海洋工程大功率齒輪箱加載試驗(yàn)臺(tái)研究

郭又志，胡曄平，鐘　明

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海200125）

海洋工程大功率齒輪箱加載試驗(yàn)臺(tái)研究

郭又志，胡曄平，鐘明

（上海振華重工（集團(tuán)）股份有限公司，上海200125）

介紹目前國(guó)內(nèi)常用的三種大功率齒輪箱加載試驗(yàn)臺(tái)，重點(diǎn)介紹電回饋式試驗(yàn)臺(tái)的原理、方案和特點(diǎn)。通過加載試驗(yàn)，測(cè)試大功率齒輪箱及其它裝置的傳動(dòng)效率、噪音、振動(dòng)等情況，對(duì)其性能進(jìn)行評(píng)估，提出改進(jìn)和優(yōu)化措施。

大功率齒輪箱；電回饋式；試驗(yàn)臺(tái)

隨著我國(guó)海洋工程裝備制造業(yè)高速發(fā)展，大功率錨絞機(jī)、鉆井平臺(tái)、風(fēng)電安裝船、浮式起重機(jī)等海洋工程設(shè)備所用傳動(dòng)設(shè)備正朝著高速、重載、低噪音、高可靠要求方向發(fā)展。由于該大功率齒輪箱長(zhǎng)期處于高速、重載的工況下運(yùn)行，且維修不便、維修成本高，為保證產(chǎn)品的可靠性，齒輪箱需在試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行加載測(cè)試，以判定其傳動(dòng)效率、溫升、振動(dòng)和噪音等各方面特性，完善產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造工藝。

本文對(duì)比介紹目前國(guó)內(nèi)外常用的兩種大功率齒輪箱加載試驗(yàn)臺(tái)方案，并重點(diǎn)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(duì)大功率齒輪箱進(jìn)行加載試驗(yàn)，以驗(yàn)證產(chǎn)品性能，保證產(chǎn)品的可靠性，提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

1　加載試驗(yàn)臺(tái)介紹

當(dāng)前國(guó)內(nèi)的大功率齒輪箱加載試驗(yàn)臺(tái)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(jī)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(jìn)行比較。

1.1開放式試驗(yàn)臺(tái)

開放式試驗(yàn)臺(tái)通常采用水力測(cè)功機(jī)，水力測(cè)功機(jī)的工作原理是按照一定的特性曲線進(jìn)行工作，通過冷卻水將能量消耗，這樣試驗(yàn)消耗的電量轉(zhuǎn)換為熱能消耗在水里，不可利用，將會(huì)導(dǎo)致大量的能源浪費(fèi)。雖然開放式試驗(yàn)臺(tái)原理簡(jiǎn)單，但能量損耗大，適應(yīng)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(yàn)臺(tái)因其測(cè)試與控制精度、操作、使用壽命，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間和能源浪費(fèi)等諸多問題逐漸被淘汰。

1.2機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)

（1）機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)組成

機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)（圖1）主要由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳動(dòng)齒輪箱I、傳動(dòng)齒輪箱II、被試齒輪箱、陪試齒輪箱、加載用制動(dòng)器、加載機(jī)構(gòu)、扭力桿、聯(lián)軸器、扭矩儀和電控系統(tǒng)等組成［1］。

圖1　機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)布置圖

（2）機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)工作原理

機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)的基本工作原理：在傳動(dòng)齒輪箱I和傳動(dòng)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(tái)扭矩傳感器以及一個(gè)開式齒輪。加載時(shí)，閉合加載用制動(dòng)器，通過加載機(jī)構(gòu)將設(shè)定的負(fù)載扭矩施加到扭力桿上，然后聯(lián)接上負(fù)載扭矩側(cè)的聯(lián)軸器，使所施加的扭矩成為內(nèi)力拒。加載完成后，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)整套閉式系統(tǒng)進(jìn)行齒輪箱的綜合性能試驗(yàn)。完成試驗(yàn)后，則以上述操作的逆過程停車卸載。

在進(jìn)行機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試時(shí)，由于扭桿的轉(zhuǎn)速太高，且桿太長(zhǎng)，振動(dòng)和發(fā)熱比較大，影響測(cè)試精度。另外，機(jī)械封閉式試驗(yàn)臺(tái)加工量大，傳動(dòng)效率低，能量損耗大，在運(yùn)轉(zhuǎn)中改變載荷不易實(shí)現(xiàn)，力矩不易控制。試驗(yàn)性能不夠穩(wěn)定，通用性較差［2-3］。

1.3電回饋式試驗(yàn)臺(tái)

（1）電回饋式試驗(yàn)臺(tái)電氣原理

電回饋式加載試驗(yàn)臺(tái)基本電氣原理（圖2）：電網(wǎng)工頻交流電經(jīng)過高壓受電開關(guān)柜進(jìn)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(jīng)整流柜內(nèi)的兩套整流裝置整流后并聯(lián)輸出直流電，再由驅(qū)動(dòng)逆變器將直流電逆變?yōu)轭l率可調(diào)的交流電驅(qū)動(dòng)電機(jī)按轉(zhuǎn)速閉環(huán)運(yùn)行；驅(qū)動(dòng)電機(jī)與陪試齒輪箱、被試齒輪箱、加載電機(jī)之間依次機(jī)械聯(lián)接運(yùn)轉(zhuǎn)，由加載變頻器控制加載電機(jī)給被試齒輪箱加載，控制加載電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，以轉(zhuǎn)矩閉環(huán)運(yùn)行［4］。

圖2　電回饋式試驗(yàn)臺(tái)電氣原理圖

加載電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能通過加載變頻器變?yōu)橹绷骰氐较到y(tǒng)的直流側(cè)，再向驅(qū)動(dòng)逆變器供電，系統(tǒng)能量構(gòu)成內(nèi)部循環(huán)反饋，外部電網(wǎng)只提供系統(tǒng)啟動(dòng)及電氣損耗、機(jī)械損耗，約為整個(gè)系統(tǒng)功率的20%～30%.

（2）電回饋式試驗(yàn)臺(tái)優(yōu)點(diǎn)

對(duì)比其它類型的試驗(yàn)臺(tái)，電回饋式試驗(yàn)臺(tái)具有技術(shù)先進(jìn)、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高、能量損耗小、通用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定可靠、后期維護(hù)工作量小、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

從減少試驗(yàn)成本的角度考慮，采用電回饋式試驗(yàn)臺(tái)來對(duì)大功率齒輪箱進(jìn)行試驗(yàn)，不僅在測(cè)試精度和測(cè)試性能上大幅度提高，而且可以大大降低試驗(yàn)成本，避免能源的浪費(fèi)。

（3）電回饋式試驗(yàn)臺(tái)組成

電回饋式試驗(yàn)臺(tái)（圖3）主要由高壓柜、變壓器、配出開關(guān)柜、變頻器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、加載電機(jī)、測(cè)控系統(tǒng)、扭矩儀、聯(lián)軸器、鑄鐵平臺(tái)和聯(lián)接工裝等組成。

圖3　電回饋式試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械布置圖

2　電回饋式試驗(yàn)臺(tái)介紹

2.1鑄鐵平臺(tái)

試驗(yàn)臺(tái)所用鑄鐵平臺(tái)尺寸較大，采用多塊小平板拼接而成，具有整體剛性強(qiáng)、能在大負(fù)荷情況下不容易變形，對(duì)整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)精度影響小等特點(diǎn)。耐磨性能好，能保證整個(gè)平臺(tái)的平面度精度，經(jīng)久耐用。此外，整個(gè)平臺(tái)容易調(diào)整，通用性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)不同類型的傳動(dòng)裝置鎖緊固定。

2.2高速轉(zhuǎn)動(dòng)部位安全防護(hù)

在對(duì)需高速運(yùn)轉(zhuǎn)的大功率齒輪箱加載測(cè)試時(shí)，考慮到電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，達(dá)到2 000 rpm，連接件上螺栓或其它旋轉(zhuǎn)件上零件在高轉(zhuǎn)速情況下可能脫落或失效，為保證試驗(yàn)安全，特制作防護(hù)罩殼。考慮到測(cè)試不同的齒輪箱或其它大扭矩傳動(dòng)裝置，將防護(hù)罩殼設(shè)計(jì)成螺栓連接式，并采用可左右、上下可調(diào)整式結(jié)構(gòu)，提高試驗(yàn)臺(tái)測(cè)試通用性。

2.3試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)水冷系統(tǒng)

試驗(yàn)臺(tái)電機(jī)采用閉式水冷塔來冷卻電機(jī)加載測(cè)試時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生的熱量。閉式水冷塔是將管式換熱器置于塔內(nèi)，通過流通的空氣、噴淋水與循環(huán)水進(jìn)行熱交換保證降溫效果。由于是閉式循環(huán)，其能夠保證水質(zhì)不受污染，很好的保護(hù)了主設(shè)備的高效運(yùn)行，減少設(shè)備維護(hù)，提高了使用壽命。

2.4加載試驗(yàn)臺(tái)自動(dòng)化控制系統(tǒng)

整個(gè)系統(tǒng)的操作由遠(yuǎn)程控制操作來實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)程控制即在中央控制臺(tái)上完成各種工況的齒輪箱或其它大扭矩傳動(dòng)裝置的試驗(yàn)運(yùn)行操作。操作臺(tái)上具備所有運(yùn)行功能的操作按鈕盒開關(guān)，以及各種運(yùn)行參數(shù)的顯示器。操作臺(tái)上可完成各種工藝試驗(yàn)程序的編制，修改和各種試驗(yàn)參數(shù)和工藝曲線的顯示?？刂葡到y(tǒng)可根據(jù)不同的試驗(yàn)要求，做出相應(yīng)調(diào)整，響應(yīng)快，且在低速時(shí)具有良好的性能。

2.5加載試驗(yàn)臺(tái)數(shù)采分析系統(tǒng)

數(shù)采分析系統(tǒng)可將試驗(yàn)時(shí)采集到的扭矩、溫度、振動(dòng)、噪音等數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確分析并輸送到控制室的工控機(jī)上實(shí)時(shí)顯示出來。數(shù)采系統(tǒng)采集通道組成可多可少，應(yīng)用靈活。可根據(jù)實(shí)際測(cè)試需要增加或減少測(cè)試點(diǎn)，具有能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)采樣、實(shí)時(shí)處理、實(shí)時(shí)控制和實(shí)時(shí)顯示，測(cè)量速度快、精度高等特點(diǎn)。

3　結(jié)束語(yǔ)

試驗(yàn)臺(tái)采用電回饋式加載方案，對(duì)比其它加載方式，不但在測(cè)試精度、測(cè)試性能上大幅度提高，而且可以大大降低試驗(yàn)成本，以較低的耗能，完成對(duì)大功率齒輪箱各項(xiàng)性能測(cè)試。試驗(yàn)臺(tái)不僅可用于大功率齒輪箱加載試驗(yàn)，還可對(duì)我司其它海工、陸工產(chǎn)品齒輪箱以及大扭矩傳動(dòng)裝置加載試驗(yàn)。整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)通用性強(qiáng)、應(yīng)用廣泛。

［1］GB/T 14230-1993，齒輪彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)方法［S］.

［2］崔亞輝，馬朝鋒，劉澤明.直流電封閉機(jī)械傳動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)模擬加載功能的設(shè)計(jì)［J］.西安理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，20（2）：141-144.

［3］閻清東，項(xiàng)昌樂，馮永存.功率封閉機(jī)械式變速器齒輪壽命試驗(yàn)臺(tái)［J］.北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，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(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.制造業(yè)自動(dòng)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(dòng)的設(shè)計(jì)研發(fā)。