某新型纺机摆臂驱动系统减速器性能检测试验台的研制

(湘潭大学 机械工程学院，湖南 湘潭411105)

一、课题研究背景

减速器在我国经过几十年的发展，已成功地应用到国民经济和国防工业的各个领域。类型从最初单一的摆线减速器，发展到现在的摆线减速器、无级变速器、齿轮减速器、蜗轮蜗杆减速器、电动滚筒这五大类产品[1]。随着国家对机械制造业发展的重视，重大装备国产化进程的加快以及装备制造业整体水平的提升，减速器的发展市场有很广阔的前景，整个行业将继续保持快速良好的发展态势。随着装备国产化进程的加快，各种非标部件在整机设计上应用越来越多，如何开发出一套对减速器性能进行总体测试和评估的检测系统已成为一项极富应用意义的重要课题[2]。受国内某纺织机械生产厂家委托，笔者与生产厂家合作，针对某新型纺机摆臂驱动系统，研究开发出一套驱动减速器性能检测试验台。

该型号纺机摆臂系统驱动系统较复杂，同时包括立式和卧式两种类型的减速器，本文以立式减速器为测试对象，具体的技术参数如下:

立式减速器:三级行星齿轮传动，传动比为270 ±5%，输出转速由整流器驱动时8.5rpm，由蓄电池驱动时11.3 rpm;采用加拿大Matador 直流伺服电机;工作环境温度为－20～50℃，湿度最大可达100%。设计工作寿命20年。该减速器最大径向尺寸为340mm，最大轴向尺寸为1111mm(包括电动机)。输出轴小齿轮齿数14，模数18，变位系数+0.5。

二、试验台总体要求及结构设计

根据设计要求，通过分析立式减速器的工作状况，拟定在该试验台上，完成减速器空损、加载、超载以及疲劳寿命和峰值载荷试验五类性能检测[3]。对于纺织机械工作特点，试验台需具备以下功能:

1.分别设置立式减速器和卧式减速器测试模块，分别进行“空损+峰值载荷”试验和“加载+超载+疲劳寿命”试验[4]。

2.采用电机加载方式，并实现能量回馈控制。

3.做空损检测时，通过控制台面板开关操作，可完成转速、转矩检测以及空损效率计算[5]。做性能测试时，对立式、卧式两类减速器的正反双向加载系统进行远程控制，以完成对两类减速器的变负荷加载、超载、疲劳寿命等项目的检测。

4.利用数据采集卡完成数据的采集，并通过工控机完成数据的处理(如损失功率估算、传动效率估算等计算)，保存、实时显示和打印等功能;同时可以监测整个测试过程，并进行故障报警指示及相应保护。

5.采用工控机实时直观地显示测试转速、测试转矩、测试温度等性能参数。

6.本方案关键元器件都选择符合国家计量标准的工业级产品，以保证检测结果符合国家和工厂标准。

三、试验台功能设计

1.试验台系统原理

试验台采用模块化结构，总体布置如下图所示，立式减速器、卧式减速器测试模块相对独立，但共用测试控制台和电机控制柜。测试控制台实现整个系统的远程集中控制和数据检测，电机控制柜为变频器和逻辑控制元器件提供安装平台。

2.试验台测试系统具体实现方式

(1)减速器转矩、转速测量

减速器转速、转矩的测量是试验台最重要的任务，其选型原则首先考虑量程的适配性、其次是工作的可靠性[6]。

(2)油温及壳体温度的测量

油温测量采用STT 铂电阻型热电偶作为传感器，直接安装在放油口测量油池温度。壳体温度的测量采用强磁吸附式热电偶作为传感器，油池、壳体温度都通过测试控制台上的仪表显示，同时将该数据传送给工控机。

(3)箱体振动检测

箱体振动测量是检测减速器运行性能的一个重要参数，减速器的结构振动异常可以反映早期故障，从而有针对性地采取检修措施，确保主减速器的产品质量，提高传动性能，同时还可以达到降噪目的[7]。由于试验台上的被试件要经常拆卸，而且不能对被试件机壳表面造成破坏，因此选择合适的振动传感器以及合理的安装方法尤为关键。

(4)箱内压力检测

减速器运行时，箱内压力会有所变化，该压力变化范围不能过大，否则会造成壳体漏油[8]。箱内压力的检测采用JYB型压阻式传感器，输出的信号不仅通过测试控制台仪表直接显示，而且直接工控机，实现计算机的检测。

(5)减速器小齿轮转速检测

减速器小齿轮转速的测量，因转速非常低，必须借助光电编码器才能实现[9]。本系统采用测量惰轮转速、换算小齿轮转速的方案，编码器选择市场上应用较多的欧姆龙E6C2－CWZ6C型光电编码器，其分辨率为1 024。

(6)数据采集卡及工控机

系统采用型号为PCI－1711L 研华工控的数据采集卡2块;工控机选择研华的IPC－610H型工控机;数据采集卡与工控机通过PCI 插槽联结，通过专用的I/O 接线终端面板与传感器信号传输电缆相连[10]。

(7)传感信号抗干扰传输

本系统弱传感信号传输过程中，全部采用计算机测控系统专用的信号屏蔽电缆，型号为DJYVP。

(8)控制系统平台

本监控系统中采用日本三菱公司的64 点PLC。

(9)LabVIEW 软件开发平台

LabVIEW 是NI 推出的虚拟仪器开发的软件平台，是一种用图标代替文本创建应用程序的图形化编程语言。本试验台采用LabVIEW7.1版本软件对上位机软件进行设计[11]。

四、减速器试验台控制系统设计

运行控制系统通过对变频电机的控制实现减速器运行工况的模拟:控制驱动电机的转速实现减速器输入转速的模拟;控制加载电机的反向转矩实现减速器负荷的模拟，采用编码器反馈转速的闭环矢量控制，以提高转矩的稳定性和精确性[12];采用共直流母线的方式实现能量的回馈;以测试控制台的旋钮实现转速、转向和负荷的远程控制[13]。

减速器工作状态为垂直安装，并通过法兰与机架相连接。机架采用30mm 厚的钢板焊接组成，固定在T 形槽工作台上，工作台置于平整的地面上(不需要地脚螺钉)。考虑到该减速器为大传动比、大扭矩输出，陪试件采用与被试件相同的减速器，两个减速器间采用惰轮过渡组成传动系统。为保证电机、转速转矩传感器、联轴器之间的连接可靠性，三者外围通过基板和拉杆组成一个整体[14]。

PLC控制系统与继电器控制系统相比具有独特的优势，即:功能强，性能价格比高;硬件配套齐全，用户使用方便，适应性强;可靠性高，抗干扰性能强;系统的设计、安装、调试工作量少;编程简单，其程序容易移植;PLC 体积小，其能耗低。本试验台系统采用PLC控制方式[15]。

五、试验台上位机软件程序设计

根据自动化程度要求较高的测试要求，软件测试系统则可分为立式独立运行系统、卧式独立运行系统和立式卧式总体测试系统。各监控系统软件根据应用对象的不同而将其划分为以下四个模块:用户权限管理模块、数据处理模块、传感器标定模块、系统安全报警模块[16]。其中用户权限管理模块用于系统的自我保护，防止其他人进入系统进行操作;数据处理模块包括传感器信号的采集、信号的显示和存储、信号的报表生成等;系统报警模块可对监控过程中监测传感器信号超出安全限制时监控系统发出实时的警报。

六、试验台运行效果

经过合作委托方实际使用，本纺机摆臂驱动减速器试验台测试数据准确，检测效率高，具备直观且智能化的检测环境，完全达到了设计要求。

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