（机械电子工程专业论文）面向对象多功能机械传动实验台控制与故障诊断的研究.pdf

i i l ；华大学硕i ：论文 摘要 传动试验台是用试验的方法研究机械传动的各种失效形式并测定其 承载能力、传动效率及有关性能的基本手段，长期以来我国的传动试验台 的研制基本上还停留在传统的人工方式水平上。这些试验台都存在一个共 同的缺点：自动化程度低，无法模拟实际工况对各种机械传动产品进行试 验，试验过程的监控及试验数据的采集和处理都较麻烦且准确性低。近些 年来的研究取得一些进步，但目前的绝大多数实验台还只能进行恒定载荷 加载或简单的程序控制阶梯加载，实验结果与现场测试依然有较大的差 距。 一 本文提出了一种新的研制方案，以一台高档工业控制机作为控制与数 据采集处理的中心，分别实现对电动机无级调速和载荷的无级加载的自动 控制，比较准确地模拟实际工况；高精度、在线地采集系统数据并进行快 速处理，在实验中实现了以虚拟仪器取代二次仪表：控制软件采用面向对 象程序发计技术和分层的设计思想，将多种控制算法和数据处理算法集成 于一体，使用可视化的面向对象开发工具进行开发设计，可在高版本的操 作系统中运行，实现对实验台的控制与数据处理，初步的故障诊断，提供 友好的人机交互界面，操作方便简单，使试验台的自动化程度有很大幅度 提高，适用范围更加广阔，能满足不同条件的使用要求。 本文研制的试验台成功地用于系统传动效率、机械产品的承受载荷的 测试。多次试验表明，该试验台与现有的其它同类试验台相比，自动化程 度大大提高，模拟实际工况的能力明显增强。 关键词： 面向对象技术 机械传动 液压加载控制 电机调速控制 数据分析 谣华大学硕十论文 a b s t r a c t m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r mi sab a s i cd e v i c ef o rt h e s t u d yo fs o m et y p e so fm e c h a n i c a lf a i l u r e t h et r a n s m i s s i o ne m c i e u c y , t h e r e l a t e dp e r f o r m a n c eo fm e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o na n dt h em e a s u r e m e n to ft h e l o a d a b i l i t y i no u rc o u n t r y , t h ea b i l i t yo fs t u d y i n ga n dd e s i g n i n gm e c h a n i c a l t r a n s m i s s i o ne x p e r i m e n tp l a t f o r mi ss t i l la ts u c hs t a g et h a tt h ee x p e r i m e n t a l d e v i c ei so p e r a t e dm a n u a l l y , l e a v i n gs o m ec o m m o ns h o r t c o m i n g sa m o n gt h o s e p l a t f o r m s ，s u c ha sl o w - a u t o m a t i o nb e c a u s et h e yc a n ts i m u l a t er e a lw o r k i n g e n v i r o n m e n ta c c u r a t e l y d u r i n gt e s t i n gt h em e c h a n i c a lp r o d u c t s a n dt h e a c c u r a c yo fa c q u i r i n gd a t ai sl o w a l t h o u g han n m b e to fa c h i e v e m e n t sh a v e b e e nm a d ei nr e c e n ty e a r s ，t h e s ep l a t f o l m sc a ni u s tp e r f o r mw i t hi n v a r i a n tl o a d o rw i t hs i m p l es k i pl o a d t h e r ei sab i gg a pb e t w e e ne x p e r i m e n t sa n dr e a l w o r k i n ge n v i r o n m e n t an e wt e c h n i q u ei s d e v e l o p e di n t h i s p a p e r t h ei n d u s t r yc o n t r o l c o m p u t e rw o r k sa sac e n t e r , a p p l i e dt oc o n t r o lt r a n s d u c e ra n dd i 西t a lt h r e s h o l d o ft h eh y d r a u l i cp u m pa n dt op r o c e s sd a t a ，f o rs t e ：p l e s sd r i v eo fm o t o ra n d s t e p l e s sl o a do ft h ep u m p t h ew o r l d n ge n v i r o n m e n to fm e c h a n i c a lp r o d u c t s c a nb es i m u l a t e dt h r o u g hs e v e r a la l g o r i t h m s t h ed a t ao fp l a t f o r mc a nb e a c q u i r e do n - l i n ea n dw i t hh i g hp r e c i s i o n a n dt h ev i r t u a ii n s t r u m e n t si s d e v e l o p e di f lp l a c eo fa c t u a li n s t r u m e n t s a l s o0 b i e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g t e c h n o l o g ya n di d e ao fm u l t i - l e v e ls o f t w a r ed e s i g n i sa p p l i e dt od e v e l o p s o f t w a r eo ft h es y s t e m w i t h i ni tav a r i e t yo fc o n t r o ia l g o r i t h m sf o rl o a d i n g a n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n gp r o g r a m sa r e i n t e g r a t e da n du s e r f r i e n d l y i n t e r f a c ei ss u p p o r t e d ，0 b j e e i o r i e n t e dp r o g r a m m i n gt o o li su s e dt od e v e l o p a n dd e s i g na n du s e r - f r i e n d l yi n t e r f a c ei ss u p p o r t e d ，w h i c hh e l pu sf i n dt r o u b l e s o fm a c h i n et h a th a p p e n e do rw i l lh a p p e n ，a n dt h ec o n t r o ls y s t e mi se a s yt o m a n i p u l a t ea n dh a sa m p l i t u d ep u r p o s e t h ep l a t f o r mi sa p p l i e dt om e a s u r et h et r a n s m i s s i o ne f f i c i e n c ya n dt ot e s t t h el o a d - b e a r i n go fm e c h a n i c a lp r o d u c t ss u c c e s s f u l l y l o t so fe x p e r i m e n t s h a v es t a t e dt h a tt h ea u t o m a t i o nd e g r e eo ft h ep l a t f o r ms t u d i e di nt h i sp a p e rh a s b e e ni m p r o v e d ，a l s ot h ea c c u r a c yo fs i m u l a t i n gr e a lw o r k i n ge n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：o b j e c t o r i e n t e dt e c h n o l o g y , m e c h a n i c a lt r a n s m i s s i o n ， h y d r a u l i cp r e s s u r el o a dc o n t r o l ，m o t o rd r i v ec o n t r o l ，d a t aa n a l y z i n g 西华大学硕。l 论文 第一章引言 1 1 试验平台研究的必要性 随前机械：二业的发展和科研水s 1 7 - f t 9 1 ；断提高，对机械传动产腻的实验 与检测手段不断捉山了更高的要求。传动试验台是用试验的方法研究机械 传动的各种失效形式并测定其承载能力、传动效率及有关性能的基本手 段，长期以来我国的传动试验台的研制基本上还停留在传统的人工方式水 平上，主要类型为以机械力或液压力加载的机械功率流封闭式试验台和用 发电机作负载的电功率封闭式试验台。这些试验台或由于节能或由于加载 方面各具特色，但都存在一个共同的缺点“1 ：自动化程度低很难按事 先设计的试验过程进行试验，无法模拟实际工况对各种机械传动产品进行 试验，因此试验结果与实际情况总难免有相当距离，这在很大程度上影响 了试验数据对机械传动产品的设计、生产的直接指导作用。传动试验平台 大多采用人工操纵方式，试验过程的监控及试验数据的采集和处理都较麻 烦且准确性低，不易实现多参数自动控制和失效判定。 1 2 国内外研究的进展 随着机械传动技术的发展，人们发现各种机械传动产品在室内恒定载 荷寿命试验与生产现场试验结果有很大的差距，因此国内外有关学者一直 致力于在实验室模拟机械传动产品的实际工况进行机械传动产品的寿命 和性能试验。比如，自1 9 8 9 年以来，德国大众公司、美国g m 公司和斯 太尔公司都在研制能模拟汽车行驶工况的传动系综合实验台，日本也有人 在从事有直流电机模拟发电机载荷的研究并申请了专利。国内目前这方面 的研究正处于起步阶段，从事这方面研究的仅局限于高等院校，如重庆大 学自动化系研制的机、电封闭兼用式机械传动试验台“1 ，该实验台即可布 置成电封闭实验台，又能布置成机械封闭实验台，两种类型的实验台公用 一套电控、机械及计算机控制系统，但对电控系统提出较高的要求；不仅 可任意调速，方便控制加载，实时监测，实现工业控制，还可模拟试件实 际工况进行实验，由于该系统在3 8 6 微机上开发通过串口现场传输数据， 因此电机的最高转速不能太高，在高版本的操作系统上也很难运行。陕西 工学院机电工程系研制的传动机械多功能试验台采用机械上模块组合、电 气上单元独立与集中控制的方案”1 ，该实验台在w i n d o w 9 8 上，用v b 开发， 西华大学硬i 澎文 实现了c l 减速器的台架试验任务，包括疲劳寿命试验、过载能力试验、 效率及其变化曲线测试、温升及其热平衡曲线测试、动态曲线测试、疲劳 实验，无人监控、现场记录等功能；该实验台可对传动功率在1 5 k w 以内、 输入扭矩小于等于l o o n m 的减速器、增速器、变速器等机械产品进行测 试，转速调节范围可在3 0 0 1 5 0 0 r m - 1 之间，能连续采集7 6 8 组转速和 转矩数据，采集数据由r s 2 3 2 串口输入计算机。济南大学机电系研制了 d j 一2 m 型带传动试验机”1 ，针对哈工大机械厂生产的d j 一2 m 型带传动实验 机进行改造。浙江工业学院对机械传动系统多功能试验台”进行设计研 究，钊对已有机械传动系统实验台存在的局限性提出适合不同传动形式及 测试要求的多功能机械传动实验台的设计思路，对几种多功能机械传动实 验台的组成和工作原理进行分析，给出不同组合形式时的实验台及测试控 制方法。长安大学研制了多功能转矩转速试验台嘲，用于常见的转矩转速 传感器的标定、使用演示和发动机电器元件的性能测试，其动态加载装置 为成带式摩擦结构，依靠增加或减少加载手轮的旋转圈数来调整摩擦片与 制动轮问的压力，实现调节动载荷的大小。沈阳大学研制了机械封闭功率 流齿轮试验台“其仅利用机械封闭功率流齿轮试验台测试了齿轮的传动 效率。南昌大学机电系研制了液压综合试验台1 ，该系统由p c 机上的 p c l 一8 1 2 板为控制核心，按照“传感器+ 二次仪表”的模式组成，可进行 溢流阀特性实验、变量泵特性实验、液压系统节流调速实验、变量泵一马 达容积调速实验。上海大学的机械系研制了新型半封闭功率流式齿轮实验 台“，通过部分功率回流方式，以小功率消耗实现大功率的加载，该实验 台是基于封闭差动轮系在一定条件下，内部发生功率倒流的原理设计，只 能进行差动轮系的实验，这使它的运用受到限制。西安理工大学研制了封 闭电功率流型机械传动试验台“”，但它受电机功率和增速箱传动比限制， 研制费用相对较高。目前绝火多数实验台只能进行恒定载荷加载或简单的 程序控制阶梯加载，有的采用控制柜，占用场地大控制不方便，实验结 果与现场测试依然有较人的差距。 i 3 机械传动试验台发展的趋势 机械传动试验台的控制方式也由原来的操作台控制转变为汁算机控 制( 本控和远控) ，即虚拟控制，提出了“软件就是仪器”的概念o ”。一 台仪器，一般由信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输 出这三火功能构成。若这些功能全部是以硬件( 或固化的软件) 形式存在， 只能由仪器生产厂家来定义、制造，用户无法改变，这便是传统仪器。把 2 西华大学硕士论文 计算机技术和仪器技术结合起来，实现这三大功能，用计算机来实现控制、 采集、处理、输出的过程，这便是虚拟仪器“3 6 o 虚拟仪器的实现使采集 的数据不必二次仪表就可显示出来1 ，减少了硬件的使用，误差较小，可 根据需要对软件进行修改以满足新的需要，开发和维护费用低，进而进行 故障分析。随着计算机技术、电子技术、网络通信技术的进步，计算机和 现代仪器已相互包容，在测试系统中有更多不同类型的智能设备可像计算 机和工作站一样成为网络的节点联入网络，不仅实现远程控制，还可实现 更多资源的共享、提高测试系统的功能，并扩宽其应用的范围，网络化仪 器也将会很快发展并成熟起来，用户利用局域网或i n t e r n e t 就可实现异 地检测和远程控制o ”。 1 4 新型控制方案的必要性与可行性 当今，构建试验台的方案主要有功率流封闭式和电封闭式，其技术已 日渐成熟。自动化程度低，载荷加载方式单一，不能有效模拟实际工况， 实验结果与实际情况差距较大，需要二次仪表等是这些技术的缺点。 为了弥补以上不足，就有必要提出一种新的方案，提高自动化程度， 使加载方式能模拟实际工况，实验过程中不需二次仪表。数字化控制是当 今自动控制的发展方向，计算机是提高自动化的程度的强有力工具，快速 发展的电子技术为数字化控制提供了保证，新兴的虚拟仪器正逐渐取代二 次仪表，可视化的编程技术为人与试验台的交互开启了方便之门。在新型 的控制方案。i 。将充分体现计算机资源和数字化技术的灵活运用。 1 5 本课题研究的目的和意义 “多功能数控动态模拟机械传动试验平台的研制”得到四川i 省教委重 点课题资助，是四川i 省“机械电子工程”重点学科建设项目。 研究该课题，涉及光、机、电、液、磁和计算机等多学科前言技术， 学科覆盖面广，完全符合当今机械工程学的发展方向。开展本项目的研究 可以组织力量，锻炼队伍，有益于整体科研实力的提高。此外，该试验台 的建成将较大程度地提高我系教学、科研的实验手段的现代化水平，能很 好地为人才培养和科学研究服务。因此本项目的研究有很大的现实意义。 本文完成该课题的第一阶段工作，以应用研究为重点，在以下几个方面作 了研究与探讨： 1 ) 数字化变频凋速的研究与实现： 3 西华大学硕+ 论文 2 ) 数控液压加载的研究与实现： 3 ) 数据采集与处理： 4 ) 系统传动效率测定； 5 ) 故障诊断技术的研究： 6 ) 控制软件丌发。 在上述研究中，已实现预讣目标，取得一些初步成果。 4 西华大学硕士论文 第二章多功能数控模拟机械传动总体方案设计 2 1 多功能数控动态模拟机械传动试验台类型 根据机械传动试验台的功率的传递原理和加载方法的不同。试验台大 致可分为开放功率流式、封闭功率流式和电功率流封闭式三大类2 5 1 ， 如图2 1 、图2 2 、图2 3 所示。 重 图2 1 开放功率流实验装置图 图2 2 通用机械功率流封闭式传动实验台 1 试验齿轮箱2 一陪试齿轮箱3 一电动机4 一弹性联轴器 5 一加载器6 一剐性联轴器7 一弹性扭力轴8 一控制柜 9 一二次仪表1 0 一扭矩、转速传感器1 1 一热电偶 1 2 一油温指示器1 3 一蜗杆减速器1 4 一机械记数器p 封闭功率流向 开放功率流式实验台结构简单，制造方便，配置灵活容易实现不 同中心矩或中心高的齿轮试件或齿轮箱产品的实验，还可以简便地在启动 运转之后给齿轮传动加载和改变载荷，试验台的安装也方便a 但是由于开 放式试验台都是用耗能装置加载，供给实验台的功率消耗比实验减速器的 功率还要大，因此动力消耗很大。 图2 3 电功率流封闭试验台工作原理图 功率流封闭的实验台( 简称闭式实验台) 较开式实验台能耗少，使用经 济，不需要将机械能或电能转换为热能的耗能装置，可节省和简化冷却设 备，因此在各种机械传动的性能实验中得到广泛应用。 电封闭实验台具有机械部分组成简单，通用性好等优点1 “。但是， 它的负载装置和动力装置均处在实验台的封闭功率流中，因此其动力装置 的功率容量必须与被试件实际传递的功率相当。然而，机械封闭式实验台 不受此限制。电封闭实验台( 如图2 3 ) 采用程序定值控制器，可实现无级 变速和无级加载，从而实现多阶载荷的程序疲劳强度实验，但电气的功率 必须大于实验试件所需的功率，投资大，适合于大中功率的试件实验。因 其动力装置的容量只需要满足封闭系统中消耗的摩擦功率，而摩擦功率是 不太大的，所以机械封闭式实验台的动力可以取得较小。 2 2 加载装置 加载装簧是传动实验台的关键部件。它的优劣直接影响到实验台的准 确度、实用性、动力消耗等技术经济和性能指标。作为机械功率流封闭式 实验台的加载器，一般可分为内力型、力矩型和外力型三种。 内力型加载器的特点是通过钋力或离心力设法使实验台的弹性轴发 生变形，然后主要借助弹性变形内力给封闭系统试件加载。实验台运转后， 外力不再与封闭系统外的操作系统发生联系。其最大优点是加载准确、可 靠、方便、成本低，容许加载扭转行程角不限，但它只能在实验台静止时 加载、卸载，不能在运行中改变载荷的大小和方向。 凡是用啮合传动产生的力矩的方式给封闭系统加载的装置都称为力 矩型加载器。由于加载器的主要组成部分是啮合传动件，因此封闭系统中 就增加了啮合能量损失和传动噪声。但是这种加载器可在运转中根据需要 进行加载和卸载，容易实现加载的程序化，丽且具有较大的机动性，多用 于齿轮箱产品的实验。 外力型加载器是通过外力直接对实验台试件加载，如果没有外力维 持，划闭系统小的载荷也就消失。液压j j i 载器是在静止状态或运转中，通 过液压来实现加载，如果没有外力( 液压) 维持，封闭系统就没有加载力 矩，囚此它属于外力型加载器。它的主要优点是能获得较大的加载力矩， 可实现空载起动和运转中改变载荷。但加载器在运转时要与液压系统联 结，结构较为复杂，要求密封条件商，否则会出现压力油泄露丽影响加载 的准确度和平稳性。 2 3 实验台的总体设计 本课题所设i = 卜的传动实验台主要用丁科研和教学，分析对比上面三类 实验台和三种加载装置的优缺点，根据现有的实际条件和实验具体目的要 求，该试验台以机械功率流封闭式机械传动试验台为基础，由交流电动机 驱动，采用交流变频凋速系统实现无级溺速，数字液压加载控制系统控制 液压加载器实现无级加载和载荷谱的模拟。 试验台以一台高档工业控制机为核心，配以单肚机系统，分别对电机 调速系统和液压加载系统进行控制。工控机控制多雄舞数据采集卡分别对 交流变频器和数字阀发出电压信号。实现对转速和载荷的控制。 基本测试仪器包括转速扭矩仪、压力传感器、热电偶、加速度传感 器、f f t 频谱仪、声级计、声强仪、二次仪表等仪器。全部测试数据由计 算机通过扭矩转速采集卡自动采集处理，并由有关控制信号反馈回电机调 速和液压控制系统。其总体没汁方案见图2 4 。 汁算机实现刘转速、载荷的数字控制，使转速和载荷反应灵敏，同时 由于转速控制与负载控制彼此独立，使控制难度大大降低，系统的模拟性 明显提高。 由于工控机具有较快的处理速度，较大的存储空间和很强的开发功 能，因此微机控制系统可以具有丰富的功能。微机不但是控制器；同时有 具有记录仪、示波器、动态信号分析仪等功能，还能方便地根据不同实验 的需要设置不同的转速、转矩、温度等报警参数和失效判定指标。同时工 控机性能稳定、抗干扰力强，这就能保证测试时不受场地、辐射等外界干 扰，实验结果更准确。这些在传统的实验台上是很难实现的。 实验时，由计算机实现安全监测。当转速、扭矩、油温或振动信号 翻毕大学项l ：论文 等指标超出允许范围时，监控系统会自动报警并切除电源，同时采用机械 式安全装置以避免发生事故。 实验台控制软件采用可视化的面向对象开发工具v i s u a lc + + 6 0 在 w i n d o w s 2 0 0 0 操作平台上开发，克服了以往的实验台控制软件不能在高版 本的操作系统中运行的弊病，该控制软件具有良好的用户界面，可以十分 方便地操作该试验台进行各种试验，算机控制系统同时具有很强的数据处 理能力和二次开发能力。比如通过软件接口可以建立f f t 、模态分析、声 强分析及故障诊断等分析系统，并且该系统对各种传感器具有广泛的适应 性。该试验台还应具有很强的开发潜力，通过软件版本的不断升级和少量 的硬件改进，可以使试验台的适用范围不断增加。 图2 4 总体方案图 为了使试验台具有广泛的适应性，该试验台采用模块结构，对不同类 型、中心距、传动比的机械传动装置，进行简单的调整后就能进行实验。 适用的机械传动装置有：圆柱齿轮减速器( 如图2 5 ) 、圆锥齿轮减速器( 如 图2 6 ) 、蜗轮蜗杆减速器( 如图2 7 ) 、汽车后桥( 如图2 8 ) 、减速器、行星 齿轮减速器、锥齿轮、带传动、链传动等装置。 该试验台可以进行各利机械传动产品的疲劳寿命实验、可靠性实验、 8 两华大学硕十论文 胶合磨损实验、振动噪声实验；能进行转速、扭矩、效率、油温、磨损、 齿轮本体及齿面温度、油膜厚度及齿轮动载荷的测试，并能进行各种机械 传动产品运行状态监测及故障诊断的研究。 i主试箱 一 幂向妒 r 巷 口 i 陪试艚+ 图2 5 圆柱齿轮减速器实验台布置方案 图2 6 锥齿轮减速器实验台布置方案 9 岫1 f 入学螂l 啦夏 图2 7 蜗轮蜗杆实验台布置方案 7 i llr 一 图2 8 汽车驱动桥实验台布筐方案 1 0 传 动 糖 为适应原有工作平台( 5 t 3 0 0 0 m m * 1 5 0 0 r a m ) 和现有的设备的要求， 我们以图2 5 所示方案作为我们的实验方案，其传动系统结构如图2 9 所 示，所有传动设备在工作平台上进行组装。 图2 9 试验台传动系统图 2 4 设备规模： 1 高档工业控制机1 台 p i v1 7 g ，2 5 6 m ，4 0 g 2 交流电动机1 台 功率：l l k w 最高转速：3 0 0 0 r p m 3 s a n k e n 通用型变频器1 台 4 y w - h k l 5 一m 一4 1 1 一p e b x f g 1 0 液压泵站1 套 最火输出压力1 4 m p 5 液压加载器1 套 最大加载扭矩；1 0 0 k g f m 6 减速箱2 台 传动比8 2 3 7 c b 2 0 0 0 卡式扭矩仪2 套 8 j c 2 b 扭矩转速传感器2 套 量程1 0 0 0 内、外齿数1 2 0 9 。p c l - 8 1 2 p g 多功能数据采集卡1 张 1 0 s e 0 9 3 0n光电轴角编码器2 套 输出脉冲数3 6 0 0 p r输出形式w z 0 5 p 输出方式电压输出 西华火学硕l 论文 3 1 转矩转速传感器 第三章实验台的技术设计 实验传动平台的转矩转速传感器采用湘仪公司的j c 2 b 型转矩转速传 感器其与该公司的c b 2 0 0 0 卡式扭矩仪配套使用。是一种测量各种动力 机械转动力矩、转速及机械功率的精密测量仪器。用途十分广泛，在电机、 风机、水泵、齿轮及齿轮箱、铁路机车、汽车拖拉机、飞机、船舶、矿山， 机械、液压气动元件等几乎所有机械制造部门及其科研院所、大专院校均 需要这种仪器。 3 1 1 j c 2 b 型转矩转速传感器的基本原理 j c 2 b 型转矩转速传感器的基木原理是：通过弹性轴、两组磁电信号 发生器，把被测转矩、转速转换成具有相位差的两组交流电信号，这两组 交流电信号的频率相同且与轴的转速成正比，而其相位差的变化部分又与 被测转矩成正比。 j c 2 b 型转矩转速传感器的工作原理如图3 1 。在弹性轴的两端 磁钢 m 图3 1j c 型转矩转速传感器工作原理 安装有两只信号齿轮，在两齿轮的上方各装有一组信号线圈，在信号线圈 1 2 西华大学硕二l ：论文 内均装有磁钢，与信号齿轮组成磁电信号发生器。当信号齿轮随弹性轴转 动时，由于信号齿轮的齿顶及齿谷交替周期性的扫过磁钢的底部，使气隙 磁导产生周期性的变化，线圈内部的磁通量亦产生周期性变化，使线圈中 感生出近似正弦波的交流电信号。这两组交流电信号的频率相同且与轴的 转速成正比，因此可以用来测量转速。这两组交流电信号之问的相位与其 安装的相剥位霹及弹性轴所传递扭矩的火小及方向有关。当弹性轴不受扭 时，两组交流电信号之间的相位差只与信号线圈及齿轮的安装相对位置有 关，这一相位差一般称为初始相位差，在设计制造时，使其相差半个齿距 左右，即两组交流电信号之间的初始相位差在1 8 0 废左右。在弹性轴受扭 时，将产生扭转变形，便两组交流电信号之问的相位差发生变化；在弹性 变形范围内，相位差变化的绝对值与转矩的大小成正比。把这两组交流电 信号用专用屏蔽电缆线送入j w 型微机扭矩仪或具有其功能的扭矩卡送入 汁算机，即可得到转矩、转速及功率的精确值，。图3 2 是j c 型转矩转速 传感器机械结构图。其结构与图3 1 的工作原理图差别是很大的，其中， 为了提高测量精度及信号幅值，两端的信号发生器是由安装在弹性轴上的 外齿轮、安装在套筒内的内齿轮、固定在机座内的导磁环、磁钢、线圈及 导磁支架组成封闭的磁路。其中，外齿轮，内齿轮是齿数相同互相脱开不 相啮合的。套筒的作用是当弹性轴的转速较低或者不转时，通过传感器顶 部的小电动机及齿轮或皮带传动链带动套筒，使内齿轮反向转动，提高了 内、外齿轮之间的相对转速，保证了转矩测量精度。 图3 2j c 型转矩转速传感器机械结构图 1 3 西华大学硕l ：论文 3 1 2 性能指标 1 转矩测量精度：分为0 1 级和0 2 级。 ( 1 )静校直接用砝码产生标准力矩校准时其测量误差0 1 不大于 额定值的0 1 ：0 2 级不火于额定值的o 2 。 ( 2 ) 转速变化的附加误差在规定转速范围内变化时，转矩读数大 于额定转矩的o 1 8 ( 国家标准为0 1 2 ) 。 2 额定转矩：1 0 0 0n r n 3 ，使用转速范围：o _ - 4 0 0 0r m i n 4 出厂标准转速：o 一4 0 0 0r m i n 5 小电机转速：1 0 0 0r m i n 3 1 3 使用安装 j c 2 b 型转矩转速传感器本身只传递被测转矩而不能吸收功率( 传感 器内部的功率消耗一般可忽略不计) 。也不能产生功率。因此当被测机 械为原动机( 该实验台为交流电机1 对，为了使被涮机械所产生的机械功率 被吸收，必须与一定的负载连接。负载可以是电力测功机、电涡流测功机、 水力测功机、直流或交流发电机、磁粉制动器等，也可以选择其他类型机 械作负载。当被测机械为负载( 该实验台为液压油泵) 时，应与定的原动 机相连接。 ( 1 ) 安裟方式：j c 2 b 型转矩转速传感器使用时的安装方式如图3 3 所示。 应注意的是传感器的驱动端与原动机相连。增加中问支承的目的是为 了保证传感器不受因频繁更换测试设备造成安装同轴度的变化，由此 引起测试数据的变化，同时可避免因安装不同轴而使传感器承受弯 矩，从而引起测试数据不稳定。 ( 2 ) 安装基础：原动机、传感器、负载及中问支承应安装在稳固的基础 上，必须避免过大的震动，否则将可能发生数据不稳，降低测量精度， 甚至损坏传感嚣的现象。 ( 3 )联轴器：采用一般弹性柱销式联轴器即可，但应尽可能减少联轴器 的质量，这对小规格传感器尤其重要。为了使传感器不承受弯矩，我 们采用扰性联轴器( 尼龙绳联轴器) ，这将显著改善传感器的工作条 件，保证测量精度。 ( 4 ) 安装同轴度：为了避免在传感器弹性轴上产生弯矩，在安装时必须 使原动机、传感器、负载三者之间具有较好的同轴度，当存在弯矩时，将 西华大学硕t 论文 会降低测量精度，在某些情况下，甚至可能使弹性轴损坏。 鱼拽, ； ? l p 彤 。影虿群 图3 3 一般安装方式 ( 5 ) 传感器与仪器的联接：j c 型转矩转速传感器与c b 2 0 0 0 卡式扭矩仪 应用随机购买的专用屏蔽电缆线连接。连接方式是信号输出l 与卡上的信 号输入i 相连，信号输出i i 与卡上的信号输入i i 相连。并按照c b 2 0 0 0 g - 式扭矩仪使用说明书的操作说明把传感器铭牌上的规格、量程、齿数等有 关参数置入仪器或配套软件中。 3 2 液压泵站 该实验传动平台的液压泵站采用四川三洲液压公司的 y w - h k l 5 m 4 1 1 p e b x fg1 0 液压泵站，该液压泵站采用h k 系列轴向 变量柱塞泵，具有低噪音、低发热及节能高等优点。并配有比例溢流阀及 其控制器，可实现负载开环连续调节( 配上专用压力传感器后也可进行闭 环凋节1 ，功能齐全、实用方便。该泵的安全阀最火调节压力为1 4 m p a 。 其原理图见图3 4 。 该泵站使用i s ov g 3 2 或航空4 6 号液压油，相当于满足粘度为2 0 一 4 0 0 m m 2 s 的清洁液压油，并在温度0 6 0 范围内使用。 液压油的污染是泵及其它液压元件发生故障、降低寿命的主要原因， 应十分注意液压油的污染管理。油液的污染度应保持在n a s l 6 3 8 1 0 级以 内，且进油管要使用1 0 0 u m ( 1 5 0 筛) 的过滤器，出油管使用筇l m 以下的 过滤器。 开始运转时，通过加油口将干净的工作油充满泵腔。为了避免气穴现象， 运转开始时使泵输出的油直接回油箱。对液压回路进行调整，再操作换 向阀，使执行元件在无负载的情况下移动，然后对电机进行点动操作，确 1 5 弩，一删琳，ifiji ；嘲 嘴 谢增；。rj山舻r+。 ，、词一 饕_。jj 一、腑吨!一 一 。、对| 栅 一一兰 艟 、i 一： ，、。， 一c 撇 蛳 西华大学硬士论文 认电动机转向( 该泵为轴端观看为顺时钊+ 方向) 无异常后，再连续运转。 图3 4 液压泵站原理图 该泵站装有回油滤油器，并配有2 4 v 滤堵报警电磁阀( 由用户自由连接报 警器使用) ，可随时注意脏污情况。油箱内油必须在油面计以上才能启动 电机，以免汕泵吸入空气，产生振动和损坏油泵。 3 3c b 2 0 0 0 卡式扭矩仪 3 3 1 概述 c b 2 0 0 0 卡式扭矩仪是在计算机( 4 8 6 以上) 的i s a 扩展槽中插入 c b 2 0 0 0 扭矩卡，并配以相应的专用软件构成的微机虚拟仪器，与j c 型转 矩转速传感器配套，即可实现转矩转速的测量。使用标准的p c a t 总线， 无需外接二次仪表，简单、方便、可靠。可以向用户提供d o s ，w i n d o w s 下的环境接口：d o s 下采用内存驻留技术及库函数；w i n d o w s 则以d l l 动态连接库的形式供用户调用。用户可方便地嵌入自己的测试系统，例如： 电机、水泵、变速箱、风机的测试系统。该实验台即采用后者开发了自己 1 6 的一套控制软件，通过对动态连接库函数的凋用，实现对数据的采集和处 理。c b 2 0 0 0 扭矩卡与传感器的连接如图3 5 所示。其波形如图3 6 所示。 硝络柏位缝信号 例3 5 连接示意图 3 3 2 技术指标： 正弦波 图3 6 转矩转速仪波形图 厂 广 1 扭矩测最： 配用传感器：j c 型扭矩、转速传感器( 磁 乜式) 输入信号：两路相位差信号 输入信号频率：2 5 h z 2 2 ；k h z 输入信号幅值；大于0 5 v ，小于2 0 v 有效值 精度：0 1 f s 或o 2 f s 单位：n - 卅 2 转速测量 配用传感器：j c 型扭矩、转速传感器( 磁电式) 1 7 方波 西华太学硕士论文 输入信号：1 0 l z 3 0 k h z 精度：5 0 以上0 5 1 个字，5 0 h z 以下0 0 1 5 h z 采样时间：根据需要任意设定 单位：r r a i n 3 功率运算 运算精度：p = 1 0 4 7 2 x 转矩( j r m ) x 转速( r r a i n ) x 1 0 “1 个字 单位：k w 对于该卡的使用，我们编译了w i n d o w s 2 0 0 0 下的d l l 函数库，启动 电机和液压泵站后，就启动传感器，调用该d l l 函数库，开始测量数据。 3 4 液压加载器 实验台采用的液压加载器是叶片式液压加载器，是目前使用比较多的 一种加载器。 图3 7 所示是由四个叶片组成的叶片式液压加载器结构图。叶轮轴1 和外壳轴5 分别和封闭系统联接。在叶轮轴1 和外壳2 上的四个叶片( 两 个动叶片6 和两个定叶片7 ) 隔成四个油腔，通过叶轮轴1 的贯穿油孔使 图3 7 叶片式液压加载器 1 一叶轮轴2 一外壳卜轴承4 一本体5 一外壳轴6 叶片7 定位块 相对的两油腔相通。高压油通过叶轮轴上的口孔进入两叶片之问。构成高 压腔，而另两油腔为低压腔，迫使叶轮轴1 和外壳轴5 之间相对转动，随 之产生的扭矩使封闭系统加载。如果改换高压油的进口，便可实现反向加 载。叶片间保持很小的问隙，高压油腔的泄漏油通过此间隙流入低压油腔， 1 8 i ! 可华火学硕 ：论文 再经管路流回油箱。由于这种液压加载器不仅可以在运转中很方便地加 载，卸载和变载，而且可以获得很大的扭矩，因此获得了广泛的应用。 3 5 扭矩调零 调零的目的是使转矩为零时，仪器的转矩显示也为零。 当外加扭矩为零时，扭矩传感器的弹性轴有一定的初始扭矩( 静态扭 矩) ，在加载测量前，必须进行扭矩凋零。这是开始实验前的很重要的一 个步骤。零点调整不好，将会影响测量精度。当扭矩调零操作时，必须空 载启动扭矩传感器，即在没有加负载以前，使得传感器主轴转动起来，才 能进行凋零操作。当然，如果负载无法脱开或者你在使用时主轴根本不转 动( 测静态扭矩) 或在低速下转动，那么，你也可以启动传感器顶端的小电 机，而无需转动传感器主轴进行凋零。在此，需要注意的是，小电机的转 向必须与测量时主轴的转向相反。 该实验台提供了两种扭矩凋零方式，即上面所说的启动传感器小电 机调零和自动凋零。 3 5 1 启动传感器小电机调零 一般来说，当主轴转速低于6 0 0 r m i n 时，传感器的输出信号幅度会 降低很多，甚至会低于c b 2 0 0 0 卡式扭矩仪所需信号的低限值( q 5 v 有效 值) ，导致扭矩仪不能正常工作，测量误差增大：这时，就需要启动传感 器顶端的小电机( 注意小电机的转向必须与主轴转向相反) ，以提高传感器 主轴的相对转速，增加信号幅度，提高测量精度；但是，这时仪器所测量 的转速是传感器主轴的实际转速和小电机转速的相加值，为了获得传感器 主轴的实际转速，在测试软件中扣除了小电机的转速。 3 5 2 自动调零 在实验台试验转速又比较稳定的情况下，脱i 丌负载，使传感器一起 空载转动，并使转速控制在试验时的转速范围内，这时可以通过二次仪表 ( 我们使用j w 型微机扭矩仪) 测试在不同转速下的扭矩值。采用这种调 零方法能够消除传感器制造时，所具有的“转速特性”、“同心度”等系统 误差，提高测量精度。 由于初始扭矩是一个比较稳定的值，每次实验前可以先测出小电机 1 9 西华大学硕i + 论文 的，。在实际l 卜我们采用的是在实验前开启小电机采集大量的转速和扭矩 数据，去掉异常点值，求得转速和扭矩的平均值，在控制软件中加以扣除。 3 5 3 零点调整的注意事项 1 凋整零点后，先做一次全负荷试验，停机后，再按所选择的零点调整方 法调整零点，这样可以提高零点调整精度。 2 再次试验时的转矩方向与前次试验的方向相反时，应重新调整零点。 3 环境温度的变化将会引起测量误差。囚为传感器的弹性轴的剪切弹 性模数g 不是一个常数，它随着温度的变化而变化。因此当使 用环境温度与传感器静标定时的温度( 传感器铭牌上示出) 不相同 时，为保证测量精度，应对传感器系数值按下式进行修正： x t = x t o 【1 + c ( t t o ) 】 式中：x l 为在温度为t 时的传感器系数值；x t o 为传感器静标定系数值， 即传感器铭牌上的系数值；g 为传感器弹性轴的剪切弹性模量g 的 温度系数，其单位为；t 为测量时的环境温度；t o 为传感器标定 系数值时的环境温度。由于现在生产的传感器的弹性轴材料均为 4 0 c r n i m o a ，其g 均为m 0 2 5 4 如果传感器安装位置离仪器较远，需要换用较长的屏蔽电缆线时，应保 证两根电缆线尽可能一样长。 凹华大学硕士论文 第四章液压加载、转速的控制 该实验台数字控制的原理框图见图4 1 。实验台载荷、转速的控制信 息由用户输入，根据输入信息，输入转速或负载的值被平均分为4 0 9 5 份， 其幅值对应着o 5 v 的模拟电压，实现对数字阀、变频器的控制，从而 改变载荷和转速。可以实现相当精确的模拟电压输出。因此，变速或变载 也很精确，基本能满足对各种不同工况的模拟【2 3 “】。 控控 工数 制 f i ；i 据 信程 控采 息 j 芋 集 机卡 4 1 加载的控制 4 1 1 加载控制原理 图4 1 控制系统框图 多功能数控模拟机械传动试验台的加载是通过p c i , - 8 1 2 p g 多功能数 据采集卡输出模拟电压，通过数字阀p e b 6 m 1 0 ，控制液压泵站的输出 压力，实现对加载器的负载控制，进而模拟实际工况。控制部分的框图见 图4 2 ，液压系统结构图如图4 3 。由于采用了数字溢流阀，使控制系统火 为简化，提高了控制的可靠性。 4 1 2 加载控制的实现 根据用户输入信息，获得当前负载c u r l o a d ，开始加载，调用加载器 c l o a d c r 函数l d a d e r - s e t c u r r e n t ( c u r l o a d ) 设置当前载荷，在该函数中将 c u r l o a d 转换为0 4 0 9 5 中对应的整数值，即可调用 m d a c - s e t c u r r e n t d a 2 ( c u r d a ) 使多功能数据采集卡向数字阀发出相应的模 拟信号，这里使用的是d ac h2 ，表明是在向数字阀发出电压。执行过程 可见图4 4 。 2 1 两华大学硕i j 论文 图4 , 2 液压加载控制框图 4 1 3 加载算法的实现 4 1 3 1 离散数据加载算法 图4 3 液压系统结构图 用户给出一组在扭矩允许范围内的离散数据和时刻点，系统根据数据 值和时问问隔模拟用户要求进行加载。 西华大学碗i ：论文 l l o a d e r - s e t c u r r e n t ( c u r l o a d ) 转换：f l o a tm m = g e t m a x 0 i n t m a x = m