度100 mv/g。

圖4 振動(dòng)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

每運(yùn)行200 km采集被試品車輪圓跳(見圖5)，以右輪為例：每運(yùn)行200 km，最大圓跳分別為0.13 mm、0.11 mm、0.09 mm、0.05 mm，可知隨著研磨子的作用，圓跳在逐步降低，且由圖可觀察到車輪局部跳動(dòng)范圍變小，多邊形階數(shù)逐步降低。

圖5 每次運(yùn)行后被試品右輪圓跳測(cè)試結(jié)果示意圖

圖6、圖7分別為研磨子作用前后軸箱各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)數(shù)據(jù)采集示意圖，對(duì)比得知，經(jīng)研磨子800 km里程型式試驗(yàn)的作用，各測(cè)點(diǎn)振動(dòng)數(shù)值得到明顯降低，其中左軸箱垂向、橫向測(cè)點(diǎn)振動(dòng)加速度有效值、峰值均降低75%左右，右軸箱垂向振動(dòng)數(shù)值較研磨子作用前降低近80%，右軸箱橫向振動(dòng)數(shù)值經(jīng)研磨子作用后僅為作用前的10%左右，具體數(shù)據(jù)如表1所示。這是因?yàn)樵谠囼?yàn)過程中，研磨子作用在被試品車輪上，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行能夠持續(xù)清除附著在車輪踏面上的油污(試驗(yàn)中齒輪箱溫度上升局部地區(qū)會(huì)形成油霧與灰塵結(jié)合)，同時(shí)研磨子能夠及時(shí)消除車輪表面的疲勞毛細(xì)裂紋，防止熱裂紋的產(chǎn)生，從而避免車輪與軌道輪的異常磨耗發(fā)生。

表1 振動(dòng)數(shù)據(jù)采集表 /(m·s-2)

圖6 研磨子作用前軸箱振動(dòng)數(shù)據(jù)示意圖

圖7 經(jīng)研磨子作用運(yùn)行800 km后軸箱振動(dòng)數(shù)據(jù)示意圖

3 結(jié)論

綜上800 km里程的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析所得，在輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型式試驗(yàn)過程中，研磨子的使用能夠有效抑制車輪多邊形，具有良好的修整、抑制效果，能夠避免打火花、異常磨耗現(xiàn)象的出現(xiàn)，同時(shí)可大大降低試驗(yàn)過程中各部位振動(dòng)數(shù)值，保證輪軸驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)型式試驗(yàn)平穩(wěn)運(yùn)行。后期可以開展針對(duì)研磨子在不同動(dòng)作模式、不同作用氣壓對(duì)車輪多邊形的抑制效果，同時(shí)深入研究不同配方研磨子與車輪的匹配性關(guān)系及作用效果。