第7章 兩級(jí)三環(huán)減速器的試驗(yàn)研究
7.1引言
眾所周知，齒輪產(chǎn)品經(jīng)常是以齒輪裝置的形式交付用戶使用的，其齒輪裝置的運(yùn)行性能是制造廠和用戶共同關(guān)心的問(wèn)題。筆者研制的以同步帶作為一級(jí)傳動(dòng)的油膜浮動(dòng)均載的完全平衡兩級(jí)三環(huán)減速器的傳動(dòng)性能是大家十分關(guān)心的問(wèn)題，由于前幾章對(duì)該減速器所作的理論分析和計(jì)算都是利用了簡(jiǎn)化的數(shù)學(xué)模型，其分析和計(jì)算是否正確，還要通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，也只有試驗(yàn)才是驗(yàn)證該減速器設(shè)計(jì)理論是否正確、樣機(jī)是否實(shí)用的最有效手段。本章介紹筆者所設(shè)計(jì)的樣機(jī)DQSH145在大慶職工大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上所進(jìn)行的試驗(yàn)情況。試驗(yàn)結(jié)果表明：該樣機(jī)的主要性能指標(biāo)均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，尤其是傳動(dòng)效率、振動(dòng)指標(biāo)還優(yōu)于國(guó)內(nèi)同類產(chǎn)品。
7.2兩級(jí)三環(huán)減速器的傳動(dòng)效率試驗(yàn)
7.2.1測(cè)試用儀器與測(cè)試系統(tǒng)
兩級(jí)三環(huán)式減速器傳動(dòng)效率試驗(yàn)是在大慶職工大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。電機(jī)為無(wú)錫電機(jī)廠生產(chǎn)的直流電機(jī)，型號(hào)為：Z2-52，功率為13kW；電機(jī)的轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)采用北京整流器廠生產(chǎn)的可控硅設(shè)備，型號(hào)為：KGSAC21100/230；傳動(dòng)裝置采用國(guó)營(yíng)海安機(jī)電廠生產(chǎn)的，型號(hào)為：CZ-5型，額定轉(zhuǎn)矩為50N.m的磁粉制動(dòng)器作為加載裝置，來(lái)實(shí)現(xiàn)施加制動(dòng)扭矩，該裝置是根據(jù)電磁原理和利用磁粉傳遞轉(zhuǎn)矩的，WIJ-3A型直流穩(wěn)壓電源為該加載裝置的專用電源；轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速量的測(cè)量采用上海第二電表廠生產(chǎn)的測(cè)轉(zhuǎn)矩精度為±1%,測(cè)轉(zhuǎn)速精度為±0.5%的，型號(hào)為：ZJYW1微機(jī)型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀及與之配套的ZJ轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)和打印。為滿足加載裝置的轉(zhuǎn)速范圍以及所施加轉(zhuǎn)矩大小的需要，在加載裝置與輸出轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器之間布置了一臺(tái)上海產(chǎn)技術(shù)參數(shù)適合的增速器，其傳動(dòng)比為23.34。由于新型三環(huán)式減速器一級(jí)傳動(dòng)采用同步齒型帶，而輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器軸不允許承受較大的徑向作用力，為解決這一問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一個(gè)軸承座，一端聯(lián)在輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器軸上，另一端安裝同步帶傳動(dòng)的輸入小同步帶輪，三環(huán)式傳動(dòng)的兩曲柄軸上分別安裝上同步帶傳動(dòng)的輸出大同步帶輪，大小同步帶輪通過(guò)同步帶嚙合實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力傳遞。
樣機(jī)的傳動(dòng)性能試驗(yàn)臺(tái)如圖7-1所示，傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)照片如圖7-2所示。
潤(rùn)滑油循環(huán)系統(tǒng)照片如圖7-3所示
7.2.2 專用軸承座的設(shè)計(jì)
軸承座是作者為解決試驗(yàn)中測(cè)試用輸入轉(zhuǎn)矩傳感器軸不允許承受較大的徑向作用力這一實(shí)際問(wèn)題而專門設(shè)計(jì)的。其一端聯(lián)軸在輸入轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器軸上，另一端安裝同步傳動(dòng)的輸入小同步帶輪，如圖7-4所示。
7.2.3兩級(jí)三環(huán)減速器的跑合
裝配完好的三環(huán)減速器及測(cè)試儀器按測(cè)試系統(tǒng)的聯(lián)接順序在試驗(yàn)臺(tái)上逐一聯(lián)接并予以定位，然后用手轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)輸出軸上的半聯(lián)軸器以檢查各回轉(zhuǎn)副轉(zhuǎn)動(dòng)是否靈活，若有異常，予以調(diào)整，直至無(wú)任何異常；若無(wú)問(wèn)題，進(jìn)行跑合試驗(yàn)。首先，空載跑合4小時(shí)，其中正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)分別跑合2小時(shí)。然后加滿載的20%載荷跑合2小時(shí)，接下來(lái)再加滿載的50%載荷跑合2小時(shí)，最后加滿載跑合2小時(shí)。跑合試驗(yàn)后，將減速器里的潤(rùn)滑油排放掉，并清理好箱體底部，不允許有任何磨粒遺留，然后重新加入適量潤(rùn)滑油。為后續(xù)試驗(yàn)作準(zhǔn)備。
7.2.4 傳動(dòng)性能的測(cè)試方法
該新型三環(huán)減速器傳動(dòng)效率試驗(yàn)分為恒定轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩和恒定轉(zhuǎn)矩邊轉(zhuǎn)速兩種。在進(jìn)行恒定轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)時(shí)，運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到熱平衡后10min開(kāi)始測(cè)量轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。將輸入轉(zhuǎn)速定為750、1000、150Or/min三檔，輸出轉(zhuǎn)矩按額定轉(zhuǎn)矩的25%、50%、75%、100%設(shè)為四檔，逐檔加載測(cè)試。在進(jìn)行恒定轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速試驗(yàn)時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩設(shè)為752N.m、876N.m兩檔，輸入轉(zhuǎn)速分為500、750、1000r/min三檔，逐檔加速測(cè)試。
7.2.5 兩級(jí)三環(huán)減速器的傳動(dòng)效率
由于試驗(yàn)過(guò)程所測(cè)取的數(shù)據(jù)是一些離散值，且有微小的變化，為保證傳動(dòng)效率測(cè)試準(zhǔn)確，需對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理。
通常，每一檔的數(shù)據(jù)測(cè)多次，每一次的數(shù)據(jù)測(cè)若干組。
每次采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的平均值為
式中 Ti，ni，Ni——每組數(shù)據(jù)中的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率值；
k——每次測(cè)試數(shù)據(jù)的組數(shù)，本研究取12～20。
每檔采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的平均值為
式中 m——每檔采集數(shù)據(jù)的次數(shù)，本研究取三次。
試驗(yàn)樣機(jī)傳動(dòng)的總效率
式中 η——試驗(yàn)樣機(jī)的總效率
N1，N2——同時(shí)采集的輸入、輸出功率的平均值；
η座、η聯(lián)——分別為試驗(yàn)樣機(jī)用軸承座、輸入軸出軸端聯(lián)軸器的效率，取η座=0.995，η聯(lián)=0.9952。
在恒定轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩和恒定轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速兩種工況下測(cè)得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后，再利用公式（7-1）計(jì)算，便可得到實(shí)測(cè)的效率曲線如圖7-5和7-6所示。
由圖7-5和7-6可看出，在輸入軸轉(zhuǎn)速為506r/min，輸出軸轉(zhuǎn)矩為752N.m時(shí)，減速器的效率較高，達(dá)92.323%。
需要加以說(shuō)明的一點(diǎn)是，由于試驗(yàn)臺(tái)控制柜的條件限制，在高輸入轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩上不去；在高輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，輸入轉(zhuǎn)速上不去，只能對(duì)所得的上述傳動(dòng)效率曲線進(jìn)行分析。
傳動(dòng)效率試驗(yàn)結(jié)果表明，兩級(jí)三環(huán)減速器的傳動(dòng)效率隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加，直至達(dá)到效率最大值，隨后，又隨輸出轉(zhuǎn)矩的增加而降低。最大效率在輸出轉(zhuǎn)矩為750N.m左右。也就是說(shuō)，油膜浮動(dòng)時(shí)的油膜剛度影響其承載能力。應(yīng)當(dāng)指出的是：試驗(yàn)中，傳動(dòng)系統(tǒng)的效率隨輸入轉(zhuǎn)速的增加而降低，在轉(zhuǎn)速較高時(shí)的效率較低，是由于油膜浮動(dòng)時(shí)采用外循環(huán)油泵供油流量高于減速器內(nèi)排出的流量，造成減速器輪齒浸油較深，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)隨轉(zhuǎn)速的增加，攪油損失增加而引起的。批量生產(chǎn)時(shí)采用內(nèi)部循環(huán)時(shí)完全可以解決這一問(wèn)題。
7.3兩級(jí)三環(huán)減速器的載荷分布不均勻系數(shù)試驗(yàn)
7.3.1 測(cè)試原理及齒根應(yīng)力測(cè)試方案
測(cè)點(diǎn)布置方案是關(guān)系到測(cè)量結(jié)果的一件重要工作。由于三環(huán)減速器傳動(dòng)環(huán)板的輪齒受力時(shí)象懸臂梁一樣，因而，齒根處彎曲應(yīng)力最大，并有應(yīng)力集中，故齒根彎曲應(yīng)力是主要應(yīng)力形式，因此，將電阻應(yīng)變片分別牢固地貼在每一片內(nèi)齒環(huán)板相同位置的一個(gè)齒的齒根上，這樣能較準(zhǔn)確地反映三環(huán)減速器每片內(nèi)齒環(huán)板的受載情況，電阻應(yīng)變片的貼粘位置如圖7-7所示，電阻應(yīng)變片引線如圖7-8所示。為了消除溫度對(duì)應(yīng)變片電阻的影響，在被測(cè)輪齒的沒(méi)有應(yīng)變的部位貼三片溫度補(bǔ)償片。在貼片時(shí)，先將輪體貼片處用丙酮清洗干凈，待輪體貼片處表面絕緣干燥后再貼片。齒根應(yīng)變片的引線采用Ф0.2mm的高強(qiáng)度漆包線，用環(huán)氧樹(shù)脂膠防潮并固定，調(diào)和好稠度適宜的環(huán)氧樹(shù)脂膠，涂抹在引線上和應(yīng)變片的周圍。漆包線用六芯屏蔽線引出接入電橋盒。試驗(yàn)中采用JA-102或J-39環(huán)氧樹(shù)脂膠。測(cè)試中，每片環(huán)板上的電阻應(yīng)變片均搭成半橋電路。運(yùn)行時(shí)各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變信號(hào)由測(cè)試系統(tǒng)測(cè)得。其測(cè)試原理是：減速器工作時(shí)貼有電阻應(yīng)變片的減速器各內(nèi)齒環(huán)板齒根處受到外力作用而產(chǎn)生變形，電阻應(yīng)變片的長(zhǎng)度和橫截面積也隨之發(fā)生變化，總的效應(yīng)是電阻應(yīng)變片的電阻值發(fā)生變化。經(jīng)過(guò)YD-15型8通道動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀的放大、檢波和濾波，實(shí)現(xiàn)了機(jī)械量轉(zhuǎn)化為電量的過(guò)程。轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)在A/D 轉(zhuǎn)換器需要的量程范圍，信號(hào)通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器后，已由模擬量變成了離散的數(shù)字量，這些數(shù)字信號(hào)傳到計(jì)算機(jī)后，應(yīng)用分析軟件，由計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行采集、分析和處理，以獲得需要的信息。
式中 k1，k2，k3——標(biāo)定得到的比例系數(shù)，括號(hào)前Max是指取其中的最大值；
ε1，ε2，ε3——三片內(nèi)齒環(huán)板上應(yīng)變信號(hào)的平均值。
試驗(yàn)中選用的電阻應(yīng)變片長(zhǎng)度為0.2mm，電阻為119.8±0.2Ω，相差很小，即k1、k2/2、k3彼此差別很小，所以上式簡(jiǎn)化為：
在不同工況下，通過(guò)試驗(yàn)可分別測(cè)得三片環(huán)板上應(yīng)變信號(hào)的平均值和最大值，應(yīng)用公式（7-2）便可求得每片環(huán)板的載荷分配不均勻系數(shù)，兩級(jí)三環(huán)減速器的載荷分配不均勻系數(shù)取三片內(nèi)齒環(huán)板中的最大值。
7.3.2測(cè)試用儀器與測(cè)試系統(tǒng)
傳動(dòng)效率測(cè)試的所有儀器也是動(dòng)應(yīng)力測(cè)試所必須的，此外，動(dòng)應(yīng)力測(cè)試還需用一些專用儀器，這里選用KFG-02-120-Cl-11型微型電阻應(yīng)變片和CC-33A型CYANO-ACRYLATE BASE STRAIN GAGE CEMENT 粘接劑（日本KYOWA公司生產(chǎn)），由于受輪齒制造誤差、受載變形以及軸、軸承和支座的變形等因素的影響，減速器的瞬時(shí)傳動(dòng)比不可能是常數(shù)，從而產(chǎn)生角加速度，進(jìn)而產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象。也就是說(shuō)，在動(dòng)應(yīng)力測(cè)試中存在其它的諧波成份，電阻應(yīng)變儀的工作頻率響應(yīng)范圍應(yīng)與之相適應(yīng)。測(cè)試中的動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀（8通道）采用國(guó)產(chǎn)的YD-15，采集板用的是HY-1232 A/D、D/A轉(zhuǎn)換板及IBM-PC XT/AT總線。
樣機(jī)均載測(cè)試系統(tǒng)框圖如圖7-9所示。
樣機(jī)測(cè)試照片哪圖7-10所示。
A/D接口板的選擇和應(yīng)變信號(hào)采集程序是應(yīng)變信號(hào)采集是否成功的關(guān)鍵。本試驗(yàn)中選用的A/D接口板的主要技術(shù)指標(biāo)如表7-1所示。
表7-1 A/D轉(zhuǎn)換板的主要技術(shù)指標(biāo)
| 指標(biāo) |
數(shù)值 |
| 分辨率 |
12Bit |
| 精度 |
優(yōu)于±0.03%（滿量程） |
| 通過(guò)頻率 |
12KHz（最高，連續(xù)可調(diào)） |
| A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間 |
25μ（典型值） |
| 通道數(shù) |
32（ch0～ch31） |
| 軟件方式 |
高級(jí)語(yǔ)言編寫 |
對(duì)應(yīng)于所選用的A/D轉(zhuǎn)換板，編制的應(yīng)變信號(hào)采集程序框圖如圖7-11所示。
7.3.3應(yīng)力測(cè)試數(shù)據(jù)的處理
測(cè)量載荷分配不均勻系數(shù)KP，應(yīng)重點(diǎn)考慮三環(huán)減速器齒根彎曲應(yīng)力，因此需要測(cè)量?jī)?nèi)齒環(huán)板齒根彎曲應(yīng)力（或應(yīng)變）的最大值和理論平均值。所以將電阻應(yīng)變片分別貼到每一片內(nèi)齒環(huán)板的一個(gè)齒的齒根上（補(bǔ)償片貼在環(huán)板無(wú)變形處）的相同位置上，以比較準(zhǔn)確地反映三環(huán)減速器每片內(nèi)齒環(huán)板的受載情況。分別用在三片內(nèi)齒環(huán)板的任一齒齒根及最上部相同位置上的電阻應(yīng)變片與溫度補(bǔ)償片搭成半橋電路，載荷信號(hào)經(jīng)過(guò)YD-15型八通道動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)入凡心轉(zhuǎn)換板，由微機(jī)記錄每片環(huán)板的應(yīng)變信號(hào)。在n輸入=l000r/min，輸出扭矩分別為額定輸出扭矩的O%、25%、50%、75%及100%的載荷工況下，分別測(cè)得原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)的環(huán)板齒根應(yīng)變和環(huán)板頂部應(yīng)變電壓信號(hào)。表7-2、7-3分別為原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)在不同載荷下的的環(huán)板齒根經(jīng)過(guò)標(biāo)定、計(jì)算的應(yīng)變值，表7-4、7-5分別為原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)在不同載荷下的經(jīng)過(guò)標(biāo)定、計(jì)算的環(huán)板應(yīng)變值。
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