史旭東，萬 磊，徐官南，位云成，蔣東偉

（1.南京工程學(xué)院，南京 211167；2.南京康尼機(jī)電股份有限公司技術(shù)中心，南京 210013；3.北京機(jī)械工業(yè)自動化研究所（常州）有限公司，常州 213300）

0 引言

現(xiàn)國內(nèi)軌道門控所用的小型減速器，由于使用的行業(yè)對于其傳動精度、剛度和輸出轉(zhuǎn)矩、安全性、環(huán)境等有較高要求，同時結(jié)構(gòu)還需小型、緊湊，安裝方式、輸出方式有多種，國內(nèi)多數(shù)單位不能完全達(dá)到各項主要性能要求，現(xiàn)基本以進(jìn)口為主，尤其是蝸輪蝸桿減速器，為了進(jìn)一步了解和使用好該減速器，同時也解決加工和裝配成本、質(zhì)量和維護(hù)等問題，決定對其結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行一定的研究，對其樣機(jī)主要性能有必要進(jìn)行全面的測試和分析。本文主要介紹了一種門控用蝸輪蝸桿減速器研制中，對其主要性能比較經(jīng)濟(jì)而實用的測試工藝。

1 結(jié)構(gòu)原理

蝸輪蝸桿減速器是一種動力傳達(dá)機(jī)構(gòu)，利用齒輪的速度轉(zhuǎn)換器，將電機(jī)（馬達(dá)）輸入的回轉(zhuǎn)數(shù)減速到所要的輸出回轉(zhuǎn)數(shù)，并得到較大轉(zhuǎn)矩的機(jī)構(gòu)。蝸輪蝸桿傳動常用于交錯軸間傳遞運(yùn)動及動力，通常交錯角為90°，它的主要優(yōu)點：傳動比大，工作較平穩(wěn)，噪聲低，結(jié)構(gòu)緊湊，可以自鎖，主要缺點：效率低，易發(fā)熱，蝸輪制造需要貴重的減磨性有色金屬。

現(xiàn)介紹的減速器是采用多頭蝸桿與類似斜齒輪結(jié)構(gòu)的蝸輪組合傳動，蝸輪采用尼龍材料，蝸桿采用超薄型鋼件結(jié)構(gòu)設(shè)計，保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時，也減少了發(fā)熱量和使用成本，也減低了加工和裝配的難度要求。主要零部件有：殼體、端蓋、蝸桿、蝸輪、蝸輪軸、軸承和定位套等，如圖1所示。

2 主要性能

圖1 主要零部件

根據(jù)門控使用需求，以及相應(yīng)的國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，需要測試的主要性能有輸出軸要求、摩擦轉(zhuǎn)矩、空程、外殼防護(hù)等級、短時超載許用轉(zhuǎn)矩、高速、軸向負(fù)載與徑向負(fù)載、電參數(shù)、加載、壽命和振動沖擊等?？紤]到門控使用場合安全性等較高要求，其中某些性能要求比相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)和國內(nèi)外類似產(chǎn)品還有所提高。

以其中一種減速器樣機(jī)為例，蝸輪蝸桿傳動的中心距為31mm，速比為10:1，額定轉(zhuǎn)速為320rpm，額定轉(zhuǎn)矩為4NM，最大短時允許轉(zhuǎn)速為1000rpm，最大短時轉(zhuǎn)矩為10NM，使用壽命需滿足100萬次以上正常使用要求。輸出方式有左出制、右出制和雙出制三種方向，安裝方式則有2個底面、2個端面共四種形式。通過輸入電機(jī)的參數(shù)改變和蝸桿頭數(shù)的改變，還能拓展為其他系列產(chǎn)品，因此對于相應(yīng)的主要性能測試也提出了較高的要求。

3 測試工藝

考慮到以上主要性能要求，同時在產(chǎn)品研制的初期，有必要先進(jìn)行內(nèi)部簡單的測試，之后再購買專用檢測設(shè)備或送外部專業(yè)檢測單位進(jìn)行產(chǎn)品定型前的測試。因此結(jié)合已有的通用檢測設(shè)備，設(shè)計了一些比較經(jīng)濟(jì)而實用的專用工裝，進(jìn)行主要性能參數(shù)的初期檢測，對于產(chǎn)品的優(yōu)化和結(jié)構(gòu)原理的了解帶來很大幫助。下面對其中一些主要性能檢測工藝，尤其是對測試目的、測試設(shè)備、測試要求、測試過程，以及測試工裝和測試原理等進(jìn)行一一介紹。

3.1 輸出軸測試

測試目的：測試減速器軸向間隙與徑向圓跳動是否滿足要求

測試設(shè)備：千分表。

測試要求：應(yīng)滿足精密級要求，徑向圓跳動不大于0.03mm，軸向間隙不大于0.1mm。

測試過程：將減速器水平緊固于支架上，把千分表觸頭水平地置放于輸出軸端面（平行于軸心線），并在減速器軸伸端施加一個軸向力記下千分表讀數(shù)，在相反方向上施加一個同樣大小的軸向力。再記下千分表讀數(shù)，兩次讀數(shù)之差即為軸向間隙；輸出軸徑向圓跳動的檢查，將減速器與電機(jī)連接，水平安裝于試驗支架上，并運(yùn)轉(zhuǎn)，用千分表觸頭在距軸端2mm～3mm處。測出該處徑向圓跳動。

3.2 摩擦轉(zhuǎn)矩測試

測試目的：測試減速器（含電機(jī)）的摩擦轉(zhuǎn)矩是否滿足要求。

測試設(shè)備：扭矩扳手BME-006。

測試要求：摩擦轉(zhuǎn)矩最大值小于0.6Nm。

測試過程：將減速器（含電機(jī)）的輸出軸（蝸輪軸）豎直向上，并固定減速器。將摩擦轉(zhuǎn)矩測試工裝安裝在輸出軸上。將扭矩扳手聯(lián)接在摩擦轉(zhuǎn)矩測試工裝上，勻速正反轉(zhuǎn)三次，記錄測試過程中的最大值。

3.3 空程測試

測試目的：測試減速器空程是否滿足要求。測試設(shè)備：百分表。

測試要求：空程不大于24arcmin。

測試過程：將減速器與測試工裝相連接，將減速器及工裝固定在虎鉗上，輸出軸上的工裝旋轉(zhuǎn)至水平，把百分表表頭放在工裝50mm處，固定減速器輸入軸，上下?lián)軇虞敵鲚S，記錄百分表數(shù)值變化量e，并根據(jù)公式(1)計算出減速器空程θ。

測試過程如圖2所示。

3.4 外殼防護(hù)等級測試

測試目的：檢測減速器是否滿足IP54防護(hù)等級要求。測試設(shè)備：防塵試驗箱、標(biāo)準(zhǔn)噴嘴。

測試要求：防塵試驗后減速器仍能正常運(yùn)行；防水試驗后，減速器應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的具體要求。

圖2 空程測試

測試過程：將減速器按正常工作位置放入試驗箱內(nèi)，實驗時按照要求盛有懸浮狀態(tài)的滑石粉，試驗持續(xù)8h，試驗后對減速器進(jìn)行檢測。將標(biāo)準(zhǔn)噴嘴與被測減速器表面相距約3m，按規(guī)定的水流量，從實際可能的各個方向向減速器噴水3min，試驗后按規(guī)定對減速器進(jìn)行檢測。

3.5 高速測試

測試目的：測試減速器在高速條件下的運(yùn)行情況。

測試設(shè)備：高速測試臺架。

測試要求：高速條件下，減速器功能保持正常。

相比于其他社會群體，大學(xué)生身份事實上更有助于創(chuàng)業(yè)，其原因在于群體間交流互動程度和地域優(yōu)勢。典型范例，如“餓了么”起源于上海交大的一個校園訂餐平臺。大學(xué)生在接受高等教育期間，對生活品質(zhì)有了一定要求，資金也較為寬裕。同時個體之間互動性強(qiáng)，經(jīng)營者需要的推廣成本較低。并且，現(xiàn)階段大學(xué)院校普遍位于城市中心區(qū)之外的大學(xué)城，集群性高、物流成本低，是創(chuàng)業(yè)的絕佳起點[1]。

測試過程：高速測試工裝裝在測試臺架上，將測試假軸與伺服電機(jī)輸出軸用聯(lián)軸器聯(lián)接。將減速器（不含電機(jī)）安裝在假軸上，并固定減速器。啟動冷卻水系統(tǒng)，開啟伺服電機(jī)，逐漸調(diào)整轉(zhuǎn)速到10000r/min，持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)1小時，結(jié)束后記錄溫度，并檢查減速器功能是否正常。反向運(yùn)行，測試數(shù)據(jù)。

測試工裝如圖3所示。

圖3 高速測試工裝

3.6 軸向負(fù)載與徑向負(fù)載測試

測試目的：測試減速器承受軸向與徑向負(fù)載的能力。

測試設(shè)備：工裝臺架。

測試要求：軸向負(fù)載300N，徑向負(fù)載350N，試驗后，減速器能正常工作。

測試過程：將減速器安裝在軸向負(fù)載臺架上，壓緊軸向負(fù)載工裝至300N處。通電運(yùn)行3min，觀察運(yùn)行情況，試驗后檢查減速器功能是否正常。將減速器安裝在徑向負(fù)載臺架上，加砝碼，使徑向負(fù)載達(dá)到350N。通電運(yùn)行3min，觀察運(yùn)行情況，試驗后檢查減速器功能是否正常。

測試工裝如圖4、圖5所示。

圖4 軸向測試工裝

圖5 徑向測試工裝

3.7 加載測試

測試目的：檢測減速器在各種負(fù)載情況下是否滿足要求。

測試設(shè)備：加載測試臺架。

測試要求：電機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)速為3200rpm時，在減速器的中心面上，距殼體表面500mm處測量減速器的噪音；電機(jī)不啟動的情況下測得的噪音為背景噪音，在背景噪音不高于42dB(A) 時，其測試結(jié)果為有效。超載100%能夠正常運(yùn)行5min。具體要求參照國標(biāo)[2]。

測試過程：將減速器裝在臺架上。在空載條件下，正向啟動電機(jī)，在轉(zhuǎn)速為額定轉(zhuǎn)速3200rpm時，檢測減速器是否正常工作，記錄電機(jī)與殼體溫升，并在背景噪音不高于42dBA時，測量噪音。反向啟動電機(jī)重新測試并記錄數(shù)據(jù)。在額定負(fù)載條件下，運(yùn)行1小時，測試方法同樣。在超載100%條件下，運(yùn)行5分鐘，測試方法同樣。在超載150%條件下，運(yùn)行1分鐘，測試方法同樣。

測試過程如圖6所示。

圖6 加載測試臺

3.8 高低溫測試

測試目的：測試減速器在高低溫條件下性能是否正常。測試設(shè)備：線性高低溫老化箱ESS-KWGDS61V。測試要求：在試驗條件下（-40℃～+85℃），保溫2小時，減速器的摩擦轉(zhuǎn)矩Mr滿足標(biāo)準(zhǔn)要求、噪音滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，在高溫環(huán)境下，無油脂溢出。

測試過程：將減速器（含電機(jī)）放置在老化箱中，溫度保持在-40℃，持續(xù)2小時。取出減速器，通電觀察其運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和噪音，測試器摩擦轉(zhuǎn)矩是否符合要求（小于1.23Nm）。把做過低溫測試的減速器放入高溫箱中，溫度保持在+85℃，持續(xù)2小時。按照同樣過程），測試減速器，并觀察油脂有無溢出現(xiàn)象。

3.9 壽命測試

測試目的：測試減速器是否滿足門控系統(tǒng)壽命要求。測試設(shè)備：門控系統(tǒng)臺架。

測試要求：循環(huán)運(yùn)行300萬次。

測試過程：將減速器（含電機(jī)）裝在門控系統(tǒng)上，將計數(shù)器調(diào)零。將電機(jī)在額定工況下循環(huán)運(yùn)行，循環(huán)周期為正轉(zhuǎn)3±0.5s、停1s、反轉(zhuǎn)3±0.5s、停1s; 總的循環(huán)次數(shù)需大于300萬次。在開始、30萬次、90萬次、150萬次、180萬次、210萬次、240萬次、270萬次、300萬次時，分別檢測其性能參數(shù)是否符合要求。

測試過程如圖7所示。

圖7 壽命試驗臺架

3.10 振動沖擊試驗

測試目的：測試蝸輪蝸桿減速器設(shè)計是否符合企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中要求。

測試設(shè)備：振動沖擊試驗臺。

測試要求：按照“蝸輪蝸桿減速器振動沖擊試驗程序”中的判定依據(jù)，判斷是否符合要求。

測試過程：實驗前，對減速器（含電機(jī)）進(jìn)行外觀檢查、功能測試以及安裝條件檢查，并記錄結(jié)果。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)情況，在每個方向按以下次序進(jìn)行試驗：垂向（長壽命、沖擊、功能性隨機(jī)振動）-縱向（長壽命、沖擊、功能性隨機(jī)振動）-橫向（長壽命、沖擊、功能性隨機(jī)振動）。根據(jù)“蝸輪蝸桿減速器振動沖擊試驗程序”，對試驗結(jié)果進(jìn)行判定。

測試結(jié)果如圖8所示。

圖8 振動控制頻譜

4 測試結(jié)果

根據(jù)以上方法對蝸輪蝸桿減速器進(jìn)行檢測，各項測試除特別規(guī)定外，均在溫度為+15℃～+35℃，相對濕度為45%～75%，大氣壓為86kPa～106kPa的條件下進(jìn)行。

5 結(jié)束語

該減速器是一種緊湊型耐低溫和低噪音的蝸輪蝸桿減速器，其目的就是要面向軌道門控行業(yè)，具有多種安裝形式，多種輸出方式，多種減速比。采用了多個組件高度集成技術(shù)，結(jié)構(gòu)緊湊，綜合加工和裝配要求均較低，耐低溫、低噪音，適用范圍大，且留有一定其他功能開發(fā)適用余地的減速器。

表1 測試結(jié)果

最后經(jīng)過多輪樣機(jī)的研究、性能測試，對其結(jié)構(gòu)原理、產(chǎn)品要求、加工工藝、裝配工藝均進(jìn)行了有效的驗證，性能測試工藝對于其中各階段工作帶來了很大的幫助，為其中產(chǎn)品設(shè)計、參數(shù)調(diào)整和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支撐。最后經(jīng)過各方努力和配合，正式樣機(jī)送到國家級檢測中心進(jìn)行相應(yīng)的性能檢測，均符合要求，部分指標(biāo)超過國內(nèi)外同類產(chǎn)品，并與內(nèi)部采用以上簡單檢測設(shè)備測試所得到的數(shù)據(jù)基本一致，也充分驗證了以上各項測試工藝的正確性和實用性，該測試方法對于其他小型減速器有一定借鑒意義。

[1]王文斌.機(jī)械設(shè)計手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2]JB/T 5558,蝸桿減速器加載試驗方法[s].1991.