一種門控用蝸輪蝸桿減速器的主要性能測試工藝

史旭東，萬 磊，徐官南，位云成，蔣東偉

（1.南京工程學院，南京 211167；2.南京康尼機電股份有限公司技術中心，南京 210013；3.北京機械工業自動化研究所（常州）有限公司，常州 213300）

0 引言

現國內軌道門控所用的小型減速器，由于使用的行業對于其傳動精度、剛度和輸出轉矩、安全性、環境等有較高要求，同時結構還需小型、緊湊，安裝方式、輸出方式有多種，國內多數單位不能完全達到各項主要性能要求，現基本以進口為主，尤其是蝸輪蝸桿減速器，為了進一步了解和使用好該減速器，同時也解決加工和裝配成本、質量和維護等問題，決定對其結構原理進行一定的研究，對其樣機主要性能有必要進行全面的測試和分析。本文主要介紹了一種門控用蝸輪蝸桿減速器研制中，對其主要性能比較經濟而實用的測試工藝。

1 結構原理

蝸輪蝸桿減速器是一種動力傳達機構，利用齒輪的速度轉換器，將電機（馬達）輸入的回轉數減速到所要的輸出回轉數，并得到較大轉矩的機構。蝸輪蝸桿傳動常用于交錯軸間傳遞運動及動力，通常交錯角為90°，它的主要優點：傳動比大，工作較平穩，噪聲低，結構緊湊，可以自鎖，主要缺點：效率低，易發熱，蝸輪制造需要貴重的減磨性有色金屬。

現介紹的減速器是采用多頭蝸桿與類似斜齒輪結構的蝸輪組合傳動，蝸輪采用尼龍材料，蝸桿采用超薄型鋼件結構設計，保證結構強度的同時，也減少了發熱量和使用成本，也減低了加工和裝配的難度要求。主要零部件有：殼體、端蓋、蝸桿、蝸輪、蝸輪軸、軸承和定位套等，如圖1所示。

2 主要性能

圖1 主要零部件

根據門控使用需求，以及相應的國家和行業標準，需要測試的主要性能有輸出軸要求、摩擦轉矩、空程、外殼防護等級、短時超載許用轉矩、高速、軸向負載與徑向負載、電參數、加載、壽命和振動沖擊等。考慮到門控使用場合安全性等較高要求，其中某些性能要求比相應的國家標準和國內外類似產品還有所提高。

以其中一種減速器樣機為例，蝸輪蝸桿傳動的中心距為31mm，速比為10:1，額定轉速為320rpm，額定轉矩為4NM，最大短時允許轉速為1000rpm，最大短時轉矩為10NM，使用壽命需滿足100萬次以上正常使用要求。輸出方式有左出制、右出制和雙出制三種方向，安裝方式則有2個底面、2個端面共四種形式。通過輸入電機的參數改變和蝸桿頭數的改變，還能拓展為其他系列產品，因此對于相應的主要性能測試也提出了較高的要求。

3 測試工藝

考慮到以上主要性能要求，同時在產品研制的初期，有必要先進行內部簡單的測試，之后再購買專用檢測設備或送外部專業檢測單位進行產品定型前的測試。因此結合已有的通用檢測設備，設計了一些比較經濟而實用的專用工裝，進行主要性能參數的初期檢測，對于產品的優化和結構原理的了解帶來很大幫助。下面對其中一些主要性能檢測工藝，尤其是對測試目的、測試設備、測試要求、測試過程，以及測試工裝和測試原理等進行一一介紹。

3.1 輸出軸測試

測試目的：測試減速器軸向間隙與徑向圓跳動是否滿足要求

測試設備：千分表。

測試要求：應滿足精密級要求，徑向圓跳動不大于0.03mm，軸向間隙不大于0.1mm。

測試過程：將減速器水平緊固于支架上，把千分表觸頭水平地置放于輸出軸端面（平行于軸心線），并在減速器軸伸端施加一個軸向力記下千分表讀數，在相反方向上施加一個同樣大小的軸向力。再記下千分表讀數，兩次讀數之差即為軸向間隙；輸出軸徑向圓跳動的檢查，將減速器與電機連接，水平安裝于試驗支架上，并運轉，用千分表觸頭在距軸端2mm～3mm處。測出該處徑向圓跳動。

3.2 摩擦轉矩測試

測試目的：測試減速器（含電機）的摩擦轉矩是否滿足要求。

測試設備：扭矩扳手BME-006。

測試要求：摩擦轉矩最大值小于0.6Nm。

測試過程：將減速器（含電機）的輸出軸（蝸輪軸）豎直向上，并固定減速器。將摩擦轉矩測試工裝安裝在輸出軸上。將扭矩扳手聯接在摩擦轉矩測試工裝上，勻速正反轉三次，記錄測試過程中的最大值。

3.3 空程測試

測試目的：測試減速器空程是否滿足要求。測試設備：百分表。

測試要求：空程不大于24arcmin。

測試過程：將減速器與測試工裝相連接，將減速器及工裝固定在虎鉗上，輸出軸上的工裝旋轉至水平，把百分表表頭放在工裝50mm處，固定減速器輸入軸，上下撥動輸出軸，記錄百分表數值變化量e，并根據公式(1)計算出減速器空程θ。

測試過程如圖2所示。

3.4 外殼防護等級測試

測試目的：檢測減速器是否滿足IP54防護等級要求。測試設備：防塵試驗箱、標準噴嘴。

測試要求：防塵試驗后減速器仍能正常運行；防水試驗后，減速器應符合標準規定的具體要求。

圖2 空程測試

測試過程：將減速器按正常工作位置放入試驗箱內，實驗時按照要求盛有懸浮狀態的滑石粉，試驗持續8h，試驗后對減速器進行檢測。將標準噴嘴與被測減速器表面相距約3m，按規定的水流量，從實際可能的各個方向向減速器噴水3min，試驗后按規定對減速器進行檢測。

3.5 高速測試

測試目的：測試減速器在高速條件下的運行情況。

測試設備：高速測試臺架。

測試要求：高速條件下，減速器功能保持正常。

相比于其他社會群體，大學生身份事實上更有助于創業，其原因在于群體間交流互動程度和地域優勢。典型范例，如“餓了么”起源于上海交大的一個校園訂餐平臺。大學生在接受高等教育期間，對生活品質有了一定要求，資金也較為寬裕。同時個體之間互動性強，經營者需要的推廣成本較低。并且，現階段大學院校普遍位于城市中心區之外的大學城，集群性高、物流成本低，是創業的絕佳起點[1]。

測試過程：高速測試工裝裝在測試臺架上，將測試假軸與伺服電機輸出軸用聯軸器聯接。將減速器（不含電機）安裝在假軸上，并固定減速器。啟動冷卻水系統，開啟伺服電機，逐漸調整轉速到10000r/min，持續運轉1小時，結束后記錄溫度，并檢查減速器功能是否正常。反向運行，測試數據。

測試工裝如圖3所示。

圖3 高速測試工裝

3.6 軸向負載與徑向負載測試

測試目的：測試減速器承受軸向與徑向負載的能力。

測試設備：工裝臺架。

測試要求：軸向負載300N，徑向負載350N，試驗后，減速器能正常工作。

測試過程：將減速器安裝在軸向負載臺架上，壓緊軸向負載工裝至300N處。通電運行3min，觀察運行情況，試驗后檢查減速器功能是否正常。將減速器安裝在徑向負載臺架上，加砝碼，使徑向負載達到350N。通電運行3min，觀察運行情況，試驗后檢查減速器功能是否正常。

測試工裝如圖4、圖5所示。

圖4 軸向測試工裝

圖5 徑向測試工裝

3.7 加載測試

測試目的：檢測減速器在各種負載情況下是否滿足要求。

測試設備：加載測試臺架。

測試要求：電機的額定輸出轉速為3200rpm時，在減速器的中心面上，距殼體表面500mm處測量減速器的噪音；電機不啟動的情況下測得的噪音為背景噪音，在背景噪音不高于42dB(A) 時，其測試結果為有效。超載100%能夠正常運行5min。具體要求參照國標[2]。

測試過程：將減速器裝在臺架上。在空載條件下，正向啟動電機，在轉速為額定轉速3200rpm時，檢測減速器是否正常工作，記錄電機與殼體溫升，并在背景噪音不高于42dBA時，測量噪音。反向啟動電機重新測試并記錄數據。在額定負載條件下，運行1小時，測試方法同樣。在超載100%條件下，運行5分鐘，測試方法同樣。在超載150%條件下，運行1分鐘，測試方法同樣。

測試過程如圖6所示。

圖6 加載測試臺

3.8 高低溫測試

測試目的：測試減速器在高低溫條件下性能是否正常。測試設備：線性高低溫老化箱ESS-KWGDS61V。測試要求：在試驗條件下（-40℃～+85℃），保溫2小時，減速器的摩擦轉矩Mr滿足標準要求、噪音滿足標準要求，在高溫環境下，無油脂溢出。

測試過程：將減速器（含電機）放置在老化箱中，溫度保持在-40℃，持續2小時。取出減速器，通電觀察其運轉平穩性和噪音，測試器摩擦轉矩是否符合要求（小于1.23Nm）。把做過低溫測試的減速器放入高溫箱中，溫度保持在+85℃，持續2小時。按照同樣過程），測試減速器，并觀察油脂有無溢出現象。

3.9 壽命測試

測試目的：測試減速器是否滿足門控系統壽命要求。測試設備：門控系統臺架。

測試要求：循環運行300萬次。

測試過程：將減速器（含電機）裝在門控系統上，將計數器調零。將電機在額定工況下循環運行，循環周期為正轉3±0.5s、停1s、反轉3±0.5s、停1s; 總的循環次數需大于300萬次。在開始、30萬次、90萬次、150萬次、180萬次、210萬次、240萬次、270萬次、300萬次時，分別檢測其性能參數是否符合要求。

測試過程如圖7所示。

圖7 壽命試驗臺架

3.10 振動沖擊試驗

測試目的：測試蝸輪蝸桿減速器設計是否符合企業標準中要求。

測試設備：振動沖擊試驗臺。

測試要求：按照“蝸輪蝸桿減速器振動沖擊試驗程序”中的判定依據，判斷是否符合要求。

測試過程：實驗前，對減速器（含電機）進行外觀檢查、功能測試以及安裝條件檢查，并記錄結果。根據標準情況，在每個方向按以下次序進行試驗：垂向（長壽命、沖擊、功能性隨機振動）-縱向（長壽命、沖擊、功能性隨機振動）-橫向（長壽命、沖擊、功能性隨機振動）。根據“蝸輪蝸桿減速器振動沖擊試驗程序”，對試驗結果進行判定。

測試結果如圖8所示。

圖8 振動控制頻譜

4 測試結果

根據以上方法對蝸輪蝸桿減速器進行檢測，各項測試除特別規定外，均在溫度為+15℃～+35℃，相對濕度為45%～75%，大氣壓為86kPa～106kPa的條件下進行。

5 結束語

該減速器是一種緊湊型耐低溫和低噪音的蝸輪蝸桿減速器，其目的就是要面向軌道門控行業，具有多種安裝形式，多種輸出方式，多種減速比。采用了多個組件高度集成技術，結構緊湊，綜合加工和裝配要求均較低，耐低溫、低噪音，適用范圍大，且留有一定其他功能開發適用余地的減速器。

表1 測試結果

最后經過多輪樣機的研究、性能測試，對其結構原理、產品要求、加工工藝、裝配工藝均進行了有效的驗證，性能測試工藝對于其中各階段工作帶來了很大的幫助，為其中產品設計、參數調整和結構優化提供了數據支撐。最后經過各方努力和配合，正式樣機送到國家級檢測中心進行相應的性能檢測，均符合要求，部分指標超過國內外同類產品，并與內部采用以上簡單檢測設備測試所得到的數據基本一致，也充分驗證了以上各項測試工藝的正確性和實用性，該測試方法對于其他小型減速器有一定借鑒意義。

[1]王文斌.機械設計手冊[M].北京:機械工業出版社,2006.

[2]JB/T 5558,蝸桿減速器加載試驗方法[s].1991.