第7章 两级三环减速器的试验研究
7.1引言
众所周知，齿轮产品经常是以齿轮装置的形式交付用户使用的，其齿轮装置的运行性能是制造厂和用户共同关心的问题。笔者研制的以同步带作为一级传动的油膜浮动均载的完全平衡两级三环减速器的传动性能是大家十分关心的问题，由于前几章对该减速器所作的理论分析和计算都是利用了简化的数学模型，其分析和计算是否正确，还要通过试验进行验证，也只有试验才是验证该减速器设计理论是否正确、样机是否实用的最有效手段。本章介绍笔者所设计的样机DQSH145在大庆职工大学机械传动试验台上所进行的试验情况。试验结果表明：该样机的主要性能指标均达到了设计要求，尤其是传动效率、振动指标还优于国内同类产品。
7.2两级三环减速器的传动效率试验
7.2.1测试用仪器与测试系统
两级三环式减速器传动效率试验是在大庆职工大学机械传动试验台上进行的。电机为无锡电机厂生产的直流电机，型号为：Z2-52，功率为13kW；电机的转速的调节采用北京整流器厂生产的可控硅设备，型号为：KGSAC21100/230；传动装置采用国营海安机电厂生产的，型号为：CZ-5型，额定转矩为50N.m的磁粉制动器作为加载装置，来实现施加制动扭矩，该装置是根据电磁原理和利用磁粉传递转矩的，WIJ-3A型直流稳压电源为该加载装置的专用电源；转矩和转速量的测量采用上海第二电表厂生产的测转矩精度为±1%,测转速精度为±0.5%的，型号为：ZJYW1微机型转矩转速仪及与之配套的ZJ转矩转速传感器来监测和打印。为满足加载装置的转速范围以及所施加转矩大小的需要，在加载装置与输出转矩转速传感器之间布置了一台上海产技术参数适合的增速器，其传动比为23.34。由于新型三环式减速器一级传动采用同步齿型带，而输入转矩转速传感器轴不允许承受较大的径向作用力，为解决这一问题，笔者设计了一个轴承座，一端联在输入转矩转速传感器轴上，另一端安装同步带传动的输入小同步带轮，三环式传动的两曲柄轴上分别安装上同步带传动的输出大同步带轮，大小同步带轮通过同步带啮合实现运动和动力传递。
样机的传动性能试验台如图7-1所示，传动试验台照片如图7-2所示。
润滑油循环系统照片如图7-3所示
7.2.2 专用轴承座的设计
轴承座是作者为解决试验中测试用输入转矩传感器轴不允许承受较大的径向作用力这一实际问题而专门设计的。其一端联轴在输入转矩转速传感器轴上，另一端安装同步传动的输入小同步带轮，如图7-4所示。
7.2.3两级三环减速器的跑合
装配完好的三环减速器及测试仪器按测试系统的联接顺序在试验台上逐一联接并予以定位，然后用手转动电机输出轴上的半联轴器以检查各回转副转动是否灵活，若有异常，予以调整，直至无任何异常；若无问题，进行跑合试验。首先，空载跑合4小时，其中正转和反转分别跑合2小时。然后加满载的20%载荷跑合2小时，接下来再加满载的50%载荷跑合2小时，最后加满载跑合2小时。跑合试验后，将减速器里的润滑油排放掉，并清理好箱体底部，不允许有任何磨粒遗留，然后重新加入适量润滑油。为后续试验作准备。
7.2.4 传动性能的测试方法
该新型三环减速器传动效率试验分为恒定转速变转矩和恒定转矩边转速两种。在进行恒定转速变转矩试验时，运转达到热平衡后10min开始测量转速和转矩。将输入转速定为750、1000、150Or/min三档，输出转矩按额定转矩的25%、50%、75%、100%设为四档，逐档加载测试。在进行恒定转矩变转速试验时，输出转矩设为752N.m、876N.m两档，输入转速分为500、750、1000r/min三档，逐档加速测试。
7.2.5 两级三环减速器的传动效率
由于试验过程所测取的数据是一些离散值，且有微小的变化，为保证传动效率测试准确，需对测试数据进行必要的处理。
通常，每一档的数据测多次，每一次的数据测若干组。
每次采集数据的转矩、转速和功率的平均值为
式中 Ti，ni，Ni——每组数据中的转矩、转速和功率值；
k——每次测试数据的组数，本研究取12～20。
每档采集数据的转矩、转速和功率的平均值为
式中 m——每档采集数据的次数，本研究取三次。
试验样机传动的总效率
式中 η——试验样机的总效率
N1，N2——同时采集的输入、输出功率的平均值；
η座、η联——分别为试验样机用轴承座、输入轴出轴端联轴器的效率，取η座=0.995，η联=0.9952。
在恒定转速变转矩和恒定转矩变转速两种工况下测得的数据经过处理后，再利用公式（7-1）计算，便可得到实测的效率曲线如图7-5和7-6所示。
由图7-5和7-6可看出，在输入轴转速为506r/min，输出轴转矩为752N.m时，减速器的效率较高，达92.323%。
需要加以说明的一点是，由于试验台控制柜的条件限制，在高输入转速时，输出转矩上不去；在高输出转矩时，输入转速上不去，只能对所得的上述传动效率曲线进行分析。
传动效率试验结果表明，两级三环减速器的传动效率随着输出转矩的增加，直至达到效率最大值，随后，又随输出转矩的增加而降低。最大效率在输出转矩为750N.m左右。也就是说，油膜浮动时的油膜刚度影响其承载能力。应当指出的是：试验中，传动系统的效率随输入转速的增加而降低，在转速较高时的效率较低，是由于油膜浮动时采用外循环油泵供油流量高于减速器内排出的流量，造成减速器轮齿浸油较深，运转时随转速的增加，搅油损失增加而引起的。批量生产时采用内部循环时完全可以解决这一问题。
7.3两级三环减速器的载荷分布不均匀系数试验
7.3.1 测试原理及齿根应力测试方案
测点布置方案是关系到测量结果的一件重要工作。由于三环减速器传动环板的轮齿受力时象悬臂梁一样，因而，齿根处弯曲应力最大，并有应力集中，故齿根弯曲应力是主要应力形式，因此，将电阻应变片分别牢固地贴在每一片内齿环板相同位置的一个齿的齿根上，这样能较准确地反映三环减速器每片内齿环板的受载情况，电阻应变片的贴粘位置如图7-7所示，电阻应变片引线如图7-8所示。为了消除温度对应变片电阻的影响，在被测轮齿的没有应变的部位贴三片温度补偿片。在贴片时，先将轮体贴片处用丙酮清洗干净，待轮体贴片处表面绝缘干燥后再贴片。齿根应变片的引线采用Ф0.2mm的高强度漆包线，用环氧树脂胶防潮并固定，调和好稠度适宜的环氧树脂胶，涂抹在引线上和应变片的周围。漆包线用六芯屏蔽线引出接入电桥盒。试验中采用JA-102或J-39环氧树脂胶。测试中，每片环板上的电阻应变片均搭成半桥电路。运行时各测点的应变信号由测试系统测得。其测试原理是：减速器工作时贴有电阻应变片的减速器各内齿环板齿根处受到外力作用而产生变形，电阻应变片的长度和横截面积也随之发生变化，总的效应是电阻应变片的电阻值发生变化。经过YD-15型8通道动态电阻应变仪的放大、检波和滤波，实现了机械量转化为电量的过程。转化后的电信号在A/D 转换器需要的量程范围，信号通过A/D转换器后，已由模拟量变成了离散的数字量，这些数字信号传到计算机后，应用分析软件，由计算机对这些数字信号进行采集、分析和处理，以获得需要的信息。
式中 k1，k2，k3——标定得到的比例系数，括号前Max是指取其中的最大值；
ε1，ε2，ε3——三片内齿环板上应变信号的平均值。
试验中选用的电阻应变片长度为0.2mm，电阻为119.8±0.2Ω，相差很小，即k1、k2/2、k3彼此差别很小，所以上式简化为：
在不同工况下，通过试验可分别测得三片环板上应变信号的平均值和最大值，应用公式（7-2）便可求得每片环板的载荷分配不均匀系数，两级三环减速器的载荷分配不均匀系数取三片内齿环板中的最大值。
7.3.2测试用仪器与测试系统
传动效率测试的所有仪器也是动应力测试所必须的，此外，动应力测试还需用一些专用仪器，这里选用KFG-02-120-Cl-11型微型电阻应变片和CC-33A型CYANO-ACRYLATE BASE STRAIN GAGE CEMENT 粘接剂（日本KYOWA公司生产），由于受轮齿制造误差、受载变形以及轴、轴承和支座的变形等因素的影响，减速器的瞬时传动比不可能是常数，从而产生角加速度，进而产生冲击现象。也就是说，在动应力测试中存在其它的谐波成份，电阻应变仪的工作频率响应范围应与之相适应。测试中的动态电阻应变仪（8通道）采用国产的YD-15，采集板用的是HY-1232 A/D、D/A转换板及IBM-PC XT/AT总线。
样机均载测试系统框图如图7-9所示。
样机测试照片哪图7-10所示。
A/D接口板的选择和应变信号采集程序是应变信号采集是否成功的关键。本试验中选用的A/D接口板的主要技术指标如表7-1所示。
表7-1 A/D转换板的主要技术指标
| 指标 |
数值 |
| 分辨率 |
12Bit |
| 精度 |
优于±0.03%（满量程） |
| 通过频率 |
12KHz（最高，连续可调） |
| A/D转换时间 |
25μ（典型值） |
| 通道数 |
32（ch0～ch31） |
| 软件方式 |
高级语言编写 |
对应于所选用的A/D转换板，编制的应变信号采集程序框图如图7-11所示。
7.3.3应力测试数据的处理
测量载荷分配不均匀系数KP，应重点考虑三环减速器齿根弯曲应力，因此需要测量内齿环板齿根弯曲应力（或应变）的最大值和理论平均值。所以将电阻应变片分别贴到每一片内齿环板的一个齿的齿根上（补偿片贴在环板无变形处）的相同位置上，以比较准确地反映三环减速器每片内齿环板的受载情况。分别用在三片内齿环板的任一齿齿根及最上部相同位置上的电阻应变片与温度补偿片搭成半桥电路，载荷信号经过YD-15型八通道动态电阻应变仪进入凡心转换板，由微机记录每片环板的应变信号。在n输入=l000r/min，输出扭矩分别为额定输出扭矩的O%、25%、50%、75%及100%的载荷工况下，分别测得原型机和改进型机的环板齿根应变和环板顶部应变电压信号。表7-2、7-3分别为原型机和改进型机在不同载荷下的的环板齿根经过标定、计算的应变值，表7-4、7-5分别为原型机和改进型机在不同载荷下的经过标定、计算的环板应变值。
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