特殊環(huán)境下精密齒輪傳動(dòng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試平臺(tái)研制

易力力，陶桂寶，王四寶

（重慶大學(xué)機(jī)械傳動(dòng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044）

0 引 言

齒輪及其傳動(dòng)裝置是國民經(jīng)濟(jì)和國防高端重大裝備所需的關(guān)鍵基礎(chǔ)和通用零部件，是衡量一個(gè)國家基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展水平的重要標(biāo)志。齒輪服役特性直接決定裝備的運(yùn)行性能、壽命、安全性和可靠性［1］，是重大裝備尤其是特殊與極端環(huán)境下重大裝備（如航空航天、海洋、高鐵等）共性技術(shù)研究的核心問題之一。目前國內(nèi)高性能齒輪、錐齒輪、蝸桿傳動(dòng)及面齒輪等零部件極少經(jīng)歷嚴(yán)格的可靠性和壽命試驗(yàn)，相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫匱乏，從而影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)水平，導(dǎo)致產(chǎn)品故障率高，可靠性差，壽命短及性能低。特殊與極端環(huán)境下高性能齒輪在壽命、可靠性等方面與國外先進(jìn)水平差距較大，高端產(chǎn)品仍大量依賴進(jìn)口。針對國家齒輪基礎(chǔ)數(shù)據(jù)匱乏和國家重大工程傳動(dòng)裝置依賴進(jìn)口等問題，瞄準(zhǔn)國家基礎(chǔ)能力和重大工程的需求，著眼于齒輪基礎(chǔ)研究和試驗(yàn)技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展趨勢，研制特殊環(huán)境下齒輪傳動(dòng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)測試平臺(tái)具有重要意義。

平臺(tái)具體包括高精度多用途傳動(dòng)測試系統(tǒng)、半消聲可靠性試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)和熱真空可靠性試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)3個(gè)子系統(tǒng)，其中半消聲可靠性試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)和熱真空可靠性試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)可以通過約束接口指標(biāo)的形式定做環(huán)境實(shí)驗(yàn)箱。本文主要介紹高精度多用途傳動(dòng)測試系統(tǒng)的研制。

1 主要功能及測試原理圖

該測試系統(tǒng)為通用測試平臺(tái)，可對精密齒輪箱機(jī)械傳動(dòng)裝置進(jìn)行綜合性能測試和傳動(dòng)原理研究，檢測對象為減速器（諧波齒輪、濾波齒輪、平行軸、RV型行星齒輪、少齒差傳動(dòng)、蝸輪蝸桿、錐齒輪）和模擬指向機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)組件等空間齒輪傳動(dòng)裝置，具體測試項(xiàng)目有：傳動(dòng)精度實(shí)驗(yàn)、傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)、啟動(dòng)力矩實(shí)驗(yàn)、扭轉(zhuǎn)剛度與回差實(shí)驗(yàn)以及其他傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)。

1.1 傳動(dòng)精度實(shí)驗(yàn)

傳動(dòng)精度即角度傳動(dòng)誤差絕對值中的最大值；傳動(dòng)誤差為傳動(dòng)系統(tǒng)輸出軸的理論轉(zhuǎn)角與實(shí)際轉(zhuǎn)角之差。傳動(dòng)精度測試原理圖［2-4］如圖1所示。

1.2 傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)

傳動(dòng)效率是齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)綜合質(zhì)量指標(biāo)之一。傳動(dòng)效率理論計(jì)算時(shí)必須作某些假設(shè)，無法獲得傳動(dòng)效率的準(zhǔn)確值，通過試驗(yàn)確定傳動(dòng)效率有重要意義［5-6］。傳動(dòng)效率即輸出功率占輸入功率的百分比，通過獲取輸入輸出軸的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩，即可得到傳動(dòng)效率，傳動(dòng)效率測試原理圖如圖2所示。

圖2 傳動(dòng)效率測試原理圖

1.3 啟動(dòng)力矩實(shí)驗(yàn)

啟動(dòng)力矩指加載到傳動(dòng)裝置上用于克服內(nèi)部摩擦阻力的扭矩，帶載啟動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)扭矩需要大于整個(gè)封閉系統(tǒng)的啟動(dòng)扭矩。諧波減速器等傳動(dòng)裝置加工裝配完成后需要測量啟動(dòng)力矩，以評價(jià)其整體性能［7］。啟動(dòng)力矩測試原理圖如圖3所示。

圖3 啟動(dòng)力矩測試原理圖

1.4 扭轉(zhuǎn)剛度與回差實(shí)驗(yàn)

在傳動(dòng)裝置的額定輸出扭矩范圍內(nèi)，由于負(fù)載扭矩作用，各零部件會(huì)產(chǎn)生微量的扭轉(zhuǎn)彈性變形，精密傳功系統(tǒng)需要具有足夠的剛度才能保證在工作過程中受到強(qiáng)大的沖擊時(shí)不至于損壞。根據(jù)虎克扭轉(zhuǎn)定律，扭轉(zhuǎn)剛度為傳動(dòng)裝置加載時(shí)所耗去的扭矩和所產(chǎn)生的扭角之間的比率［8］。

回差是指單向傳動(dòng)過程中輸入軸開始反向后到輸出軸跟隨反向時(shí)輸出軸在轉(zhuǎn)角上的滯后量［9］。回差可以根據(jù)其產(chǎn)生的原因大致分為由溫度變化引起的溫度回差、由彈性變形引起的彈性回差和由零件幾何尺寸及加工裝配誤差引起的幾何回差3種形式［10］。扭轉(zhuǎn)剛度與回差的測試原理圖如圖4所示。

圖4 扭轉(zhuǎn)剛度與回差測試原理圖

1.5 其他傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)

通過控制系統(tǒng)的調(diào)整，并增加溫度、振動(dòng)、噪聲、功率等檢測傳感器，測試平臺(tái)可以完成空載跑合實(shí)驗(yàn)、加載跑合實(shí)驗(yàn)、超載50%跑合實(shí)驗(yàn)、超載160%跑合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)、壽命實(shí)驗(yàn)、溫升實(shí)驗(yàn)、噪聲實(shí)驗(yàn)、振動(dòng)實(shí)驗(yàn)等其他傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)［11-12］。

2 技術(shù)方案

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案

機(jī)械部分采用模塊化設(shè)計(jì)思想，包括驅(qū)動(dòng)主軸和加載主軸兩套臺(tái)架（見圖5、6），兩套臺(tái)架獨(dú)立運(yùn)行，驅(qū)動(dòng)主軸臺(tái)架、加載主軸臺(tái)架及被測傳動(dòng)裝置通過高精度的聯(lián)軸器連接安裝于基準(zhǔn)平臺(tái)上。通過更換基準(zhǔn)平臺(tái)上不同規(guī)格的墊塊來滿足被測傳動(dòng)裝置不同中心高的要求?？筛鶕?jù)需要安裝在環(huán)境系統(tǒng)相對應(yīng)的接口進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)，通過不同的組合演變，最大限度地在同一實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)對不同型式或同型式不同型號的傳動(dòng)裝置的性能測試。

臺(tái)架采用臥式結(jié)構(gòu)，由驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)（或加載電動(dòng)機(jī)）、扭矩傳感器、角度編碼器、聯(lián)軸器、軸承及支座組成。各部件支架安裝孔一次車削完成，以保證各部件的同心度；基準(zhǔn)平臺(tái)和部件支架之間做錐銷定位，保證重新裝配后各部件的同心度，從而保證整個(gè)軸系的運(yùn)動(dòng)精度；系統(tǒng)配備軸承座有效地保護(hù)扭矩傳感器和角度編碼器使用壽命。

圖5 驅(qū)動(dòng)主軸臺(tái)架

圖6 加載主軸試驗(yàn)臺(tái)架

2.2 電氣結(jié)構(gòu)方案

測試平臺(tái)采用共直流母線式電回饋?zhàn)冾l驅(qū)動(dòng)和加載方式，電封閉功率試驗(yàn)采用不回饋電網(wǎng)式電封閉系統(tǒng)。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)施加給變速箱的輸出功率在加載電動(dòng)機(jī)加載后通過電力反饋系統(tǒng)返回驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)形成閉環(huán)，電氣結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。

圖7 電氣結(jié)構(gòu)框圖

2.3 測控系統(tǒng)方案

通過對測試平臺(tái)［13］主要功能及測試原理、機(jī)械結(jié)構(gòu)的考慮，結(jié)合以計(jì)算機(jī)和集散型控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，上位機(jī)采用ADVANTECH IPC-610L工控機(jī)，下位機(jī)采用SIEMENS SIMOTION運(yùn)動(dòng)控制器，通過工業(yè)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)上下位機(jī)的通信及高精度多用途傳動(dòng)測試系統(tǒng)與半消聲可靠性試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)和熱真空可靠性試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信，測控系統(tǒng)框圖如圖8所示。

考慮各種類型傳動(dòng)系統(tǒng)的測試范圍，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選SIEMENS主軸伺服電動(dòng)機(jī)1PH8138-1DF20-1BA1，加載電動(dòng)機(jī)選SIEMENS力矩伺服電動(dòng)機(jī)1FW3206-1DL72-5AA0，電動(dòng)機(jī)通過兩臺(tái)SINAMICS 120伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。

圖8 測控系統(tǒng)框圖

考慮傳動(dòng)精度實(shí)驗(yàn)和剛度回差實(shí)驗(yàn)需要輸入軸和輸出軸的轉(zhuǎn)角的高速同步的精密采集，編碼器選擇海德漢轉(zhuǎn)角編碼器及與其匹配的高速同步采集卡，其中驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)角編碼器選型為分辨率6 000線的光柵式轉(zhuǎn)角編碼器ERA4482C，綜合精度為+/-5″，加載主軸轉(zhuǎn)角編碼器選型為分辨率36 000線的R0N786，綜合精度為2″，高速同步采集卡選用海德漢的雙通道同步采集卡IK220。

轉(zhuǎn)矩傳感器在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的傳動(dòng)效率實(shí)驗(yàn)和啟動(dòng)力矩回差實(shí)驗(yàn)中取得精密實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)至關(guān)重要?？紤]轉(zhuǎn)矩傳感器測量精度和范圍，選用德國HBM T40B系列轉(zhuǎn)矩傳感器，信號輸出形式為頻率輸出。驅(qū)動(dòng)主軸轉(zhuǎn)矩傳感器采用200 N·m的轉(zhuǎn)矩傳感器，精度為+/-0.05%F，加載主軸轉(zhuǎn)矩傳感器采用2 kN·m的轉(zhuǎn)矩傳感器，精度為+/-0.05%F。

2.4 接口設(shè)計(jì)

（1）與半消聲可靠性試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)接口。半消聲可靠性試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)需要提供高精度多用途傳動(dòng)測試系統(tǒng)在半消聲的環(huán)境下的測試保障，被測傳動(dòng)系統(tǒng)放置在環(huán)境試驗(yàn)箱內(nèi)，環(huán)境試驗(yàn)箱需要提供如圖9所示3個(gè)方向的機(jī)械接口與驅(qū)動(dòng)臺(tái)架或加載臺(tái)架對接，用于平行軸或相交軸傳動(dòng)系統(tǒng)的測試。3個(gè)方向的機(jī)械接口分別在前、后、右側(cè)壁上開條形軸孔，使用玻纖板實(shí)現(xiàn)條形軸孔的密封，玻纖板隨電動(dòng)機(jī)軸移動(dòng)到合適的位置固定即可，條形軸孔如圖10所示。

圖9 3個(gè)方向機(jī)械接口布置圖

圖10 條形軸孔機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

（2）與熱真空可靠性試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)接口。熱真空可靠性試驗(yàn)是模擬空間活動(dòng)部件在空間的真空、冷黑和太陽輻射環(huán)境的一種地面試驗(yàn)，由冷浸、熱浸與變溫過程組成。熱真空容器為臥式圓柱體結(jié)構(gòu)，容器內(nèi)安裝試驗(yàn)平板的支撐導(dǎo)軌，試驗(yàn)平板作為測試件的安裝平臺(tái)使用，為一個(gè)方形、表面均布M8的矩陣螺紋孔的不銹鋼板件，熱真空可靠性試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)使用磁流體密封［14］接口法蘭提供3個(gè)方向的機(jī)械接口。

3 應(yīng)用案例

本文對日本Harmonic諧波減速機(jī)（減速比：121，型號：SFH-25-120）進(jìn)行了不同溫度環(huán)境下的傳動(dòng)剛度及回差的測試，驅(qū)動(dòng)主軸臺(tái)架與熱真空可靠性試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)連接實(shí)物如圖11所示，加載主軸臺(tái)架與熱真空可靠性試驗(yàn)環(huán)境系統(tǒng)連接實(shí)物如圖12所示。

圖11 驅(qū)動(dòng)主軸臺(tái)架實(shí)物圖

圖12 加載主軸臺(tái)架實(shí)物圖

按照扭轉(zhuǎn)剛度與回差測試原理圖（見圖4）方式安裝諧波減速機(jī)，沿輸出軸順時(shí)針方向按2 N·m的步距等間隔加載到額定轉(zhuǎn)矩，記錄加載轉(zhuǎn)矩及輸出軸轉(zhuǎn)角值，然后等間隔逐步卸載，并記錄轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)角值，卸載完全后沿另一方向重復(fù)上述過程。完成后可以在轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)角平面繪出該減速器的機(jī)械滯回曲線，利用圖解法可求得該減速器在輸入軸上的扭轉(zhuǎn)剛度、純側(cè)隙和總回差［15］。在-20～80℃溫度環(huán)境下，每次升溫20℃，重復(fù)扭轉(zhuǎn)剛度與回差實(shí)驗(yàn)，共進(jìn)行6次實(shí)驗(yàn)，得到不同溫度下日本Harmonic諧波減速機(jī)扭轉(zhuǎn)剛度、純側(cè)隙和總回差，繪制不同溫度下扭轉(zhuǎn)剛度與回差特性如圖13所示。

圖13 不同溫度下扭轉(zhuǎn)剛度與回差特性

4 結(jié) 語

本文研制的特殊環(huán)境下精密齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)性能測試平臺(tái)，能夠很好地模擬特殊與極端環(huán)境工況，實(shí)現(xiàn)對高精密傳動(dòng)裝置轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號準(zhǔn)確、在線、實(shí)時(shí)、高速采集和處理，從而實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)精度、傳動(dòng)效率、啟動(dòng)力矩和傳動(dòng)剛度及回差的測試。該測試平臺(tái)還具有很強(qiáng)的開發(fā)潛力，通過軟件的不斷升級和少量的硬件改進(jìn)，可以擴(kuò)展其他傳動(dòng)試驗(yàn)。