王 成 魏子堯 崔煥勇 張清萍 王文明

(濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東濟(jì)南 250022)

齒輪的傳動(dòng)效率關(guān)系到環(huán)境污染和經(jīng)濟(jì)效益，其研究越來越受到人們的重視［1－11］。齒輪傳動(dòng)效率測(cè)定試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)對(duì)于理論驗(yàn)證至關(guān)重要。此外，齒輪箱在出廠之前一般進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)，這其中就包括效率檢測(cè)［12］。

齒輪傳動(dòng)效率測(cè)定試驗(yàn)裝置包括功率開放型齒輪試驗(yàn)裝置和功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置兩類［13］(如圖1所示)。其中，功率開放型齒輪試驗(yàn)裝置由于具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，多應(yīng)用在中小載荷非長期運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)中。隨著傳動(dòng)裝置功率的增大，大容量的原動(dòng)機(jī)和耗能負(fù)載問題難以解決，加之人們?cè)絹碓揭庾R(shí)到節(jié)能降耗的重要性，這些都使開放型齒輪試驗(yàn)裝置不能適應(yīng)發(fā)展的要求。功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置克服了功率開放型齒輪試驗(yàn)裝置耗能高的缺點(diǎn)，相比開放型試驗(yàn)裝置，封閉型試驗(yàn)裝置能節(jié)省90%的能耗，因此適用于長期運(yùn)轉(zhuǎn)的齒輪效率試驗(yàn)中。

耗能負(fù)載是功率開放型齒輪試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件。加載器的不同將功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置分為多類。此外，被試齒輪箱傳遞功率的計(jì)算方法決定功率試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。因此，本文就以上問題展開介紹。

1 功率開放型齒輪試驗(yàn)裝置

功率開放型齒輪試驗(yàn)裝置是由原動(dòng)機(jī)、試驗(yàn)齒輪箱和耗能負(fù)載等組成。功率由原動(dòng)機(jī)出發(fā)，經(jīng)試驗(yàn)齒輪箱，最后由耗能負(fù)載全部消耗，功率流向未形成封閉回路。其構(gòu)成原理如圖2所示。功率開放型齒輪試驗(yàn)裝置的優(yōu)點(diǎn)包括:結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、制造安裝方便、可在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中加載且穩(wěn)定可靠，并能方便地進(jìn)行不同結(jié)構(gòu)尺寸齒輪箱的安裝測(cè)試。缺點(diǎn)主要是需要相當(dāng)容量的原動(dòng)機(jī)和耗能負(fù)載，且能量全部消耗，試驗(yàn)費(fèi)用高。故多用在中小功率非長期運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)中。

表1 功率開放型齒輪試驗(yàn)裝置常采用的耗能負(fù)載

耗能負(fù)載裝置是功率開放型齒輪試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件。目前，常采用的耗能負(fù)載裝置見表1［13］。

功率開放型齒輪試驗(yàn)裝置常采用直測(cè)功率法，可以分為:

(1)單臺(tái)試驗(yàn)齒輪箱直測(cè)功率法

用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器直接測(cè)量單臺(tái)試驗(yàn)齒輪箱的輸入和輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩(如圖3所示)，計(jì)算試驗(yàn)齒輪箱的效率。

(2)雙臺(tái)試驗(yàn)齒輪箱直測(cè)功率法

兩試驗(yàn)齒輪箱的規(guī)格、結(jié)構(gòu)、型號(hào)以及制造工藝和水平完全相同，且能按設(shè)計(jì)功率流正反方向傳遞功率。用轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器直接測(cè)量這兩臺(tái)試驗(yàn)齒輪箱的輸入和輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速(如圖4所示)，然后計(jì)算得到試驗(yàn)齒輪箱的平均效率。

2 功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置

與開放型相比，功率封閉型試驗(yàn)裝置的電動(dòng)機(jī)功率只需補(bǔ)償試驗(yàn)過程中功率損失，因而可以極大地節(jié)省能耗。功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置的功率流向?yàn)橐环忾]回路。

根據(jù)封閉能量形式的不同，功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置又分為兩類:電功率封閉型和機(jī)械功率封閉型。

2.1 電功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置

圖5為電功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置構(gòu)成原理圖。兩臺(tái)同型號(hào)的電機(jī)同時(shí)并聯(lián)于電源。運(yùn)行時(shí)，一臺(tái)作為電動(dòng)機(jī)，另一臺(tái)作為發(fā)電機(jī)。受試齒輪箱一般為減速器，陪試齒輪箱一般為增速器。電動(dòng)機(jī)通過受試齒輪箱和陪試齒輪箱帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行。發(fā)電機(jī)將電能回輸給電動(dòng)機(jī)，功率流向?yàn)橐浑姺忾]回路，只需補(bǔ)充電能差值ΔP。

電功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置能夠進(jìn)行瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)多工況的負(fù)載模擬。如臧懷泉［14］設(shè)計(jì)了一種高轉(zhuǎn)速、大轉(zhuǎn)矩、高精度的電封閉式汽車變速器加載試驗(yàn)臺(tái)，用于模擬被試裝置在道路上行駛的工作條件。電功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置由于要求原動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的功率容量不小于試驗(yàn)齒輪箱功率且需要與之配套的電能回收控制系統(tǒng)，因此投資昂貴，操作較為復(fù)雜，且電能一般僅能回收60%～70%。

根據(jù)電機(jī)不同，電功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置又可以分為:直流電機(jī)封閉型、感應(yīng)電機(jī)封閉型和交流整流子電機(jī)封閉型3種，具體見表2［13］。隨著變頻交流回饋技術(shù)的發(fā)展，目前國外在原動(dòng)機(jī)方面大多采用交流電動(dòng)機(jī)。

2.2 機(jī)械功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置

機(jī)械功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置具有節(jié)約能源的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在現(xiàn)代齒輪傳動(dòng)效率測(cè)試試驗(yàn)中。但其存在以下問題［15］:①結(jié)構(gòu)復(fù)雜，連接件多，易產(chǎn)生振動(dòng)噪聲，控制精度低;②無法模擬多工況，試驗(yàn)與實(shí)際結(jié)果差別大;③必須有陪試齒輪箱。

根據(jù)加載器是否消耗功率，機(jī)械功率封閉型又分為加載器不消耗功率的全封閉型和加載器需消耗部分功率的非全封閉型兩類。

2.2.1 機(jī)械功率全封閉型齒輪試驗(yàn)裝置

機(jī)械功率全封閉型齒輪試驗(yàn)裝置只消耗系統(tǒng)的摩擦功，電動(dòng)機(jī)補(bǔ)充的功率一般只占封閉功率的10% ～15%，故多用在長期運(yùn)轉(zhuǎn)的試驗(yàn)中。加載器是機(jī)械功率全封閉型齒輪試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件。目前，常采用的加載器裝置見表 3［13］。

2.2.2 機(jī)械功率非全封閉型齒輪試驗(yàn)裝置

運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，加載器必須消耗掉一部分功率后才能加載。因此，功率封閉是不完全的。根據(jù)加載器的類型，機(jī)械功率非全封閉型齒輪試驗(yàn)裝置可分為多盤摩擦離合器式、磁粉離合器式、液力耦合器式、NGW行星傳動(dòng)制動(dòng)摩擦加載器式和雙排NGW行星傳動(dòng)水力測(cè)功機(jī)加載器式等(表 4［13］)。

表2 電功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置

表3 機(jī)械功率全封閉型齒輪試驗(yàn)裝置常用的加載器

3 典型的功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置及齒輪傳動(dòng)效率測(cè)定試驗(yàn)裝置的研究展望

下面首先介紹幾種典型的齒輪傳動(dòng)效率測(cè)定試驗(yàn)裝置。

3.1 根據(jù)損失功率法設(shè)計(jì)齒輪試驗(yàn)臺(tái)

損失功率法試驗(yàn)臺(tái)見圖6。被試齒輪箱和陪試齒輪箱采用規(guī)格、型號(hào)、制造工藝和水平完全相同的齒輪裝置，正向逆向的傳動(dòng)效率接近一樣，并且功率流為逆時(shí)針方向傳動(dòng)。

被試齒輪箱的效率可按下式計(jì)算［13］:

當(dāng)T1n1?T2n2，上式可簡(jiǎn)化為:

式中:η1為被試齒輪箱的效率，(%);T1為測(cè)得轉(zhuǎn)矩，N·m;n1為測(cè)得轉(zhuǎn)速，r/min;T2為測(cè)得轉(zhuǎn)矩，N·m;n2為測(cè)得轉(zhuǎn)速，r/min。

3.2 加載器與電動(dòng)機(jī)的安裝布置

文獻(xiàn)［12］指出，電動(dòng)機(jī)和加載器安裝的位置不同，對(duì)所需電動(dòng)機(jī)的功率容量和加載器的力矩將有較大的影響。當(dāng)加載器與電動(dòng)機(jī)布置在功率流末端處，產(chǎn)生的力矩最大和需要的功率最小(圖7)。

3.3 可變中心距功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置

針對(duì)目前機(jī)械封閉型齒輪試驗(yàn)臺(tái)中心距不可調(diào)的問題，文獻(xiàn)［16］提出了一種中心距可微調(diào)的齒輪試驗(yàn)臺(tái)(圖8)，解決了傳統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)當(dāng)受試齒輪箱的中心距發(fā)生改變時(shí)需要重新安裝的缺點(diǎn)。

當(dāng)受試齒輪箱中心距發(fā)生變化時(shí)，與固定部分相連的陪試齒輪箱不發(fā)生任何變化。與活動(dòng)工作臺(tái)相連的陪試齒輪箱可以通過活動(dòng)工作臺(tái)導(dǎo)軌的移動(dòng)來適應(yīng)受試齒輪箱中心距的變化。

3.4 加載器的改進(jìn)設(shè)計(jì)

加載器作為齒輪傳動(dòng)效率測(cè)定試驗(yàn)裝置的關(guān)鍵部件，它的優(yōu)劣直接關(guān)系到試驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確度、適應(yīng)性和動(dòng)力消耗等性能指標(biāo)。因此，對(duì)其的研究越來越受到人們的重視。如鄭良輝［12］提出了對(duì)液壓內(nèi)斜齒花鍵加載裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)。楊俊卓和王正博［17－18］對(duì)平行軸同側(cè)傳動(dòng)封閉試驗(yàn)臺(tái)的加載器進(jìn)行了三維建模和強(qiáng)度分析。此外，加載器正由靜態(tài)加載向動(dòng)態(tài)加載方向發(fā)展［19］。

3.5 改進(jìn)型FZG試驗(yàn)機(jī)

標(biāo)準(zhǔn)FZG試驗(yàn)機(jī)(軸上配置一個(gè)法蘭盤內(nèi)力式加載器——彈性扭力桿加載器，用加載杠桿砝碼加載;在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中不能變載，因此增加載荷時(shí)，必須停車拆卸相應(yīng)的聯(lián)軸器)，一般配有兩個(gè)扭矩和轉(zhuǎn)速傳感器。Chase［1］、Xu［2］、Petry［20－21］和 Moorhead［22］根據(jù)風(fēng)損和攪油損失與系統(tǒng)受載無關(guān)的特點(diǎn)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)FZG試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)(如圖9所示。增加了高速主軸，使試驗(yàn)臺(tái)能夠測(cè)試高速傳動(dòng)的齒輪箱。此外，僅采用一個(gè)扭矩傳感器)。Chase通過分別測(cè)試給定速度下空載和受載的系統(tǒng)損失扭矩，得到軸承功率損失和齒輪嚙合功率損失，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)［23］得到軸承損失，最終得到齒輪嚙合功率損失。Chase得出的齒輪嚙合功率損失 ηFG為

式中:TC為輸入扭矩;TT為受載情況下系統(tǒng)損失扭矩;TS為空載情況下系統(tǒng)損失扭矩;TB為軸承損失扭矩。

3.6 大功率機(jī)械功率全封閉試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

對(duì)于大功率齒輪試驗(yàn)裝置，由于齒輪箱體積一般較大，不易連接成機(jī)械封閉傳動(dòng)鏈。因此，通常采用電功率封閉型［24－25］。但電功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置，功率損失一般在30%以上。而機(jī)械功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置的加載能量一般在10%左右。因此，文獻(xiàn)［26］建立了兆瓦級(jí)機(jī)械功率封閉型齒輪試驗(yàn)裝置，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的加載器［27］。

3.7 齒輪傳動(dòng)綜合試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)

除齒輪效率外，齒輪的振動(dòng)噪聲、溫升試驗(yàn)、彎曲強(qiáng)度和接觸強(qiáng)度等也是齒輪測(cè)試的重要內(nèi)容。它們一般在專門的齒輪試驗(yàn)裝置上進(jìn)行。以某項(xiàng)或某幾項(xiàng)測(cè)試為主要任務(wù)，同時(shí)可以完成多方面的性能測(cè)試以及在同一試驗(yàn)臺(tái)上完成不同型號(hào)齒輪箱的性能測(cè)試已成為齒輪傳動(dòng)試驗(yàn)裝置發(fā)展的重要方向［15，28］。

3.8 測(cè)試控制系統(tǒng)軟硬件的研究

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加載系統(tǒng)和傳感器測(cè)試系統(tǒng)相應(yīng)軟硬件的設(shè)計(jì)對(duì)于提高齒輪傳動(dòng)效率測(cè)定試驗(yàn)裝置的測(cè)量精度、控制精度和降低能量損耗具有重要意義。如臧懷泉［14］將電封閉式節(jié)能加載技術(shù)與現(xiàn)場(chǎng)總線控制技術(shù)應(yīng)用在齒輪試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)中，提高了控制精度，同時(shí)節(jié)能可達(dá)到75%。胡康［24］對(duì)大功率風(fēng)電齒輪箱試驗(yàn)臺(tái)的軟硬件系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的操作界面。張廣斌［15］提出了齒輪試驗(yàn)裝置中對(duì)信號(hào)測(cè)量的實(shí)現(xiàn)以及抗干擾措施，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的軟硬件系統(tǒng)。

綜上所述，被試齒輪箱傳動(dòng)效率計(jì)算方法的研究與相應(yīng)齒輪傳動(dòng)效率試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)、加載器的設(shè)計(jì)改進(jìn)以及提高齒輪傳動(dòng)效率測(cè)定試驗(yàn)裝置的測(cè)量精度、控制精度和降低能量損耗的軟硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為齒輪傳動(dòng)效率測(cè)定試驗(yàn)裝置的研究方向。

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