(湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭411105)

一、課題研究背景

減速器在我國(guó)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已成功地應(yīng)用到國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防工業(yè)的各個(gè)領(lǐng)域。類型從最初單一的擺線減速器，發(fā)展到現(xiàn)在的擺線減速器、無(wú)級(jí)變速器、齒輪減速器、蝸輪蝸桿減速器、電動(dòng)滾筒這五大類產(chǎn)品[1]。隨著國(guó)家對(duì)機(jī)械制造業(yè)發(fā)展的重視，重大裝備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的加快以及裝備制造業(yè)整體水平的提升，減速器的發(fā)展市場(chǎng)有很廣闊的前景，整個(gè)行業(yè)將繼續(xù)保持快速良好的發(fā)展態(tài)勢(shì)。隨著裝備國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程的加快，各種非標(biāo)部件在整機(jī)設(shè)計(jì)上應(yīng)用越來(lái)越多，如何開(kāi)發(fā)出一套對(duì)減速器性能進(jìn)行總體測(cè)試和評(píng)估的檢測(cè)系統(tǒng)已成為一項(xiàng)極富應(yīng)用意義的重要課題[2]。受國(guó)內(nèi)某紡織機(jī)械生產(chǎn)廠家委托，筆者與生產(chǎn)廠家合作，針對(duì)某新型紡機(jī)擺臂驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，研究開(kāi)發(fā)出一套驅(qū)動(dòng)減速器性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)。

該型號(hào)紡機(jī)擺臂系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)較復(fù)雜，同時(shí)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(cè)試對(duì)象，具體的技術(shù)參數(shù)如下:

立式減速器:三級(jí)行星齒輪傳動(dòng)，傳動(dòng)比為270 ±5%，輸出轉(zhuǎn)速由整流器驅(qū)動(dòng)時(shí)8.5rpm，由蓄電池驅(qū)動(dòng)時(shí)11.3 rpm;采用加拿大Matador 直流伺服電機(jī);工作環(huán)境溫度為－20～50℃，濕度最大可達(dá)100%。設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī))。輸出軸小齒輪齒數(shù)14，模數(shù)18，變位系數(shù)+0.5。

二、試驗(yàn)臺(tái)總體要求及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，通過(guò)分析立式減速器的工作狀況，擬定在該試驗(yàn)臺(tái)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(yàn)五類性能檢測(cè)[3]。對(duì)于紡織機(jī)械工作特點(diǎn)，試驗(yàn)臺(tái)需具備以下功能:

1.分別設(shè)置立式減速器和臥式減速器測(cè)試模塊，分別進(jìn)行“空損+峰值載荷”試驗(yàn)和“加載+超載+疲勞壽命”試驗(yàn)[4]。

2.采用電機(jī)加載方式，并實(shí)現(xiàn)能量回饋控制。

3.做空損檢測(cè)時(shí)，通過(guò)控制臺(tái)面板開(kāi)關(guān)操作，可完成轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩檢測(cè)以及空損效率計(jì)算[5]。做性能測(cè)試時(shí)，對(duì)立式、臥式兩類減速器的正反雙向加載系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，以完成對(duì)兩類減速器的變負(fù)荷加載、超載、疲勞壽命等項(xiàng)目的檢測(cè)。

4.利用數(shù)據(jù)采集卡完成數(shù)據(jù)的采集，并通過(guò)工控機(jī)完成數(shù)據(jù)的處理(如損失功率估算、傳動(dòng)效率估算等計(jì)算)，保存、實(shí)時(shí)顯示和打印等功能;同時(shí)可以監(jiān)測(cè)整個(gè)測(cè)試過(guò)程，并進(jìn)行故障報(bào)警指示及相應(yīng)保護(hù)。

5.采用工控機(jī)實(shí)時(shí)直觀地顯示測(cè)試轉(zhuǎn)速、測(cè)試轉(zhuǎn)矩、測(cè)試溫度等性能參數(shù)。

6.本方案關(guān)鍵元器件都選擇符合國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品，以保證檢測(cè)結(jié)果符合國(guó)家和工廠標(biāo)準(zhǔn)。

三、試驗(yàn)臺(tái)功能設(shè)計(jì)

1.試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)原理

試驗(yàn)臺(tái)采用模塊化結(jié)構(gòu)，總體布置如下圖所示，立式減速器、臥式減速器測(cè)試模塊相對(duì)獨(dú)立，但共用測(cè)試控制臺(tái)和電機(jī)控制柜。測(cè)試控制臺(tái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程集中控制和數(shù)據(jù)檢測(cè)，電機(jī)控制柜為變頻器和邏輯控制元器件提供安裝平臺(tái)。

2.試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試系統(tǒng)具體實(shí)現(xiàn)方式

(1)減速器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速測(cè)量

減速器轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩的測(cè)量是試驗(yàn)臺(tái)最重要的任務(wù)，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(cè)量

油溫測(cè)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(cè)量油池溫度。殼體溫度的測(cè)量采用強(qiáng)磁吸附式熱電偶作為傳感器，油池、殼體溫度都通過(guò)測(cè)試控制臺(tái)上的儀表顯示，同時(shí)將該數(shù)據(jù)傳送給工控機(jī)。

(3)箱體振動(dòng)檢測(cè)

箱體振動(dòng)測(cè)量是檢測(cè)減速器運(yùn)行性能的一個(gè)重要參數(shù)，減速器的結(jié)構(gòu)振動(dòng)異?？梢苑从吃缙诠收?，從而有針對(duì)性地采取檢修措施，確保主減速器的產(chǎn)品質(zhì)量，提高傳動(dòng)性能，同時(shí)還可以達(dá)到降噪目的[7]。由于試驗(yàn)臺(tái)上的被試件要經(jīng)常拆卸，而且不能對(duì)被試件機(jī)殼表面造成破壞，因此選擇合適的振動(dòng)傳感器以及合理的安裝方法尤為關(guān)鍵。

(4)箱內(nèi)壓力檢測(cè)

減速器運(yùn)行時(shí)，箱內(nèi)壓力會(huì)有所變化，該壓力變化范圍不能過(guò)大，否則會(huì)造成殼體漏油[8]。箱內(nèi)壓力的檢測(cè)采用JYB型壓阻式傳感器，輸出的信號(hào)不僅通過(guò)測(cè)試控制臺(tái)儀表直接顯示，而且直接工控機(jī)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的檢測(cè)。

(5)減速器小齒輪轉(zhuǎn)速檢測(cè)

減速器小齒輪轉(zhuǎn)速的測(cè)量，因轉(zhuǎn)速非常低，必須借助光電編碼器才能實(shí)現(xiàn)[9]。本系統(tǒng)采用測(cè)量惰輪轉(zhuǎn)速、換算小齒輪轉(zhuǎn)速的方案，編碼器選擇市場(chǎng)上應(yīng)用較多的歐姆龍E6C2－CWZ6C型光電編碼器，其分辨率為1 024。

(6)數(shù)據(jù)采集卡及工控機(jī)

系統(tǒng)采用型號(hào)為PCI－1711L 研華工控的數(shù)據(jù)采集卡2塊;工控機(jī)選擇研華的IPC－610H型工控機(jī);數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)通過(guò)PCI 插槽聯(lián)結(jié)，通過(guò)專用的I/O 接線終端面板與傳感器信號(hào)傳輸電纜相連[10]。

(7)傳感信號(hào)抗干擾傳輸

本系統(tǒng)弱傳感信號(hào)傳輸過(guò)程中，全部采用計(jì)算機(jī)測(cè)控系統(tǒng)專用的信號(hào)屏蔽電纜，型號(hào)為DJYVP。

(8)控制系統(tǒng)平臺(tái)

本監(jiān)控系統(tǒng)中采用日本三菱公司的64 點(diǎn)PLC。

(9)LabVIEW 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)

LabVIEW 是NI 推出的虛擬儀器開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)，是一種用圖標(biāo)代替文本創(chuàng)建應(yīng)用程序的圖形化編程語(yǔ)言。本試驗(yàn)臺(tái)采用LabVIEW7.1版本軟件對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)[11]。

四、減速器試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

運(yùn)行控制系統(tǒng)通過(guò)對(duì)變頻電機(jī)的控制實(shí)現(xiàn)減速器運(yùn)行工況的模擬:控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)減速器輸入轉(zhuǎn)速的模擬;控制加載電機(jī)的反向轉(zhuǎn)矩實(shí)現(xiàn)減速器負(fù)荷的模擬，采用編碼器反饋轉(zhuǎn)速的閉環(huán)矢量控制，以提高轉(zhuǎn)矩的穩(wěn)定性和精確性[12];采用共直流母線的方式實(shí)現(xiàn)能量的回饋;以測(cè)試控制臺(tái)的旋鈕實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和負(fù)荷的遠(yuǎn)程控制[13]。

減速器工作狀態(tài)為垂直安裝，并通過(guò)法蘭與機(jī)架相連接。機(jī)架采用30mm 厚的鋼板焊接組成，固定在T 形槽工作臺(tái)上，工作臺(tái)置于平整的地面上(不需要地腳螺釘)?？紤]到該減速器為大傳動(dòng)比、大扭矩輸出，陪試件采用與被試件相同的減速器，兩個(gè)減速器間采用惰輪過(guò)渡組成傳動(dòng)系統(tǒng)。為保證電機(jī)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器、聯(lián)軸器之間的連接可靠性，三者外圍通過(guò)基板和拉桿組成一個(gè)整體[14]。

PLC控制系統(tǒng)與繼電器控制系統(tǒng)相比具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，即:功能強(qiáng)，性能價(jià)格比高;硬件配套齊全，用戶使用方便，適應(yīng)性強(qiáng);可靠性高，抗干擾性能強(qiáng);系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試工作量少;編程簡(jiǎn)單，其程序容易移植;PLC 體積小，其能耗低。本試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)采用PLC控制方式[15]。

五、試驗(yàn)臺(tái)上位機(jī)軟件程序設(shè)計(jì)

根據(jù)自動(dòng)化程度要求較高的測(cè)試要求，軟件測(cè)試系統(tǒng)則可分為立式獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)、臥式獨(dú)立運(yùn)行系統(tǒng)和立式臥式總體測(cè)試系統(tǒng)。各監(jiān)控系統(tǒng)軟件根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同而將其劃分為以下四個(gè)模塊:用戶權(quán)限管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、傳感器標(biāo)定模塊、系統(tǒng)安全報(bào)警模塊[16]。其中用戶權(quán)限管理模塊用于系統(tǒng)的自我保護(hù)，防止其他人進(jìn)入系統(tǒng)進(jìn)行操作;數(shù)據(jù)處理模塊包括傳感器信號(hào)的采集、信號(hào)的顯示和存儲(chǔ)、信號(hào)的報(bào)表生成等;系統(tǒng)報(bào)警模塊可對(duì)監(jiān)控過(guò)程中監(jiān)測(cè)傳感器信號(hào)超出安全限制時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)出實(shí)時(shí)的警報(bào)。

六、試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行效果

經(jīng)過(guò)合作委托方實(shí)際使用，本紡機(jī)擺臂驅(qū)動(dòng)減速器試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，檢測(cè)效率高，具備直觀且智能化的檢測(cè)環(huán)境，完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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