淺談高速旋轉(zhuǎn)試驗機技術(shù)特點及開發(fā)方向

陳 欣，肖俊林，沈治國

（ 上海電動工具研究所（集團）有限公司，上海電動工具工程技術(shù)中心 上海 200031 ）

淺談高速旋轉(zhuǎn)試驗機技術(shù)特點及開發(fā)方向

陳 欣，肖俊林，沈治國

（ 上海電動工具研究所（集團）有限公司，上海電動工具工程技術(shù)中心 上海 200031 ）

介紹高速旋轉(zhuǎn)試驗機在業(yè)界的應(yīng)用情況和技術(shù)特點，對相關(guān)產(chǎn)品開發(fā)的市場方向提出建議。

旋轉(zhuǎn)試驗；高速試驗機；電機換向器

0 引言

高速旋轉(zhuǎn)試驗機通常是用于對各種旋轉(zhuǎn)部件進行超過額定轉(zhuǎn)速情況下的高速旋轉(zhuǎn)試驗，以了解機械性能，測試其在一定速度下的變形量和爆裂情況，該測試對產(chǎn)品機械性能及使用安全而言極為重要。本文簡單介紹相關(guān)情況。

1 概述

我國國內(nèi)在高速旋轉(zhuǎn)試驗機方面的研制已有30多年，起初多應(yīng)用在軍工和航空航天等特殊領(lǐng)域，后隨著汽車、家電和電動工具等行業(yè)的發(fā)展，逐步應(yīng)用在汽車輪胎、離合器等旋轉(zhuǎn)零部件的試驗中，相關(guān)試驗大都有對應(yīng)標準要求。在電動工具行業(yè)，高速試驗機產(chǎn)品一般應(yīng)用于換向器、砂輪片、風葉和軸承試驗。

隨著技術(shù)進步和產(chǎn)品升級換代，航空、航天、汽車電機和其它高端電機行業(yè)客戶對試驗機的要求越來越高，通常需要在高速旋轉(zhuǎn)的情況下動態(tài)實時檢測被測件的變形量，來改變以往高速旋轉(zhuǎn)后再用片間誤差測試儀測試的繁瑣模式。因此，動態(tài)高速旋轉(zhuǎn)試驗機應(yīng)運而出。

2 現(xiàn)狀

壓縮空氣通過葉輪驅(qū)動、交流電機通過增速皮帶驅(qū)動、交流電機通過高精度增速齒輪箱驅(qū)動、高速電機（電主軸）直接驅(qū)動，這四種方式是高速旋轉(zhuǎn)試驗機通常選用的旋轉(zhuǎn)方式。

就其優(yōu)缺點來看，壓縮空氣通過葉輪驅(qū)動常用于小型物件，由于壓縮空氣較難精確控制壓力，所以其轉(zhuǎn)速精度較差；交流電機通過增速皮帶驅(qū)動常用于大型物件，由于采用了皮帶增速，所以其最高轉(zhuǎn)速略低，一般不高于20000r/min；交流電機通過高精度增速齒輪箱驅(qū)動受高速齒輪箱的設(shè)計和制造精度限制，制造代價高，噪聲大且易損壞；高速電機（電主軸）直接驅(qū)動，可以獲得較高轉(zhuǎn)速，通過靜止變頻器控制速度，精度高、噪音低，使用范圍較廣。根據(jù)高速軸承潤滑方式不同，有油脂、油霧和油氣三種形式。

業(yè)界通常采用交流電機通過增速皮帶驅(qū)動和高速電機（電主軸）直接驅(qū)動這兩種驅(qū)動方式，傳統(tǒng)的HG-9600S高速試驗機如圖1～圖3所示。

圖1 小型物件高速旋轉(zhuǎn)試驗

圖2 大型物件高速旋轉(zhuǎn)試驗

圖3 特殊物件高速旋轉(zhuǎn)試驗

圖1 為傳統(tǒng)的小型物件高速試驗，如換向器、砂輪片、軸承、小風葉等，其轉(zhuǎn)速通常為3000r/min～75000r/min，由高速電主軸驅(qū)動，熱態(tài)試驗情況下溫度范圍為室溫～300℃。

圖2為針對大型物件的高速旋轉(zhuǎn)試驗，如牽引電機換向器、大型砂輪片、風葉、汽車零部件（如離合器部分）等，由交流電機和增速皮帶驅(qū)動，其轉(zhuǎn)速略低，約為1000r/min～36000r/min。

圖3為用于電機轉(zhuǎn)子等裝夾較特殊物件進行的高速旋轉(zhuǎn)試驗，因其特殊要求可能要致使被試物體爆破，故采用下吊式安裝。其中，試驗腔體視情況需保持真空，內(nèi)部加裝高速攝像頭，由高速電主軸驅(qū)動，為保護電主軸還需加裝特殊的阻尼器等等。

3 要求

在高速旋轉(zhuǎn)試驗要求中，更高的速度要求和更大的驅(qū)動功率尤顯重要，且功能需要越來越多，智能化程度逐步上升，主要表現(xiàn)在：

1）破壞性試驗

破壞性試驗要求的最高轉(zhuǎn)速并不僅僅限于額定轉(zhuǎn)速的某個倍率，而是直接破壞被試物體。這就對試驗機提出很高要求，尤其是驅(qū)動能力要強，發(fā)生被試物體破壞時應(yīng)能承受沖擊并及時停機和保存實時數(shù)據(jù)如實時轉(zhuǎn)速、運行時間、電流電壓和試驗溫度等。

2）標準規(guī)定加速度下離心力試驗

被試物體如航空航天部件或汽車離合器之類，需要在一定時間內(nèi)上升到某個轉(zhuǎn)速，再考核到這個轉(zhuǎn)速瞬間其中的兩個部分有無分離。該試驗對高速機的加速特性和速度慣性控制時的算法和響應(yīng)要求極高。

3）動態(tài)高速旋轉(zhuǎn)試驗

在高速旋轉(zhuǎn)情況下，按預(yù)先設(shè)置的速度梯度運行，按要求在高速旋轉(zhuǎn)情況下實時測量被試物的變形量和其他數(shù)據(jù)并保存輸出。

在電動工具行業(yè)，以往對于換向器產(chǎn)品的測試較為繁瑣。通常需要在高速試驗后放置于片間誤差測試儀上再進行測試，將測試所得數(shù)據(jù)與高速試驗前數(shù)據(jù)做比對來判斷產(chǎn)品是否符合標準要求。目前，一些高端客戶開始尋求在高速旋轉(zhuǎn)試驗時實時測量物件的變形量等數(shù)據(jù)，免除累積誤差，獲取更好的檢驗結(jié)果借以跟蹤產(chǎn)品的質(zhì)量，為產(chǎn)品的改進設(shè)計提供更準確的數(shù)據(jù)。

4 方案

新一代動態(tài)高速旋轉(zhuǎn)試驗機由三部分組成：電氣控制箱，含主控工控機、位移測量、溫度控制、轉(zhuǎn)速控制、時間控制和保護線路；測試平臺，含定制高速高功率電主軸、激光位移測試部分、紅外溫度測量加熱部分和保護線路；循環(huán)水冷卻裝置，用于對高速電主軸進行實時冷卻。

采用高速高精度激光位移傳感器，可對換向器進行最高轉(zhuǎn)速至90000r/min的動態(tài)高速旋轉(zhuǎn)測試，全程計算機測控，變形量可實時顯示。

圖4為放大的動態(tài)高速旋轉(zhuǎn)試驗機測控主界面顯示情況。

圖4 測控主界面

動態(tài)測試的難度主要表現(xiàn)在：整體結(jié)構(gòu)的設(shè)計，安裝了高速激光位移傳感器和紅外溫度傳感器等測量儀器，既要保證測試環(huán)境的盡可能穩(wěn)固，又要保證調(diào)節(jié)和易拆卸；高速、高精度的位移測量和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，作為μm級的測量，電主軸高速旋轉(zhuǎn)下其本身有不定的誤差，準確的動態(tài)測試微小變形量，需要經(jīng)過大量試驗，找到并建立合適的數(shù)學模型，運用到多種數(shù)據(jù)處理技術(shù)；防護技術(shù)，在高速高溫下試驗，應(yīng)防止隨時發(fā)生物件爆破現(xiàn)象，所以對激光位移和紅外溫度傳感器的防護就非常必要。

5 結(jié)語

高速旋轉(zhuǎn)試驗機技術(shù)進步反映在產(chǎn)品水平的提高和對試驗要求的提升，更高的轉(zhuǎn)速、更高的智能化、更高可靠性并盡可能模擬實際運行工況下進行實時測試是產(chǎn)品開發(fā)的必然方向。

海外視點

On the High-speed Rotation Testing Machine Technical Features and Development Direction

Chen XinXiao Jun Lin ShenZhiGuo
(SETRI (Group). Co., Ltd., Shanghai Electric Tools Engineering Center, Shanghai 200031, China)

Introduce high-speed rotation testing machine application and technical features in the industry, to make recommendations on the direction of the market related products.

Rotation test; High-speed testing machine; Motor commutator

TM08

A

1674-2796（2016）01-0006-03

2015-12-03

陳欣（1965—）男，大學本科，高級工程師，主要從事專用設(shè)備儀器開發(fā)工作。