机车驱动例行试验台应用研究

严世洪，何新，李凌

（中车大连机车车辆有限公司，辽宁 大连 116022）

引言

随着铁路机车车辆运行速度的不断提高，大功率牵引机车逐步成为我国铁路干线上的主力，HXD2 型电力机车牵引功率达到10000kW，HXD3 系列电力机车牵引功率达到9600kW，不管是在高速领域还是在重载领域，轮轴驱动系统都是机车最重要的运动系统，更大功率、更高转速的牵引电机对轮轴驱动系统牵引齿轮和驱动轴承的可靠性也提出了更高的要求。因此，机车驱动例行试验台作为检验机车驱动装置可靠性的重要保障，对它的研究及应用，成为改善我国大功率交流传动机车动力性能的重要一环。

1 机车驱动例行试验台简介

机车驱动装置例行试验台的主要功能是通过测试电力机车的振动速度、温度的变化，来检验轮对装配、电机悬挂装置、轴箱装配的组装质量。国内现有的机车驱动试验台通用性差，只能满足单一品种机车的实验要求，而且采用高压驱动，设备庞大、成本昂贵、维护困难。

为解决上述问题，项目组研制出一种新型驱动装置例行试验台。试验台主要由控制、信号采集与分析、监控管理等部分组成，直接采用低压驱动，可同时满足两台不同型号机车驱动的实验要求，系统架构图如图1-1所示。

图1 -1 机车驱动装置例行试验台系统构架图

控制部分，主要通过变频器来控制电机的启、停，并以一定的速度斜率控制电机的转速；信号采集部分，由温度传感器采集齿轮箱油的温度信号和由振动速度传感器检测并提取X、Y、Z 轴的振动信号；监控管理部分，实现对采集到的信号进行分析、报警、储存、打印、人机对话、参数设定，以及实时动态测量曲线的显示等功能。试验台主要结构包括工控机、PLC、LCD 显示器、打印机、振动信号分析仪、变频器、电源转换开关、驱动装置支架等，具体工作平台如图1-2 所示。

图1 -2 工作平台实物图

2 实用创新点

（1）直接采用低电压驱动，免去了原有实验平台需要一个升压变压器，将变频器输出脉冲电压升至额定电压后才能供给机车驱动装置的复杂结构，采用低压驱动提高了系统的安全性，也降低了维护难度。

（2）本系统中，变频器选用法国施耐德公司的ATV71EXC2C16N4 柜式工程变频器，由此变频器驱动并控制电机的速度，并通过通讯端口（PROFIBUS 总线）与PLC 进行数据通讯，调控电机的转速，并获取变频器运行过程中的参数。变频器的起、停、正、反转由控制柜控制面板上的操控按键进行控制。同时控制器选用了先进的直接转矩控制（DTC）方式，具有简洁明了的系统结构、优良的动静态性能，不需要将交流电动机等效为直流电动机，因而省去了矢量旋转变换中的许多复杂计算，它不需要模仿直流电动机的控制，也不需要为解耦而简化交流电动机的数学模型。

（3）本系统设有接地控制开关，当某个机车驱动装置试验完，需人工操作响应的接地按钮，接地转换开关动作，将对应机车驱动装置的电线和变频器输出线断开，并将驱动装置电线接地，大大加强了系统的安全性能，有效避免意外事故发生伤及试验人员的人身安全。

（4）信号采集部分，本系统通过获取机车驱动装置（驱动电机）实时的振动、温度等信号，对驱动装置的运行状态进行判断，并对异常情况做出报警。最大数据采集配置为32 个振动速度点，10 个温度点，两个环境温度点，并采用三线制接线法，低通滤波，频域变换等方式，提高温度、震动等信号的测量精度，以目前机车上应用较广的庞巴迪电机为例，信号检测位置如图2-1 所示。

图2 -1 庞巴迪电机信号检测位置示意图

（5）本系统数据处理部分基于OPC 技术自主研发，与PLC 之间通信灵活，可以同时支持2 个试验台，分别对两套电机装置进行独立操作，具有自定义曲线运行和内置曲线运行两种方式，最多可设置12 个控制节点。并且具有测点实时运行曲线，单点转速振动曲线，和多点转速振动曲线三种显示模式，三种曲线可以通过单击下面的选项卡来进行切换，最终测试结果曲线包含整个测试过程的所有配置测点数据，均可通过显示控制面板对各测点趋势的显示进行控制，实时数据浏览界面如图2-2 所示。

图2 -2 实时数据浏览界面

3 工程应用与社会评价

机车驱动例行试验台由中国北车大连机车公司自主设计研发，通过了由大连交通大学、南京工业大学、铁道部驻公司验收室和公司内外专家组成的专家组评审，专家评审组一致认为，该机车驱动装置例行试验台设计方案，操作简单，使用方便，功能齐全，检测结果准确，工作效率高，适用于各种和谐型机车以及城轨、客运机车的驱动装置试验，在国内应用上优于国际同类产品。

目前该机车驱动例行实验台在大连厂内广泛应用于HXD3，HXD3B 等和谐型大功率机车，成为铁路机车大功率牵引转型升级，实现从货运到客货通用拓展的重要品质保障。自该实验平台投入使用以来，累计实验各品种机车一千余台，成为检验大功率机车动力学性能的有效手段。得到了社会各界的广泛认可。

4 结语

机车驱动装置例行试验台性能先进，其控制系统、信号采集系统、变频调速系统融入多项创新技术，采用了结构简单、运行安全的低电压驱动，选用了先进的直接转矩控制（DTC）方式，实现了简洁明了的系统结构、优良的动静态性能；信号采集实现了32 个振动速度点、10 个温度点、2 个环境温度点的实时数据采集，信号处理部分基于OPC 技术完全自主设计开发，达到国内现有机车驱动装置的实验平台的领先水平。

实验台有操作性好，适用车型广的使用优势，可以同时支持2 个试验台，分别对2 套电机装置进行独立操作，能满足和谐型不同功率等级的交流传动机车，以及城轨、200km 客运机车等多种驱动装置试验和生产需要。投入使用以来，完成了一千余台机车实验，有效保障了铁路装备质量，促进国家“一带一路”战略发展。