李占賢，蘇景存，王海濤

（1.河北聯(lián)合大學 機械工程學院，河北 唐山 063009；2.唐山弘基傳動科技有限公司，河北 唐山 063009）

1 試驗臺總體設計

本試驗臺采用組合式結構，模塊化設計，由基礎平臺、驅動電機、輸入端減速箱、被試變速器安裝支架單元、輸出加載單元、電器控制系統(tǒng)、各種檢測傳感器及傳動連接部件組成。

基礎平臺為鑄鐵平臺，平臺上設置T形槽用于固定驅動、加載、變速器安裝支架等各單元；驅動電機功率為200kW，兩個加載電機功率為160kW；驅動端設置三軸式兩級減速機，上下剖分結構，輸入、輸出軸可調換位置，以適應左、右輸出型式的變速器和分動器試驗；被試變速器安裝支架單元由變速器安裝支架總成、輸入端轉矩轉速傳感器及傳感器支架、聯(lián)軸器、變速器安裝定位板等組成，這些部件安裝在一塊底板上構成一個單元，便于移動；輸出端加載單元由加載電機、輸出端轉矩轉速傳感器及傳感器支架、聯(lián)軸器等組成，這些部件安裝在一塊底板上構成一個單元，便于移動，試驗臺設置兩套輸出端加載單元，用于分動器和FF型變速器試驗；驅動電機、減速機、被試變速器安裝支架單元、輸出端加載單元各單元之間通過傳動軸連接，以便于調整使用；潤滑油溫度控制通過溫控器的設置來控制冷卻水泵的開、關；控制系統(tǒng)由開關柜、變頻柜、操作柜、制動電阻柜組成，開關柜內(nèi)部裝有主電源斷路器、刀開關、電流互感器、轉接端子排，變頻柜內(nèi)部包括變頻器、斷路器、接觸器、直流接觸器、交流電抗器、熔斷器和轉接端子排，操作柜內(nèi)部裝有PLC組件、工控機組件、二次儀表、變壓器、開關電源、繼電器、接觸器、端子排等，操作柜控制面板上裝有的各種開關、指示儀表和指示燈，通過操作面板上的操控元件進行設備調整和正常自動控制；通過工控機進行試驗條件的設置和試驗狀態(tài)實時監(jiān)控，通過工控機采集卡進行數(shù)據(jù)采集、處理，如配置打印機，可進行試驗報告打印輸出。

PLC組件是控制系統(tǒng)的核心，包括通訊模塊和D／A轉化模塊，負責整個試驗系統(tǒng)的各種動作控制和狀態(tài)監(jiān)測。變速箱疲勞試驗臺整體布局如圖1 所示。

圖1 變速箱疲勞試驗臺整體布局

驅動單元由驅動電機2、普通聯(lián)軸器3、輸入端轉速轉矩傳感器4、減速器5和萬向聯(lián)軸器6組成。驅動單元作為一套組件，其主要功能是正拖提供驅動轉速，反拖提供驅動轉矩，實時準確測量輸入端的轉矩和轉速。加載系統(tǒng)包括加載電機1、9和各自的傳動系統(tǒng)、轉速轉矩測定系統(tǒng)。轉速轉矩傳感器通過數(shù)據(jù)線傳給操作柜上的二次儀表，通過儀表可讀出轉速轉矩的大小。變速箱8通過夾具系統(tǒng)固定在變速箱底座7上面，包括一個輸入軸、兩個輸出軸，左側上端為輸入軸，左側下端和右側為兩個輸出軸。

本試驗臺既能對變速箱前、后驅單獨進行加載試驗，也能對變速箱前、后驅同時進行加載試驗，因此提高了變速箱疲勞試驗臺的通用性能。

在試驗過程中，反拖時驅動電機是轉矩控制，兩個加載電機都是轉速控制。變頻器對電機進行轉速控制時，電機以恒定不變的速度運行，由于誤差原因，兩個加載電機的轉速控制不可能完全相同，因此反拖試驗只能取其中一個加載電機的轉速，另一個加載電機處于停機狀態(tài)。如果反拖時兩個加載電機同時進行轉速控制，勢必會造成變速箱內(nèi)部軸的扭斷。

2 試驗臺控制系統(tǒng)設計

試驗臺通過PLC控制變頻器，從而能實現(xiàn)手動／自動控制、正拖／反拖控制，以及對電機的正反轉控制、轉速控制、轉矩控制、轉速轉矩切換控制。電機運行所需要的參數(shù)以及試驗的運行狀況通過上位機傳給PLC，從而達到控制試驗臺的目的，并通過上位機實現(xiàn)對轉速、轉矩及油溫信號等實時數(shù)據(jù)的采集、處理、顯示和存儲，并進行故障報警。試驗臺控制系統(tǒng)實現(xiàn)方案如圖2 所示。

圖2 ｀ 試驗臺控制系統(tǒng)實現(xiàn)方案

本試驗臺使用三菱公司FX2N－128MR系列PLC，通過控制PLC的輸入輸出，達到對試驗臺控制的目的；使用FX2N－485BD模塊與偉肯NXP變頻器進行通訊，達到對變頻器參數(shù)控制的目的；使用三菱公司FX2N－232IF模塊和上位機進行通訊，傳遞試驗所需的各參數(shù)；使用FX2N－2DA模塊控制變頻器模擬量輸入，實現(xiàn)變轉速轉矩控制；上位機采用臺灣研華工控機，軟件使用NI公司虛擬儀器Labview開發(fā)；使用高速計數(shù)卡實時采集轉速、轉矩及油溫信號，并對信號進行分析、處理和顯示。

本試驗臺可完成如下功能：

（1）手動試驗和自動試驗。手動試驗狀態(tài)變頻器為電壓輸入頻率參考，自動試驗狀態(tài)變頻器為電流輸入頻率參考。由于信號在傳輸過程中導線會有壓降，因此自動試驗控制更加精確。手動試驗中，可以單獨控制任何電機的正、反轉，調整電機轉速。自動試驗中系統(tǒng)根據(jù)設定的試驗條件自動完成定轉速轉矩和變轉速轉矩疲勞壽命試驗。

（2）可以實現(xiàn)正、反拖試驗。偉肯NXP系列變頻器通過設定相應的參數(shù)值，將輸入和輸出與特定功能聯(lián)系起來，即實現(xiàn)了將特定的功能定義到輸入輸出端子上，從而達到方便控制的目的。把變頻器參數(shù)電機控制方式1、2定義到數(shù)字輸入端子，通過繼電器的通斷選擇電機的運行方式；驅動變頻器參數(shù)電機控制方式1設定為閉環(huán)轉速控制，參數(shù)電機控制方式2設定為閉環(huán)轉矩控制；加載變頻器參數(shù)電機控制方式1設定為閉環(huán)轉矩控制，參數(shù)電機控制方式2設定為閉環(huán)轉速控制。從而實現(xiàn)了正拖時驅動電機為轉速控制，加載電機為轉矩控制；反拖時驅動電機為轉矩控制，加載電機為轉速控制。

（3）可以實現(xiàn)定轉速轉矩和變轉速變轉矩試驗。

（4）可以分別對前驅和后驅動的變速箱進行試驗。

3 試驗臺變轉速矩試驗方法的實現(xiàn)

3.1 上位機與PLC參數(shù)的傳遞

本控制系統(tǒng)使用三菱公司FX2N－232IF模塊和上位機進行通訊來傳遞試驗臺運行所需的各參數(shù)。

上位機控制系統(tǒng)主界面包括主菜單、工具欄和監(jiān)測界面3大部分，其中主菜單中包含了各種功能調用，工具欄中的各按鈕顯示了常見操作功能，監(jiān)測界面顯示當前試驗數(shù)據(jù)?？刂葡到y(tǒng)主界面如圖3 所示，試驗參數(shù)設置對話框如圖4 所示。

圖3 控制系統(tǒng)主界面

3.2 PLC對變頻器模擬量的控制及變速矩的實現(xiàn)

當PLC接收到上位機傳遞的參數(shù)后，首先將參數(shù)用FX2N－2DA模塊轉化成模擬電流，然后將模擬電流值提供給變頻器模擬輸入，運用三菱PLC凸輪控制增量方式指令INCD控制試驗臺實現(xiàn)變轉速矩試驗。FX2N－2DA型模擬輸出模塊用于將12位的數(shù)字值轉化成2點模擬輸出，2個模擬輸出通道可接收的輸出為0VDC～10VDC或4mA～10mA。本試驗使用4mA～10mA電流輸出。INCD指令應用如圖5 所示。

圖4 試驗參數(shù)設置對話框

圖5 INCD指令應用

變轉速矩的實現(xiàn)過程如圖6 所示。T0、M16為ON后執(zhí)行指令［INCD D33C0M20K3］，計數(shù)器達到D33～D35設定的值時，按順序自動復位；工作計數(shù)器C1計算復位次數(shù)，對應工作計數(shù)器C1的當前值；M20～M22按順序工作，在M20為ON期間速度和轉矩不斷增加，M21為ON期間速度和轉矩不斷減小，M22為ON期間速度和轉矩不變，因此試驗臺實現(xiàn)了變轉速矩的試驗過程；K3指定最后的工作結束時，標志M8029動作，再次返回進行同樣的工作；T0、M16置為OFF時，C0、C1被清除，M20～M22也變OFF，再次將T0、M16置ON，從初始開始工作。

圖6 變轉速矩實現(xiàn)過程

4 結束語

本文根據(jù)變速箱運行原理，實現(xiàn)了變速箱的在線加載以及變載荷試驗。利用本試驗臺可減少線體上的工作人員，可實時監(jiān)測和判斷變速箱生產(chǎn)質量。變速箱疲勞加載試驗臺的研制成功對變速箱故障診斷具有很重要的意義，將有更廣闊的市場和應用前景。

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