變速箱疲勞試驗(yàn)臺(tái)的研究與應(yīng)用

李占賢，蘇景存，王海濤

（1.河北聯(lián)合大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.唐山弘基傳動(dòng)科技有限公司，河北 唐山 063009）

1 試驗(yàn)臺(tái)總體設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)臺(tái)采用組合式結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，由基礎(chǔ)平臺(tái)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、輸入端減速箱、被試變速器安裝支架單元、輸出加載單元、電器控制系統(tǒng)、各種檢測(cè)傳感器及傳動(dòng)連接部件組成。

基礎(chǔ)平臺(tái)為鑄鐵平臺(tái)，平臺(tái)上設(shè)置T形槽用于固定驅(qū)動(dòng)、加載、變速器安裝支架等各單元；驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率為200kW，兩個(gè)加載電機(jī)功率為160kW；驅(qū)動(dòng)端設(shè)置三軸式兩級(jí)減速機(jī)，上下剖分結(jié)構(gòu)，輸入、輸出軸可調(diào)換位置，以適應(yīng)左、右輸出型式的變速器和分動(dòng)器試驗(yàn)；被試變速器安裝支架單元由變速器安裝支架總成、輸入端轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器及傳感器支架、聯(lián)軸器、變速器安裝定位板等組成，這些部件安裝在一塊底板上構(gòu)成一個(gè)單元，便于移動(dòng)；輸出端加載單元由加載電機(jī)、輸出端轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器及傳感器支架、聯(lián)軸器等組成，這些部件安裝在一塊底板上構(gòu)成一個(gè)單元，便于移動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)設(shè)置兩套輸出端加載單元，用于分動(dòng)器和FF型變速器試驗(yàn)；驅(qū)動(dòng)電機(jī)、減速機(jī)、被試變速器安裝支架單元、輸出端加載單元各單元之間通過傳動(dòng)軸連接，以便于調(diào)整使用；潤(rùn)滑油溫度控制通過溫控器的設(shè)置來(lái)控制冷卻水泵的開、關(guān)；控制系統(tǒng)由開關(guān)柜、變頻柜、操作柜、制動(dòng)電阻柜組成，開關(guān)柜內(nèi)部裝有主電源斷路器、刀開關(guān)、電流互感器、轉(zhuǎn)接端子排，變頻柜內(nèi)部包括變頻器、斷路器、接觸器、直流接觸器、交流電抗器、熔斷器和轉(zhuǎn)接端子排，操作柜內(nèi)部裝有PLC組件、工控機(jī)組件、二次儀表、變壓器、開關(guān)電源、繼電器、接觸器、端子排等，操作柜控制面板上裝有的各種開關(guān)、指示儀表和指示燈，通過操作面板上的操控元件進(jìn)行設(shè)備調(diào)整和正常自動(dòng)控制；通過工控機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)條件的設(shè)置和試驗(yàn)狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，通過工控機(jī)采集卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、處理，如配置打印機(jī)，可進(jìn)行試驗(yàn)報(bào)告打印輸出。

PLC組件是控制系統(tǒng)的核心，包括通訊模塊和D／A轉(zhuǎn)化模塊，負(fù)責(zé)整個(gè)試驗(yàn)系統(tǒng)的各種動(dòng)作控制和狀態(tài)監(jiān)測(cè)。變速箱疲勞試驗(yàn)臺(tái)整體布局如圖1 所示。

圖1 變速箱疲勞試驗(yàn)臺(tái)整體布局

驅(qū)動(dòng)單元由驅(qū)動(dòng)電機(jī)2、普通聯(lián)軸器3、輸入端轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器4、減速器5和萬(wàn)向聯(lián)軸器6組成。驅(qū)動(dòng)單元作為一套組件，其主要功能是正拖提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，反拖提供驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確測(cè)量輸入端的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。加載系統(tǒng)包括加載電機(jī)1、9和各自的傳動(dòng)系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩測(cè)定系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器通過數(shù)據(jù)線傳給操作柜上的二次儀表，通過儀表可讀出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的大小。變速箱8通過夾具系統(tǒng)固定在變速箱底座7上面，包括一個(gè)輸入軸、兩個(gè)輸出軸，左側(cè)上端為輸入軸，左側(cè)下端和右側(cè)為兩個(gè)輸出軸。

本試驗(yàn)臺(tái)既能對(duì)變速箱前、后驅(qū)單獨(dú)進(jìn)行加載試驗(yàn)，也能對(duì)變速箱前、后驅(qū)同時(shí)進(jìn)行加載試驗(yàn)，因此提高了變速箱疲勞試驗(yàn)臺(tái)的通用性能。

在試驗(yàn)過程中，反拖時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)是轉(zhuǎn)矩控制，兩個(gè)加載電機(jī)都是轉(zhuǎn)速控制。變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制時(shí)，電機(jī)以恒定不變的速度運(yùn)行，由于誤差原因，兩個(gè)加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制不可能完全相同，因此反拖試驗(yàn)只能取其中一個(gè)加載電機(jī)的轉(zhuǎn)速，另一個(gè)加載電機(jī)處于停機(jī)狀態(tài)。如果反拖時(shí)兩個(gè)加載電機(jī)同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，勢(shì)必會(huì)造成變速箱內(nèi)部軸的扭斷。

2 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)臺(tái)通過PLC控制變頻器，從而能實(shí)現(xiàn)手動(dòng)／自動(dòng)控制、正拖／反拖控制，以及對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制、轉(zhuǎn)速控制、轉(zhuǎn)矩控制、轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩切換控制。電機(jī)運(yùn)行所需要的參數(shù)以及試驗(yàn)的運(yùn)行狀況通過上位機(jī)傳給PLC，從而達(dá)到控制試驗(yàn)臺(tái)的目的，并通過上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及油溫信號(hào)等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示和存儲(chǔ)，并進(jìn)行故障報(bào)警。試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案如圖2 所示。

圖2 ｀ 試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案

本試驗(yàn)臺(tái)使用三菱公司FX2N－128MR系列PLC，通過控制PLC的輸入輸出，達(dá)到對(duì)試驗(yàn)臺(tái)控制的目的；使用FX2N－485BD模塊與偉肯NXP變頻器進(jìn)行通訊，達(dá)到對(duì)變頻器參數(shù)控制的目的；使用三菱公司FX2N－232IF模塊和上位機(jī)進(jìn)行通訊，傳遞試驗(yàn)所需的各參數(shù)；使用FX2N－2DA模塊控制變頻器模擬量輸入，實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩控制；上位機(jī)采用臺(tái)灣研華工控機(jī)，軟件使用NI公司虛擬儀器Labview開發(fā)；使用高速計(jì)數(shù)卡實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩及油溫信號(hào)，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析、處理和顯示。

本試驗(yàn)臺(tái)可完成如下功能：

（1）手動(dòng)試驗(yàn)和自動(dòng)試驗(yàn)。手動(dòng)試驗(yàn)狀態(tài)變頻器為電壓輸入頻率參考，自動(dòng)試驗(yàn)狀態(tài)變頻器為電流輸入頻率參考。由于信號(hào)在傳輸過程中導(dǎo)線會(huì)有壓降，因此自動(dòng)試驗(yàn)控制更加精確。手動(dòng)試驗(yàn)中，可以單獨(dú)控制任何電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。自動(dòng)試驗(yàn)中系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)條件自動(dòng)完成定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩和變轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩疲勞壽命試驗(yàn)。

（2）可以實(shí)現(xiàn)正、反拖試驗(yàn)。偉肯NXP系列變頻器通過設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)值，將輸入和輸出與特定功能聯(lián)系起來(lái)，即實(shí)現(xiàn)了將特定的功能定義到輸入輸出端子上，從而達(dá)到方便控制的目的。把變頻器參數(shù)電機(jī)控制方式1、2定義到數(shù)字輸入端子，通過繼電器的通斷選擇電機(jī)的運(yùn)行方式；驅(qū)動(dòng)變頻器參數(shù)電機(jī)控制方式1設(shè)定為閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制，參數(shù)電機(jī)控制方式2設(shè)定為閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制；加載變頻器參數(shù)電機(jī)控制方式1設(shè)定為閉環(huán)轉(zhuǎn)矩控制，參數(shù)電機(jī)控制方式2設(shè)定為閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制。從而實(shí)現(xiàn)了正拖時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為轉(zhuǎn)速控制，加載電機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制；反拖時(shí)驅(qū)動(dòng)電機(jī)為轉(zhuǎn)矩控制，加載電機(jī)為轉(zhuǎn)速控制。

（3）可以實(shí)現(xiàn)定轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩和變轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩試驗(yàn)。

（4）可以分別對(duì)前驅(qū)和后驅(qū)動(dòng)的變速箱進(jìn)行試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)臺(tái)變轉(zhuǎn)速矩試驗(yàn)方法的實(shí)現(xiàn)

3.1 上位機(jī)與PLC參數(shù)的傳遞

本控制系統(tǒng)使用三菱公司FX2N－232IF模塊和上位機(jī)進(jìn)行通訊來(lái)傳遞試驗(yàn)臺(tái)運(yùn)行所需的各參數(shù)。

上位機(jī)控制系統(tǒng)主界面包括主菜單、工具欄和監(jiān)測(cè)界面3大部分，其中主菜單中包含了各種功能調(diào)用，工具欄中的各按鈕顯示了常見操作功能，監(jiān)測(cè)界面顯示當(dāng)前試驗(yàn)數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)主界面如圖3 所示，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框如圖4 所示。

圖3 控制系統(tǒng)主界面

3.2 PLC對(duì)變頻器模擬量的控制及變速矩的實(shí)現(xiàn)

當(dāng)PLC接收到上位機(jī)傳遞的參數(shù)后，首先將參數(shù)用FX2N－2DA模塊轉(zhuǎn)化成模擬電流，然后將模擬電流值提供給變頻器模擬輸入，運(yùn)用三菱PLC凸輪控制增量方式指令I(lǐng)NCD控制試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)變轉(zhuǎn)速矩試驗(yàn)。FX2N－2DA型模擬輸出模塊用于將12位的數(shù)字值轉(zhuǎn)化成2點(diǎn)模擬輸出，2個(gè)模擬輸出通道可接收的輸出為0VDC～10VDC或4mA～10mA。本試驗(yàn)使用4mA～10mA電流輸出。INCD指令應(yīng)用如圖5 所示。

圖4 試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框

圖5 INCD指令應(yīng)用

變轉(zhuǎn)速矩的實(shí)現(xiàn)過程如圖6 所示。T0、M16為ON后執(zhí)行指令［INCD D33C0M20K3］，計(jì)數(shù)器達(dá)到D33～D35設(shè)定的值時(shí)，按順序自動(dòng)復(fù)位；工作計(jì)數(shù)器C1計(jì)算復(fù)位次數(shù)，對(duì)應(yīng)工作計(jì)數(shù)器C1的當(dāng)前值；M20～M22按順序工作，在M20為ON期間速度和轉(zhuǎn)矩不斷增加，M21為ON期間速度和轉(zhuǎn)矩不斷減小，M22為ON期間速度和轉(zhuǎn)矩不變，因此試驗(yàn)臺(tái)實(shí)現(xiàn)了變轉(zhuǎn)速矩的試驗(yàn)過程；K3指定最后的工作結(jié)束時(shí)，標(biāo)志M8029動(dòng)作，再次返回進(jìn)行同樣的工作；T0、M16置為OFF時(shí)，C0、C1被清除，M20～M22也變OFF，再次將T0、M16置ON，從初始開始工作。

圖6 變轉(zhuǎn)速矩實(shí)現(xiàn)過程

4 結(jié)束語(yǔ)

本文根據(jù)變速箱運(yùn)行原理，實(shí)現(xiàn)了變速箱的在線加載以及變載荷試驗(yàn)。利用本試驗(yàn)臺(tái)可減少線體上的工作人員，可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和判斷變速箱生產(chǎn)質(zhì)量。變速箱疲勞加載試驗(yàn)臺(tái)的研制成功對(duì)變速箱故障診斷具有很重要的意義，將有更廣闊的市場(chǎng)和應(yīng)用前景。

［1］周林.數(shù)據(jù)采集與分析技術(shù)［M］.西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2005.

［2］董學(xué)平.汽車變速箱自動(dòng)換檔機(jī)構(gòu)及其電氣實(shí)現(xiàn)［J］.微計(jì)算機(jī)信息，2004，20（2）：1-2.

［3］Henry L，Bing J.A generic integrated system from CAD to CAPP a neutral file－cum－GT approach ［J］.Computer In Tegrated Manufacturing Systems，1998（11）：67-75.

［4］林巨廣，王心凱，張景亮，等.變速箱在線試驗(yàn)臺(tái)技術(shù)研究應(yīng)用［J］.機(jī)械工程師，2011（5）：1-3.

［5］時(shí)國(guó)平.機(jī)械式自動(dòng)變速器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究［J］.自動(dòng)化與儀器儀表，2008（6）：24-26.