巴西1A线轮对跑合试验台的设计计算与结构分析

方案和形式多种多样。其中有2台250公里动车轮对跑合试验台（加垂向负载）、2台标准轨道拖车轮对跑合试验台、1台长春轻轨动、拖车轮对跑合试验台、1台光轴齿轮箱跑合试验台、1台宽窄轨可调的拖车轮对跑合试验台（主要用于巴基斯坦项目）、1台标准轨动车轮对跑合试验台。

1.2 巴西1A线轮对跑合试验台来源及背景

根据转向架设计部门的要求，巴西1A线（宽轨，轨距1600mm）的动、拖车轮对需要进行跑合试验，而公司已有的8台设备均无法满足该试验要求，故需要新增1台跑合试验台。同时，为了使设备的综合性、通用性更强，要求该设备能满足各型轨道客车不同轮对内侧距的转向架动、拖车带轴箱装置和齿轮箱装置的空载轮对跑合试验。

2 跑合试验台的主要技术要求

2.1可实现拖车带轴箱装置和动车带轴箱装置及齿轮箱装置的轨距范围为1435-1676mm的不同轮对内侧距的轮对跑合试验。

2.2 设备能提供齿轮箱注油清洗装置，用于齿轮箱跑合前后的注油和排油的清洗。

2.3轮对转速可连续调整，在各时间段的输入转速、转向和时间可在试验装置技术要求下进行任意设定。

2.4驱动电机功率、扭矩和转速满足各型铁路客车动拖车轮对≥120km/h的跑合试验要求。

2.5 设置多个测温点，根据技术要求能自动检测并记录跑合试验过程中齿轮箱主从动齿轮处、轴箱装置、齿轮箱油液及环境的温度。能检测试验过程中的噪音。

2.6通过轴箱装置将轮对定位、夹紧在试验台上，拖车轮对采用磨擦轮对车轮踏面来驱动，动车轮对采用连接轮对齿轮箱小齿轮轴来驱动轮对旋转。

2.7 试验台采用工控机控制，可根据输入轴号和试验参数，以数字和曲线形式显示试验时的速度、各点温度、时间，并具有存取查询打印功能。

3 跑合试验台的设计方案及计算说明

本着提高设备工作效率及利用率，综合已有试验台的设计方案，该试验台采用分体式结构，即动、拖车轮对分别在不同的台位上完成相应的跑合试验工作。对于动车轮对跑合采用高频电机直连驱动，使电机直接通过联轴器与轮对齿轮箱小齿轮连接，满足车轴转速要求；对于拖轴则采用电机直接连接皮带传动，从而带动摩擦轮驱动车轮踏面来实现拖车跑合的方式，其中，液压缸驱动摆臂压紧主从动摩擦轮方式。

3.1 动车台位设计计算

已知齿轮箱传动比7.71，车轴转速N车=740r/min求得，电机的转速N电机=5705 r/min，故选用电机型号YLD180L-2，电机功率为22 kW，额定转速为5880 r/min的高频电机直连驱动。

3.2 拖车台位设计计算

结构简图如下：

3.2.1主动摩擦轮直径

已知：车轮线速度：V=120km/h，车轮直径：D=850mm，电机转速：N电机=2940r/min，皮带传动比：i=2/3。求得，车轮线速度：V车=2000m/min，车轴转速：N车=V/πD=740r/min，主动摩擦轮：N摩擦轮= iN电机=1760 r/min，主动摩擦轮直径：D摩擦轮= V车/ πN摩擦轮=325mm。

3.2.2皮带传动设计计算

选择电动机，选定名义功率Pm=10KW，转速为N电机=2940r/min，确定设计功率Pd ，Pd= PmKA=12KW，其中KA工作情况系数，选定为1.2。

选择带的型号，根据机械设计手册，选取A型V带，确定带轮的基准直径，根据机械设计手册，选取小带轮基准直径dd1=170mm，大带轮基准直径：dd2= dd1/i=255mm，选取大带轮基准直径dd2=250mm，经计算传动误差小于5%，可用。

带的速度v=πdd1N电机/60×1000=26.7m/s，确定带长和中心距a0=500mm，带的基准长度Ld=2a0+π（dd1+dd2）/2+（dd2-dd1）2/4a0=1662mm，根据设计手册，选取相近的Ld=1600mm，确定中心距a≈a0+（Ld-Ld0）/2=469mm，

验算小带轮包角α1=1800-57.30 ×（dd2-dd1）/a=1710，适用。

确定V带根数Z 查表得Kα=0.94； KL=0.99；Z=PC/[（P1+△P1）KαKL=2.83，选取z=3

3.2.3液压系统计算

已知 轮对质量m=1200kg；加速度时间t=60s.转动惯量计算

单个车轮（不计车轴）的惯性半径，车轮磨损到极限的直径R极限=395mm=0.395m，i=1/2 ×0.3952=0.078m2j，=m×i=46.8，整个轮对的转动惯量j=2j，=93.6

驱动功率计算，已知车轮线速度V=120km/h=33.3m/s，求得加速时间a=v/t= a= 0.555m/s2，角速度w=77.5，车轮转矩：T=jw/t=120.9Nm，功率：P=Tn/9550=9.4Kw

摩擦轮正压力计算，摩擦轮转矩：T摩擦轮= TD/ D摩擦轮=320Nm，摩擦轮上的摩擦力：F= 2T摩擦轮/ D摩擦轮=1963N，设定摩擦因数f=0.2，正压力：N= F/f=9815N，故摩擦轮有足够的力将车轮靠紧，带动车轮转动。

油缸推力，F推力= FD油缸/d油缸=1806KG油缸选用63缸，油缸压力值：P= F推力/S油缸面积=5.9MPa，根据以上计算，选定额定功率为11Kw，转速为2940r/min的电机，油泵流量9.6 L/min，系统压力12MPa的液压系统，可以满足拖车轮对的跑合试验要求。

4 跑合试验台的结构组成分析

跑合试验台的组成分为拖轴台位、动轴台位、控制柜三部分。具体为底座平台（两套），轴箱固定座组成（两套）、动轴驱动组成（一套）、拖轴驱动组成（一套）、齿轮箱支撑组成（一套）、齿轮箱清洗循环系统（一套）、液压系统（一套）、电气控制系统（一套）、温度及噪声检测系统（一套）等。

设备整体外观图如下：

4.1 底座平台

底座平台主要是各机械零部件组成的安装平面，上面放置轴箱底座组成、齿轮箱支撑组成、动轴驱动组成、拖轴驱动组成等，平台由垫铁安放在地基上，通过预埋螺栓压紧，平台上有定位槽和T型槽，用于定位和压紧各组成。平台为HT200铸铁制成，具有吸震和减震的作用。

4.2 轴箱固定座组成

轴箱固定座组成主要由固定底座、定位支撑两大件组成。

固定底座由T型槽和键槽固定和定位在平台上，可沿着车轴轴向无级调整；固定底座由铸铁制成，具有吸震和减震的作用。

车轴定位、夹紧方式：利用轴箱上的孔采用“一面两销”定位，夹紧采用细牙螺栓将轴承箱固定在定位支撑上。若轴箱为转臂轴箱，则可更换定位支撑满足需求。

其工作示意图如下所示：

工件定位、夹紧示意图如下：

4.3 动轴驱动组成

动轴驱动组成由变频电机、底座、鼓形齿联轴器组成，电机为22千瓦，由变频控制转速和转向。

底座可以在平台上移动以满足不同车轴轴向安装需求；电机可在底座上移动以满足不同车轴横向安装需求。

动轴驱动组成示意图如下所示：

4.4 拖轴驱动组成

拖轴驱动组成由变频电机、主动摩擦轮装置、从动摩擦轮装置组成，电机为11千瓦，由变频控制转速和转向。

主、从动摩擦轮可以在平台上移动以满足不同轨距轮对的要求；均采用液压缸驱动摆臂压紧方式，避免了操作人员频繁手动调整，提高生产效率。

主动摩擦轮装置是由踏面驱动车轴旋转，从动摩擦轮装置顶紧车轴轴承，使轴承间隙靠在一侧，消除跑合、油洗过程中的振动。

主动摩擦轮与电机安装在同一平板底座上，方便在适合不同轨距轮对跑合时的调整工作。

拖轴驱动组成示意图如下所示：

4.5齿轮箱支撑组成

齿轮箱支撑组成的作用是对齿轮箱定位支撑和消除车轴在转动过程中的反扭矩，其位置可以根据不同车型的车轴任意调整。

针对不同型号和尺寸的车轴齿轮箱可通过调节支撑台高度来满足需求。高位支撑组成可以适合各种车型，低位支撑组成仅适合不带连杆的车型。

齿轮箱支撑组成示意图如下所示：

4.6 齿轮箱注油清洗装置

试验台配有齿轮箱注油清洗装置，适合动车轮对齿轮箱跑合试验的注油及过滤。循环过滤系统的过滤精度小于10μ。齿轮箱注油清洗装置可实现从一个存油容器抽取齿轮油，通过阀门控制实现对齿轮箱的注油。过滤装置安装于可移动的小车上，小车为四轮结构，其中两个轮对可万向转动。

油泵可提供15lit/min的流量和10bar的工作压力，压力可根据需要进行调整。在管路在中有流量控制阀门及可以读取流量的流量计。电子面板上有开始和停止按钮。注油、排油、循环时间等可以实现自动控制

4.7 液压控制系统

液压系统主要作用是对拖轴跑合台位的摩擦轮压紧油缸提供动力，在油缸的作用下使摩擦轮驱动轮对转动。

液压系统配备液压装置过载保护系统；液压系统工作时油缸压力应保持恒定，不会出现振动，且有欠压补偿功能。

4.8 电气及控制系统

跑合试验台系统控制采用触摸屏、变频器和PLC组成，能够实现人机对话，操作简单易懂。跑合试验台电气控制系统用于控制试验机完成跑合试验，它主要包括系统控制、主驱动、注油、运行、测试和安全等部分。

控制部分用于采集试验过程中的温度、噪声等信号并进行分析处理、显示、存储等工作。主要包括工控机、数据采集卡、显示器、传感器和系统软件等部分。传感器连接在数据采集卡上，数据采集卡与工控机连接。工控机通过传感器取得试验过程中的温度信号，从PLC取得转速信号，最终显示基于时间的转速、温度曲线，并进行存储和打印。

4.9 温度及噪音测量系统

温度测量系统能在齿轮箱跑合试验时，实现对各个设定检测位置的温度检测。温度检测位置：齿轮箱主动齿轮前后盖和从动齿轮前后盖处各布置1个（共4个）、齿轮箱测量油温1个（共1个采用插入齿轮箱油中的温度传感器），动拖车轴箱装置上各布置2个（共4个采用接触式温度传感器），环境温度测量系统1个（共1个）。传感器安装方式为非接触式。传感器与齿轮箱间距相对固定。

噪声监测系统采用噪声检测传感器，实时采集跑合试验过程中的各种声音，并存储，声音采集器能检测声音的分贝值。

5 结论

基于以上设计原理，设备厂家进行了制造。设备安装调试完成后，经过多条动、拖车轮对的跑合试验验证，设备运行状况良好，具有很高的稳定性、平稳性，在满足工艺要求的同时，也对其他跑合试验台新产品的研制起到了积极的作用。

参考文献：

[1]沈鸿.机械工程手册（第六册） .北京：机械工业出版社，1982.