申 強(qiáng)

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

1 問(wèn)題提出

軌道車(chē)是鐵路供電單位開(kāi)展供電設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修工作的主要設(shè)備之一；注重軌道車(chē)檢修質(zhì)量是保證其正常工作的重要前提，而軌道車(chē)檢修質(zhì)量達(dá)標(biāo)與提升要靠配套的檢測(cè)設(shè)備、手段認(rèn)定與保證。目前鐵路企業(yè)軌道車(chē)檢修存在檢測(cè)設(shè)備不全問(wèn)題，尤其是缺少軌道車(chē)換向分動(dòng)箱大修試驗(yàn)臺(tái)，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(méi)有同類(lèi)設(shè)備，致使鐵路企業(yè)在軌道車(chē)換向分動(dòng)箱大修質(zhì)量檢測(cè)只能沿用傳統(tǒng)方法，即分別通過(guò)點(diǎn)溫槍測(cè)溫度，分貝儀測(cè)噪聲，轉(zhuǎn)速儀測(cè)轉(zhuǎn)速的方式來(lái)進(jìn)行測(cè)量，檢測(cè)過(guò)程中存在較多人為因素影響，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，維修質(zhì)量難以保證。

換向分動(dòng)箱是軌道車(chē)的主要部件，其工作性能關(guān)乎軌道車(chē)工作質(zhì)量，關(guān)乎鐵路運(yùn)輸安全?；谏鲜龇治觯袊?guó)鐵路呼和浩特局集團(tuán)有限公司科研所研發(fā)軌道車(chē)換向分動(dòng)箱磨合檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)，旨在為確保軌道車(chē)檢修質(zhì)量提供可靠的檢測(cè)支撐。

該試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到《接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車(chē)大修規(guī)則》規(guī)定：在低速狀態(tài)下轉(zhuǎn)動(dòng)10 min，檢查換向分動(dòng)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(yùn)行5 min，檢查各部軸承溫度及噪聲有無(wú)異常。同時(shí)，以最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行正、反拖磨試驗(yàn)，每個(gè)轉(zhuǎn)向時(shí)間不得少于1 h。拖磨試驗(yàn)中，在正對(duì)箱體1 m處，噪聲應(yīng)平穩(wěn)且無(wú)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(diǎn)。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

軌道車(chē)換向分動(dòng)箱大修試驗(yàn)臺(tái)由機(jī)械承載作業(yè)臺(tái)、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及地面數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)三部分組成，通過(guò)機(jī)械承載作業(yè)臺(tái)驅(qū)動(dòng)模擬軌道車(chē)分動(dòng)換向箱作業(yè)工況，然后利用動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)換向分動(dòng)箱在當(dāng)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(dǎo)入到地面數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)進(jìn)行分析，進(jìn)而判斷軌道車(chē)部件質(zhì)量的好壞。圖1為動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理圖。

圖1 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)原理

3 試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)思路

該試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)與研制，采用三維仿真技術(shù)，應(yīng)用成熟的機(jī)械設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)機(jī)械承載作業(yè)操作平臺(tái)，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(jì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及地面分析系統(tǒng)，保證大修平臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、分析準(zhǔn)確，確保整體檢修質(zhì)量。

3.1機(jī)械作業(yè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工件定位平臺(tái)是軌道車(chē)分動(dòng)箱磨合檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的基礎(chǔ)部位，承受軌道車(chē)分動(dòng)箱、電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置和傳動(dòng)裝置的全部重量。在檢測(cè)時(shí)當(dāng)轉(zhuǎn)速高的時(shí)候，平臺(tái)往往會(huì)顫動(dòng)，對(duì)檢測(cè)結(jié)果造成影響。因此，全面了解工件定位平臺(tái)在受到軌道車(chē)的重力時(shí)工件定位裝置應(yīng)力分布狀態(tài)、位移情況，對(duì)其進(jìn)行靜力分析顯得尤為必要。圖2為工件定位平臺(tái)幾何模型示意圖，圖3為應(yīng)力結(jié)果示意圖。

圖2 工件定位平臺(tái)幾何模型圖

圖3 應(yīng)力結(jié)果圖

從圖3可知，單元最大應(yīng)力是122.73 Mpa，遠(yuǎn)小于材料的抗彎、抗拉、抗壓強(qiáng)度（215 Mpa）及屈服強(qiáng)度（235 Mpa），結(jié)構(gòu)安全滿(mǎn)足靜力要求。從應(yīng)力結(jié)果圖可以看出，單元最大應(yīng)力位于工件定位裝置底角加勁肋板處，每個(gè)加勁肋板與方鋼及平臺(tái)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(yīng)力集中，應(yīng)力發(fā)生突變。因此，機(jī)械作業(yè)平臺(tái)的加工生產(chǎn)必須注意方鋼與平臺(tái)、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(mǎn)足結(jié)構(gòu)受力的要求，加工的實(shí)物如圖4所示。

圖4 機(jī)械承載作業(yè)臺(tái)實(shí)物圖

3.2動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由單片機(jī)、溫度檢測(cè)傳感器、分貝傳感器、變頻器、電機(jī)、485-TTL模塊以及電腦終端組成，并系統(tǒng)集成在一個(gè)控制柜內(nèi)。

系統(tǒng)由380 V電源供電，經(jīng)過(guò)空開(kāi)以及接觸器，再經(jīng)過(guò)變頻器來(lái)控制電機(jī)。通過(guò)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(gè)檔位。同時(shí)單片機(jī)采集溫度傳感器以及分貝計(jì)的數(shù)據(jù)，經(jīng)分析，在上位機(jī)顯示數(shù)據(jù)。變頻器工作原理見(jiàn)圖5。

圖5 變頻器工作原理圖

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(jī)完全能夠滿(mǎn)足項(xiàng)目的需求。

Arduino是一款基于AVR單片機(jī)的開(kāi)源硬件及軟件平臺(tái)，具有開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、便捷靈活等特點(diǎn)。它構(gòu)建于開(kāi)放原始碼simple I/O界面版，并且具有使用類(lèi)似Java、C語(yǔ)言的Processing開(kāi)發(fā)環(huán)境。

3.3上位機(jī)編程上位機(jī)編程軟件采用LabView編程，LabView是可視化編程，類(lèi)似于組態(tài)軟件，具有編程簡(jiǎn)單，采用了結(jié)構(gòu)化、面向?qū)ο?、組件、構(gòu)架、集成化等技術(shù)，在運(yùn)行效率、性?xún)r(jià)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(jì)包括溫度測(cè)試點(diǎn)圖示區(qū)域、分貝測(cè)試點(diǎn)圖示區(qū)域、數(shù)據(jù)分析區(qū)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集區(qū)、數(shù)據(jù)打印等功能。

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

該試驗(yàn)臺(tái)在內(nèi)蒙古鐵路運(yùn)營(yíng)管理集團(tuán)有限責(zé)任公司軌道車(chē)檢修基地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，嚴(yán)格按照《接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車(chē)大修規(guī)則》（鐵部運(yùn)2016[6]號(hào)）的規(guī)定，在以空擋低速轉(zhuǎn)動(dòng)10 min，在以100r/min、1000r/min、1400r/min轉(zhuǎn)速各轉(zhuǎn)動(dòng)5 min，在以最高轉(zhuǎn)速進(jìn)行正反拖磨試驗(yàn)（不少于1 h），來(lái)檢查各軸承溫度及轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的噪聲有無(wú)異常，結(jié)合部有無(wú)漏油現(xiàn)象。測(cè)試過(guò)程持續(xù)時(shí)間160 min。檢測(cè)過(guò)程中需要特別注意以下幾個(gè)方面：

1）將待檢測(cè)的換向分動(dòng)箱固定在機(jī)械承載作業(yè)臺(tái)上，安裝牢固。用抹布擦拭換向分動(dòng)箱各軸承表面塵土、油污等，防止其對(duì)溫度測(cè)量造成干擾。

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

3）安裝皮帶，并將防護(hù)罩安裝到相應(yīng)位置，用羊角手?jǐn)Q螺絲固定牢固。

4）拖磨試驗(yàn)時(shí)，安裝4個(gè)溫度傳感器和1個(gè)噪聲傳感器傳感器，連接線序號(hào)和控制柜的接口序號(hào)保持一致。噪聲傳感器直接磁吸在控制柜上，探頭對(duì)準(zhǔn)換向分動(dòng)箱，溫度傳感器直接磁吸在換向分動(dòng)箱的各軸承部位。

5）接通電源，打開(kāi)工控主機(jī)。雙擊打開(kāi)地面數(shù)據(jù)分析軟件，即進(jìn)入軟件界面，無(wú)需任何操作，軟件自動(dòng)顯示、采集和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如圖6所示?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)景見(jiàn)圖7。

圖6 地面數(shù)據(jù)分析軟件界面圖

圖7 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)景

5 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和實(shí)際應(yīng)用，軌道車(chē)換向分動(dòng)箱磨合試驗(yàn)臺(tái)作用效果達(dá)到設(shè)計(jì)研發(fā)預(yù)期，即能夠定性量化其性能指標(biāo)，嚴(yán)格按照軌道車(chē)的檢修工藝標(biāo)準(zhǔn)、范圍執(zhí)行，顯著提升軌道車(chē)檢修質(zhì)量；印證了該試驗(yàn)臺(tái)具有以下特點(diǎn)：（1）檢測(cè)機(jī)理科學(xué)，檢測(cè)效果明顯。機(jī)械承載作業(yè)臺(tái)用來(lái)安置和運(yùn)轉(zhuǎn)待檢測(cè)的換向分動(dòng)箱，動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)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(jìn)行溫度、噪聲采集，通過(guò)單片機(jī)分析處理后，將處理的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地顯示在控制柜顯示屏上，并進(jìn)行存儲(chǔ)和打印出測(cè)試報(bào)告。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程符合《接觸網(wǎng)檢修作業(yè)車(chē)大修規(guī)則》相關(guān)規(guī)定，檢測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確全面，達(dá)到預(yù)期效果；（2）控制操作簡(jiǎn)單，提高勞動(dòng)效率。設(shè)備基于機(jī)電一體化設(shè)計(jì)，一鍵啟動(dòng)、停止，自動(dòng)控制，無(wú)須人為干涉，有效降低了職工的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率?？紤]到了磨合過(guò)程中發(fā)生的機(jī)械故障，設(shè)置了過(guò)載停機(jī)保護(hù)，防止故障擴(kuò)大造成損失；（3）設(shè)備安裝方便，檢測(cè)精度較高。換向分動(dòng)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(jī)作為主控單元，能夠準(zhǔn)確采集各個(gè)傳感器的狀態(tài)，檢測(cè)精度高，實(shí)時(shí)性好。實(shí)踐應(yīng)用可行，檢測(cè)效果明顯，應(yīng)用前景廣闊。