某新型紡機擺臂驅動系統減速器性能檢測試驗臺的研制

(湘潭大學 機械工程學院，湖南 湘潭411105)

一、課題研究背景

減速器在我國經過幾十年的發展，已成功地應用到國民經濟和國防工業的各個領域。類型從最初單一的擺線減速器，發展到現在的擺線減速器、無級變速器、齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、電動滾筒這五大類產品[1]。隨著國家對機械制造業發展的重視，重大裝備國產化進程的加快以及裝備制造業整體水平的提升，減速器的發展市場有很廣闊的前景，整個行業將繼續保持快速良好的發展態勢。隨著裝備國產化進程的加快，各種非標部件在整機設計上應用越來越多，如何開發出一套對減速器性能進行總體測試和評估的檢測系統已成為一項極富應用意義的重要課題[2]。受國內某紡織機械生產廠家委托，筆者與生產廠家合作，針對某新型紡機擺臂驅動系統，研究開發出一套驅動減速器性能檢測試驗臺。

該型號紡機擺臂系統驅動系統較復雜，同時包括立式和臥式兩種類型的減速器，本文以立式減速器為測試對象，具體的技術參數如下:

立式減速器:三級行星齒輪傳動，傳動比為270 ±5%，輸出轉速由整流器驅動時8.5rpm，由蓄電池驅動時11.3 rpm;采用加拿大Matador 直流伺服電機;工作環境溫度為－20～50℃，濕度最大可達100%。設計工作壽命20年。該減速器最大徑向尺寸為340mm，最大軸向尺寸為1111mm(包括電動機)。輸出軸小齒輪齒數14，模數18，變位系數+0.5。

二、試驗臺總體要求及結構設計

根據設計要求，通過分析立式減速器的工作狀況，擬定在該試驗臺上，完成減速器空損、加載、超載以及疲勞壽命和峰值載荷試驗五類性能檢測[3]。對于紡織機械工作特點，試驗臺需具備以下功能:

1.分別設置立式減速器和臥式減速器測試模塊，分別進行“空損+峰值載荷”試驗和“加載+超載+疲勞壽命”試驗[4]。

2.采用電機加載方式，并實現能量回饋控制。

3.做空損檢測時，通過控制臺面板開關操作，可完成轉速、轉矩檢測以及空損效率計算[5]。做性能測試時，對立式、臥式兩類減速器的正反雙向加載系統進行遠程控制，以完成對兩類減速器的變負荷加載、超載、疲勞壽命等項目的檢測。

4.利用數據采集卡完成數據的采集，并通過工控機完成數據的處理(如損失功率估算、傳動效率估算等計算)，保存、實時顯示和打印等功能;同時可以監測整個測試過程，并進行故障報警指示及相應保護。

5.采用工控機實時直觀地顯示測試轉速、測試轉矩、測試溫度等性能參數。

6.本方案關鍵元器件都選擇符合國家計量標準的工業級產品，以保證檢測結果符合國家和工廠標準。

三、試驗臺功能設計

1.試驗臺系統原理

試驗臺采用模塊化結構，總體布置如下圖所示，立式減速器、臥式減速器測試模塊相對獨立，但共用測試控制臺和電機控制柜。測試控制臺實現整個系統的遠程集中控制和數據檢測，電機控制柜為變頻器和邏輯控制元器件提供安裝平臺。

2.試驗臺測試系統具體實現方式

(1)減速器轉矩、轉速測量

減速器轉速、轉矩的測量是試驗臺最重要的任務，其選型原則首先考慮量程的適配性、其次是工作的可靠性[6]。

(2)油溫及殼體溫度的測量

油溫測量采用STT 鉑電阻型熱電偶作為傳感器，直接安裝在放油口測量油池溫度。殼體溫度的測量采用強磁吸附式熱電偶作為傳感器，油池、殼體溫度都通過測試控制臺上的儀表顯示，同時將該數據傳送給工控機。

(3)箱體振動檢測

箱體振動測量是檢測減速器運行性能的一個重要參數，減速器的結構振動異常可以反映早期故障，從而有針對性地采取檢修措施，確保主減速器的產品質量，提高傳動性能，同時還可以達到降噪目的[7]。由于試驗臺上的被試件要經常拆卸，而且不能對被試件機殼表面造成破壞，因此選擇合適的振動傳感器以及合理的安裝方法尤為關鍵。

(4)箱內壓力檢測

減速器運行時，箱內壓力會有所變化，該壓力變化范圍不能過大，否則會造成殼體漏油[8]。箱內壓力的檢測采用JYB型壓阻式傳感器，輸出的信號不僅通過測試控制臺儀表直接顯示，而且直接工控機，實現計算機的檢測。

(5)減速器小齒輪轉速檢測

減速器小齒輪轉速的測量，因轉速非常低，必須借助光電編碼器才能實現[9]。本系統采用測量惰輪轉速、換算小齒輪轉速的方案，編碼器選擇市場上應用較多的歐姆龍E6C2－CWZ6C型光電編碼器，其分辨率為1 024。

(6)數據采集卡及工控機

系統采用型號為PCI－1711L 研華工控的數據采集卡2塊;工控機選擇研華的IPC－610H型工控機;數據采集卡與工控機通過PCI 插槽聯結，通過專用的I/O 接線終端面板與傳感器信號傳輸電纜相連[10]。

(7)傳感信號抗干擾傳輸

本系統弱傳感信號傳輸過程中，全部采用計算機測控系統專用的信號屏蔽電纜，型號為DJYVP。

(8)控制系統平臺

本監控系統中采用日本三菱公司的64 點PLC。

(9)LabVIEW 軟件開發平臺

LabVIEW 是NI 推出的虛擬儀器開發的軟件平臺，是一種用圖標代替文本創建應用程序的圖形化編程語言。本試驗臺采用LabVIEW7.1版本軟件對上位機軟件進行設計[11]。

四、減速器試驗臺控制系統設計

運行控制系統通過對變頻電機的控制實現減速器運行工況的模擬:控制驅動電機的轉速實現減速器輸入轉速的模擬;控制加載電機的反向轉矩實現減速器負荷的模擬，采用編碼器反饋轉速的閉環矢量控制，以提高轉矩的穩定性和精確性[12];采用共直流母線的方式實現能量的回饋;以測試控制臺的旋鈕實現轉速、轉向和負荷的遠程控制[13]。

減速器工作狀態為垂直安裝，并通過法蘭與機架相連接。機架采用30mm 厚的鋼板焊接組成，固定在T 形槽工作臺上，工作臺置于平整的地面上(不需要地腳螺釘)。考慮到該減速器為大傳動比、大扭矩輸出，陪試件采用與被試件相同的減速器，兩個減速器間采用惰輪過渡組成傳動系統。為保證電機、轉速轉矩傳感器、聯軸器之間的連接可靠性，三者外圍通過基板和拉桿組成一個整體[14]。

PLC控制系統與繼電器控制系統相比具有獨特的優勢，即:功能強，性能價格比高;硬件配套齊全，用戶使用方便，適應性強;可靠性高，抗干擾性能強;系統的設計、安裝、調試工作量少;編程簡單，其程序容易移植;PLC 體積小，其能耗低。本試驗臺系統采用PLC控制方式[15]。

五、試驗臺上位機軟件程序設計

根據自動化程度要求較高的測試要求，軟件測試系統則可分為立式獨立運行系統、臥式獨立運行系統和立式臥式總體測試系統。各監控系統軟件根據應用對象的不同而將其劃分為以下四個模塊:用戶權限管理模塊、數據處理模塊、傳感器標定模塊、系統安全報警模塊[16]。其中用戶權限管理模塊用于系統的自我保護，防止其他人進入系統進行操作;數據處理模塊包括傳感器信號的采集、信號的顯示和存儲、信號的報表生成等;系統報警模塊可對監控過程中監測傳感器信號超出安全限制時監控系統發出實時的警報。

六、試驗臺運行效果

經過合作委托方實際使用，本紡機擺臂驅動減速器試驗臺測試數據準確，檢測效率高，具備直觀且智能化的檢測環境，完全達到了設計要求。

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