海洋工程大功率齒輪箱加載試驗臺研究

郭又志，胡曄平，鐘　明

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海200125）

海洋工程大功率齒輪箱加載試驗臺研究

郭又志，胡曄平，鐘明

（上海振華重工（集團）股份有限公司，上海200125）

介紹目前國內常用的三種大功率齒輪箱加載試驗臺，重點介紹電回饋式試驗臺的原理、方案和特點。通過加載試驗，測試大功率齒輪箱及其它裝置的傳動效率、噪音、振動等情況，對其性能進行評估，提出改進和優化措施。

大功率齒輪箱；電回饋式；試驗臺

隨著我國海洋工程裝備制造業高速發展，大功率錨絞機、鉆井平臺、風電安裝船、浮式起重機等海洋工程設備所用傳動設備正朝著高速、重載、低噪音、高可靠要求方向發展。由于該大功率齒輪箱長期處于高速、重載的工況下運行，且維修不便、維修成本高，為保證產品的可靠性，齒輪箱需在試驗臺上進行加載測試，以判定其傳動效率、溫升、振動和噪音等各方面特性，完善產品設計和制造工藝。

本文對比介紹目前國內外常用的兩種大功率齒輪箱加載試驗臺方案，并重點介紹其中的電回饋式加載方案。通過選取合適的加載方案，對大功率齒輪箱進行加載試驗，以驗證產品性能，保證產品的可靠性，提高產品競爭力。

1　加載試驗臺介紹

當前國內的大功率齒輪箱加載試驗臺可分為兩大類：一類為開放式，另一類為封閉式，封閉式又分為機械封閉式和電封閉式（又稱電回饋式）兩種。下面就這三種方式進行比較。

1.1開放式試驗臺

開放式試驗臺通常采用水力測功機，水力測功機的工作原理是按照一定的特性曲線進行工作，通過冷卻水將能量消耗，這樣試驗消耗的電量轉換為熱能消耗在水里，不可利用，將會導致大量的能源浪費。雖然開放式試驗臺原理簡單，但能量損耗大，適應性較差，而且還需要修建水池、冷卻塔等，占地面積大。

綜上所述，該試驗臺因其測試與控制精度、操作、使用壽命，動態響應時間和能源浪費等諸多問題逐漸被淘汰。

1.2機械封閉式試驗臺

（1）機械封閉式試驗臺組成

機械封閉式試驗臺（圖1）主要由驅動電機、傳動齒輪箱I、傳動齒輪箱II、被試齒輪箱、陪試齒輪箱、加載用制動器、加載機構、扭力桿、聯軸器、扭矩儀和電控系統等組成［1］。

圖1　機械封閉式試驗臺布置圖

（2）機械封閉式試驗臺工作原理

機械封閉式試驗臺的基本工作原理：在傳動齒輪箱I和傳動齒輪箱II之間裝有一根載荷扭力桿，在此扭力桿上裝有一臺扭矩傳感器以及一個開式齒輪。加載時，閉合加載用制動器，通過加載機構將設定的負載扭矩施加到扭力桿上，然后聯接上負載扭矩側的聯軸器，使所施加的扭矩成為內力拒。加載完成后，采用電機驅動整套閉式系統進行齒輪箱的綜合性能試驗。完成試驗后，則以上述操作的逆過程停車卸載。

在進行機械封閉式試驗臺測試時，由于扭桿的轉速太高，且桿太長，振動和發熱比較大，影響測試精度。另外，機械封閉式試驗臺加工量大，傳動效率低，能量損耗大，在運轉中改變載荷不易實現，力矩不易控制。試驗性能不夠穩定，通用性較差［2-3］。

1.3電回饋式試驗臺

（1）電回饋式試驗臺電氣原理

電回饋式加載試驗臺基本電氣原理（圖2）：電網工頻交流電經過高壓受電開關柜進行隔離后送到變壓器的原邊，變壓器輸出有兩套次邊繞組，經整流柜內的兩套整流裝置整流后并聯輸出直流電，再由驅動逆變器將直流電逆變為頻率可調的交流電驅動電機按轉速閉環運行；驅動電機與陪試齒輪箱、被試齒輪箱、加載電機之間依次機械聯接運轉，由加載變頻器控制加載電機給被試齒輪箱加載，控制加載電機工作在發電狀態，以轉矩閉環運行［4］。

圖2　電回饋式試驗臺電氣原理圖

加載電動機發出的電能通過加載變頻器變為直流回到系統的直流側，再向驅動逆變器供電，系統能量構成內部循環反饋，外部電網只提供系統啟動及電氣損耗、機械損耗，約為整個系統功率的20%～30%.

（2）電回饋式試驗臺優點

對比其它類型的試驗臺，電回饋式試驗臺具有技術先進、機械結構簡單、傳動效率高、能量損耗小、通用性強、性能穩定可靠、后期維護工作量小、應用范圍廣等優點。

從減少試驗成本的角度考慮，采用電回饋式試驗臺來對大功率齒輪箱進行試驗，不僅在測試精度和測試性能上大幅度提高，而且可以大大降低試驗成本，避免能源的浪費。

（3）電回饋式試驗臺組成

電回饋式試驗臺（圖3）主要由高壓柜、變壓器、配出開關柜、變頻器、驅動電機、加載電機、測控系統、扭矩儀、聯軸器、鑄鐵平臺和聯接工裝等組成。

圖3　電回饋式試驗臺機械布置圖

2　電回饋式試驗臺介紹

2.1鑄鐵平臺

試驗臺所用鑄鐵平臺尺寸較大，采用多塊小平板拼接而成，具有整體剛性強、能在大負荷情況下不容易變形，對整個測試系統精度影響小等特點。耐磨性能好，能保證整個平臺的平面度精度，經久耐用。此外，整個平臺容易調整，通用性強，可實現不同類型的傳動裝置鎖緊固定。

2.2高速轉動部位安全防護

在對需高速運轉的大功率齒輪箱加載測試時，考慮到電機轉速較高，達到2 000 rpm，連接件上螺栓或其它旋轉件上零件在高轉速情況下可能脫落或失效，為保證試驗安全，特制作防護罩殼。考慮到測試不同的齒輪箱或其它大扭矩傳動裝置，將防護罩殼設計成螺栓連接式，并采用可左右、上下可調整式結構，提高試驗臺測試通用性。

2.3試驗臺電機水冷系統

試驗臺電機采用閉式水冷塔來冷卻電機加載測試時系統產生的熱量。閉式水冷塔是將管式換熱器置于塔內，通過流通的空氣、噴淋水與循環水進行熱交換保證降溫效果。由于是閉式循環，其能夠保證水質不受污染，很好的保護了主設備的高效運行，減少設備維護，提高了使用壽命。

2.4加載試驗臺自動化控制系統

整個系統的操作由遠程控制操作來實現。遠程控制即在中央控制臺上完成各種工況的齒輪箱或其它大扭矩傳動裝置的試驗運行操作。操作臺上具備所有運行功能的操作按鈕盒開關，以及各種運行參數的顯示器。操作臺上可完成各種工藝試驗程序的編制，修改和各種試驗參數和工藝曲線的顯示。控制系統可根據不同的試驗要求，做出相應調整，響應快，且在低速時具有良好的性能。

2.5加載試驗臺數采分析系統

數采分析系統可將試驗時采集到的扭矩、溫度、振動、噪音等數據，準確分析并輸送到控制室的工控機上實時顯示出來。數采系統采集通道組成可多可少，應用靈活。可根據實際測試需要增加或減少測試點，具有能實現實時采樣、實時處理、實時控制和實時顯示，測量速度快、精度高等特點。

3　結束語

試驗臺采用電回饋式加載方案，對比其它加載方式，不但在測試精度、測試性能上大幅度提高，而且可以大大降低試驗成本，以較低的耗能，完成對大功率齒輪箱各項性能測試。試驗臺不僅可用于大功率齒輪箱加載試驗，還可對我司其它海工、陸工產品齒輪箱以及大扭矩傳動裝置加載試驗。整個試驗臺通用性強、應用廣泛。

［1］GB/T 14230-1993，齒輪彎曲疲勞強度試驗方法［S］.

［2］崔亞輝，馬朝鋒，劉澤明.直流電封閉機械傳動試驗臺模擬加載功能的設計［J］.西安理工大學學報，2004，20（2）：141-144.

［3］閻清東，項昌樂，馮永存.功率封閉機械式變速器齒輪壽命試驗臺［J］.北京理工大學學報，1998，18（3）：302-304.

［4］宣自洋，陳書宏，常凱.公共直流母線電封閉式變速器試驗臺控制系統設計［J］.制造業自動化，2015，（11）：4-5.

Research on Heavy Duty Gearbox Load Test Stand in Marine Engineering

GUO You-zhi，HU Ye-ping，ZHONG Ming
（Shanghai Zhenhua Heavy Industries Co.，Ltd，Shanghai 200125，China）

Three types of load test stand are introduced in this paper，and the principle，concept and characteristics of electric closed loop load test stand is emphatically discussed.Through the load test，the transmission efficiency，vibration，acoustical characteristics of the heavy duty gearbox and other devices are obtained，the performance of gearbox evaluated，and the improvement and optimization measures is put forward.

heavy duty gearbox；electric closed loop；test stand

TH32.41

A

1672-545X（2016）06-0124-02

2016-03-07

郭又志（1982-），男，重慶人，工程師，本科，研究方向：主要從事齒輪及特種傳動的設計研發。