CN108549027A - 一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台及其使用方法，包括电机的安装装置、传动装置、加载装置、施加振动装置、温度控制装置。通过加在X，Y，Z方向上的振动，模拟出列车在行驶过程中的振动情况，同时控制温度控制箱，在试验台运转过程中根据需要改变试验台内部的温度。进而测试出在当前受载状态、振动和温度变化的条件下的驱动电机的疲劳破坏情况。本发明提供了一种全新的驱动电机疲劳破坏的测试手段，通过全新设计的模拟振动和加载方式，真实模拟出高速列车在实际运行过程中的环境条件，有效降低了疲劳试验台的成本，在保证试验台优良性能的同时还有效降低了制造成本。

Description

一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台及其使用方法

技术领域

本发明属于电机可靠性测试技术领域，特别是模拟出列车运行过程中振动和温度对驱动电机的影响以及加载装置。

背景技术

目前，我国正在开展更高速度级试验列车研究工作，设计时速500km/h，这对电机技术提出了更大的挑战，永磁电机的优越性使得其在未来一段时间会占据主流地位，未来科研人员将会围绕这一领域进行进一步的研究和开发，可以预见的是，高铁电机将不再局限于传统的结构获得快速发展，未来将会逐渐取代交流异步电机成为主流。

正因为永磁电机功率因数高、效率高的特点，近些年永磁同步电机得到较快发展，在许多场合开始逐步取代最常用的交流异步电机，其中异步起动永磁同步电动机的性能优越，是一种很有前途的节能电机，成为高铁电机驱动领域研发的重点对象。但其成本较高，使用的永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机电机的性能，严重时还会损坏电动机，这限制了永磁电机的进一步发展。而目前我们可以做的就是在振动、温度变化的条件下对电机进行疲劳分析，尽最大可能的优化驱动系统。随着列车速度的不断提高，对电机的寿命，安全可靠性方面的问题日益突出。在高速、重载的情况下，转向架构架所承受的外部载荷越来越大，对电机的强度寿命要求就越来越高。

为了实现铁路的跨越式发展要求，目前国内铁路列车厂一直在积极开发更高速更平稳更安全的列车。随着高速列车速度地提高，为了保证列车的性能也跟着逐步提高，有必要从动力学、结构疲劳、可靠性等多角度分析驱动电机的结构形式和参数，设计可靠的高速列车驱动电机疲劳试验台，对电机进行校核检验，进而改善电机的研发设计和生产。

发明内容

针对高速列车运行中存在的影响因素，本发明提供一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台及其使用方法，模拟驱动电机在列车运行过程中所受的振动和温度的影响因素，并设计了对电机施加扭矩的加载装置。在有效降低试验台测试性能成本的前提下，保证试验台的优良性能，降低制造成本。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明的一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台，包括：电机的安装装置、传动装置、加载装置、施加振动装置、温度控制装置。

所述电机的安装装置包括：轴套、驱动电机和换向架。所述驱动电机与所述轴套通过螺栓连接在一起，所述驱动电机的另一端通过螺栓螺母与所述换向架连接。

所述传动装置包括：轴承透盖、轴承、支撑架、电机轴、齿轮轴、大齿轮和车轴。所述齿轮轴通过螺栓铆死在电机轴里，跟随所述电机轴一同转动，并与所述大齿轮啮合带动大齿轮转动，所述大齿轮通过键的连接方式与所述车轴周向固定，带着所述车轴一同转动，所述车轮与所述车轴也是通过键连接在一起的。

所述轴承，其内圈与车轴配合一同转动，外圈利用轴承透盖的轴向固定，用螺栓连接将轴承透盖固定在机架上。轴承透盖下侧用支撑架支撑起来，支撑架用螺栓连接固定在底座上面，这样就实现了电机的空转。

所述加载装置包括：液压缸、弹簧A、刹车滑块、车轮。所述弹簧A套在所述刹车滑块上，所述刹车滑块通过机架上的圆柱孔正对着所述车轮，所述液压缸顶在所述刹车滑块上，通过改变输出的大小来改变对车轮的正压力大小，从而改变摩擦力的大小。

所述施加振动装置包括：Z向导轨、Z向滑块、激振器、弹簧B、圆柱体、Y方向移动导轨和X方向移动导轨。所述激振器采用弹簧弹性固定在试验台的四角，在Z方向安置一个带有导轨的四角架，所述Z向滑块装在所述Z向导轨内，使之带着试验台整体在所述Z向导轨内Z向移动，所述弹簧B两端刚好套入用螺栓固定在四个支柱下端和试验台底四角的圆柱体，且所述八个圆柱体与弹簧B同中心,所述圆柱体长度小于所述弹簧B压缩量程，通过压缩所述弹簧B来实现在振动情况下的Z轴位移，从而实现了驱动电机的Z方向振动。

所述X方向的导轨安装机构，在Z向导轨所在的架子四角底部开有沿着X轴凹槽，将上面的整体全部安装在X方向移动导轨上，利用滑块导轨的配合间隙实现X轴方向的振动。

所述Y方向的导轨安装机构在X方向移动导轨座底部开有沿着Y轴凹槽，与Y方向移动导轨配合，底座利用螺栓连接的方式固定在地面上，利用滑块导轨的配合间隙实现Y轴方向的振动。至此，本试验台就可以近似的模拟出列车运行过程中，在三个方向上的振动情况。

所述温度控制装置包括：温控箱箱体、温度控制器和加热(冷却)器组成。所述温控箱箱体利用螺栓连接将所述温度控制器和所述加热(冷却)器挂在所述温控箱箱体的内表面上，将所述温控箱箱体螺栓连接到底座上实现固定。所述温度控制器根据温度变化，通过毛细管尾端感受温控箱箱体内部的温度，并转为相应的压力。通过压力传感器传到智能计算机，在经过计算机内部的数据处理。控制所述加热(冷却)器开始工作。根据需要，通过改变自耦变压器的抽头数来改变输出电压的高低，输出适当比利的电流值，从而达到改变温度高低的目的。

所述高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台的使用方法，包括如下步骤：

步骤一：选定一个型号的需要测量疲劳破坏的驱动电机，用螺栓连接的方式将驱动电机固定安装到试验台上。

步骤二：将电机轴安装在电机内，同时将齿轮轴用螺栓固定在电机轴内部，且齿轮轴与已安装好的大齿轮啮合。设定一定的转速，等待启动驱动电机。

步骤三：将试验台先安装到Z向导轨内，接着将整体依次安装到Y方向移动导轨机构和X方向移动导轨机构上，将激振器用弹簧弹性安装到试验台的四角并选择合适的激振频率，准备启动激振器。

步骤四:将刹车机构安装到机架上的固定位置，同时把液压缸安装到刹车机构的一侧将活塞杆顶在刹车滑块上，设定一定的液压缸输出载荷随时准备对车轮施加载荷。

步骤五：打开温控箱箱体开关，设置适合的温度变化范围，在驱动电机启动后随时改变试验台的温度，模拟出列车运行过程中的环境变化的影响。

步骤六：启动驱动电机，电机轴开始转动，齿轮轴带动车轴上的大齿轮，使车轴转动，从而带动车轮空转。接着就要对车轮施加载荷，启动液压缸，推动活塞杆开始施加载荷在刹车机构上，推动刹车滑块向前移动，慢慢与车轮接触并对车轮施加摩擦力，形成扭矩作用在车轴上，再通过齿轮传动将扭矩加载在驱动电机上，完成对驱动电机的加载，模拟出列车在行驶的过程中车轮与导轨产生的摩擦力对电机的影响。与此同时激振器开始激振，带动试验台，使试验台整体实现在X、Y、Z三个方面的振动，从而开始模拟高速列车行驶状态。同时控制温控箱箱体，在试验台运转过程中随时根据需要改变试验台内部的温度，模拟出列车在真实条件下温度对电机的影响，进而测试出在当前受载状态、振动和温度变化的条件下的驱动电机的疲劳破坏情况。

本发明一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台的有益效果：与现有技术相比，提供了一种全新的驱动电机疲劳破坏的测试手段，通过全新设计的模拟振动和加载方式，能够真实模拟出高速列车在实际运行过程中的环境条件，有效降低了疲劳试验台的成本，在保证试验台优良性能的同时还有效降低了制造成本。

附图说明

图1为本发明的驱动电机疲劳试验台装置的立体图；

图2为本发明的驱动电机疲劳试验台装置正视图；

图3为本发明的驱动电机疲劳试验台装置俯视图；

图4为本发明的驱动电机疲劳试验台装置右视图；

图中，1—Z向导轨，2—Z向滑块，3—激振器，4—液压缸，5—弹簧A，6—刹车滑块，7—车轮，8—车轴端盖，9—车轴，10—轴承透盖，11—轴承，12—轴套，13—驱动电机，14—换向架，15—支撑架，16—大齿轮，17—电机轴，18—齿轮轴，19—温控箱箱体，20—弹簧B，21—X方向移动导轨，22—Y方向移动导轨，23—温度控制器，24—加热(冷却)器,25—圆柱体

具体实施方式:

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。

根据图1-图4所示，一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台，包括电机的安装装置，其中驱动电机13与轴套12通过螺栓连接在一起，同时驱动电机13的另一端也通过螺栓螺母配合连接与换向架14连接。

根据实际情况，驱动电机13挂在车厢的底部，采用两边固定在试验台架子上的方式固定驱动电机13。将驱动电机13的两面设计加工出方形的凸台形状，一侧加工出通孔与螺栓利用螺母锁紧的方式连接在换向架14的机架上。另一侧与轴套12连接，利用螺栓连接的方式通过轴套12拴进驱动电机13里。轴套与车轴间存在足够的间隙，以利于后面在激振器3带动驱动电机13振动的情况下，不影响车轮的正常运转。

所述传动装置：电机内部连接电机轴17，齿轮轴18通过螺栓铆死在电机轴17里面跟随着电机轴17一同转动，并与大齿轮16啮合带动大齿轮转动，大齿轮16通过键连接的方式与车轴9周向固定，带着车轴9一同转动，车轴9穿过轴套12,实现车轮的高速转动，其中车轮7与车轴9也是通过键连接在一起的，里侧采用轴肩定位，避免车轮高速运转的过程中发生轴向移动。在车轮轴两端将端盖用螺栓固定在机架上。

不过因为是设计试验台所以不需要运动，这就需要使车轮7实现空转。利用轴承11，使其内圈与车轴9配合一同转动，外圈利用轴承透盖10轴向固定，用螺栓连接将透盖10固定在机架上。轴承透盖10下侧用支撑架15支撑起来，支撑架15用螺栓连接固定在底座上面，这样就实现了电机的空转。

所述加载装置：弹簧A5套在刹车滑块6后的圆柱面上，刹车滑块6通过机架上的圆柱孔正对着车轮7，液压缸4顶在刹车滑块6上，液压缸4通过螺栓连接固定在机架上，利用液压加载的方式推动刹车滑块6使之与车轮7接触。通过改变液压缸4的输出改变正压力的大小从而改变对车轮7的摩擦力大小，产生对车轴9的扭矩，从而通过齿轮传动将扭矩施加到驱动电机上。

同时车轴9上安装轴承11内圈与车轴9配合，使轴承11内圈跟着车轴9一同转动。轴承11外圈与轴承透盖10配合固定不动，轴承透盖10利用螺栓连接的方式固定在机架上。设计强度足够的且支撑处与轴承透盖10直径相同的支撑架15支撑在轴承透盖10处，支撑架15下端用螺栓固定在底座表面，这样就实现了车轮的空转状态，实现了对驱动电机的加载状态。

所述施加振动装置：激振器3采用弹簧弹性固定在试验台的四角，在Z轴方向安置一个带有导轨的四角架，然后将试验台的四个腿上设计并加工出合适大小的滑块与四角架配合。Z向滑块2装在Z向导轨1内，使之带着试验台整体在导轨内Z向移动，弹簧B20两端刚好套入用螺栓固定在四个支柱下端和试验台底四角的圆柱体25，且八个圆柱体25与弹簧B20同中心，其长度小于弹簧B20压缩量程，弹簧B20有足够强度，通过压缩弹簧B20来实现在振动情况下的Z轴位移，从而实现了驱动电机的Z方向振动。

所述X方向的导轨21安装机构，在Z向导轨1所在的架子四角底部开有沿着X轴凹槽，将上面的整体全部安装在X方向移动导轨21上，利用滑块导轨的配合间隙实现X轴方向的振动。同理，所述Y方向的导轨22安装机构在X方向移动导轨21座底部开有沿着Y轴凹槽，与Y方向移动导轨22配合，底座利用螺栓连接的方式固定在地面上，利用滑块导轨的配合间隙实现Y轴方向的振动。至此，本试验台就可以近似的模拟出列车运行过程中，在三个方向上的振动情况.

所述的加在X,Y，Z方向上的振动依靠滑块、导轨的方式，并在竖直方向上设计一个可供振动时发生微小位移的弹簧机构。振源则是采用激振器激振的方式，加在试验台的四个端部。

所述温度控制装置包括温控箱箱体19、温度控制器23和加热(冷却)器24组成。所述温控箱箱体19利用螺栓连接将所述温度控制器23和所述加热(冷却)器24挂在所述温控箱箱体19的内表面上，将所述温控箱箱体19螺栓连接到底座上实现固定。所述温度控制器23根据需要的温度变化，通过毛细管尾端感受温控箱箱体19内部的温度，并转为相应的压力。通过压力传感器传到智能计算机，在经过计算机内部的数据处理。控制加热(冷却)器24开始工作。根据需要，通过改变自耦变压器的抽头数来改变输出电压的高低，输出适当比利的电流值，从而达到改变温度高低的目的。

使用本发明试验台的使用方法，按如下步骤进行：

步骤一：选定一个型号的需要测量疲劳破坏的驱动电机13，用螺栓连接的方式将驱动电机13固定安装到试验台上。

步骤二：将电机轴17安装在电机内，同时将齿轮轴18用螺栓固定在电机轴17内部，且齿轮轴18与已安装好的大齿轮16啮合。设定一定的转速，等待启动驱动电机13。

步骤三：将试验台先安装到Z向导轨1内，接着将整体依次安装到Y方向移动导轨机构23和X方向移动导轨机构21上，将激振器3用弹簧弹性安装到试验台的四角并选择合适的激振频率，准备启动激振器3。

步骤四:将刹车机构安装到机架上的固定位置，同时把液压缸4安装到刹车机构的一侧将活塞杆顶在刹车滑块6上，设定一定的液压缸4输出载荷随时准备对车轮7施加载荷。

步骤五：打开温控箱箱体19开关，设置适合的温度变化范围，在驱动电机13启动后随时改变试验台的温度，模拟出列车运行过程中的环境变化的影响。

步骤六：启动驱动电机13，电机轴17开始转动，齿轮轴18带动车轴9上的大齿轮16，使车轴9转动，从而带动车轮7空转。接着就要对车轮7施加载荷，启动液压缸4，推动活塞杆开始施加载荷在刹车机构上，推动刹车滑块6向前移动，慢慢与车轮7接触并对车轮7施加摩擦力，形成扭矩作用在车轴9上，再通过齿轮传动将扭矩加载在驱动电机13上，完成对驱动电机13的加载，模拟出列车在行驶的过程中车轮7与导轨产生的摩擦力对电机的影响。与此同时激振器3开始激振，带动试验台，使试验台整体实现在X、Y、Z三个方面的振动，从而开始模拟高速列车行驶状态。同时控制温控箱箱体19，在试验台运转过程中随时根据需要改变试验台内部的温度，模拟出列车在真实条件下温度对电机的影响，进而测试出在当前受载状态、振动和温度变化的条件下的驱动电机13的疲劳破坏情况。

Claims (5)

1.一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台，其特征在于：包括电机的安装装置、传动装置、加载装置、施加振动装置、温度控制装置；

所述电机的安装装置包括：轴套、驱动电机和换向架，所述驱动电机与轴套通过螺栓连接在一起，所述驱动电机的另一端通过螺栓螺母与换向架连接；

所述传动装置包括：轴承透盖、轴承、支撑架、电机轴、齿轮轴、大齿轮和车轴，所述齿轮轴通过螺栓铆死在电机轴里，跟随电机轴一同转动，并与大齿轮啮合带动大齿轮转动，所述大齿轮通过键的连接方式与车轴周向固定，带着车轴一同转动，所述车轮与车轴也是通过键连接在一起；

所述加载装置包括：液压缸、弹簧A、刹车滑块、车轮，所述弹簧A套在刹车滑块上，所述刹车滑块通过机架上的圆柱孔正对着车轮，所述液压缸顶在刹车滑块上，通过改变输出的大小来改变对车轮的正压力大小，从而改变摩擦力的大小；

所述施加振动装置包括：Z向导轨、Z向滑块、激振器、弹簧B、圆柱体、Y方向移动导轨和X方向移动导轨，所述激振器采用弹簧弹性固定在试验台的四角，在Z方向安置一个带有导轨的四角架，所述Z向滑块装在所述Z向导轨内，使之带着试验台整体在Z向导轨内Z向移动，所述弹簧B两端刚好套入用螺栓固定在四个支柱下端和试验台底四角的圆柱体，且所述八个圆柱体与弹簧B同中心,所述圆柱体长度小于弹簧B压缩量程，通过压缩弹簧B来实现在振动情况下的Z轴位移，从而实现了驱动电机的Z方向振动；

所述温度控制装置包括：温控箱箱体、温度控制器和加热或冷却器组成，温控箱箱体利用螺栓连接将温度控制器和加热或冷却器挂在温控箱箱体的内表面上，将所述温控箱箱体螺栓连接到底座上实现固定。

2.根据权利要求1所述的一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台，其特征在于：轴承，其内圈与车轴配合一同转动，外圈利用轴承透盖的轴向固定，用螺栓连接将轴承透盖固定在机架上，轴承透盖下侧用支撑架支撑起来，支撑架用螺栓连接固定在底座上面，这样就实现了电机的空转。

3.根据权利要求1所述的一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台，其特征在于：所述X方向的导轨安装机构，在Z向导轨所在的架子四角底部开有沿着X轴凹槽，将上面的整体全部安装在X方向移动导轨上，利用滑块导轨的配合间隙实现X轴方向的振动。

4.根据权利要求1所述的一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台，其特征在于：所述Y方向的导轨安装机构在X方向移动导轨座底部开有沿着Y轴凹槽，与Y方向移动导轨配合，底座利用螺栓连接的方式固定在地面上，利用滑块导轨的配合间隙实现Y轴方向的振动，至此，本试验台就可以近似的模拟出列车运行过程中，在三个方向上的振动情况。

5.一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台的使用方法，其特征在于：采用权利要求1所述的一种测试高速列车驱动电机疲劳破坏的试验台包括如下步骤：

步骤一：选定一个型号的需要测量疲劳破坏的驱动电机，用螺栓连接的方式将电机固定安装到试验台上；

步骤二：将电机轴安装在电机内，同时将齿轮轴用螺栓固定在电机轴内部，且齿轮轴与已安装好的大齿轮啮合，设定一定的转速，等待启动电机；

步骤三：将试验台先安装到Z向导轨内，接着将整体依次安装到Y向导轨机构和X向导轨机构上，将激振器采用弹簧弹性固定在试验台的四角并选择合适的激振频率，准备启动激振器；

步骤四:将刹车机构安装到机架上的固定位置，同时把液压缸安装到刹车机构的一侧将活塞杆顶在刹车滑块上，设定一定的液压缸输出载荷随时准备对车轮施加载荷；

步骤五：打开温控箱开关，设置适合的温度变化范围，在电机启动后随时改变试验台的温度，模拟出列车运行过程中的环境变化的影响；

步骤六：启动电机，电机轴开始转动，齿轮轴带动车轴上的大齿轮，使车轮轴转动，从而带动车轮空转；接着就要对车轮施加载荷，启动液压缸，推动活塞杆开始施加载荷在刹车机构上，推动刹车滑块向前移动，慢慢与车轮接触并对车轮施加摩擦力，形成扭矩作用在车轴上，再通过齿轮传动将扭矩加载在电机上，完成对电机的加载；与此同时激振器开始激振，带动试验台，使试验台整体实现在X、Y、Z三个方面的振动，从而开始模拟高速列车行驶状态；同时控制温控箱，在试验台运转过程中随时根据需要改变试验台内部的温度，模拟出列车在真实条件下温度对电机的影响，进而测试出在当前受载状态、振动和温度变化的条件下的驱动电机的疲劳破坏情况。