齿轮箱试验台（共7篇）
齿轮箱试验台 篇1
0 引言
机车驱动齿轮箱寿命试验台应用于加速寿命试验,其设计需能准确反映齿轮箱是否能在规定使用寿命内正常工作。动态加载器作为试验台中的加载部件,应能模拟实际的运行条件。驱动齿轮箱输出轴即联接车轮,与普通减速箱体安装在固定表面所不同的是,驱动器箱体的固定方式为悬挂式,这就要求其检测试验台装置要进行特别设计。
1 试验台布置方案
齿轮箱试验台根据能量的传递与转换方式,可分为功率开放式试验台和功率封闭式试验台,其中功率封闭式试验台简称闭式试验台,其按功率封闭的性质分类可分为机械封闭式和电功率封闭式。各类齿轮箱试验台特点如表1所示。
综上分析,可选用封闭功率流式试验台作为试验台的基础模型。闭式试验台具有可以在封闭系统内具有很大循环功率以满足试验要求而仅消耗相对较小的能量的特点。在该设计中选择电封闭式试验台,永磁式直流力矩电动机驱动。加载器依据需加载不同载荷、模拟实际运行工况的试验方案,选择动态扭矩加载器,以最大程度地再现驱动齿轮箱在实际运行中的受载情况。试验中受到加载的一对试验齿轮和一对陪试齿轮与加载装置通过传动轴连接,共同构成一个封闭的扭矩传递系统。传动零件应由高强度金属制成,以保证试验装置具有高可靠性和高稳定性。
电封闭式试验台技术方案如图1所示,封闭系统中功率流的流动方向取决于加载方向和驱动装置的旋转方向。功率流总是从主动齿轮开始,依啮合次序从主动齿轮流向从动齿轮。封闭功率流按Z4-Z3-轴Ⅱ-Z2-Z1-轴Ⅰ-Z4的方向流动,即封闭功率Pf按逆时针方向流动,其功率值从Pf→Pf+Ps→Pf+Ps-Pb→Pf+Ps-(Pa+Pb)→Pf变化。
小齿轮的功率:
试验大齿轮的功率:
陪试大齿轮的功率:
式中,Pf为加载器封闭功率;Pa、Pb分别为试验、陪试齿轮损失的功率;Ps为驱动电机功率。
摩擦和效率等损失的功率由电动机进行补充,损耗功率低则由电动机提供很低的功率就可使整个试验系统正常运转,体现了电功率封闭试验台的优越性。
2 试验台加载器方案
同步式电动加载器如图2所示。
加载特点:该加载器由轴H输入扭矩,90LY53电机与H轴相连,提供内部功率与扭矩,由与齿轮1相连的轴A和与箱体4连接的轴B输出,等大反向。电动机的电力由集流环引进。电动机的扭矩经过一级N型渐开线少齿差行星传动和一级NN型行星传动,放大成加载器的输出扭矩T1(TA)和T4(TB)。本加载器的优点是加载能力非常大,操纵简单方便且灵活精确,便于按实际载荷谱加载且无加载行程角限制,不会自行松载,也容易制造。
3 齿轮箱加速寿命试验强化载荷计算
驱动器齿轮箱的使用寿命及机械性能与机车运行息息相关,并深刻影响着机车的安全性能,因此要进行齿轮疲劳寿命试验,这需要用到Miner疲劳累计损伤理论,其数学表达式如下:
零件的应力幅值和最大循环次数关系如下:
由公式(4)和(5)联立得:
式中,σi为各级应力(Pa);σ1是最大应力;σk是最小应力;N1为在σ1应力等级下的疲劳寿命;ni为各个应力等级对应的工作循环次数;c为疲劳寿命循环次数方程常数;m为疲劳寿命循环次数指数。
从公式(6)可以得出,施加应力越大则循环次数越少。合适的试验强化载荷,既不改变失效机理又大大减少了试验时间。对驱动器施加试验强化载荷时,由于增大了载荷的倍数,相应的应力也会增加。有以下公式成立:
再由公式(5)则有如下关系成立:
式中,P1为驱动器正常功率(k W);P2为驱动器在试验强化载荷下的加速功率(k W);N1为正常载荷下的循环次数;N2为试验强化载荷下的循环次数。
由等效载荷计算所得的载荷并不是现在计算的齿轮材料在正常工作条件下所能承受的最大载荷。根据加速寿命试验,必须提高载荷强度,以便试验中更快地得到实效,从而尽快确定寿命。
本文采用的地铁机车驱动器加速寿命试验模型是基于SN曲线方程和Miner理论的齿轮加速寿命试验模型,以圆柱外啮合齿轮的齿面接触疲劳和齿根弯曲疲劳加速寿命试验为主。在已知疲劳强度时,则需将转速提升1.2~1.5倍再进行计算,以达到加速寿命试验的目的。
4 结语
本文对比了各类齿轮箱试验台方案优缺点,确定了电功率封闭齿轮箱试验台的总体技术试验;设计了齿轮箱试验台同步式电加载器;根据疲劳累积损伤理论形成了机车驱动器加速寿命试验强化载荷谱,为机车驱动器齿轮箱试验提供了技术支撑。
摘要：针对某地铁机车驱动器进行了加速寿命试验理论和方法的研究,通过分析比较确定采用电功率封闭式试验台的布置方案,设计齿轮箱试验加载器,根据疲劳累积损伤理论建立了适用于地铁机车驱动器加速寿命试验的数学模型,将地铁机车的行驶载荷谱放大得到了加速寿命试验强化载荷谱,形成了机车驱动器齿轮箱试验台技术方案,为机车驱动器齿轮箱试验提供了技术支撑。
关键词：地铁机车,齿轮箱,试验台,技术方案
参考文献
[1]李喜梅,容一鸣.机械式封闭功率流试验台原理[J].机械研究与应用,2011(6):45-48.
[2]郑红梅,付彬,史越.N型少齿差行星减速器动力学仿真研究[J].机械传动,2013(11):89-93.
[3]李晓辉,杨慧玉,杨江兵.少齿差行星减速器动力学仿真分析[J].机械传动,2013(11):99-103.
齿轮箱试验台 篇2
齿轮箱是采煤机运行系统中的关键设备之一, 其性能和质量直接影响采煤机的工作状态。因此, 齿轮箱在交付之前都必须进行必要的台架试验以检验齿轮箱的整机性能和质量。采煤机齿轮箱试验台主要用于对采煤机的转矩、转速、功率、效率、温度、电流、电压、噪声、振动等技术参数进行测量和整机性能试验。
为满足采煤机型式试验和出厂试验的要求, 试验台应具有测试精度高、响应速度快、转速范围宽、装机容量大、配置灵活等特点, 这也是完全根据MT/81—1998, MT/82—1998标准以及各生产厂家开发采煤机的技术条件及部件结构特点所要求的试验内容[1]。齿轮箱性能试验台采用大功率电动机拖动齿轮箱进行各种工况的模拟试验, 通过对加载电动机的控制进行空载、加载及满载性能试验, 相关的测试数据都可在上位机中进行实时的显示、处理。
本文根据国家标准中对采煤机试验台出厂和型式试验的要求, 结合现代控制技术和通信技术, 设计了采煤机试验台监控系统。通过组态软件WinCC开发出通信状态在线监测界面, 从而方便了工作人员实时了解整个系统的通信状态。
1 试验台监控系统设计
1.1 系统结构
试验台主要由机械系统、传动系统、测控系统和辅助系统等构成。机械系统主要由支撑装置、联轴器和传动轴等组成;传动系统主要由电动机、变频器等组成;测控系统主要由数据采集卡、控制器和工控机等部分组成;辅助系统主要由冷却系统、润滑系统等部分组成。试验台的各个组成部分分散布局在各个车间。因此, 采煤机齿轮箱试验台监控系统根据功能可分为总控室、现场控制柜、现场电柜、现场监控移动站、齿轮箱及测试系统、水站和油站等部分, 系统网络结构如图1所示。
1.2 系统硬件设计
该系统为分布式远程I/O实时控制系统。主站以西门子S7-300系列PLC为核心, 通过以太网交换机与总控室中3台工控机通信。从站由远程从站ET-200M和相应的IO模块、S7-200和通信模块EM-277, S7-200和通信模块CP243-1、传动系统中的变频器组成;遥信单元YM-DD32和智能仪表与S7-200通过Modbus通信分别实现现场电柜状态信号和电压电流信号的采集;同时采用NI数据采集卡采集高频信号, 工业无线交换机Scalance W-788和Scalance W-744[2]组成采集移动站。系统硬件结构如图2所示。
1.3 软件设计
上位机中的组态监控软件采用Simatic WinCC, Simatic WinCC是在生产自动化过程中解决可视化和控制任务的工业系统。WinCC可通过MPI, Profibus-DP或TCP/IP与PLC通信, 本试验台上位机采用TCP/IP与下位机S7-300通信。
在试验台中, 需要对振动和噪声高频信号进行测量, 对这些高频信号的测量PLC是无法达到测量要求的。为此, 笔者采用数据采集模块和相应的上位机开发软件LabVIEW实现对高频信号的测量, 通过OPC协议实现总控室中3台工控机的数据共享和相互访问。
2 系统通信实现
为实现将现场电柜、控制柜、冷却系统、传动系统、齿轮箱参数传输到主控制器S7-300中, 运用总线通信方式不仅可减少现场的布线工作, 而且提高了数据传输的速率和可靠性。
通过了解各种通信的应用特点, 结合采煤机试验台子系统之间的数据传输量和相对距离, 系统采用了Modbus, Profibus-DP, TCP/IP三种通信协议, 以达到低成本和高速、实时的通信要求。
2.1 Modbus通信
出于工业控制成本的考虑以及系统集成的发展需要, 选择不同系统共同支持的主流工业标准协议进行集成是实现异构系统之间通信集成的有效方法。在现场电柜中需要测量各路电动机中的三相电压和三相电流值。智能仪表通过RS485总线与S7-200PLC (CPU226) 进行Modbus-RTU通信, 此时S7-200起到了部分网关的作用[3]。通过逐一调用读写功能块MBUS_MSG执行智能仪表的轮询数据读写, 其轮询流程如图3所示。
由于在Modbus通信中同一时刻只能完成一次读写功能, 此时依据完成位Done的状态来断开与当前从站的通信, 接通与下一从站的通信, 依次完成各个从站的轮询读写操作。同时在设置主站等待从站响应时间的参数时, 典型设置值为1 000ms, 如果整个通信的数据量不是很大, 可以改小设置值。本文将其改为500ms, 明显缩短了整个Modbus通信的响应时间。
2.2 Profibus-DP通信
Profibus是一种国际化、开放式、不依赖于设备生产商的现场总线标准。其中Profibus-DP应用于现场级, 是一种高速低成本通信, 用于设备级控制系统与分散式I/O之间的通信[4]。本文以S7-300 (CPU315-2PN/DP) 为主站, ET-200M作为DP远程从站, 实现对采煤机试验台数字量、模拟量的采集和控制。S7-200 (CPU226) 通过EM-277实现与主站S7-300的DP主从通信, 实现对辅助系统油站的数据采集和控制。
2.3 TCP/IP通信
随着工业以太网的迅速发展, 支持TCP/IP以太网协议的硬件设备也越来越多。由于以太网通信控制具有传输速率高、信息量大、传输距离远的特点, 因此, 采用以太网进行PLC与上位机的通信[5]。S7-200作为采集电柜中的电压、电流信号和控制电柜中开关信号的硬件, 需要与主站交互的信息量大且距离较远, 所以采用以太网通信。
在现场移动站中, 为解决布线不方便的问题, 本文采用Scalance W-788和Scalance W-744无线交换机, 其中Scalance W-788作为主控室中无线网络的接入点, Scalance W-744作为现场移动站无线发送端, 从而实现了移动站和主控室中上位机的无线以太网通信。
在工业无线控制场合中, 对信息安全有着非常严格的要求。在配置无线交换机Scalance W时, 可以更改Scalance W的默认SSID (Service Set Identifier, 服务集标识符) 名称并禁用SSID广播。这样在无线覆盖的区域内只有知道该SSID名称的用户才能访问。同时在配置安全参数时, 可以将需要访问的客户端的MAC地址绑定在ACL列表中, 这样只有特定MAC地址的无线设备才提供无线网络访问的许可。通过这些配置可以为无线网络的安全提供保障。
3 通信状态的在线监测
由于本试验台从现场设备到总控室的距离较远且各子系统分布较广, 根据试验台的情况选择了3种通信方式。如果在实际运用中某处的通信存在故障, 这样不仅会给维修人员带来很大的困扰和相当大的工作量, 而且会影响到正常的试验安排。为此, 在上位机WinCC中根据实际的系统拓扑组态各种通信的通信状态字[6], 当通信存在故障时能够实时显示故障信息, 从而方便工作人员及时了解整个系统的通信状态。通信状态在线监测界面如图4所示 (图4显示为1号从站Modbus通信故障) 。
4 结语
针对采煤机试验台的分布和对数据传输的要求, 设计了多总线的采煤机齿轮箱试验台监控系统, 系统采用Modbus, Profibus-DP, TCP/IP总线通信方式, 解决了一般分散控制系统存在的集约控制能力差、信息传输受限、信息采集不完全、信息不能共享和维修量大等问题。当系统中出现通信故障时, 可以通过通信状态在线监测界面提示故障点和出现故障的原因, 方便操作人员及时了解整个系统的通信状态, 同时也大大减少了系统的维护工作量, 提高了系统的可靠性。
摘要：针对采煤机齿轮箱试验台的分布和数据传输的要求, 设计了一种多总线的采煤机齿轮箱试验台监控系统, 详细介绍了该系统的拓扑结构和通信的实现。基于各种通信协议的特点, 该系统采用Modbus, Profibus-DP, TCP/IP总线方式实时采集现场数据并传输到主控制器, 实现了数据的远程监控;基于组态软件WinCC开发出系统的通信状态监测界面, 实现了通信状态的实时在线监测, 方便工作人员及时了解整个系统的通信状态。
关键词：采煤机,齿轮箱试验台,监控系统,多总线,通信协议,WinCC
参考文献
[1]孟燕, 张宇光, 范育禄, 等.采煤机牵引部加载试验台的全自动测试系统[J].煤矿机电, 2012 (1) :70-72.
[2]RAMAZAN B, YUCEL C.A water pumping control system with a programmable logic controller (PLC) and industrial wireless modules for industrial plants—An experimental set up[J].ISA Transactions, 2011 (50) :321-328.
[3]辛微, 同志学, 刘涛.基于OPC的焦化厂备煤系统异构网络化控制系统设计[J].工矿自动化, 2012, 38 (12) :118-121.
[4]倪文婧.基于PROFIBUS的矿用分布式提升机控制系统[J].煤矿开采, 2013, 18 (2) :39-40.
[5]施华, 乔丛, 杨斌, 等.物流系统中基于PROFINET工业以太网的运用研究[J].制造业自动化, 2013, 35 (6) :126-127.
齿轮箱试验台 篇3
振动检测与故障诊断技术通常用来对机械设备的运行状况进行诊断和检测,可以及时发现设备中出现的异常情况,预估设备故障的可能发展趋势。目前该项技术已被广泛应用于保证设备安全运行和事故预防方面。这项技术也直接推动了设备维修由常规的定期计划性的维修向挤积极主动预测性维修转变,有利于提高机械设备的使用寿命,产生了良好的经济社会效益。
船用动力设备齿轮箱等设备的健康监测和故障诊断技术是在其运转的基础上,利用外部测量设备,测试判断设备内部的健康状态,判定故障出现的位置、可能产生的原因,并对故障的发展趋势做出正确判断,为故障的排除做出指导。
船用动力设备齿轮箱的振动检测技术通常包含以下几个方面的内容:
(1)测试动力设备,获得设备的振动信号。根据测试设备的差异,选择合适的振动测试系统,对于齿轮箱的检测,要选择与之匹配的振动测试系统。选好振动测试系统后,将传感器安防在测试设备的适当位置进行振动信号的采集,常用的传感器由加速度传感器、速度传感器和位移传感器。分别对应于高、中、低频振动信号。
(2)对振动信号进行处理,获取有效信息。振动测试得到的信号必须经过处理才可以用于之后的分析应用。首先要检验测试得到信号的可用性,对于可用差的信号要及时剔除,以免对结果造成不利的影响。信号处理通常采用的是预处理方式,及利用平滑滤波等技术消除噪音,提取出合理的复合故障特征的有效信息。对于振动信号的处理是设备故障振动检测的关键所在,十分重要。
(3)结合振动信息处理结果,做出故障诊断,制定合理的故障处理意见。利用振动信号的处理结果和一般故障特征频谱进行对比判断,对故障的产生原因和位置进行诊断,判断故障可能的发展趋势,制定保养维修计划等合理的故障处理措施。
2船舶动力设备齿轮箱试验分析
本文在实验过程中对06型齿轮箱振动信号进行了测试分析, 试验操作流程如图1所示,试验结果作为船舶动力设备齿轮箱故障诊断处理依据。
试验中使用的齿轮箱为06型齿轮箱,齿轮箱振动测试的传感器分别安防在齿轮箱的输入轴径向位置等处,本文中也主要对齿轮箱的这个位置处的振动情况进行分析研究。
2.1试验工况
本文选择在柴油机转速1500r/min,不同负荷(0%,25%, 50% 和75%)的情况下进行了试验。工况如表1所示。
2.2试验分析
试验中,分别对齿轮箱的振动信号进行了适于分析,对时域信号的分析可以直观的判断所采集信号的有效性。对采集的齿轮箱信号进行除了可以得到时域统计指标有有效值、峰值等。频域信号的分析主要进行的是功率谱密度分析,用于表征振动信号的能量分布情况。振动信号的分析方法可以分为时域分析法和频域分析法。
时域分析作为最基本的信号分析方法,是在特定的时间域内对信号进行定量和定型的描述和分析。其特点为直观、明了、便于读者理解。时域信号的分析通常可以分析波形分析和时域统计分析两类。设备发生故障,运行不正常时,通常会在其振动波形上表现出明显的变化。实践中一般根据故障可证,直接利用波形辨别故障信息。时域统计分析则是对振动测试信号在时域内波形进行幅值统计,得到复制概率密度函数,计算特征参数和动态指标。信号的时域参数通常用来表征信号的幅值变化情况、波动大小和能量的分布情况以及相关规律。时域分析经常用到的时域参数有均值、有效值、 标准差、峰值等。时域分析中的有量纲幅域诊断参数并不是十分稳定,会随着转速、负荷等工作条件的变化而发生改变,导致在实际应用中难以区别。因而,在实际的应用中还采用了一些无量纲的指标,实际使用的无量纲的指标对于机器的运转状态有着足够的敏感, 并且对于信号频率等改变不是很敏感,不随机械工作条件的改变而改变。常用的无量纲指标有波形指标、脉冲指标等,由时域信号参数演化得到。
频域分析是信号分析处理中另外一种十分常见的分析方法, 在动力设备的故障诊断中应用广泛。机械设备由于故障的产生和发展通常会引起震动信号频率结构的改变,表现出了一些特有的频域特征。通过的振动信号的频域分析,可以有效的进行故障诊断。频谱分析是频域信号的处理分析的基础所在,常见的频谱分析有幅值谱、功率谱等。信号处理过程通常需要进行一些数学变化,常用的数学变化有傅里叶变换、拉普拉斯变化和Z变换。振动测试的频域分析主要使用的是傅里叶变换。振动信号的频域分析主要是利用快速傅里叶变换将采集得到的时域信号转换为频域信号。频域特性是信号的固有客观特征,多数情况下,频域分析比时域分析更能反映信号的基本特性。
周期信号通常借助于傅立叶级数展开将时域信号转变为频域信号。在这些转换得到的频谱中,用幅值进行表示的成为幅值谱, 用相位进行表示的为相位谱,还有用能量进行表示的为能量浦。非周期信号也可采用傅里叶变换进行处理,只是变换后得到的为幅值谱密度、相位谱密度和功率谱密度。
2.3实验结论
测试得到的结果表明,齿轮箱的振动信号的峰值随着负荷的增大而增加,负荷在0% 变为25% 时,变化较小;由25% 变为50% 和75% 时,峰值变化较大;波性因素和脉冲因素的变化趋势和峰值的变化趋势基本一致。二陡峭度则并没有表现出随着负荷的增加而显著变化的特征,数值维持在3左右。
3齿轮箱典型故障验证试验
本次试验的传感器布置位置依旧防止在齿轮箱输入轴的位置,通过对试验原始数据的分析、处理,验证本文中船舶动力设备齿轮箱故障诊断方法的适用性。
3.1试验工况
本次试验分别在输入轴转速为500r/min,1000r/min, 1500r/m,2000r/m,2500r/min工况下进试验。
3.2齿轮箱振动信号分析
船舶动力设备齿轮箱故障设定为输入轴磨损,在不同的转速条件下,振动信号的处理结果如图2、图3所示。
3.3实验结论
根据实验得到的振动数据处理结果可以得出如下结论:
(1)齿轮箱的峰值在两种工作状态下都随着转速的增加而增加,但是相同的转速条件下,故障状态的峰值更大,因此峰值可以选取作为故障诊断指标。
(2)齿轮箱的陡峭度参数,正常工作情况下在4-6范围内波动,随转速增加而增加;发生故障时,陡峭度的数值变大明显,因此,陡峭度也可作为诊断故障的指标之一。
(3)波形系数和脉冲因素二者的变化没有一定的特征规律, 不适合作为诊断故障的检测参数。
4结论
齿轮箱试验台 篇4
对于齿轮箱的疲劳寿命,线路测试是一种直接反映其真实寿命的稳妥而有效的方法,然而线路测试的周期长、费用大。因此根据地铁车辆在行驶过程中的工况载荷,在室内台架上进行模拟实验是可行性较高的试验方法。通过对齿轮箱的关键点进行有针对性的疲劳实验,保证几天或几个星期模拟试验在零部件上的累计损伤总量等于实际道路条件下几年产生的累积损伤总量,从而通过试验来验证齿轮箱的可靠性和其他性能[1,2,3]。
1 Miner准则与齿轮超载强化
Miner疲劳损伤累计假说认为:根据σ-N曲线的定义,在恒定应力幅σ作用下,零件运转循环次数N时,将产生完全损伤或称为失效。那么,零件在σ的作用下运转一个比N小的应力循环次数n时,将产生部分损伤,同时又认为,这一过程中,每一次损伤相同,则在σ的作用下损伤率为n/N。如果一个零件由m个不同应力水平σi构成,根据线性累计规律,零件总损伤为:
当损伤率D=1时,表示零件发生疲劳失效。对零件发生失效以前总的循环次数称为疲劳寿命。
根据ISO 6336-6:2006《Calculation of load ca- pacity of spur and helical gears-part 6:Calculation of service life under variable load》,齿轮在第i级中的扭矩Ti其损坏时循环次数为ni;齿轮在第j级中的转矩Tj时相应的破坏循环次数为ni,它们之间关系如式(2)所列,并可用图1表示。
公式(2)被称为超载荷试验疲劳寿命转换公式。式中P为图1中曲线的斜率,P值主要取决于所试验零件的材料和热处理等。对于表面渗碳齿轮接触疲劳来说,P通常取6.6。
若取载荷强化系数T1/T2=1.5,则:
由上式可以看出,当载荷超载50%,零部件失效速度可加快14.5倍。
2 地铁车辆齿轮箱载荷谱分析
地铁车辆具有运行间隔短,频繁起停的特点。图2所示为某型地铁车辆齿轮箱在车站间的主动齿轮典型载荷谱。
根据图2,可将地铁车辆齿轮箱载荷简化为5种工况,分别是启动、加速、惰行、减速和制动,由于地铁车辆为正反向分别运行,因此齿轮箱载荷谱包括10个工况,如表1所示。
按在20年间车辆累计运行240万km,车辆半磨耗轮径为805 mm计算,主动齿轮累计循环次数为6×109次。
3 加速疲劳试验
根据齿轮超载强化理论,通过对齿轮箱载荷谱中不同频次的载荷幅值乘以一个强化系数,可以有效缩短被试零部件的试验时间;同时为简化试验程序,在减少载荷工况的条件下,可通过Miner准则对不同工况所造成的累积损伤进行累加以达到疲劳试验的目的。
通过对表1的分析,将齿轮旋转方向、转矩方向相同的列为1个象限,可化为4个象限,如图3所示。
按照240万km的总循环次数,以正向牵引象限为例,包含表2中1、2、3工况,占行驶总里程的37%,主动累积旋转次数为2.2×109次。试验按最高当量载荷2 232 N·m分别对4个象限的工况进行强化,其各个工况的当量循环次数如表2所示。
试验以每12万km的等效循环次数2.84×106为1个试验周期进行重复试验,每个试验周期中包含图3所示的4个象限加载,每个象限运行时间比例按表1中运行里程比例进行。试验中主动齿轮以转速2 000 r/min运行,试验累积进行414 h可完成240万km行驶里程的模拟。
试验过程中需对齿轮箱温度、振动和噪声进行检测。每个循环周期完成后需对润滑油进行油样检测分析,可在必要的条件下更换润滑油。试验结束后检查齿轮和轴承的磨损情况。
4 结束语
地铁车辆齿轮箱疲劳试验对于齿轮箱的设计开发具有重要的指导意义。通过Miner准则和齿轮超载强化,在分析地铁车辆齿轮箱载荷谱的基础上提出了一种齿轮箱加速疲劳试验方法,可有效缩短试验时间达到齿轮箱的疲劳失效,为开展地铁车辆齿轮箱的台架疲劳试验提供了理论支撑。
摘要：针对地铁车辆齿轮箱高可靠性要求,提出通过分析齿轮箱载荷谱,运用Miner准则和齿轮超载强化理论进行加速疲劳试验的方法,有效缩短了齿轮箱疲劳失效的试验时间。
关键词：地铁车辆,齿轮箱,强化试验,载荷谱,疲劳失效,应力
参考文献
[1]吴刚,陈宗瑞.机车牵引齿轮寿命预测方法探讨[J].机车车辆工艺,2008(6):7-8.
[2]梁健,李风言.齿轮减速器的加速可靠性试验[J].山西矿业学院学报,1997,15(4):344-349.
齿轮泵数字化测试试验台设计 篇5
齿轮泵是液压传动系统中应用普遍的动力元件, 而现有的齿轮泵试验台, 设备简陋, 通过手工操作方式进行试验和记录数据。这样对试验标准的准确掌握不够, 试验的方法也缺乏了一致性, 不仅操作人员的劳动强度大, 而且测试出来的数据也不真实, 效率低, 测试效果非常差, 达不到通过试验来测试最终的控制和提高产品质量的目的。而随着技术的不断进步和发展, 虚拟仪器的测试系统在各种液压元件性能测试上使用非常广泛, 本文中的齿轮泵数字化测试试验台采用了计算机散集系统, 对液压测试试验台进行智能检测、管理和控制。主要研究内容是:
(1) 齿轮泵的性能测试方法;
(2) 齿轮泵测试试验台的油路系统、电路系统和加载系统;
(3) 液压压力、流量的测量方法和参数模数转换;
(4) 测试参数的数字化及显示。
2 测试油路设计
齿轮泵测试试验台的油路系统设计如图1所示。油路系统中, 加载阀选择了比例溢流阀13, 因为比例溢流阀产生压力冲击时, 会使测量压力有了一定的误差, 因而在比例溢流阀的前端添加了节流阀12。在压力传感器4和10前都装有截止阀3和10, 在不需要测试压力时可以关闭截止阀3和10延长压力传感器的寿命。在流量传感器14附近也装有截止阀14和17, 通过选择性地开关截止阀14和17也可以延长流量传感器的寿命。本设计的测试系统中不使用加热器, 只选用了冷却器将油温控制在一定的范围当中。
3 测试系统硬件设计
齿轮泵数字化测试试验台的总体硬件设计中, 电机开启转动, 带动齿轮泵运转, 齿轮泵输出的各种信号如压力、流量、转矩转速等, 通过各类测传感器经过转换电路, 再传送到A/D转换接口芯片经过A/D转换后输入到单片机, 在通过液晶显示屏显示出各个数据。
4 测试系统软件设计
利用单片机及其接口的电路对齿轮泵在运行当中的各个参数和性能的指标进行测量及数据采集, 系统的软件将硬件所采集的数据通过数据采集的程序输入单片机, 单片机利用数据处理的程序对所得的数据加以转换、计算及处理并通过显示的程序在液晶显示屏中显示。
4.1 主程序流程
将程序烧录在单片机STC12C5A60当中, 通过单片机STC12C5A60来控制A/D转换器对传感器输出的电压模拟信号进行模数转换, 再处理模数转换出来的数据并进行分析计算, 最后通过驱动液晶显示器LCM2004A来显示出所整合的参数。其中还包括控制按钮进行翻页和排量参数的储存。
4.2 显示模块的调试
显示模块选用液晶显示屏LCM2004A, 通过原理图与单片机最小系统连接完成后, 通电, 通过连接管脚V0的电位器来调节液晶显示屏的亮度, 用单片机烧录简单的显示程序, 确认显示屏的每个显示位置都能显示, 显示的数据与程序所要求的一致, 如图2所示。
5 结语
本设计针对齿轮泵的性能进行测试并对其测试数据进行数字化的显示, 设计了齿轮泵的油路系统, 确定了油路系统中的加载方式并且选择了整个测试系统的动力源, 选择传感器, 设计了传感器的输出转换电路和滤波电路;以单片机为主机设计了A/D转换模块和液晶显示模块, 采用了C语言Keil软件编写各个模块的程序;为了实现各个模块的功能, 用proteus软件对A/D转换模块和液晶显示模块进行了相应的仿真调试, 并结合现实情况构建了A/D转换模块和液晶显示模块的硬件系统, 保证达到相应的技术指标。
参考文献
[1]张旭东, 赵雯姝等.高黏度齿轮泵测试研究[J].2008 (1) :94-97.
[2]王佳, 宋显国等.液压齿轮泵出厂试验台的改进[J].2012 (1) :28-29.
[3]栾振辉.齿轮泵研究的现状与发展[D].安徽:安徽理工大学, 2004.
齿轮箱试验台 篇6
1 试验台的总体结构
该试验台总体上主要由四部分组成, 即负载系统、输入系统、多自由度调整系统、卡具部分。如图1。
从整体上看, 该结构充分发挥了T型槽的优势。T型槽允许我们在一定范围内随意调整输入系统和卡具的位置, 可以测试一系列不规则的转向器。
1.1 齿条输出负载系统
该系统主要由日本伺服电机、美国park电动缸、测力传感器和位移传感器组成, 既可驱动也可负载。可以实现转向器齿条的往返移动, 并对其速度, 位置, 精度和负载力的精确测量控制 (见图2) 。
1.2 输入驱动系统
该系统主要由日本伺服电机、扭矩传感器和角度编码器组成, 以实现对测量扭矩和角度的精确测量控制如图3。
1.2.1 扭矩传感器选择及其安装
在测量转向器刚度时, 扭矩传感器经计算量程选用50Nm的。测量转向器传动效率时, 量程要选用10Nm的, 用50Nm的测传动效率的时候, 是不能保证相应的精度的。因此必须采用两个量程的扭矩传感器机构设计。如图示结构的扭矩传感器两端用波纹管涨套联轴器连接。波纹管涨套联轴器零回转间隙, 拆装方便, 而且能够径向、轴向和角向偏差。这样可以使两个量程的扭矩传感器替换使用。
1.2.2 角度测量安装位置
从结构设计上看, 把编码器放置在输出端, 减少了角度测量误差, 显得更合理。
1.3 多自由度调整系统
该系统功能:通过对输入系统输出端的四个自由度的调整:X向、XY面的旋转、XZ面的旋转、Z向以实现输入系统的输出端和转向器的输入端的对接 (X向:丝杠10的轴向;Z向:丝杠3的轴向) 见图4。
2 实验台所测项目及其工作原理
2.1 输入轴全转角
根据输入轴在两端的旋转扭矩远大于其他位置的原理设计.用工业计算机控制电机, 使电机旋转, 当电机旋转到转向器输入轴一个极端时, 扭矩传感器测量值经A/D转换后提供给PLC的数据超过控制系统中一个预定的判定值, 表明转向器输入轴已经旋转到一个极端位置。此时计算机角度编码器数值显示清零并发出一个指令并将电机反转, 当电机旋转到输入轴下一个极端位置时, 将编码器测量出的角度给计算机存储并作为最大旋转角度, 按照圈数经计算机处理后即为所测得的最大圈数。
2.2 输入轴空载转动力矩
根据某一任意时间扭矩和角度一一对应的特性设计.启动电机, 数据采集卡将将角度编码器和扭矩传感器采集到的数据经由计算机处理做成相对应的输入轴转角O-转动力矩N.m曲线图显示出来, 即为所测量结果。
1.输入系统2.负载系统3.多自由度调整系统4.工装卡具5.T型槽
1.电动缸2.减速机3.私服电机4.测力传感器5.位移传感器
1.伺服电机2.减速机3.扭矩传感器4.波纹管涨套联轴器5.nemicon编码器
1、6减速机2、7、11手轮3、10丝杠4.立柱5.升降调节板8.旋转调节板9.线性导轨
2.3 传动比特性
线角传动比计算公式:
式中:L-齿条位移距离, mm
φ-输入轴转角, (°)
irp-线角传动比, mm
利用角度和位移在任意时间内相对应特性设计., 集到的模拟信号经过数据采集器传送至计算机中, 经其按线角传动比计算公式处理之后可得所要的结果.
2.4 传动间隙特性
利用齿轮齿条啮合原理来设计.由于输入系统在减速机无通电情况下有自锁功能, 所以可认为转向器输入轴已固定.用电机带动电动缸, 使其拉动齿条位移.当测力传感器所测的齿轮齿条啮合力超过400N, 这一信号会传递给计算机, 计算机立即控制负载系统伺服电机停止, 同时计算机会将输入系统在计算机上显示的角度值清零, 并开始计数。此时将数显千分表表头接触齿条回程的一端并调零, 启动电机反转, 齿条力值大于400N立即伺服电机立即停止, 此时将输入轴的角度和千分表的读数填入测试表中即可。
2.5 传动效率特性
传动效率的计算公式:
W1, W2-分别表示输入轴的输入, 输出扭矩 (Nm)
F1, F2分别表示齿条的输入输出力, (N) irp-线角传动比, mm/°
正传动效率均方差的计算公式如下:
式中:σa-均方差值
η1……ηn-各测点的正传动效率值
η均-平均正传动效率值
n-测点总数
根据输入轴扭矩与齿条负载力可测性原理设计.驱动输入系统电机, 负载电动机不启动, 此时负载系统整体可看做一个载荷施加在齿条上.驱动后, 输入端扭矩传感器值和负载端力传感器经数据采集卡采集到计算机中, 计算机按照传动效率与正传动效率均方差的计算公式求解出最终结果。
参考文献
[1]QC/T29096-1992.汽车转向器总成台架试验方法[S].
齿轮箱试验台 篇7
齿轮箱是一个多自由度的振动系统[1], 作为动车组的驱动部件, 也是动车组的关键部件, 其运转状况直接影响到整车的正常运行。而且其工作环境恶劣, 在工作时会受到外部激励[2], 产生振动, 承受较大的载荷[3]。同时, 齿轮作为齿轮箱的重要组成零件, 其在啮合过程中也会产生冲击[4], 冲击力通过轴及轴承最终传递到齿轮箱体上[5], 从而引起箱体的剧烈振动[6]。一旦啮合频率与齿轮箱箱体的固有频率吻合或接近, 齿轮箱就会产生共振效应[7], 这不仅影响齿轮的对中性[8], 也会加速齿轮箱的疲劳破坏[9], 故在设计齿轮箱时应避开共振效应。
模态分析技术是工程结构系统进行动力学分析的现代方法和手段[10,11]。对齿轮箱进行模态分析可为齿轮箱的动态特性、结构设计和性能评估提供一个强有力的工具;同时, 根据模态分析的结果可进行模态参数识别, 从而确定系统的模态固有频率、模态阻尼比及振型等。本研究以此对某型号的动车齿轮箱进行试验模态分析与有限元模态分析。
1 有限元模态分析原理
模态是机械结构的固有振动特性[12], 每一个模态具有特定的固有频率、阻尼比和模态振型[13]。模态分析是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标, 然后解耦方程组得出结果[14]。齿轮箱箱体是一个连续的弹性体, 为典型的线性定常系统, 可视为小阻尼多自由度系统, 其振动微分方程为:
式中:M—质量矩阵, C—阻尼矩阵, K—刚度矩阵;
式 (1) 为有阻尼的n自由度系统的强迫振动微分方程, 阻尼对结构的固有频率和振型影响不大, 可以忽略阻尼作用, 无外力作用时, 则式 (1) 变为:
有非零解的充分必要条件是系数矩阵行列式等于零, 即特征方程:
求解特征方程, 即可得到系统的固有频率。
模态分析的目标是识别出系统的模态参数, 为系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报、结构动力特性的优化设计提供依据。
2 有限元模态分析结果
由于笔者研究的是表征结构整体特性的结构模态特性, 故齿轮箱模型中的局部小特征对其影响较小, 因此, 在建立有限元模态分析模型时, 对某型号齿轮箱模型进行必要的简化。忽略齿轮箱箱体结合处的影响, 忽略箱体的倒角、圆角、进油孔、放油孔、螺栓孔等影响微小的局部区域结构。这样简化的建模过程不仅符合有限元建模的要求, 也不会对箱体重量和结构整体刚度产生大的影响, 同时也可以减少计算机的计算时间和计算耗费资源。
本研究采用三维软件Solid Edge建立齿轮箱三维实体模型, 进行必要的简化以后将模型导入到有限元分析软件ANSYS14.0 Workbench中, 利用其中的Modal模块对齿轮箱进行模态有限元分析, 得出其前12阶模态参数, 齿轮箱前口阶自由模态如表1所示。
从第7阶开始为箱体结构模态, 振型如图1 (a~f) 所示, 其中第1阶振型为箱体轴向振动, 第2阶振型为箱体弯曲振动, 第3阶振型为箱体轴向振动, 第4阶振型为箱体摆动, 第5阶振型为箱体膨胀, 第6阶振型为箱体膨胀扭转耦合。
3 试验模态原理
试验采用测量频响函数的方法来识别结构的模态参数, 即:在敲击激励下, 通过测量激励力f (t) 和系统的响应输出x (t) , 从而得到系统的频响函数:
式中:H () —频响函数;力与响应的互功率谱;力激励的自功率谱。
对于任意的粘性阻尼的多自由度系统, 其动力学微分方程为:
进行拉普拉斯变换得:
式中:
当s=j时, 系统的频响函数可表示为:
式中:槡1-ξi2;;模态阻尼比;固有频率;振型。
由式 (4) 得到的实测频响函数和式 (8) 频响函数的理论公式就可以确定结构的固有频率、阻尼比和振型。
4 试验模态过程
4.1 试验方案
本研究采用悬挂式锤击法, 用力锤提供脉冲激励, 采用单点激励多点响应的方式获取频响函数。具体测试模型如图2所示。
该实验用软绳吊起试件, 软绳的伸缩频率在20 Hz以下, 基本满足低于所测最低频率十分之一的要求, 可认为试件处于自由状态。
试验通过敲击法获得其频响函数, 共布置6个测点, 在试件径向布置4个加速度传感器, 轴向布置2个加速度传感器, 利用获得的频响函数对试件的模态参数进行识别。
4.2 激励点的选择
激励点的选择至关重要, 它关系到试验件模态振型的好坏。在试验前应对齿轮箱作动态特性的预分析, 预估试验件振型及固有频率, 根据分析结构、激励方式、模态试验方法和试验人员的经验来选择激励位置。
该试验激励按51个不同位置和不同方向的激励点分别进行, 激励点示意图如图3所示, 对每个激励点敲击2次。采集参数设置:分析频率2 048 Hz, 每帧点数2 048。
5 试验模态结果
经多种识别方法对比分析, 并排除局部模态影响, 最终给出该型号齿轮箱六阶模态参数如表2所示。
各阶模态振型如图4 (a~f) 所示。
其中, 第1阶振型为箱体轴向振动, 第2阶振型为箱体弯曲振动, 第3阶振型为箱体轴向振动, 第4阶振型为箱体摆动, 第5阶振型为箱体膨胀, 第6阶振型为箱体膨胀扭转耦合。与有限元模态分析结果是一致的。
6 有限元模态分析与试验模态分析结果
本研究对模态有限元分析方法结果与试验模态分析方法结果进行了对比, 其结果如表3所示。
7 结束语
本研究通过对某型号的动车齿轮箱进行试验模态分析和有限元模态分析, 得到如下结论:
(1) 通过箱体有限元模态分析的振型以及试验实测分析出的振型, 可以看出该型齿轮箱箱体的动态特性, 为之后其结构的改进优化提供了理论依据。
(2) 通过该型齿轮箱的有限元模态分析及试验模态分析的对比, 发现有限元模态分析方法的结果与试验模态分析方法的结果非常相近, 此举印证了有限元模态分析方法的可靠性, 为之后的分析工作提供了实验基础及依据。
摘要：针对动车组齿轮箱未达到强度破坏极限就已损坏的问题, 对动车组的驱动部件也是关键部件的齿轮箱进行有限元模态分析及试验模态分析, 提出基于试验模态分析方法上的有限元模态分析, 建立了试验模态分析方法的理论模型, 并利用齿轮箱的试验模态分析结果来验证齿轮箱有限元模态分析结果的可靠性。研究结果表明, 试验模态分析方法与有限元模态分析方法得出的结果非常相近, 印证了有限元模态分析方法的可靠性, 为掌握该型号齿轮箱的动态特性及优化该型号齿轮箱提供了理论及实验依据。