第7章 兩級三環減速器的試驗研究
7.1引言
眾所周知，齒輪產品經常是以齒輪裝置的形式交付用戶使用的，其齒輪裝置的運行性能是制造廠和用戶共同關心的問題。筆者研制的以同步帶作為一級傳動的油膜浮動均載的完全平衡兩級三環減速器的傳動性能是大家十分關心的問題，由于前幾章對該減速器所作的理論分析和計算都是利用了簡化的數學模型，其分析和計算是否正確，還要通過試驗進行驗證，也只有試驗才是驗證該減速器設計理論是否正確、樣機是否實用的最有效手段。本章介紹筆者所設計的樣機DQSH145在大慶職工大學機械傳動試驗臺上所進行的試驗情況。試驗結果表明：該樣機的主要性能指標均達到了設計要求，尤其是傳動效率、振動指標還優于國內同類產品。
7.2兩級三環減速器的傳動效率試驗
7.2.1測試用儀器與測試系統
兩級三環式減速器傳動效率試驗是在大慶職工大學機械傳動試驗臺上進行的。電機為無錫電機廠生產的直流電機，型號為：Z2-52，功率為13kW；電機的轉速的調節采用北京整流器廠生產的可控硅設備，型號為：KGSAC21100/230；傳動裝置采用國營海安機電廠生產的，型號為：CZ-5型，額定轉矩為50N.m的磁粉制動器作為加載裝置，來實現施加制動扭矩，該裝置是根據電磁原理和利用磁粉傳遞轉矩的，WIJ-3A型直流穩壓電源為該加載裝置的專用電源；轉矩和轉速量的測量采用上海第二電表廠生產的測轉矩精度為±1%,測轉速精度為±0.5%的，型號為：ZJYW1微機型轉矩轉速儀及與之配套的ZJ轉矩轉速傳感器來監測和打印。為滿足加載裝置的轉速范圍以及所施加轉矩大小的需要，在加載裝置與輸出轉矩轉速傳感器之間布置了一臺上海產技術參數適合的增速器，其傳動比為23.34。由于新型三環式減速器一級傳動采用同步齒型帶，而輸入轉矩轉速傳感器軸不允許承受較大的徑向作用力，為解決這一問題，筆者設計了一個軸承座，一端聯在輸入轉矩轉速傳感器軸上，另一端安裝同步帶傳動的輸入小同步帶輪，三環式傳動的兩曲柄軸上分別安裝上同步帶傳動的輸出大同步帶輪，大小同步帶輪通過同步帶嚙合實現運動和動力傳遞。
樣機的傳動性能試驗臺如圖7-1所示，傳動試驗臺照片如圖7-2所示。
潤滑油循環系統照片如圖7-3所示
7.2.2 專用軸承座的設計
軸承座是作者為解決試驗中測試用輸入轉矩傳感器軸不允許承受較大的徑向作用力這一實際問題而專門設計的。其一端聯軸在輸入轉矩轉速傳感器軸上，另一端安裝同步傳動的輸入小同步帶輪，如圖7-4所示。
7.2.3兩級三環減速器的跑合
裝配完好的三環減速器及測試儀器按測試系統的聯接順序在試驗臺上逐一聯接并予以定位，然后用手轉動電機輸出軸上的半聯軸器以檢查各回轉副轉動是否靈活，若有異常，予以調整，直至無任何異常；若無問題，進行跑合試驗。首先，空載跑合4小時，其中正轉和反轉分別跑合2小時。然后加滿載的20%載荷跑合2小時，接下來再加滿載的50%載荷跑合2小時，最后加滿載跑合2小時。跑合試驗后，將減速器里的潤滑油排放掉，并清理好箱體底部，不允許有任何磨粒遺留，然后重新加入適量潤滑油。為后續試驗作準備。
7.2.4 傳動性能的測試方法
該新型三環減速器傳動效率試驗分為恒定轉速變轉矩和恒定轉矩邊轉速兩種。在進行恒定轉速變轉矩試驗時，運轉達到熱平衡后10min開始測量轉速和轉矩。將輸入轉速定為750、1000、150Or/min三檔，輸出轉矩按額定轉矩的25%、50%、75%、100%設為四檔，逐檔加載測試。在進行恒定轉矩變轉速試驗時，輸出轉矩設為752N.m、876N.m兩檔，輸入轉速分為500、750、1000r/min三檔，逐檔加速測試。
7.2.5 兩級三環減速器的傳動效率
由于試驗過程所測取的數據是一些離散值，且有微小的變化，為保證傳動效率測試準確，需對測試數據進行必要的處理。
通常，每一檔的數據測多次，每一次的數據測若干組。
每次采集數據的轉矩、轉速和功率的平均值為
式中 Ti，ni，Ni——每組數據中的轉矩、轉速和功率值；
k——每次測試數據的組數，本研究取12～20。
每檔采集數據的轉矩、轉速和功率的平均值為
式中 m——每檔采集數據的次數，本研究取三次。
試驗樣機傳動的總效率
式中 η——試驗樣機的總效率
N1，N2——同時采集的輸入、輸出功率的平均值；
η座、η聯——分別為試驗樣機用軸承座、輸入軸出軸端聯軸器的效率，取η座=0.995，η聯=0.9952。
在恒定轉速變轉矩和恒定轉矩變轉速兩種工況下測得的數據經過處理后，再利用公式（7-1）計算，便可得到實測的效率曲線如圖7-5和7-6所示。
由圖7-5和7-6可看出，在輸入軸轉速為506r/min，輸出軸轉矩為752N.m時，減速器的效率較高，達92.323%。
需要加以說明的一點是，由于試驗臺控制柜的條件限制，在高輸入轉速時，輸出轉矩上不去；在高輸出轉矩時，輸入轉速上不去，只能對所得的上述傳動效率曲線進行分析。
傳動效率試驗結果表明，兩級三環減速器的傳動效率隨著輸出轉矩的增加，直至達到效率最大值，隨后，又隨輸出轉矩的增加而降低。最大效率在輸出轉矩為750N.m左右。也就是說，油膜浮動時的油膜剛度影響其承載能力。應當指出的是：試驗中，傳動系統的效率隨輸入轉速的增加而降低，在轉速較高時的效率較低，是由于油膜浮動時采用外循環油泵供油流量高于減速器內排出的流量，造成減速器輪齒浸油較深，運轉時隨轉速的增加，攪油損失增加而引起的。批量生產時采用內部循環時完全可以解決這一問題。
7.3兩級三環減速器的載荷分布不均勻系數試驗
7.3.1 測試原理及齒根應力測試方案
測點布置方案是關系到測量結果的一件重要工作。由于三環減速器傳動環板的輪齒受力時象懸臂梁一樣，因而，齒根處彎曲應力最大，并有應力集中，故齒根彎曲應力是主要應力形式，因此，將電阻應變片分別牢固地貼在每一片內齒環板相同位置的一個齒的齒根上，這樣能較準確地反映三環減速器每片內齒環板的受載情況，電阻應變片的貼粘位置如圖7-7所示，電阻應變片引線如圖7-8所示。為了消除溫度對應變片電阻的影響，在被測輪齒的沒有應變的部位貼三片溫度補償片。在貼片時，先將輪體貼片處用丙酮清洗干凈，待輪體貼片處表面絕緣干燥后再貼片。齒根應變片的引線采用Ф0.2mm的高強度漆包線，用環氧樹脂膠防潮并固定，調和好稠度適宜的環氧樹脂膠，涂抹在引線上和應變片的周圍。漆包線用六芯屏蔽線引出接入電橋盒。試驗中采用JA-102或J-39環氧樹脂膠。測試中，每片環板上的電阻應變片均搭成半橋電路。運行時各測點的應變信號由測試系統測得。其測試原理是：減速器工作時貼有電阻應變片的減速器各內齒環板齒根處受到外力作用而產生變形，電阻應變片的長度和橫截面積也隨之發生變化，總的效應是電阻應變片的電阻值發生變化。經過YD-15型8通道動態電阻應變儀的放大、檢波和濾波，實現了機械量轉化為電量的過程。轉化后的電信號在A/D 轉換器需要的量程范圍，信號通過A/D轉換器后，已由模擬量變成了離散的數字量，這些數字信號傳到計算機后，應用分析軟件，由計算機對這些數字信號進行采集、分析和處理，以獲得需要的信息。
式中 k1，k2，k3——標定得到的比例系數，括號前Max是指取其中的最大值；
ε1，ε2，ε3——三片內齒環板上應變信號的平均值。
試驗中選用的電阻應變片長度為0.2mm，電阻為119.8±0.2Ω，相差很小，即k1、k2/2、k3彼此差別很小，所以上式簡化為：
在不同工況下，通過試驗可分別測得三片環板上應變信號的平均值和最大值，應用公式（7-2）便可求得每片環板的載荷分配不均勻系數，兩級三環減速器的載荷分配不均勻系數取三片內齒環板中的最大值。
7.3.2測試用儀器與測試系統
傳動效率測試的所有儀器也是動應力測試所必須的，此外，動應力測試還需用一些專用儀器，這里選用KFG-02-120-Cl-11型微型電阻應變片和CC-33A型CYANO-ACRYLATE BASE STRAIN GAGE CEMENT 粘接劑（日本KYOWA公司生產），由于受輪齒制造誤差、受載變形以及軸、軸承和支座的變形等因素的影響，減速器的瞬時傳動比不可能是常數，從而產生角加速度，進而產生沖擊現象。也就是說，在動應力測試中存在其它的諧波成份，電阻應變儀的工作頻率響應范圍應與之相適應。測試中的動態電阻應變儀（8通道）采用國產的YD-15，采集板用的是HY-1232 A/D、D/A轉換板及IBM-PC XT/AT總線。
樣機均載測試系統框圖如圖7-9所示。
樣機測試照片哪圖7-10所示。
A/D接口板的選擇和應變信號采集程序是應變信號采集是否成功的關鍵。本試驗中選用的A/D接口板的主要技術指標如表7-1所示。
表7-1 A/D轉換板的主要技術指標
| 指標 |
數值 |
| 分辨率 |
12Bit |
| 精度 |
優于±0.03%（滿量程） |
| 通過頻率 |
12KHz（最高，連續可調） |
| A/D轉換時間 |
25μ（典型值） |
| 通道數 |
32（ch0～ch31） |
| 軟件方式 |
高級語言編寫 |
對應于所選用的A/D轉換板，編制的應變信號采集程序框圖如圖7-11所示。
7.3.3應力測試數據的處理
測量載荷分配不均勻系數KP，應重點考慮三環減速器齒根彎曲應力，因此需要測量內齒環板齒根彎曲應力（或應變）的最大值和理論平均值。所以將電阻應變片分別貼到每一片內齒環板的一個齒的齒根上（補償片貼在環板無變形處）的相同位置上，以比較準確地反映三環減速器每片內齒環板的受載情況。分別用在三片內齒環板的任一齒齒根及最上部相同位置上的電阻應變片與溫度補償片搭成半橋電路，載荷信號經過YD-15型八通道動態電阻應變儀進入凡心轉換板，由微機記錄每片環板的應變信號。在n輸入=l000r/min，輸出扭矩分別為額定輸出扭矩的O%、25%、50%、75%及100%的載荷工況下，分別測得原型機和改進型機的環板齒根應變和環板頂部應變電壓信號。表7-2、7-3分別為原型機和改進型機在不同載荷下的的環板齒根經過標定、計算的應變值，表7-4、7-5分別為原型機和改進型機在不同載荷下的經過標定、計算的環板應變值。
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