4256高速电主轴非接触式加载可靠性试验【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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4256高速电主轴非接触式加载可靠性试验【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】,高速,主轴,接触,加载,可靠性,试验,实验,机械,毕业设计,全套,资料,已经,通过,答辩
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本科生毕业论文（设计） 中文题目 高速电主轴非接触式加载可靠性试验 系统设计 英 文题目 学生姓名 方杰 班级 410705 学号 41070527 学 院 机械科学与工程学院 专 业 机械工程及自动化专业 指导教师 陈菲 职称 副教授 吉林大学学士学位论文（设计）承诺书 本人郑重承诺：所呈交的学士学位毕业论文（设计），是本人在指导教师的指导下，独立进行实验、设计、调研等工作基础上取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文（设计）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的作品成果。对本人实验或设计中做出重要贡献的个人或集体，均已在文中以明确的方式注明。本人完全意识到本承诺书的法律结果由本人承担。 学士学位论文（设计）作者签名： 年 月 日摘要 摘 要 为了准确反映高速电主轴的实际工况，对电主轴进行可靠性试验，本文设计了一套能同时 模拟 实现主轴 所受 扭矩、径向力和轴向力的加载系统 利用电力测功机实现扭矩加载 、非接触式激振器实现径向加载、自行设计的电磁铁实现轴向加载。该系统不但能完成对电主轴的动态加载，还可以检测出电主轴在加载 过 程中 的 基本性能参数和 故障指标参数 ， 并 收集故障数据， 绘制故障数据曲线 并做出可靠性分析，提高电主轴的可靠性。本文针对转速 18000r/率为 22电主轴进行加载 实验 设计，为电主轴的可靠性研究提出了一种新方法。 本设计对以上问题进行了分析 ，主要内容如下： 1 综述了 可靠性和电主轴可靠性的研究现状 。 2 电主轴结构原理介绍和 针对选用的电主轴进行受力计算 。 3 电主轴 加载设计 扭矩加载、轴向力和 径向力加载 。 4 电主轴 检测控制系统设计和相应设备的选用 。 5 其他辅助零件设计如电主轴的夹持 支撑 机构，最后 完成其整体结构的设计。 关键词 ： 高速电主轴 可靠性 非接触式加载 设计n to of of a of to to to of of in it of of of 80002a of on to is as 1. of 2. of s of 3. 4. of of 5. as 1 目 录 第 1 章 绪论 . 1 第 1节 可靠性的研究现状 . 1 外可靠性研究现状 . 1 内可靠性研究现状 . 2 第 2节 电主轴的国内外研究现状 . 3 第 2 章 电主轴 . 5 第 1节 电主轴结构及关键技术 . 5 电主轴机构 . 错误 !未定义书签。 第 2节 电主轴的关键技术 . 6 第 3节 电主轴基本信息 . 7 第 4节 电主轴受力计算 . 8 第 3 章 加载机构设计 . 10 第 1节 扭矩加载设计 . 10 功机的选型 . 11 悬浮式交流电力测功机 . 11 第 2节 轴向力加载设计 . 15 第 3节 径向力加载设计 . 17 第 4 章 检测控制系统设计 . 22 第 1节 转速转矩检测 . 23 第 2节 温度检测 . 23 第 3节 轴向位移和径 向跳动检测 . 24 涡流传感器工作原理及特性 . 24 测方案 . 25 第 4节 机壳振动速度与噪声检测 . 27 第 5节 总体检测控制框图 . 28 第 5 章 其他结构设计 . 29 第 1节 电主轴支撑机构 . 29 目录 2 第 2节 测试棒强度分析 . 30 设计总结 . 32 致 谢 . 34 参考文献 . 35 附图 1 电磁铁组件 . 37 附图 2 电主轴 . 38 附图 3 电力测功机组件 . 39 附图 4 总体试验平台 . 40 第 1 章 绪论 第 1 章 绪论 现代制造业作为国民经济的支柱产业，其 制造技术水平和设备制造能力的高低，是衡量一个国家科技技术水平和综合国力 水平 的重要标志。而现代制造技术结合了现代信 息技术和微电子技术的理论与应用成果，发展了以数控机床为基础的 自动化 加工 技术，从而促进了高速加工技术、精密和超精密加工技术的 迅猛 发展。近 几十年来，高速加工技术得到了迅猛地发展， 尤其在工业发达的国家 ，它 已 被 广泛应用于工业生产的各个部门。高速电主轴作为高速加工的核心部件，随着高速数控机床和高速加工中心等高速加工机床相继投放国际市场，它的需求正与日剧增，国内外各研究机构纷纷投入力量 来 开发此项目技术。 高速电主轴作为现代高速加工技术的核心技术之一， 在高性能机床上的广泛应用，不仅大幅度提高了加工效率， 降低了生产成本 ，改善了产品质量 ，在为社会创造巨大物质财富的同时，更促进了新材料、新技术的 应用 与 推广 ， 并 带动了相关产业的发展。研究高速电主轴技术，一方面可 以打破先进国家对我国的技术垄断，提升我国技术制造业的整体水平，增强我国制造业在国际上的整体竞争能力；另一方面，高速电主轴技术可以大幅度降低生产准备时间，提高产品的加工效率和加工质量， 降低 社会成本，创造更多的社会财富。高速电主轴的性能 高低在一定程度上决定了 机床的整体发展水平，因此高速加工机床对高速电主轴的技术指标有着 严厉而 苛刻的要求，使其不 同于传统的主轴系统，其安全性、可靠性和 动态性能也成为结构设计和机床运行中的首要 考虑的 问题。因此，无论在理论研究还是实际应用上，对高速电主轴相关技术的研究均具有重要的学术意义 和社会经济效益。高速电主轴作为 数控机床关键功能部件之一， 其可靠性对机床的可靠性起着决定性的作用 ，因此研制其可靠性试验台对于提高数控机床整机的 平具有重要意义 。 第 1节 可靠性的研究现状 外可靠性研究现状 可靠性理论萌芽于 40 年代的航空领域， 提出 于 50 年代的美国国防部门， 从 60 年代开始全面发展， 到 70 年代进入成熟阶段，进入 80、90 年代可靠性技术 逐步 深入发展阶段 1，国外专家、学者把可靠性 和维修性要求与性能要求同等看待，强调保障性 要求，并重视测试性及故障诊断技术的研究，同时发展 了 综合化的 可靠性计算机程序。 在 70 年代 ， 机床可靠性技术发源 于前苏联， 苏联 某些 高校机床界吉林大学本科毕业设计说明书 2 的权威人士，如 50年代曾来 中国 讲学的机床专家 ， 根据机床产品在 结构 、 功能 、外载荷等方面的特殊性，对机床可靠性进行过专门的研究，建立了机床可靠性 的一些基本理论， 在机床领域进行可靠性研究 开辟了 新 途径，发表了一系列针对机床具体产品的可靠性 著作（如 导轨磨损等规律对机床精度故障和无故障工作时间的影响 、机床热变形 等），并出版了论述数控机床 可靠性 与 精度 的专著 。 近年来，俄罗斯新一代的机床可靠性研究人员， 其中以 为代表的新一代学者所进行的研究反映了俄罗斯数控机床可靠性研究的 动向 和 现状 2。他们重视对数控机床 使用 过程 中的经济效益的研究，提出了技术使用系数的概念，并 且建立了它的信息概率模型，在机床承载能力预测方面也做了大量的工作， 在机床早期故障的排除方面，提出了进行工艺试运转和可靠性试验的方法。另外，俄罗斯学者还对机床故障情况进行了 收集 分类，并进行了 保护 和 预防 等方法的研究。这些研究虽然可以对数控机床的加工精度进行 了 控制和预报 ,但 实际 表明数控机床的故障表现多为功能性故障， 所以 这种研究对当前机床可靠性中 急需解决的关键问题效果不 怎么 明显 。 美英 等国家在数控加工中心领域， 大多数 进行现场故障数据的采集和对故障数据的数理统计分析以及指标的评定，还 没 见到对机床进行系统的可靠性研究的报导 1。日本在民用产品（如 汽车、 家电等）中的可靠性研究举世瞩目， 但 在数控机床领域，也限于注重现场故障数据的采集和分析，从故障诊断分析入手，寻找故障原因，提出 了 可靠性改进措施，对提高机床产品的可靠性水平起了积极作用。 内可靠性研究现状 原电子工业部五所最早 开展可靠性工作， 在 60 年代初 ， 该所就进行了可靠性评估的开拓性工作， 促进 了 我国可靠性工程的发展。 70 年代我国的可靠性工作 开始 于 从引进国外标准资料，可靠性工程应用在电子、 机械 、电力、 航天 、仪表等部门，并取得不同程度的进展 3。 80 年代我国的各种可靠性机构、学术团体 得到迅速发展，在可靠性数学和可靠性理论、 机构可靠性分析方面 上已取得了一些成绩， 发表了一系列文章 ,从理论上和实践方面进行了 相关 的探索。其中有很多方面 值得在数控机床的可靠性设计中借鉴。但是 我们 应该 意识到，目前我国可靠性技术在工业和企业的应用还不广泛，与先进国家相比还存在较大的差距。另外，我国台湾学者王国松等应用模糊数学方 法对柔性制造系统的故障模式、故障率及可靠度模型等进行了分析。我国对数控机床可靠性研究比较晚， 是从二十世纪 80 年代末期开始的。 90 年代以来，我国把数控机床可靠性的基础研究工作列入到 了 “八五”和“九五”国家重点科技攻关计划 中 ，制订了 统 可靠性测定试验方案及一系列标准。吉林大学本科毕业设计说明书 3 积累并处理了 部分 国产加工中心的故障和维修数据，对国内外部分加工中心的使用 状况 ，进行了可靠性初步考核 ,并取得成果 , 但国产数控机床的整体可靠性水平与进口 数控机床 相比仍有较大差距。机床现代诊断技术是一门近 20 多年来发展起来的新兴 学科，它是在 机床的运行过程中 针 对机床的运行状态及时做出判断， 并 采取相应 解决 措施，以提高机床运行的可靠性，进一步提高 了 机床的利用率。在我国机床可靠性的研究中，吉林大学计算机数控装备可信性研究所进行了大量的研究工作3。 对 数控车床载荷谱 进行了 初步研究，对数控车床进行初步故障分析和维修性分析，对无故障工作时间进行了时间序列分析，得出无故障工作时间的 型。对机床的主传动系统进行了动力特性分析，并对传动件 的 可靠性设计 进行了 初步研究。 目 前可靠性技术的发展趋势是：一方面与现代信息科学相结合，使可靠性技术实现 了 “信息化”，发展 现代化的可靠性技术；另一方面，可靠性技术与具体产品相结合 的 ，根据不同产品的结构和功能特点研究故障分布和演变过程的规律，发展具有行业特色的实用化的可靠性技术4。 第 2 节 电主轴的国内外研究现状 目前国内对电主轴的研究主要对电主轴某一方面的性能进行过研究，对电主轴整体可靠性试验研究还比较缺乏。于印民 5通过搭建测试平台， 深入研究 了 高速电主轴误差测量原理， 并 完成了测试平台的搭建。采用 在 发了高速电主轴 径向振动 及 轴向热伸长 数据采集系统。然后，采用 红外温度传感器 、 电涡流位移传感器 ，对高速电主轴 轴端温 度、 轴向热伸长、径向振动和进行了非接触实 式 测量。 并 对高速电主轴空载运行时测试曲线的分析，得出了测试电主轴的 振动性能 和 稳定时间 。最后，提出了 一些 高速电主轴 的误差补偿措施，并 通过“普传 来 控制变频器以 达到 调 节电主轴运行状态 的目的 ，实现 了 闭环控制 ， 对高速电主轴 径向振动实时测量 及 轴向伸长 与补偿进行研究 ， 为电主轴研究 提供了一个实时、动态的测试电主轴性能的测试系统。陈锋 6 基于模态分析理论，对最高转速 为 60000 r/轴进行了模态实验。介绍了实验方法，并分析了实验结果，提取了该电主轴的模态参数（固有 阻尼 、 振型和 频率 ） ,验证其是否符合高精度加工生产的要求 以及 所采用实验方法的正确性，同时 阐明 了电主轴产生振动的主要原因。并运用随机子空间法对 电主轴 进行模态参数的识别，排除了电主轴 工作在共振区的可能性。 胡爱玲 7利用 再 对其优化，对电主轴的工作性能 提高 有十分重吉林大学本科毕业设计说明书 4 要的意义。 康辉民 8、王永宾 9分别研制了电主轴的综合性能测试与评价试验台，前者开展对电主轴的性能测试与分析， 开发了相应的测试与评价软件系统，建立了电主轴的测试与评价 的 规范；后者 在 控制方法与数学模型之间的相互关系、 动态测试方法、稳态和动态数学模型的建立、交叉耦合电压的解耦效果以及 它们对主轴动态性能的影响。并且在 主轴整体动力学热模型的建立 和 温升的影响因素 确定 等方面取得了一定的理论和试验测试成果，为高速电主轴的的后续研究 作出了一定的贡献 。 因可靠性现场试验存在投入大，周期长的不足， 国内对电主轴可靠性研究还比较少，正因为如此， 更应发展可靠性试验台的研究。对样品系列进行可靠性试验，为产品可靠性水平提供重要依据，方便日后的市场投入。国内外对电主轴的可靠性有过一些研究，秦少军 10在建立 可靠性数学模型的基础上，对电主轴的可靠性进行了预测，并为提高 电主轴系统的可靠性提出了 一些 建议。李彦，窦怀洛等 11针对高速电主轴高可靠性的要求，在高速电主轴 现有 机构的基础上，采用动态设计方法， 得出电主轴和滚动轴承的动态特性，进而 再 研究轴向 跨距 、 预紧力 、转轴各台阶外径以及轴承对高速电主轴临界转速的影响 因素 ，最终得到 较 合理的电主轴结构；同时，对高速电主轴的 密封、冷却 、润滑、材料 等方面也进行了研究，以实现最优化设计，从而满足 了 高速电主轴的高可靠性要 求。在国内外可靠性试验台并不多见，而建立专门的电主轴可靠性试验台实属首例。相较于其他试验手段，试验台更适于对 机床 功能部件可靠性进行系统的研究。第 2 章 电主轴 第 2 章 电主轴 第 1节 电主轴结构 由机床内装式电动机直接驱动机床主轴， 基本上取消了带轮传动和齿轮传动，把机床主传动链的长度缩短为零，实现了 “零传动”方式。这种把主轴电动机与机床主轴“合二为一”的传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，称 之 为“主轴单元”，俗称 为 “电主轴”。电主轴 是 一种智能型功能部件， 由于 转速高、功率大， 就需要有 一系列控制主轴温升与 振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。 图 2电主轴基本结构 电主轴的基本结构如图 2由定子、转子、轴承、润滑装置和冷却装置等构成。 电主轴是高速轴承技术、冷却技术、润滑技术、动平衡技术、精密制造与装配技术以及电机高速驱动等技术的综合运用。 其主要特点如下： (1)机械结构 相对 简单，运动惯量小， 动态 响应性好，能实现很高的速度和加速度 以 及定角度的快速准停。 (2)电主轴系统没有 高精密齿轮等关键 传动 零件，消除了齿轮传动误差。 (3)减少了主轴的振动 和 噪声，提高了主轴的回转精度 。 (4)用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调速范围宽，功率 吉林大学本科毕业设计说明书 6 电动机会产生大量的热，轴承在高速运转下也会产生大量的热，这两个热源构成了主轴主要的内部热源，如果不加以控制，由此引起的热变形 会 降低机床的加工精度和轴承的使用寿命，从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。主轴的变速是通过变频器来实现的。高速轴承要有专门的润滑装置，润滑方式有油脂润滑、油气润滑、油雾润滑，高速电主轴一般采用后两种润滑方式。为了保证高速回转部件的安全，还要有报警 装置 及 停止 用的传感器及其 相应 控制系统等一系列支持电 主轴运转的外围设备和技术。因此，“电主轴”的概念不应简单地理解为只是一根主轴，而是一个在机床数控系统监控下 完整的 的子系统，如图 2 图 2主轴系统 第 2 节 电主轴的关键技术 电主轴单元是一套组件，它是一项涉及电主轴本身及其附件的系统工程技术。电主轴单元所融合的 关键 技术主要包括以下几方面 : （ 1） 高速电 机技术。电主轴是电动机与主轴融合 的 产物， 主轴的旋转部分即为电机的转子， 理论上 就 可以把电主轴看作一台高速电动机，其关键技术是高速度下的动平衡 、 主轴内励磁的稳定性 以及驱动技术 。 （ 2） 轴承技术。 由 于普通钢制轴承质量大，限制了它的极限转速， 电主轴通常采用 陶瓷球 轴承 ， 陶瓷球轴承分为全陶瓷轴承和混合陶瓷轴承两种， 陶瓷材料 具有 优良的物理、化学和机械性能 。 有时也采用 静压轴承 ，或 电磁悬浮轴承 ，内外圈不接触，理论上命无限长。 （ 3）润滑技术。电主轴的 润滑 主要是轴承的润滑，主要有油雾润滑、油气润滑及油脂润滑， 一般采用 的是 油气润滑 和油雾润滑 ，也可以采用脂润滑，但其相应的最高速度有了限制 。油气润滑，通常是润滑油在压吉林大学本科毕业设计说明书 7 缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。这里，油量控制显得十分重要， 油量 过少，起不到润滑作用； 油量 过多，又会在轴承 高速旋转时因油的阻力而发热。 （ 4） 内置脉冲编码器技术。为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电 主轴内需安装一个脉冲编码器，以实现 相位 的准确 控制以及与进给的配合。 （ 5） 矢量变频技术。要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率甚至需要达到几千赫兹。 （ 6） 高速刀具的装卡技术。广为熟悉的 具 不适合于高速加工。在 高速加工 此背景下出现了 的 高速刀柄 被广泛运用到了高速电主轴中 。 （ 7） 自动换刀技术。为了适用于加工中心，电主轴配备了能 进行自动换刀的装置，包括 拉刀油缸 、 碟形弹簧 等。 （ 8） 冷却技术。 内置电机和主轴轴承是电主轴的两个主要热源，电主轴的冷却系统主要依靠冷却液的循环流动来实现。外水套和内水套为电主轴冷却系统的两种冷却方式。 第 3 节 电主轴 基本信息 本试验选用的是洛阳轴研科技股份有限公司研发的 170其基本信息如下 ： 3000r/ 0000r/ 00 80V 80V 2 2 9A 静态：电主轴锥孔 主轴 +检具远端 主轴轴向窜动 态：电主轴以态 30000r/ 2 电主轴以 30000r/行时其噪声 80A） 电 主轴运行 4小时后外壳温升 25 (1)外型安装尺寸： 170350 +120 72+60 吉林大学本科毕业设计说明书 8 (2)法兰 220 25中心节园 194 装 6(3)前轴承组： 2S 7 后轴承组： 2S 74)安装 柄（用户自备） 带 配带双向油缸 拉刀力 560松刀力 850 进入油缸油压 35)配 松拉 刀接近开关 (6)配 密水冷机 (7)配意大利西技联 4路油气装置 (8)主轴前后轴承油气润滑油品为 32#汽轮机油 进气压力为 出气压力为 用油量： 1滴 /9)配用 却主轴电机和前后轴承， 进入主轴冷却腔体介质温度 15 冷却水配方： 2%无水碳酸钠， 1%亚硝酸钠， 97%水 第 4 节 电主轴受力计算 电主轴在实际工况中所受力即切削力。 机械 加工 工艺手册 里对切削力的定义如下： 在切削加工时，刀具切入工 件，使被加工材料产生弹性和塑性变形而形成切削所需要的力称为切削力。 切削力来自于切削过程中：克服切削变性去材料塑性变形所需的抗力； 克服切削对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对已加工表面和过渡表面的摩擦力所需的抗力。 克服切削变形区材料的弹性变形所需的抗力。 由于切削力的大小和方向受到切削过程许多因素的影响，它们都是不固定的。为了便于分析测量，将切削力分解为三个相互垂直于坐标轴方向的分力或力矩来表示，如图 1所示。查机械 加工 工艺手册得铣削力和铣削功率的计算公式如下： 扭矩 ( 02000 . 背吃刀力和进给切削力按立铣、硬质合金刀加工碳素结构钢、逆铣估算： 背吃刀力 : y =（ 0 . 2 0 . 3 ） F . 进给切削力： f ( 0 . 3 5 0 . 4 0 ) F 将电主轴的额定转矩带入式， 0d 按 柄标准，取吉林大学本科毕业设计说明书 9 0d =202 0 0 0 2 0 0 0 9 . 1 5 91520 取 : 0 . 2 5 0 . 2 5 9 1 5 2 2 8 . 7 5 N N 取 0 . 3 7 5 0 . 3 7 5 9 1 5 3 4 3 . 1 2 5 N N 为了模拟真实工况，需要添加的轴向力即 加载的径向力为 合力 ,即： 2 2 2 29 1 5 2 2 8 . 7 5 9 4 3 . 1 6 F N 。 所以需要加载的轴向力为 向力为 虑切削过 程中的动态因素和其他的不稳定因素，最大轴向力按 400N，最大径向力按 1000 图 1 刀具受力分解图 第 3 章 加载机构设计 第 3 章 加载机构设计 测功机是动力试验的重要设备，它在试验中能吸收被测设备的功率和转矩，而且可以通过变频器对测功机的控制来改变被测设备的转速、转矩和功率，因此扭矩加载选用测功机。轴向力和径向力加载有利用伺服电机作为动力源，然后通过锥齿轮减速传递到安装在电主轴测试棒上面的径向滚动轴承和平面滚动轴承的机械接触式加载；还有用两组励磁绕组在轴侧面和轴端面实现非接触式加载 8。接触式加载在速度不高 时有较强的使用性，但是在高速主轴高速运转状态下，轴承受动态力，将产生大量的热和磨损，为了延长轴承的使用寿命就要添加冷却系统和润滑系统。而在高速情况下，冷却系统一般用水冷，润滑系统一般采用油气或油雾润滑，这两个系统将很复杂而且需要较大的空间来安装，而电主轴的测试棒不能太长，空间有限，加载较难实现，这就导致加载系统的可靠性不及电主轴的可靠性，导致可靠性试验失败。而非接触式磁力加载中，轴向力加载，将励磁绕组放在主轴轴线上，由于主轴受的轴向力受力点是切削刀具圆周上，不是在轴线上，所以将励磁绕组放在侧面更能反映切削工 况。其总体结构示意图如图 3. 1电力测功机 2 弹性联轴器 3 电磁铁 4 导磁体 5 非接触式电磁激振器 6 陶瓷测试棒 7电主轴 图 3靠性试验平台结构示意图 非接触式激振器 5内部结构为两组励磁绕组，一个直流绕组和一个交流绕组。为了避免电磁铁 3、激振器 5和电主轴 7的励磁互相干扰，中间的测试棒 6采用陶瓷材料加工。导磁体 4 采用目前磁性最高的永磁材料 钕铁硼（ 其磁能积在 2750间。高速对联轴器 2的要求较高，采用的是弹性膜片联轴器。 第 1 节 扭矩加载设 计 测功机作为旋转类动力源输出性能的 常用测试设备，在电机 等动力吉林大学本科毕业设计说明书 11 源的转速、转矩、输出功率的测试和检验中起着无可替代的作用，它能对被测 动力源 施加可变负载转矩并吸收其功率。测试时， 通过高速联轴器将测功机的轴与被加载的 加载器的轴与被测电机的输出轴 通过联轴器连接，且在加载器的轴上安装光栅盘，以达到 被测电机的同步转速测量 的目的 ；通过控制加载电压 或电流 的方式控制加载器向被测 动力源 加载，加载力度的大小可以通过控制仪器调节，加载到什么程度，可由测功机智能显示仪直接将力矩数字显示。再结合其他检测辅助设备，可以测试各种类型电机的 输入电压、电流、输出转矩 和功率 、转速、功率因数及效率等特性曲线，完成对被测电机性能 动态 测试 粉测功机、电力测功机等，电力测功机包括直流测功机，交流测功机，涡流测功机。测功机的转速一般在 10000r/右，超过两万转就颇为困难，在运转时会有强烈的振动和刺耳的噪声，轴承会急剧发热，其可靠性很低 12。 此次选用的电主轴转速能达到 22000r/验要求最高达 18000r/率输出为 22 测功机的选型 水力测功机是利用物体 在水中运动产生摩擦阻力吸收发动机的功率的一种测功装置。 在汽车行业已逐渐被电涡流测功机所代替，但因其单位转动惯量的扭矩吸收能力强，在大功率测功及耐久性试验等方面仍多采用。 其优点是结构简单、造价低廉、高速吸收、功率大、容易操作、运转平稳。其缺点是控制不便、测量精度差、难于实现远距离操纵及自动调节。它由测力机构、供水系统和制动器三部分组成。可分为叶片式、水阻柱式、圆盘式三种。 目前国内水力测功机功率能到达 20，最高转速都在 10000下。 磁粉测功机内部线圈通过电流时 会产生 磁场， 该磁场将内部磁粉按磁力线 方向排成磁链，磁 链产生的拉力将阻碍主轴的转动， 这就是 负载力矩 。通过改变励磁电流的大小即可改变负载力矩的大小 。 磁粉测功机由实心转子 、定子 、磁 粉介质、励磁线圈、支架、底板等组成 。 其特点有 ： 操作方便 ,力矩的大小只需通过调节励磁电流大小就可实现。静态转矩力矩平滑，没有齿槽波动转矩 和 剩磁转矩 。 测功机力矩的产生是由磁粉链的拉力形成，力矩变化 不具有冲击性 。 转子为空心鼓形转子，惯性小， 可 承受 的 离心力 较大 大。 没有 摩擦结构，使用寿命 较长。 磁粉测功机的功率达不到 20用水冷设备时功率可达 15最大转速基本在 1200此磁粉测功机达不到要求。 直流测功机一般由直流发电机和控制器组成， 利用直流发电机作为负载并将发出的电能通过其加载及回馈控制器（逆变器）回馈给输入端，它和扭矩传感器配接，即组成性能优良的 加载系统。 直流电机的转矩吉林大学本科毕业设计说明书 12 T=a,即转矩与磁通和电枢电流成正比，对于它激直流电机来说，只要励磁电流不变，转矩只与电枢电流成正比。 直流测功机 就是利用这一原理来稳定调节转矩的 。但是 直流测功机转速最多能达 4000速达不到实验要求。 涡流测功机 利用涡流产生制动转矩来测量机械转矩的装置。它由测力计 、 电磁滑差离合器 和测速发电机组成。 磁极 被安装其上的测力臂 上并被 掣住 ,只 可以摆动 一 定的 角度 ,与 测力计 配合 就 能 由此摆动角直接读出电枢与磁极间的电磁转矩 ； 被测动力 源 与电磁滑差离合器的输入轴相 连接， 并 带动电枢旋转。 省略掉 风摩损耗等测量误差时，此电磁转矩就等于被测动 力机械的输出转矩。涡流测功机只能产生制动转矩，不能作为电动机一直运行 。一般用于测量 动力源的 转速 上升 而转矩下降，或转矩变化而转速基本不变的动力 源 。它的主要特点： 控制器采用单相交流电源，控制功率小； 输入转速范围 较 宽，可用于变频调速等各类电动机及动力机械的型式试验； 采用水冷却、 振动小 、噪音低 ； 转矩的测量可以采用电子磅秤、高精度转矩转速测量仪 或压力传感器 等，适用于不同测量精度的场合； 价格低廉、使用维护方便 、结构简单、运行稳定； 该装置还能作制动器用，制动力矩 较 大。 交流电力测功机功率能达到 22速能达 18000终选用的是四川城邦测控技术有限公司研发的 悬浮式交流电力测功机 。 悬浮式交流电力测功机 如图 3交流电力测功机利用发电机的原理，吸收电主轴发出的能量， 将其回馈电网，从节约能源角度，具有很大的优越性。选用的交流测功机由 一台悬浮起来的交流电机，拉压力传感器测力装置 、 转速传感器 ， 安装底座及与动力机械连接的法兰，可四象限运行的 其优点如下： (1)节能 水力、电涡流测功机的基本原理是将原动机产生的机械能转化为热能由水冷却后把热量带走，原动机发出的能量不能回收，转换过程中亦需耗费能量。而电力测功机却可以把原动机产生的机械能转换为电能回馈到内部电网，供其他设备使用。 (2)双向加载及拖动特性 水 力测功机只能在一个方向加载，同时转速低于一定值时加载性能变差；不能 作为反拖设备，在需要做发动机机械效率试验时需要另外配置拖动设备。 电涡流测功机可以双向加载，但在低速时加载性能比水力测功机还差，不能作为反拖设备，在需要做发动机机械效率试验时需要另外配置拖动设备。电力测功机却可以方便的实现双向加载，同时在转速到 0r/加载特性为零转速至额定转速为恒扭矩特性，额定转速至最高转速为吉林大学本科毕业设计说明书 13 恒功率特性，完全符合动力机械的负载特性；而且，电力测功机可以作为动力机械倒拖原动机，可以作为机械效率 试验的动力和发动机启动动力使用。 (3)瞬态加载特性 水力测功机的加载反应时间基本上在秒级，电力测功机的加载反应主时间为 ，这主要取决与变频器的阶跃响应和系统的惯性；就 制信号的阶跃响应时间小于 5 (4)反拖特性 水力测功机和电涡流测功机本身只消耗原动机能量，不能提供驱动动力，因此不能作为反拖设备。电力测功机可以方便的转换成电机拖动模式，从电网吸收能量，作为动力机械倒拖原动机。 (5)可靠性 列交流电力测功机的主机由国内著名品牌配套，转矩转速传 感器由四川诚邦测控技术有限公司或 流变频调速器由 司配套。负载电机、转矩转速传感器、变频器均经国家权威部门严格检测，完全符合相关的行业标准。 (6)可维护性 由于采用了完全符合行业标准 /国家标准的配套件，用户在维护时不必依赖制造商，完全可以自行进行日常的维护保养，甚至在需要更换主机和传感器时亦可独立完成，降低维护保养费用。 (7)基建费用低 列交流测功机本身带有风机冷却，无需水冷装置（包括水池和循环管道），节省基建费。 (9)紧急保护特性 测功机本身具有 过流，断相等保护功能，配合控制系统的超速保护功能，有效的避免了因原动机故障而引起的测功机损坏和原动机故障的扩大。 图 3交流电力测功机 结构图 1联轴器 2校正臂 3拉压力传感器 4电机接线盒 5吊环 6电机 7 导风罩 8冷却风机 吉林大学本科毕业设计说明书 14 9转速传感器 10底座 11 转矩转速传感器接线盒 变频器是 司生产的 列变频器 ，它 对电机的控制采用用直接转矩控制方式，该方式以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制，简单地通过检测电机定子电压和电流， 借助瞬时空间矢量理论计算和控制电机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（ 制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生 宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。 主要技术参数： (1)测控 柜选用卧式机柜，具备良好的通风降温效果，外表面喷塑处理； (2)二次仪表采用插头插座连接方式，连接可靠牢固； (3)测量参数自动显示、打印、存储，并有异常现象报警功能； (4)同时完成各测试数据和报表的记录及各种特性曲线绘制与输出等功能； (5)测功机形式：采用供货方 电力测功机，其具体技术参数及使用要求满足供货方产品使用说明书中要求； (6)测功机最大吸收功率： 22 (7)测功机控制系统：采用 有手动和程控两种控制方式 ; (8)特性曲线如图 3 3测 功机特性曲线 吉林大学本科毕业设计说明书 15 第 2 节 轴向力加载设计 轴向力加载选用的是 非接触式 电磁激振器，最大能提供1000大激振力为 200N，工作频率范围为 20 800激振器与被激构件间隙： 它由激励线圈、铁芯、测力线圈、拾振器、支座五部分构成。 与 与电动式激振器、电液式激振器比较 有以下特征： (1)与被激物体间为非接触式，可用于研究旋转或平面运动的结构动态特性。 (2)单位力体积比电动式小，激振力比电动式大，没有附加质量的影响。 (3)频率范围比电液式激振器宽，工作频率为 20满足一般大、中、小型机床试验之用。 (4)装有电容式拾振器，能进行非接触式的振动位移量测量。 图 3电磁激振器工作原理图 其工作原理图如图 3激励线圈包括直流偏磁绕组和交流励磁绕组两部分，直流偏磁绕组产生一个预置偏磁力，交流励磁绕组产生交变激振力，实现动态加载。当激振铁芯中产生交变磁通时，测力线圈中产生感应电势，把该电势进行积分，得到积分电压，而力与积分电压成正比。经过适当标定，找出力与积分电压的比例关系，就能把积分电压值 转换成力的量值。拾振器能拾取被激振系统的相对振动位移量。 交流励磁
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