（机械电子工程专业论文）汽车传动带疲劳寿命试验台研究.pdf

长春理工大学硕士学位论文原创性声0 + 嬲y 嬲1 黝7 4 0 9 6 4 够 本人郑重声明：所呈交的硕士学位论文汽车传动带疲劳寿命试验台研究 是本人在指导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律结果由本人承担。 作者签名： 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定 ，同意长春理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名： 指导导师签单 各哗 摘要 机械传动试验台是用作对传动装置进行综合性能测试与评估的一种试验平台。它可 以为机械传动装置或零部件的开发提供准确而且较完备的设计依据，并最终对产品的 功能进行验证，对其性能给予评估。因此，试验台在机械、汽车、矿山等很多行业都 得到了广泛的应用。 介绍了电封闭带传动试验装置结构性能，重点是介绍机械传动结构和电控部分，该 试验装置由于采用了调压式发电机，节能可以达到6 0 上，且操作比较方便、调速范围 较宽、运行稳定、使用可靠、测量精度较高、通用性强，适用于各种类型中小规格传 动带的各种性能实验。 关键词：传动带试验台电封闭电控原理 a b s t r a c t t h et e s t e ro fm e c h a n i c a ld r i v ei sa l le x p e r i m e n t a lp l a t f o r mu s e dt o c o m p r e h e n s i v e l yt e s t t h ec a p a b i l i t i e so ft r a n s m i s s i o n s i t c a l l p r o v i d e t r u ea n dg e n e r a l d e s i g ng i s tf o r 舭 d e v e l o p m e n to fm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n sa n dp a r t sa n dv e r i f yt h ef u n c t i o na n dp e r f o r m a n c e o ft h ef i n a lp r o d u c t s ，i ti sam u l t i f u n c t i o n a ld e v i c e t h e r e f o r e ，t e s t e ri sw i d e l yu s e di n m e c h a n i c s ，m i n e ，a u t oa n do t h e ri n d u s t r i e s t h i sa r t i c l ei n t r o d u c e dt h ee l e c t r i cb e l td r i v ep i l o tp l a n tc l o s u r es t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s ， f o c u s i n go ns t r u c t u r e ，m e c h a n i c a ld r i v ea n de l e c t r i cc o n t r o lp a r t s ，t h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e d u et ov o l t a g eg e n e r a t o r su s i n ge n e r g y - s a v i n gu pt o6 0 o n ，a n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n , s p e e dr a n g ei sw i d e ，s t a b l eo p e r a t i o nt h eu s eo fr e l i a b l e ，h i g ha c c u r a c y , v e r s a t i l i t y , s u i t a b l e f o ra l lt y p e so fs m a l la n dm e d i u ms i z eb e l tf o rav a r i e t yo fp e r f o r m a n c et e s t k e yw o r d s ：b e i t t e s t e r e i e c t r i oc i o s e dp r i n c i p l e so fe i e c t r o n i oo o n t r o l i i 摘要 目录 第一章绪论3 1 1 课题研究目的及意义3 1 2 课题研究目的必要性4 1 3 国内外发展现状5 1 4 主要研究内容6 第二章同步带疲劳寿命试验台总体方案设计8 2 1 试验台方案论证8 2 2 1 开放式方案8 2 2 1 机械封闭方案9 2 2 3 电封闭方案1 1 第三章同步带疲劳寿命试验台电气控制与加载原理1 5 3 1 传动试验台的组成1 5 3 2 同步带试验台电气部件的原理1 5 3 2 1 直流电动机和直流发电机机械特性1 5 3 2 2 整流装置工作原理1 8 3 2 3 电动机调速2 0 3 2 4 发电机力矩调节2 2 3 3 直流电封闭加载系统的原理2 5 3 3 1 能量封闭原理2 5 3 3 2 加载原理2 6 3 4 试验台控制系统原理2 6 3 4 1 双电机组等效处理2 6 3 4 2 双电机组稳态分析2 8 3 4 3 扭矩加载方式选择2 9 3 4 4 试验台电气控制系统2 9 3 5 加载技术研究3 0 3 5 1 加载技术与精度理论分析3 0 3 5 2 模拟加载功能技术方案总体构成3 5 3 6 同步带疲劳寿命试验台转矩转速模块3 6 第四章同步带疲劳寿命试验台控制系统参数计算3 8 4 1 设计要求3 8 4 2 静态系统指标分析3 8 4 3 系统的动态参数计算3 9 4 3 1 结构参数：3 9 4 3 2 电流调节的参数计算4 0 4 4 速度调节器的参数计算4 1 4 5 抗扰性能计算4 2 第五章同步带疲劳寿命试验台抗干扰分析4 4 5 1 测控系统系统中电磁干扰的类型4 4 5 2 系统电磁干扰的抑制及抗干扰措施4 4 结论4 7 致谢4 8 参考文献4 9 2 1 1 课题研究目的及意义 第一章绪论 一百多年来，汽车深刻改变了人类的生活，然而汽车给人们带来速度、方便、快 捷的同时，也带来车祸这个无法回避的尴尬问题，要知道一辆车的背后承载的也许是 一个家庭的稳定与幸福。因此越来越多的消费者开始在汽车安全性能上苦下功夫。汽 车安全性已逐渐成为消费者购车时需要考量的重要因素。 交通安全的第一要素应是事前预知，考量车辆的安全性，人们最先想到的就是主 动安全和被动安全。 车辆的主动安全性和被动安全性是组成汽车安全性的两大内容。顾名思义，主动 安全性就是从主动性的角度进行的自主性防御措施，技术性突破点主要存在于汽车的 悬架和制动、转向等系统上，在逐步的试验和测试中以期达到整车在稳定性和舒适度 上的整体提升。主动安全性是汽车的重要内容，而在汽车安全性中被动安全性则是起 到了核心作用，不同款汽车在安全性上的差异也主要来自被动安全性配置。 所谓车辆的被动安全性也很容易理解，在汽车发生事故的时候，能够有效的保护 汽车内部人员安全性的安全措施，包括安全气囊、安全带、车体吸能板等等。 被动安全是车在发成车祸过程后汽车所采取的措施，这种车辆撞击与被撞击有的 时候是我们很那避免的，但主动安全性我们可以通过不断的实验与测试得到提升。 随着世界工业和制造技术的不断发展，机械设备，特别是汽车工业对传动带的寿 命及可靠性要求越高，如美国福特( f o r dm o t o rc o m p a n y ) 汽车公司已将传动带的技术 保养周期推荐值由5 万公里延长到9 万公里。未来汽车对传动带的要求将会更高：使用 寿命达到2 0 万- - - 3 0 万公里，工作温度一3 5 c + 1 5 0 ( 2 ( 瞬间1 7 5 。c ) ，1 5 0 c 下使用 寿命可达3 0 0 0 h ，而且在提高耐油性的同时不能牺牲其低温性能，带齿的动态储存模量 不低于1 1 4 m p a 。 在使用期限内，一旦传动带失效，就会导致发动机丧失功能。同步带的使用寿命与 带的材料、工艺、使用中带的张紧力、带传递的功率、线速度、带与带轮齿的节距差、 使用环境状况以及齿形等多种因素有关，而不同的使用条件和不同齿形的同步带所发 生的主要失效形式及带的损坏过程也不尽相同。 因此，通过试验来检验传动带的失效形式，以及合理地规定和预测同步带的疲劳 寿命，对试验结果的深入分析将有助于了解和评定传动部件和装置的综合机械性能， 同时也为工程设计人员提供实践的参考资料和设计依据，提高传动的可靠性，是有重 要意义的。 本课题的研究目的就是要在g b t1 8 1 8 3 2 0 0 0 汽车同步带疲劳试验方法的 基础上设计一台对汽车传动带的疲劳检测装置，预知传动带的寿命，从而增加的汽车 主动安全性。试验台上试验台通过加载装置模拟发动机在实际运行过程中的多种载荷 状态。由于要适用于不同的系统，所以各加载装置的负载要有可调功能。考虑到实际 的工况需要，还要加载温度调整系统。在各种条件下对传动带的寿命进行评估。本试 验台的设计可以完善了国内传动带生产线的完整性，满足了国内传动带生产测试设备 的更新换代的需要。随着疲劳寿命试验机在胶带生产厂家的普及必将提高传动带行业 的生产水平、大幅度提高传动带产品质量，缩短与先进国家的差距增加国际竞争力。 1 2 课题研究目的必要性 汽车用传动带包括驱动汽车发电机、水泵、空压机和转向器等辅机的v 带或多楔 带和驱动发动机凸轮轴、喷射泵的同步带两种，见图1 - 1 ，而汽车v 带、多楔带属于摩 擦传动带，同步带是通过带齿的工作面与齿形带轮的齿槽相啮合传递动力的，也即通 过带齿对带轮齿的推动来传递力矩，属于齿啮合传动带。近年来，随着汽车工业的发 展，一台汽车传动系统包括以上两种传动方式，需配备一条或多条v 带、多楔带和同 步带；因此，汽车用传动带对汽车的行车安全、效率( 节能) 和环保都有重要影响： 安全性：在汽车行驶中，汽车同步带发生损坏会导致发动机的配气系统失效，严 重时会使气缸报废，汽车行驶安全得不到有效保证；汽车v 带或汽车多楔带损坏或打 滑严重都会影响压缩机的正常工作，造成汽车刹车失灵，引发交通事故。优质的汽车 用传动带可以减少汽车的行驶事故，提高行车安全性，保证人身和财产安全。 效率( 节能) 性：汽车用传动带在汽车行驶中起到传递动力的作用，由于带传动 中的弹性滑动( 即：打滑) ，传动带总有一定的功率损失，但若“打滑 严重，就会大 大降低发动机附属机械的传动效率，增加发动机的油耗。优质的传动带与带轮之间的 弹性滑动小，而且稳定，传动效率高，能起到一定的节能作用。另一方面，由于汽车 小型化、轻量化的要求，发动机空间窄小，更换传动带是极为麻烦的作业，若在行车 途中传动带损坏就会在各方面造成很大的影响，既浪费时间，又增加劳动强度。优质 的传动带一般都可预测其使用寿命，在正常的使用寿命期内不会损坏。这样可以在带 损坏之前的汽车大修时及时将其更换，避免造成被动、浪费时间。 环保性：现代汽车工业对传动带要求非常苛刻，使用条件既要耐高温又需耐低温 疲劳，要求所用胶料有较好的屈挠性，屈挠生热小，减小动态噪音和产生极少量的有 害物质。汽车用传动带在汽车发动时，由于带与带轮摩擦及带的振动产生噪音，带与 带轮的啮合也会产生噪音；优质的传动带带体均匀，运行中的振动小，带与带轮之间 的摩擦系数适中，与带轮的啮合准确，因此，传动噪音小。另一方面，汽车传动带在 传递动力时，屈挠生热，产生有害物质，对汽车驾驶员和乘客的人身及环境安全造成 4 危害。而优质的传动带，其所用胶料配方中不含卤素和重金属氧化物，屈挠生热时， 仅产生极少量的有害物质，对人身和环境不会造成伤害，符合环保大趋势。 图卜1 汽车发动机前端照片 车上的传动皮带负责带动所有机件的运动，它坏了车就动弹不了了。因为发动机 通过皮带传动驱动各种辅助机构运转，例如空调器的压缩机、动力转向油泵、交流发 电机等，如果皮带断裂了，或者出现了打滑，都将使相关的辅助机构丧失功能，或使 其性能下降，从而影响到汽车的正常使用，严重的会威胁驾驶员和行人的生命安全。 所以预测汽车传动带的寿命，在传动带损坏之前，更换传动带式很必要的。 1 3 国内外发展现状 国外较早地开始了这方面的研究，如美国g l e a s o n 公司在五十年代就设计出了用 轮系作为加载系统的传动试验台的方案。比较著名的还有美国国家航空航天局下属的 l e w i s 研究中心、前苏联中央机械制造与设计研究院、美国通用动力公司、德国r e n k 公司、日本明电舍动力公司、日本丰田汽车公司、美国伊利诺斯大学机械工程系、法 国s k o d a 公司等。从试验台方案的设计到最终的样品制造他们都进行了大量的研究工 作，形成了规范化，系列化的设计模式。 与国外相比，国内对于传动试验台的研究起步相对较晚。研究工作始于八十年代 初期。国内较早从事这方面研究工作的主要有重庆大学、郑州机械研究所、长春汽车 研究所、西安重型机械研究所、西安理工大学、合肥工业大学、四川工业学院、西安 减速机厂、西安公路交通大学等单位。他们先后建立起了各种形式的传动试验台，这 些试验台的建立从理论上和实践上都取得了很大的进步，积累了大量丰富的进的经验， 代表着我国机械传动试验设备的发展水平。 5 汽车传动带疲劳寿命试验机在我国应用较少，贵阳曾从德国引进过一台。宁波裕 江特种传动带有限公司自主开发了一套汽车同步带模拟工况疲劳寿命装置，南京汽车 厂为该厂生产的s o f i m 发动机专门设计一套模拟工况疲劳寿命装置。 石油天然气总公司江汉机械研究所高级工程师王洁民最近为迁阳机带厂设计一台 的汽车同步带疲劳寿命试验机，按照g b t 1 8 1 8 3 2 0 0 0 e q v l s o l 0 9 1 7 ：1 9 9 5 汽车同步 带疲劳试验方法的标准要求，同时也适用于日本汽车标准j a s o e l l 0 - 9 2 汽车发动机 用同步带试验方法的要求，可进行模仿实际工况的高温疲劳寿命试验和喷水疲劳寿 命试验测试。 从整体上与国外比较，我国带传动技术水平仍比发达国家落后。传动带生产工艺 装备除少数企业外，大部分企业虽然生产能力很大，但设备陈旧，管理水平低，职工 素质不高，产品质量同发达国家相比，竞争能力明显处于劣势。 我们来看一个实例：在保证质量的测试手段方面，2 0 世纪8 0 年代时，日本三星公 司一家胶带专业生产公司就有近3 0 0 台试验设备。相对我国，拥有检测设备的厂家为 数不多，而且一般比较落后，这与我国拥有的生产规模和市场规模很不相称。动力消 耗、原材料消耗都很大，半成品质量差，生产环境急待改善，劳动生产率低，产品使 用寿命短这都是目前需要改善的地方。 从目前国内情况来看，国产的传动带检测设备，尤其是疲劳寿命方面的先进检测设备 还比较少甚至是空白，引进的v 带检测设备价格比较昂贵，一般的中、小厂家难于购买。 传动带疲劳寿命测试是考察传动带综合性能的动态试验，是判断传动带产品质量好坏 的重要方法之一，为了配合国家标准的贯彻实施，根据国家有关标准研制出符合我国国 情的试验检测设备已成为当前较重要课题。 1 4 主要研究内容 本课题是应长春市质量经检测设计院要求，设计一台车用传动带疲劳寿命试验台。 本论文旨在g b t 1 8 1 8 3 2 0 0 0 汽车同步带疲劳试验方法的基础上，设计一台先进的， 高效的，节能的汽车同步带试验台，试验机构是以传动带电封闭原理为基础，为了测 试同步带疲劳寿命而专门设计的测试机构。考虑到传动带疲劳寿命是在一定条件下在 达到疲劳失效之前能够连续运转的时间，所以该机构以汽车同步带为例，模拟不同的 运转条件( 正常、喷水和高温) ，并在此基拙上对其进行控制和检测。 ( 1 ) 内容 开发一套基于工控计算机的同步带寿命试验台并达到用户提出的全部要求。 ( 2 ) 指标要求 试验功率： 6 2 2 k w 6 。! 弋验带长： 3m o 矩范围： 0 1 0 0 n m ：轴转速：3 0 0 0 1 2 0 r m i n i i 温：1 2 0 1 3 0 ：，：量：1 5 一- 2 0 c m 3 m i n ，：据设计要求选取，驱动电机 ( 3 ) 试验报告内容 ；! 试同步带的型号、节线长度试验期间的平均温度 i ：验转矩及张紧力满足规定条件的运转小时数或疲劳寿命 第二章同步带疲劳寿命试验台总体方案设计 2 1 试验台方案论证 常见的机械传动试验台一般都由驱动装置、加载装置、测量装置、被试装置等四 部分组成。试验动力由驱动装置发出，经测量装置、被试装置传递到加载装置。测量 装置用来测量出动力传递过程中的一些基本机械参量，主要有转速、扭矩、功率、效 率等。通常用作驱动装置的有发动机、电动机等：用作测量装置的为转速一扭矩传感器： 用作加载装置的有齿轮箱、发电机、液压缸、磁粉制动器、电涡流测功机等。 机械传动试验台从工作原理上可以分为开放功率流式试验台和封闭功率流式试验 台。下面分别对它们的组成及特点作简要介绍。 同步带的疲劳试验方法共有两类主要是有扭矩法和无扭矩法。 有扭矩法又分为开式和闭式两类，开式的能量流动没有形成闭合回路，电动机的 能量全部由耗能装置消耗掉。闭式则能够将部分能量“收回，形成封闭的回路，节约 了能源。 闭式主要是指机械机械封闭式，对于封闭式而言，电动机所提供的仅仅是克服系 统摩擦力所需要的功率，因此试验中消耗的动力远远小于加到被试带上的载荷，具有 明显的节能。 无扭矩法主要是指电封闭式，加载装置中装有发电机，发出的电回馈给电动机一 部分。 2 2 1 开放式方案 方案一 本系统属于开放式的方案，能量的传动方向是单向的。由可控硅提供电源，三相 进电经过整流器送给电动机，经过变速箱或其他的待试验装置连接到发电机，发电机 发出的电送往电阻箱耗能，或者直接连接水泵或风机，由水泵或风机直接耗能，其系 统结构下图2 - ! 所示。 8 图2 - i 系统框图 从上图可以看出，开放式试验台系统结构较简单，但是系统输入的电动机功率全 部被负载浪费掉了，耗能大。尤其是在进行大功率加载试验时，运行成本相当高。因 此这个方案造成了能源的大量浪费，在带疲劳寿命试验机中己经不再被采用。 2 2 1 机械封闭方案 方案二 机械封闭功率试验机( 又称有扭矩试验机) 就是系统的载荷在( 功率) 在整个系统中 封闭传递，并且传递的是机械弹性变形能：目前国内引进的胶带功率试验机都采用机 械封闭原理传递扭矩( 载荷) 的，该试验机都有一套使传动带与被实验带传动比不相 等的装置，加载原理不同相应的结构也不同。 对于这种机械封闭加载方式有几种： 1 变直径带轮加载加载： “v 带全功能动态性能试验装置 ( 专利号9 9 2 5 8 4 4 1 ) 利用现有v 带机械封闭试 验机的原理，并在其基本组成封闭试验系统的主动轴总成进行简化，并以此轴为对称 轴，在其反方向再增加一套同样的封闭试验系统，使两个封闭试验系统共用一个主动 轴总成。这两个封闭试验系统组合后形成了两个各自独立的封闭力流，而两试验系统 又组成了相互影响的整体，该装置可进行各种带的有转矩和无转矩的全部动态性能试 验。如下图2 - 2 所示。 图2 - 2 方案二结构简图 该套试验机中，从被试验带、扭矩传感器到传动带、减速器整个传动过程为封闭 9 式。步进电机通过传动带与从动轴相连，主电机通过传动轴与主动试验轮、从动试验 轮相连。主电机驱动传动轴运转时，传动轮的转速和主动电机转速有关。当电机的转 速固定时，步进电机驱动丝杠转动，由丝杠调节传功带轮的v 槽宽度来调节传动带轮 的节圆半径，从而使传动带与被试验带之间的传动比不同，由此对被试验带加上不同 的载荷( 扭矩) 。试验时传动带同样承受扭矩，为确保试验数据准确，传动带不能有较 大滑动，因此传动带的张紧装置需要调整适当( 按要求调整重量) ，否则有可能出现不 能达到额定负载的情况。 2 采用行星轮系和电机加载，结构见下图 力矩电 图2 - 3 行星轮系电机加载原理图、 3 采用电磁加载器加载，结构见下图 图2 - 4 电磁加载器加载原理图 l o 这系统有能量回送的优点，但是这试验机所有部件应具有足够的强度和刚度，机 械试验台加工量大，传动效率低，能量损耗大，且在运转中改变载荷不易实现，转矩 不易控制、试验性能不够稳定、通用性较差有试验结果与工程应用不符的现象。工程 上还提出了以下几种电封闭式方案，并存在回馈能量流经电网循环的大封闭式和回馈 能量只在疲劳寿命试验台内部循环的小封闭式试验台两种。 2 2 3 电封闭方案 方案三 该系统是采用电封闭式的能量回送方案，且属于回馈能量流经电网循环的大封闭 式系统。其系统结构图如图2 5 所示。 a b 图2 - 5方案三系统框图 对图2 5 进行分析，可以看出，该方案的动力和加载系统由两套直流电机和可控 硅装置所组成。直流电机和可控硅配套，可作两个象限运行。当电机作动力用时，可 控硅处于整流状态。当电机作加载用时，可控硅处于逆变状态。也就是说该方案是由 两套三相桥式晶闸管可控整流装置组成的直流双闭环调速系统，当调速系统以触发延 迟角控制，使调速系统工作在整流状态时，直流电动机以转速作电动运行，调速系统 以触发超前角声控制，使直流电动机工作在发电状态，三相整流桥处在逆变状态。反 之，当调速系统以控制使电动机工作在电动状态运行时，调速系统a 应以夕一控制使电 动机a 工作在发电状态，则系统处在反方向运行。在节能方面，该方案是由可控硅设 备和直流电机组成的系统。如果是在液力变矩和变速箱试验中，当其处于整流状态时， 电动机的转速是比较高的，一般都己进入到弱磁调速区，故此时的功率因数己接近额 定值，可达到0 9 左右。但是如果同样是在液力变矩和变速箱试验中，作为加载的直 流电机处于发电状态，往往在低速大转矩工况下运行。此时用可控硅做逆变装置，功 率因数最高才0 4 5 。所以转速越低，功率因数越低，功率因数越低，电流的无功分量 越大。这时，必须用并联电容来补偿。此时从试验室到变电站之间会有一定的无功电 流引起的线路损失。可控硅逆变返回到电网的有功功率，减去这部分线路上的有功损 耗和补偿电容的功耗，就是逆变后节约的电能。该方案实现了传动方向的可逆，相对 于开放式的试验台来说，有一定的节能效果，调速系统b 将电能回馈给电网，最后流 经调速系统a 并被循环利用，实现了回送能量经由电网的大封闭循环，回馈了一定的 电能。由于回馈能量流经电网，因此对电网的影响和污染是很大的，调速系统a 的动 力晶闸管整流使功率因数降低，并且为了保持电路中的电流连续，使系统串入平波电 抗器，因此本方案对电能的利用不是很充分，浪费了很多能源。因此节能效果不太理 想。故工程上引出了不经由电网而直接回馈给电动机的小封闭式能量回送方案。 方案四 本系统属于电封闭式系统，并且该系统是不经由电网，只在传动系统本身实现能 量回送的小封闭式系统。直流电动机拖动同步发电机，发电机发出的电整流滤波，再 送回电动机作为动力。可控硅为整个系统提供电源，补偿系统所消耗的能量，其系统 结构如图2 6 所示。 图2 - 6方案四系统框图 可以看出大部分能量经过整流滤波又回馈给电动机。但是本方案要求在系统运行 的任何时刻，a 点的电压值都要高于b 点的电压值，才能够实现能量的回馈。因此与前 面的三种方案相比较，方案四实现时比较困难，控制系统也相对复杂，运行时载荷有 波动。为了能够提供大范围的负载，对同步发电机要求转速范围大，同时对同步发电 机的要求有局限性。下面介绍另一种小封闭式系统。 方案五 该系统也属于电封闭式系统，并且该系统是不经由电网，只在传动系统本身实现 能量回送的小封闭式系统。系统的主电路采用可控硅三相桥式全控整流电路供给主拖 动电机d ，主拖动电机d 通过被测装置拖动负载发电机f ，发电机的电流石是起制动作 1 2 用的，改变电机的电流石，也就改变主拖动电机d 的电流五，使电动机的负载转矩也 相应变化。因此调节负载发电机的电压去改变发电机电流磊，通过被测试装置传到主 拖动电机轴上。也就是说改变发电机的端电压，可以进行连续加载。在节能方面可以 分析一下，方案五这种电封闭系统的能量关系。分别从空载、加载两种情况进行分析。 空载时，负载发电机f 不加激磁，即仁o ，这时电动机通过被测试装置拖动着负载发 电机空转，被测试装置承受空载转矩，一般是很小的。 图2 - 6方案五系统框图 其电流关系是： i o = id 式中 厶一主拖动电机的电流 易一主拖动电机从电源吸收的电流 功率关系是 兄o = p o 式中 易。一主拖动电机的空载率 岛一主拖动电机从电源吸收的功率。 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) 通过上式可见，空载时，主拖动电机仅从电源吸收空载电流易、空载功率尼。负 载时，当主拖动电机起动以后，增加负载发电机f 的激磁，使酢 ，导通二极管z 导通，便产生了负载电流，所以，增加发电机的激磁，便给发电机加载，也就是给被 1 3 试同步带加载，这时它们的电流关系是 ld = i o 七if 式中 厶一主拖动电机的电流 一负载发电机的电流即负载电流 ( 2 - 3 ) 由式2 - 3 可以看出，主拖动电机的电流是由两部分合成的，即一部分是从电源吸收 的电流易，另一部分是负载发电机回馈的电流0 。还可以列出它们的功率关系 易= e o + 弓 ( 2 4 ) 式中 昂一主拖动电机实际功率 易一负载发电机回馈的功率 只主拖动电机从电源吸收的功率。 从式2 4 中看出，方案五这种电封闭系统的主拖动电动机仅从电网中吸取一部分 功率，另一部分功率是由负载发电机回馈的，所以能够节约大量的能量，这样大大减 轻了电网的负担。从上述分析可以看出，方案五的节能效果是比较理想的，特别是在 大功率试验台中，利用负载发电机发出的电能回馈给主拖动电机，组成电封闭系统。 这样，大大减轻了电网的负担，而且加载方便，可以在试验中不停车任意加载( 从空载 到最大负载范围内) ，通过多次试验证实，负载发电机回馈的能量占6 0 以上。因此， 大大节省了电能。 通过以上五种方案的分析和对比，考虑到节能高效决定采用第五种方案进行本次 设计。 1 4 第三章同步带疲劳寿命试验台电气控制与加载原理 3 1 传动试验台的组成 为了测试汽车同步带寿命时间，要求模拟工况下，在主动轮转速保持恒定的情况 下，通过加上负载连续运行，得到汽车同步带的寿命时间。本同步带疲劳寿命试验台 主动轮由调速电机带动，从动轮连接另一调压电机相当于负载发电机作为负载，因此 设计需要设计交流电机的调速系统和模拟负载控制系统来分别调节转速和负载。 试验装置由：直流电动机、输入传感器、被试减速器、输出传感器、陪试装置和 直流发电机。直流电动机提供试验所需的动力，直流发电机作为被试减速器的负载。 输入传感器安装在电动机和被试减速器之间用来测量输入减速器的扭矩和转速，输出 传感器安装在被试减速器和发电机之间用来测量减速器输出的扭矩和转速。转速和力 矩的转换和显示由机械效率仪完成。试验台的原理如图3 1 所示。 a b c 图3 - 1 直流电封闭试验台的原理 图3 1 中的陪试装置通常采用升速装置。在试验转速过低的情况下，采用升速装 置可以使发电机产生足够大的感应电动势，实现能量的回馈。陪试装置的设计方案可 参阅参考相关文献。 除此之外，试验台的电气系统中还包括各种保护装置、报替装置等，它们用来监 控和维护试验台的正常运行。限于篇幅本文不再逐讲述。 3 2 同步带试验台电气部件的原理 3 2 1 直流电动机和直流发电机机械特性 直流电机具有调速范围宽广、运行平稳等特点，因而通常电封闭试验台首选直流 1 5 电动机作为驱动装置，选用直流发电机作为负载装置。在试验过程中，直流发电机产 生的直流电能可以直接回馈给直流电动机。选用直流电动机和发电机的励磁方式均为 他励型，其电路图如图3 - 2 所示。 + 图3 - 2 直流电动机电路原理 图3 - 2 中r a 为电机电枢线圈的等效电阻，r g 为励磁线圈的等效电阻，l a 为电枢 线圈的等效电感。对于直流电动机来说有如下基本方程 电磁转矩方程 t = c t 咖i 叠 ( 3 - 1 ) 式中，g 为电机的力矩常数，矽为励磁磁通，厶为电枢电流。式( 3 一1 ) 表明， 当矽为常数时，力矩与电枢电流成正比。 感应电动势方程 e = e 矽刀( 3 - 2 ) 式中，e 为电机常数，妒必为工作磁通，n 为转子转速。式( 3 2 ) 表明，当矽为常 数时，感应电动势与转子转速成正比。 在稳态运行时，可以忽略电动机电枢电感对电机的影响，由图3 - 2 可得到电动机 电枢回路的电压平衡方程 u = e + l 疋 ( 3 3 ) 式中l 为电枢电流。将式( 3 2 ) 代入式( 3 3 ) 中，可得 u = e 加+ l 疋 ( 3 4 ) 1 6 整理可得 刀= 与簪 伊5 ， e 矽 u 勺7 可见当( c e 矽) 为定值时，电动机的转速与电枢端电压和电枢中的 电流厶有关。 联立( 3 - 1 ) 式和( 3 - 5 ) 式可以得到电动机的机械特性方程 =一un 一t 丁= 一o _ c e 咖c e c t 矿 n n n ( 3 - 6 ) 图3 - 3 电机特性曲线 由式( 3 - 6 ) 可得出一条向下倾斜的直线如图3 - 3 所示，该直线即为直流电动机的机 械特性曲线，它表明随着扭矩的增大转速会随之下降。图3 - 3 中我们把称为理想空 载转速，它是力矩为零时机械特性曲线与玎坐标轴的交点。在式( 3 - 6 ) 中，令丁= o 可 得到理想空载转速为 u = 砀 3 扪 实际情况中的空载转速要小于，这是因为电动机本身具有转动惯量，且轴承 的摩擦力矩使得电动机在空载时的输出力矩不可能为零。 对于式( 3 6 ) ，我们令= 瓦每：歹则式( 3 6 ) 又可表达为 即 力= n o 一丁 ( 3 8 ) 式中的第二项表示电动机带负载后的转速降，用咒表示 a n = p t 其中表示机械特性的斜率。刀越大机械特性向下倾斜越严重，相同负载下的 转速降就越大。习惯上称卢刀值小的机械特性为硬特性，刀值大的机械特性为软特 性。对于一般的直流电动机，在考察其机械特性时均用额定转速变化率来表示，即 觇= 笙兰x 1 0 0 ( 3 9 ) n e 式中为电动机的额定转速，为电动机的理想空载转速。一般的他励型直流电 动机，在电枢回路没有串接电阻时其机械特性都比较硬，国产的z 。系列电动机按规定 吃为1 0 1 8 ，大容量的电动机为3 8 。 实际上，电动机的机械特性反映出了电机内的能量分配关系。力矩增大，电机的 电枢电流也必然要增大，这就导致电动机电枢的铜损耗增加，由式( 3 5 ) 可知在电枢端 电压不变的情况下，电枢内部压降的增大使得二者的差值减小，最终导致电机的转速 下降。 从电动机的机械特性上我们也可以得出实现稳速的方法，即把增大到电枢上的电 压从外电路补偿回来，就可以实现电机的速度稳定。对于直流发电机而言，其工作原 理恰为与电动机的逆过程，因而上述诸公式也适用于直流发电机。 3 2 2 整流装置工作原理 整流装置的主要功能是将电网上的工频交流电压转变为适合系统需要的电压，包 括：电动机和发电机的励磁电压、电动机的电枢电压以及其他电气装置需要的基准电 压。考虑到本传动试验台的容量较大，整流装置在原理上采用的是晶闸管整流技术， 以充分利用电网提供的电能。下面以电动机电枢电压的整流电路为例说明其工作原理。 1 8 a 8 k h 二 h i 一k5 - 、 一 sc r i z s r 3 z s r 5 z u ， k 2 、 h 、 k 6 - s c r 2 z 、 s c r 4 z 1 s c r 6 z 图3 - 4 三相全控整流电路原理图 由图3 - 4 可见，电动机电枢回路的整流电路为三相全控桥式整流。a ，b ，c 为三相 电压的输入端。电路中采用六个晶闸管s c r i s c r 6 。它们的导通顺序为s c r 3 一s c r l ， s c r l 一s c r 6 s c r 6 - s c r 3 ，s c r 3 - s c r 2 ，s c r 2 - s c r 5 ，s c r s - s c r 4 。按此顺序在每个晶闸管 的触发端忽施加触发脉冲，当完成一个工作周期后，又重复上述导通过程。整流装置 输入输出的电压波形如下图3 5 所示： j l f lu au nu e 暇潲 。 x l 荟童x ；x 、 x 毛 j n 乍矿删 j ；i ；i a t 图3 - 5 整流电压波形 经过整流电路以后得到电动机电枢端电压平均值为： = k 弘c o s o r ( 3 1 0 ) 其中的为常数，当为相电压时，彤取2 3 4 ， 当u 为线电压时，取1 3 5 ，口为触发角。 由上式可知，口整流装置输出电压的平均值胁与触发角口有关，因此，可以改变 1 9 晶闸管的触发角口来实现电动机的调速。为了保证电枢回路中电流的连续性，还要在 系统中加入平波电抗器，当某相晶闸管截止时，平波电抗器可以起到续流的作用。 3 2 3 电动机调速 由式( 3 - 5 ) 可知，要改变电动机的转速，可以通过改变电枢电压或者改变励磁磁通 来实现。前者称为调压调速方式，而后者则称为弱磁调速方式。由于电动机电枢端电 压受到电枢绝缘电压的限制，端电压提高的范围不大，所以调压调速的方法常用来由 额定转速向下调速。而由式( 3 - 5 ) 可见，增大磁通，转速降低，减小磁通，转速升高。 通常电机在额定条件下工作时，己设计得使铁心内的磁通接近饱和，因而调磁调速的 方法一般用在由额定转速向上的调速中。 在本传动试验台中，使用的直流电动机额定转速为1 5 0 0 转分，功率3 0 k w o 根据 试验的需要，采用调压调速的方法。转速调节由额定转速向下调节。 前文已给出了电动机电压方程和力矩方程均为稳态下的方程，调速时，仅考虑稳 态下的电压方程是不够的，还必须考虑动态情况下电枢电感对电动机的影响。 由图3 - 1 及3 2 所示，电动机与发电机的电气回路之间用单向导通的二极管隔开， 使电动机不对发电机产生影响，此时电动机电枢回路中的电压方程为 u = l 疋m 厶鲁 式中，厶为电动机电枢电感，其余符号意义同前。 电动机的机械过渡方程为： 丁一一= 翌塑( 3 1 2 ) z 3 7 5d t 一。 乃为稳态时的负载转矩，彩为电枢的转动惯量，对于特定的电动 机来说它是一个常量。 将瞬态条件下的力矩方程t = c t i o 和稳态条件下的力矩方程r z = c t 矽i o z 代 入式( 3 - 1 2 ) 中可得 l = 乞+ 罴害 1 3 ) 将上式两边对时间t 求导数有 d l g d zd z n 一= 二_ 万 ( 3 - 1 4 ) a r t3 7 5 g 矽d t z 、7 考蒯蚴肭懿转速他= 皆，及e 吲刀 联立( 3 1 3 ) ，( 3 1 4 ) 及式( 3 - 11 ) 可得 式中， d z 刀1 咖1 刀， 万+ i 瓦+ 丽肛疽 衍2 乙衍乙乙乙乙 1 乙= 兰r 生a 为电机的电磁时间常数： 乙= 歹筹爰篆为电力拖动系统的机电时间常数。 由此可得该方程的解为 刀= c 1 e 口l7 + c 2 e 口27 + n z ( 3 - 1 6 ) 式中，c l 及c 2 为由初始条件所决定的积分常数。在通常的电力拖动系统中，式 ( 3 - 1 6 ) 中的两根均为复数，因此，在调速的过程中，转速的过渡过程具有衰减振荡的 性质，振荡的周期厂与乙及乙的关系如式( 3 1 7 ) 所示。 t = 4 n t 幻 ( 3 - 1 7 ) 由此可见，电枢电感的存在使得调速过程产生振荡。 基于对调速过程的上述分析，可以采用双闭环调速系统来实现电动机的自动稳速 及电机启动过程中的自动控制功能，调速系统的框图如图3 6 所示。 图3 - 6 调速系统框图 在双闭环反馈控制系统中，外环为电压环，内环为电流环。给定的转速信号刀。经 过速度调节环节放大后产生电流信号t ，由于速度调节的放大倍数很大，其输出的厶达 到最大饱和值，在电流环的作用下产生较大的电枢电压，使电动机迅速启动。由于电 动机的机械惯性，其转速不可能立即达到给定的值，速度反馈电压较小，在速度调节 环节的输入端的偏差( 行。一刀，) 就一直很大，这样就会使p i 积分器输出较大的移相电 压，脉冲调制电路发出的触发脉冲控制整流装置输出整流电压，电压的大小随给定转 速信号的值变化。 稳速环为电流环。图3 - 6 中，电动机电枢电流的反馈信号，加到p i 积分器的输入 端，从而对l 与速度调节信号电流的差值进行积分运算。只要与不相等，p i 积分器就有输出，直到两者相等时，p i 积分器输出为零：电流反馈不但实现稳速的功能， 反馈电流信号对电机的电枢电流起约束作用，避免电枢电流过大造成对电机的伤害。 3 2 4 发电机力矩调节 由( 2 1 ) 式可知，电动机输出的力矩t 与其工作磁通西成正比，也与电枢的电流厶 成正比。对于发电机而言这一关系也同样成立，因此，改变发电机电枢回路的电流厶或 者改变发电机的工作磁通，就可以改变发电机的电磁阻力矩。图3 - 7 给出了力矩调 节时的等效电路，下面将分别分析这两种情况下的发电机的电磁阻转矩特性。 图3 - 7 加载等效电路 稳态下，对于发电机来说有 隰 将上述各公式整理后可得到 ( 3 - 1 8 ) 疋= q 2 改厶= q 2 e 2 4 2 屹2 面2 ( 3 1 9 ) 最= 正刀2 = q 2 欢l 吃= g 2 e 2 彰瓦i 毒 ( 3 2 。) i 恒定磁通，改变电枢电流 此时，发电机的工作磁通不变，仅改变其电枢电流。试验时，首先断开发电机 的电枢回路，然后启动电动机至某一试验转速，此时发电机的电枢回路中无电流流过， 发电机的电磁阻转矩为零：当接上负载电阻b ：并连续调节时，可连续改变发电机的电 枢的电流，从而实现对发电机输出的电磁阻转矩的调节。电磁阻转矩的大小为式 ( 3 - 1 9 ) ，发电机消耗的机械功率的大小为式( 3 - 2 0 ) ，式中砰为自变量，互爪为因变量。 正爪与砟的关系曲线如图3 - 8 所示。 匠 图3 - 8 变电枢电流调节力矩 由图3 - 8 可见，改变电枢电流来调节力矩，其力矩调节特性曲线为双曲线，该方 式具有力矩变化平滑、分辨率高等特点，但由于发电机电枢负载电阻砟的限制，使得 力矩调节范围较窄。 2 恒定电枢电流，改变磁通 此时，保持电枢电流不变，仅改变发电机的工作磁通。 在某一试验转速下，若发电机的工作磁通欢= 0 ，即，由式( 3 1 8 ) 可知，发电机 的电磁阻转矩为零，增加发电机的工作磁通，则发电机开始进入发电状态。发电机的 电枢电流为式( 3 1 8 ) 电流方程，发电机的电磁阻转矩为式( 3 1 9 ) ，发电机消耗的功率 为式( 3 - 2 0 ) 。式( 3 1 9 ) 中工作磁通唬为自变量。此时互与的关系曲线如图3 9 所示。 图3 - 9 变工作磁通调节力矩 由图3 9 可见，改变工作磁通来调节力矩，其力矩调节特性曲线为抛物线，该调 节方式具有分辨率低，动态响应块，力矩调节范围宽等特点，可以实现从零到最大值 的连续调节。本试验台采用调磁加载的方式。 2 4 3 3 直流电封闭加载系统的原理 3 3 1 能量封闭原理 图3 - 1 0 试验台能量转化过程 试验台采用直流电动机来拖动被试装置运转，被试装置带动发电机发电。该过程中 电动机将电能转化为机械能，发电机将机械能转化为电能，并从发电机电枢的两端输 出。能量转化的框图如图3 1 0 所示。 为了实现能量回馈，可以将发电机的电枢和电动机的电枢并联在一起，形成图3 1 1 所示的电枢回路。发电机给电动机供电，电动机又将电能转化为机械能输出。该过程 实现了从机械能到电能又到机械能的封闭。 图3 - 1