机械传动性能测试实验台设计分析

　由于高性能、高强度、高可靠性以及相对低成本的要求，近年来，在机械传动的理论分析方面，除了应用数学、力学、材料及设计理论的新成就外，另一个突出的进步就是试验技术受到重视和进一步发展．可以说，机械传动系统技术的发展和存在问题的解决，在很大程度上依赖于先进试验技术的应用．运用这种试验台，不仅可以对机械传动装置的理论分析进行实验验证，而且通过对试验结果数据的处理和研究，弥补理论分析在直观性上的不足，使研究与生产实践更加紧密地联系在一起，也有助于科技成果的推广．
1、机械传动测试试验台试验方案
本论文只是对齿轮传动的初步情况进行试验，要求试验台具有结构简单，制造、安装方便，配置灵活，选择机械功率开式试验台是比较合适的．由于该试验台的转速较低，载荷也较小，所以并未考虑防护装置和隔音装置．另外，由于所有的数据都将输入计算机，并用专门的软件显示和计算出来，所以各个控制装置的位置将设在计算机的周围，以便于对电机转速控制器以及加载控制器进行操作． 各个仪器部件的选择也以够用为原则选择量程．根据以上的试验台设计原则，该试验台的方案设计示意图如图1 所示。

图1 机械传动性能试验台的方案设计示意图
2、机械传动测试试验台各部件的选择分析
2.1 动力装置的分析与选择
动力装置的作用是为试验台提供稳定的转速和转矩，其种类包括电力测功机、直流电机、交流电机- - 变频调速装置、交流电机- - 变速器驱动装置、内燃机等．电力测功机能根据不同的需要实现无级调速，并附有测力装置，显示转矩值，但价格昂贵；交流电机- 变速器驱动装置用变速箱进行转速调节，但不能实现无级调速，内燃机虽然价格低廉，但噪声和振动大，工作条件差不稳定且调节困难，一般用于工厂的检验性能试验台．而交流变频调速电机不但能无级调速，而且价格便宜，适合课题试验的需要．
随着电力电子技术． 微电子技术的惊人发展，以“变频器＋笼型感应电动机（专用变频电动机）”之交流调速方式，正以其卓越的性能和经济性，在调速领域，引导了一场取代传统调速方式的更新换代的变革．它的优点是：机械自动化程度、生产效率大为提高、节约能源、提高产品合格率及产品质量、减小电源系统容量、设备小型化、增加舒适性．
根据上述各种装置的特点，动力装置选用变频调速专用电机，其型号为YP-50-0.55-4,YP代表电机是三相感应变频电动机，基准频率为50Hz，额定功率为0.55Kw，极数为4，输入电压0～230V，可适应4种变频器控制方式：V/f控制、V/f+PG控制、无PG矢量控制、加PG矢量控制．其转速等级如表1所示

表1 变频调速电机的转速
2.2 测试装置的确定
在图2 试验台中，输入轴和输出轴上安装的传感器选用NJ 型转矩转速传感器，NJ 型扭矩传感器通过弹性轴、两组磁电信号发生器，把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，而其相位差的变化部分又与被测转矩成正比．将传感器的这两组电信号用专用屏蔽电缆线送入装有数据采集卡的计算机，即可得到转矩、转速及功率的精确值．转矩转速传感器的主要技术数据见表2．

图2 扭矩传感器原理图

表2 转矩转速传感器主要技术数据
2.3 磁粉制动器的选择
机械功率开放式试验台的加载器的种类大致有以下3 种．机械制动器结构简单，制造容易，使用灵活，并有一定的测量精度，但制动器发热大，需要强制冷却，且载荷不够稳定，制动轮磨损快，速度不能过高；磁粉制动器结构简单，操作方便，运转平稳，能适用于高频加载，且有定型产品可以选购，但这种制动器运转发热量大，温升高，易引起激磁线圈内阻增加，从而使负载力矩不稳定，制动器需要强制水冷．涡流消功器式在低速时有很好的制动效果，可不必采用增速器，改变负荷时平稳、方便，很容易实现程序控制，结构也较简单，但这种制动器因涡流产生的热量需要循环水带走，耗能大，不适合大功率试验装置．
在加载器的选择方面，建议选用磁粉制动器．磁粉制动器是一种性能优越的自动控制元件．它以磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段，达到控制制动或传递转矩的目的．其输出转矩与激磁电流呈良好的线性关系而与转速或滑差无关，并具有响应速度快结构简单等优点．广泛应用于印刷、包装、造纸及纸品加工、纺织、金属箔带加工等有关卷取装置的张力自动控制系统中．磁粉制动器还可作为模拟加载器使用，与转矩转速传感器和转矩转速功率测量仪配套组成成套测功装置，广泛用于电机、内燃机、变速箱等动力及传动机械的功率、效率测量．其基本特性有如下两点：
激磁电流- - - - 力矩特性
激磁电流与转矩基本成线性关系，通过调节激磁电流可以控制力矩的大小．其特性如图3 中左图所示．

图3 磁粉制动器基本特性
转速- - - - 力矩特性
力矩与转速无关，保持定值．静力矩和动力矩没有差别．其特性如图3.6 右图所示．
CZ- 5 机座式磁粉制动器的技术参数如表3 所示．

表3 CZ- 5 机座式磁粉制动器的技术参数
磁粉制动器的选型一般以其最大制动转矩来确定，该仪器不支持使用径向承受主传动力的安装方式，如悬臂安装皮带轮、齿轮等，支持使用连轴节式安装方式．CZ- 5 型磁粉制动器采用水冷的冷却方式．
2.4 试验传动装置的选择
试验传动装置选用市场上销售的现成机械传动装置，由于本试验台是一台多功能试验台，可以实现多种机械传动装置（如带传动、链传动、齿轮传动、蜗杆传动等）及其组合形式的装置．本课题主要来测试齿轮传动性能，所以我们选用下面这种结构的齿轮传动装置．
齿轮减速机选用台湾诚邦CPG 系列的CHD－1型卧式双轴齿轮减速机，其内部使用强力螺旋式齿轮(Helicalgear)，其公称减速比为1：10，功率为750W与电机相匹配，输出扭矩为4.5Nm．该种减速机运转无噪音，能耐冲击，增长寿命，而且结构紧凑，运行可靠，成本较低，齿轮经精密滚齿加工，加工精度等级为2- 3 级，齿轮材质为S45C，用于试验完全足够，比较适合试验的需要．其实物图和主要尺寸参数如图4 所示．

图4 齿轮减速机实物及主要尺寸参数图
2.5 转速控制装置的选择
控制装置主要有变频器和运动控制卡控制模块两部分组成．
在变频调速技术中，向电动机提供频率可变的电源并控制电动机的转速是由变压变频器（VVVF）完成的．变频器的功用是将频率固定（通常为工频50Hz）的交流电（三相的或单相的）变换成频率连续可调（多数为0～400Hz）的三相交流电源．

图5 变频器的功用
如图5 所示，变频器的输入端（R、S、T）接至频率固定的三相交流电源，输出端（U、V、W）输出的是频率在一定范围内连续可调的三相交流电，接至电动机．
变频调速器驱动时的实际加速和减速时间取决于电机转矩、负载转矩，以及电机和负载惯性力矩，其加速和减速时间可以分别在变频器的控制面板中设置．
运动控制模块主要采用NI PCI- 7344 和通用运动接线接口NI UMI- 7764．PCI－7344 不仅具备高性能、高可靠性，还提供高性能的驱动程序、简单易用的高层语言接口． 它是一块性价比较好的产品，基于PCI 总线技术，4 轴步进或伺服控制器，每轴均可设置，积分编码或模拟反馈，62微秒PID回路更新速率，数/ 模转换精度为16- bit,模/ 数转换精度为12－bit．0－10V 的模拟电压输出，高级双处理器实时结构，多线程板上编程执行，速率/ 加速度前馈，定位与速率模式，2D与3D线性向量增添，圆形、球形与螺旋状增添，电子齿轮与多轴主/ 从．
3、结束语
本套试验设备参照JB/T5228—1991《摆线减速机承载能力及传动效率测定方法》设计．可满足一般机械传动变速箱性能测试的需要． 系统采用NJ型转矩转速传感器测量变速箱的输入和输出转矩、转速，以换算变速箱的机械效率．同时，将变速箱测量所必须的油温、油压、噪声等参数通过数据采集卡数/ 模(A/D)转换采入计算机测试程序，进行显示和存储，并可根据国标或用户要求输出报表和曲线．系统可完成的测量项目有：变速箱空载试验、功率试验、效率试验、噪声与振动试验等．