申 强

（中国铁路呼和浩特局集团有限公司 科研所，工程师，内蒙古呼和浩特 010050）

1 问题提出

轨道车是铁路供电单位开展供电设施养护维修工作的主要设备之一；注重轨道车检修质量是保证其正常工作的重要前提，而轨道车检修质量达标与提升要靠配套的检测设备、手段认定与保证。目前铁路企业轨道车检修存在检测设备不全问题，尤其是缺少轨道车换向分动箱大修试验台，由于路外相关设备制造厂家和生产维修企业也没有同类设备，致使铁路企业在轨道车换向分动箱大修质量检测只能沿用传统方法，即分别通过点温枪测温度，分贝仪测噪声，转速仪测转速的方式来进行测量，检测过程中存在较多人为因素影响，导致测量数据不准确，维修质量难以保证。

换向分动箱是轨道车的主要部件，其工作性能关乎轨道车工作质量，关乎铁路运输安全。基于上述分析，中国铁路呼和浩特局集团有限公司科研所研发轨道车换向分动箱磨合检测试验台，旨在为确保轨道车检修质量提供可靠的检测支撑。

该试验台技术指标达到《接触网检修作业车大修规则》规定：在低速状态下转动10 min，检查换向分动箱各部轴承温度，不得有突然升温现象。在100r/min、1000r/min、1400r/min三种转速下各自运行5 min，检查各部轴承温度及噪声有无异常。同时，以最高转速进行正、反拖磨试验，每个转向时间不得少于1 h。拖磨试验中，在正对箱体1 m处，噪声应平稳且无突变，最大噪声不高于90 dB。采集箱体各轴承部温度，温升不大于70℃，最高温度不大于110℃，具有可靠性、稳定性、安全性特点。

2 系统总体结构

轨道车换向分动箱大修试验台由机械承载作业台、动态监测系统及地面数据分析处理系统三部分组成，通过机械承载作业台驱动模拟轨道车分动换向箱作业工况，然后利用动态监测系统实时监测换向分动箱在当前转速下温度和分贝值的变化，最后将采集的数据导入到地面数据分析系统进行分析，进而判断轨道车部件质量的好坏。图1为动态监测系统原理图。

图1 动态监测系统原理

3 试验台设计思路

该试验台的设计与研制，采用三维仿真技术，应用成熟的机械设计理论，设计机械承载作业操作平台，并采用结构有限元理论，完成整体系统的结构优化，以软件编程为基础，设计动态监测系统及地面分析系统，保证大修平台实时监测、分析准确，确保整体检修质量。

3.1机械作业平台结构设计工件定位平台是轨道车分动箱磨合检测试验台的基础部位，承受轨道车分动箱、电机驱动装置和传动装置的全部重量。在检测时当转速高的时候，平台往往会颤动，对检测结果造成影响。因此，全面了解工件定位平台在受到轨道车的重力时工件定位装置应力分布状态、位移情况，对其进行静力分析显得尤为必要。图2为工件定位平台几何模型示意图，图3为应力结果示意图。

图2 工件定位平台几何模型图

图3 应力结果图

从图3可知，单元最大应力是122.73 Mpa，远小于材料的抗弯、抗拉、抗压强度（215 Mpa）及屈服强度（235 Mpa），结构安全满足静力要求。从应力结果图可以看出，单元最大应力位于工件定位装置底角加劲肋板处，每个加劲肋板与方钢及平台板采用焊接连接，其受力状态与焊接工艺关系密切。若存在焊接缺陷，容易造成应力集中，应力发生突变。因此，机械作业平台的加工生产必须注意方钢与平台、方钢与连接板的焊接质量及焊接的后处理工作，才能有效保证结构的稳定与受力安全。

根据上述有限元分析的结果可知，所用材料已满足结构受力的要求，加工的实物如图4所示。

图4 机械承载作业台实物图

3.2动态监测系统集成设计动态监测系统主要由单片机、温度检测传感器、分贝传感器、变频器、电机、485-TTL模块以及电脑终端组成，并系统集成在一个控制柜内。

系统由380 V电源供电，经过空开以及接触器，再经过变频器来控制电机。通过面板调速旋钮，可以直接调速至100r/min、1 000r/min、1 400r/min三个档位。同时单片机采集温度传感器以及分贝计的数据，经分析，在上位机显示数据。变频器工作原理见图5。

图5 变频器工作原理图

动态监测系统采用的主控单元是Arduino UNO，是以ATmega328 MCU控制器为基础，具有14路数字输入/输出引脚，6路模拟输入。这款单片机完全能够满足项目的需求。

Arduino是一款基于AVR单片机的开源硬件及软件平台，具有开发简单、便捷灵活等特点。它构建于开放原始码simple I/O界面版，并且具有使用类似Java、C语言的Processing开发环境。

3.3上位机编程上位机编程软件采用LabView编程，LabView是可视化编程，类似于组态软件，具有编程简单，采用了结构化、面向对象、组件、构架、集成化等技术，在运行效率、性价比、全可视化支持、面向对象等方面具有特色。

电脑终端软件设计包括温度测试点图示区域、分贝测试点图示区域、数据分析区、数据实时采集区、数据打印等功能。

4 系统功能测试

该试验台在内蒙古铁路运营管理集团有限责任公司轨道车检修基地进行现场测试，严格按照《接触网检修作业车大修规则》（铁部运2016[6]号）的规定，在以空挡低速转动10 min，在以100r/min、1000r/min、1400r/min转速各转动5 min，在以最高转速进行正反拖磨试验（不少于1 h），来检查各轴承温度及转动所引起的噪声有无异常，结合部有无漏油现象。测试过程持续时间160 min。检测过程中需要特别注意以下几个方面：

1）将待检测的换向分动箱固定在机械承载作业台上，安装牢固。用抹布擦拭换向分动箱各轴承表面尘土、油污等，防止其对温度测量造成干扰。

2）若换向分动箱后半轴上有不能拆卸的螺杆，须用细铁丝或者喉箍等配件拧紧固定，防止由于机械振动致使螺杆松动而卡住轴承转动，损伤设备。

3）安装皮带，并将防护罩安装到相应位置，用羊角手拧螺丝固定牢固。

4）拖磨试验时，安装4个温度传感器和1个噪声传感器传感器，连接线序号和控制柜的接口序号保持一致。噪声传感器直接磁吸在控制柜上，探头对准换向分动箱，温度传感器直接磁吸在换向分动箱的各轴承部位。

5）接通电源，打开工控主机。双击打开地面数据分析软件，即进入软件界面，无需任何操作，软件自动显示、采集和存储数据，如图6所示。现场试验场景见图7。

图6 地面数据分析软件界面图

图7 现场试验场景

5 结束语

经现场测试和实际应用，轨道车换向分动箱磨合试验台作用效果达到设计研发预期，即能够定性量化其性能指标，严格按照轨道车的检修工艺标准、范围执行，显著提升轨道车检修质量；印证了该试验台具有以下特点：（1）检测机理科学，检测效果明显。机械承载作业台用来安置和运转待检测的换向分动箱，动态监测系统、地面数据分析软件系统集成于控制柜内，借助于传感器进行温度、噪声采集，通过单片机分析处理后，将处理的数据实时地显示在控制柜显示屏上，并进行存储和打印出测试报告。整个检测过程符合《接触网检修作业车大修规则》相关规定，检测数据准确全面，达到预期效果；（2）控制操作简单，提高劳动效率。设备基于机电一体化设计，一键启动、停止，自动控制，无须人为干涉，有效降低了职工的劳动强度，提高了作业效率。考虑到了磨合过程中发生的机械故障，设置了过载停机保护，防止故障扩大造成损失；（3）设备安装方便，检测精度较高。换向分动箱固定后，采用磁铁固定传感器，安装方便、牢固。采用AVR单片机作为主控单元，能够准确采集各个传感器的状态，检测精度高，实时性好。实践应用可行，检测效果明显，应用前景广阔。