第5章 三環(huán)減速機(jī)的實(shí)驗(yàn)研究
5.1引言
由前所述設(shè)計(jì)、加工制造完成的三環(huán)減速機(jī)，裝配完畢后其工作原理、性能指標(biāo)等均應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求，為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文提出的三環(huán)減速機(jī)理論的正確性和該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的實(shí)用性，在大慶職工大學(xué)機(jī)電工程系的機(jī)械傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)所研制的樣機(jī)HITSH145進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該樣機(jī)傳動(dòng)功率達(dá)到其設(shè)計(jì)要求水平；在額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩下，傳動(dòng)效率可達(dá)92%，其各項(xiàng)性能指標(biāo)超過(guò)國(guó)內(nèi)同類(lèi)產(chǎn)品的水平。
5.2三環(huán)減速機(jī)的傳動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)
5.2.1測(cè)試儀器及實(shí)驗(yàn)裝置
傳動(dòng)性能測(cè)試儀器如下：
錫山市直流電機(jī)廠生產(chǎn)的直流電動(dòng)機(jī)，型號(hào)：Z2-52，功率為13kW；
上海第二電表廠生產(chǎn)的ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；
上海第二電表廠生產(chǎn)的ZJYWI微機(jī)型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀；
國(guó)營(yíng)海安機(jī)電廠生產(chǎn)的磁粉制動(dòng)器，型號(hào)：CZ-5，額定轉(zhuǎn)矩：50N.m；
上海奉賢青村五金機(jī)械廠生產(chǎn)的JZQ型系列增速機(jī)，傳動(dòng)比i=23.34；
三環(huán)減速機(jī)的傳動(dòng)性能實(shí)驗(yàn)臺(tái)如圖5-1所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)照片如圖5-2所示，實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制柜照片如圖5-3所示。
5.2.2三環(huán)減速機(jī)的跑合實(shí)驗(yàn)
將三環(huán)減速機(jī)的箱體內(nèi)零部件按傳動(dòng)結(jié)構(gòu)圖裝配，在裝配上箱體之前，用手轉(zhuǎn)動(dòng)一級(jí)輸入軸半聯(lián)軸器，看看是否轉(zhuǎn)動(dòng)靈活，支承軸承是否對(duì)心。如果轉(zhuǎn)動(dòng)卡死，首先考慮外齒輪裝配是否正確，然后考慮可能是環(huán)板相位不正確；如果支承軸承跳動(dòng)，則應(yīng)考慮外齒輪裝配是否正確。裝配好后，空載跑合4小時(shí)，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)分別跑合2小時(shí)。然后加載20%跑合2小時(shí)，加載50%跑合2小時(shí)，最后加載100%跑合2小時(shí)。跑合實(shí)驗(yàn)后，將原來(lái)加入的潤(rùn)滑油放出，并清理箱體底部；然后重新注入潤(rùn)滑油，為以下的性能實(shí)驗(yàn)作準(zhǔn)備。
5.2.3三環(huán)減速機(jī)的效率實(shí)驗(yàn)
三環(huán)減速機(jī)傳動(dòng)的效率實(shí)驗(yàn)是采用分級(jí)、逐步加載而完成的，額定轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩下，高速軸齒輪每齒應(yīng)力循環(huán)數(shù)達(dá)到3×106后，將輸入轉(zhuǎn)速分為750、1000、1500r/min三檔，輸出轉(zhuǎn)矩按占額定輸出轉(zhuǎn)矩的百分比為25%、50%、75%、100%四檔。在恒定轉(zhuǎn)速變轉(zhuǎn)矩和恒定轉(zhuǎn)矩變轉(zhuǎn)速兩種工況下，進(jìn)行傳動(dòng)效率測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果效率曲線如圖5-4～5-7所示。
需要加以說(shuō)明的一點(diǎn)是，由于實(shí)驗(yàn)臺(tái)控制柜的條件所限，在高輸入轉(zhuǎn)速時(shí)，輸出轉(zhuǎn)矩上不去；在高輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，輸入轉(zhuǎn)速上不去。只能對(duì)所得的上述效率曲線進(jìn)行分析。
從實(shí)驗(yàn)曲線中可以看出，原型機(jī)傳動(dòng)總效率隨輸出轉(zhuǎn)矩的增加而增加，隨輸入轉(zhuǎn)速的增加而降低。在額定轉(zhuǎn)矩下，傳動(dòng)總效率隨輸入轉(zhuǎn)速的增加而緩慢降低。測(cè)得的原型機(jī)最高效率可達(dá)92%。
對(duì)于加裝均載裝置的改進(jìn)型機(jī)，從實(shí)驗(yàn)曲線中可以看出，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速為75Or／min和1O00r/min時(shí)，改進(jìn)型機(jī)傳動(dòng)總效率隨輸出轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速的增加而增加；在輸入轉(zhuǎn)速為1000r/min時(shí)，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)矩超過(guò)95ON·m時(shí)，傳動(dòng)效率隨輸出轉(zhuǎn)矩的增加反而下降；當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速為15O0r/min時(shí)，低輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，傳動(dòng)效率較低；隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加，傳動(dòng)效率明顯增高。測(cè)得的改進(jìn)型機(jī)最高效率可達(dá)92.9%。
在額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)，改進(jìn)型機(jī)隨著輸出轉(zhuǎn)矩、輸入轉(zhuǎn)速的增加，均載機(jī)構(gòu)補(bǔ)償?shù)恼`差增大，均載效果更加明顯，所以改進(jìn)型機(jī)的傳動(dòng)效率隨輸入轉(zhuǎn)速的增加而增加。綜上所述，三環(huán)減速機(jī)的測(cè)得效率可達(dá)92%以上，因此本實(shí)驗(yàn)從減速機(jī)的傳動(dòng)性能上來(lái)講是成功的。
5.3三環(huán)減速機(jī)的均載和減振實(shí)驗(yàn)原理
均載和減振實(shí)驗(yàn)的主要任務(wù)是測(cè)試加裝彈性均載環(huán)前后，三環(huán)減速機(jī)載荷分配不均勻系數(shù)KP的大小及其減速機(jī)振動(dòng)的情況，并且驗(yàn)證用間隙元計(jì)法計(jì)算載荷分配不均勻系數(shù)KP的理論的正確性及均載環(huán)的減振效果。
測(cè)量載荷分配不均勻系數(shù)KP，考慮到少齒差傳動(dòng)齒根彎曲應(yīng)力為主要應(yīng)力形式、內(nèi)齒環(huán)板的頂部及底部（最小截面處）為整機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，因此需要測(cè)量環(huán)板齒根彎曲應(yīng)力和環(huán)板最小截面處應(yīng)力的最大值和理論平均值。
實(shí)驗(yàn)采用電阻應(yīng)變片測(cè)量?jī)?nèi)齒環(huán)板的應(yīng)變，在三片內(nèi)齒環(huán)板同時(shí)嚙合的相應(yīng)輪齒上以及三個(gè)環(huán)板的最小截面處，分別用電阻應(yīng)變片搭成半橋電路，載荷信號(hào)經(jīng)過(guò)YD-15型八通道動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換板，由實(shí)驗(yàn)微機(jī)記錄每個(gè)環(huán)板的應(yīng)變信號(hào)。本研究中，環(huán)板數(shù)np=3，載荷分配不均勻系數(shù)公式為：
式中 k1，k2，k3——標(biāo)定得到的比例系數(shù)，括號(hào)前的Max是指取其中的最大值；
ε1，ε2，ε3——一三片內(nèi)齒環(huán)板上應(yīng)變信號(hào)的平均值。
實(shí)驗(yàn)中選用日本KYOWA公司的應(yīng)變片，型號(hào)為：KFG-02-120-Cl-11，應(yīng)變片長(zhǎng)度為0.2mm，電阻為119.8±0.2Ω，相差很小，即k1、k2、k3彼此差別很小，所以公式（5-l）簡(jiǎn)化為：
在不同轉(zhuǎn)速、不同轉(zhuǎn)矩下，通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別測(cè)得三片環(huán)板上應(yīng)變信號(hào)的最大值和平均值，即可用公式（5-2）求得每片內(nèi)齒環(huán)板的載荷分配不均勻系數(shù)KP,三環(huán)減速機(jī)的載荷分配不均勻系數(shù)取三片內(nèi)齒環(huán)板中的最大值。
對(duì)于減振效果，考慮到在三環(huán)減速機(jī)的振動(dòng)參數(shù)中，支承軸承處的箱體的振動(dòng)加速度的變化最能反映三環(huán)減速機(jī)中齒輪的嚙合狀況，因?yàn)槊總�(gè)內(nèi)齒環(huán)板所受?chē)Ш狭Φ淖兓瘜?duì)振動(dòng)加速度的變化有很大的影響，所以本實(shí)驗(yàn)將箱體上部分點(diǎn)的振動(dòng)加速度也作為驗(yàn)證減振效果的重要指標(biāo)。
實(shí)驗(yàn)采用壓電式加速度計(jì)測(cè)量三環(huán)減速機(jī)上特征點(diǎn)的振動(dòng)加速度，并且將原型機(jī)與改進(jìn)型機(jī)的情況進(jìn)行比較；同時(shí)對(duì)采集的加速度信號(hào)進(jìn)行積分處理，求得特征點(diǎn)的振動(dòng)速度，計(jì)算振動(dòng)烈度，并且將原型機(jī)與改進(jìn)型機(jī)的情況進(jìn)行比較，從而確定減振效果。
5.4三環(huán)減速機(jī)的均載和減振實(shí)驗(yàn)
5.4.1應(yīng)力、振動(dòng)及噪聲測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置
測(cè)試儀器如下：
華東電子儀器廠生產(chǎn)的YD-15型八通道動(dòng)態(tài)電阻應(yīng)變儀；
北京華遠(yuǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)公司研制的HY-1232A/D、D/A轉(zhuǎn)換板，IBM-PCXT/AT總線；
秦皇島市北戴河無(wú)線電廠生產(chǎn)的YD42型壓電式加速度計(jì)；
秦皇島市北戴河無(wú)線電廠生產(chǎn)的DHF-6A型電荷放大器；
江西紅聲器材廠生產(chǎn)的ND2型精密聲級(jí)計(jì)；
三環(huán)減速機(jī)的均載和減振實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖5-8所示。
5.4.2應(yīng)力測(cè)量及數(shù)據(jù)處理
考慮到少齒差傳動(dòng)齒根彎曲應(yīng)力為主要應(yīng)力形式、內(nèi)齒環(huán)板的頂部及底部（最小截面處）為整機(jī)的薄弱環(huán)節(jié)，所以將應(yīng)變片分別貼到每一片內(nèi)齒環(huán)板相同位置的一個(gè)齒的齒根上及每一片內(nèi)齒環(huán)板最上部的相同位置上，以比較準(zhǔn)確地反映三環(huán)減速機(jī)每片內(nèi)齒環(huán)板的受載情況，應(yīng)變片的粘貼位置如圖5-9所示。實(shí)驗(yàn)中分別用應(yīng)變片搭成半橋電路，載荷信號(hào)經(jīng)過(guò)YD-15型八通道動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換板，由實(shí)驗(yàn)微機(jī)記錄每個(gè)環(huán)板的應(yīng)變信號(hào)。
本實(shí)驗(yàn)采用日本KYOWA公司生產(chǎn)的柵絲長(zhǎng)度為0.2mm，阻值為120Ω的KFG-02-120-C1-11型電阻應(yīng)變片。使用的粘接劑采用日本KYOWA公司生的CC-33A型CYANO-ACRYLATE STRAIN GAGE CEMENT，工作溫度隨使用粘接劑的不同而異，最高工作溫度可達(dá)400℃。為了消除溫度對(duì)應(yīng)變片電阻的影響，在實(shí)驗(yàn)齒輪的沒(méi)有應(yīng)變的輪體上貼了三片溫度補(bǔ)償應(yīng)變片。
在貼片時(shí)，先將輪體貼片處用丙酮清洗干凈，待輪體貼片處表面絕緣干燥后再貼片。齒根應(yīng)變片的引線采用ф0.2mm的高強(qiáng)度漆包線，用環(huán)氧樹(shù)脂膠防潮并固定，調(diào)和好稠度適宜的環(huán)氧樹(shù)脂膠，涂抹在引線上和應(yīng)變片的周?chē)�。漆包線用六芯屏蔽線引出接入電橋盒。實(shí)驗(yàn)中采用JA-102或J-39環(huán)氧樹(shù)脂膠。
實(shí)驗(yàn)中選用的A/D接口板的主要技術(shù)指標(biāo)如表5-1所示，對(duì)應(yīng)于所選用的A/D接口板，編制的應(yīng)變信號(hào)采集程序框圖如圖5-10所示，實(shí)驗(yàn)的電阻應(yīng)變片電橋引線照片如圖5-11所示。在n輸入=800r/min，輸出扭矩分別為額定輸出扭矩的0%、25%、50%、75%及100%的載荷工況下，分別測(cè)得原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)的環(huán)板齒根應(yīng)變和環(huán)板齒根應(yīng)變。表5-2、5-3分別為原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)在不同載荷下的的環(huán)板應(yīng)變值，表5-4、5-5分別為原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)在不同載荷下的的環(huán)板應(yīng)變值。
表5-1 A/D轉(zhuǎn)換板的主要技術(shù)指標(biāo)
| 指標(biāo) |
數(shù)值 |
| 分辨率 |
12Bit |
| 精度 |
優(yōu)于±0.03%（滿(mǎn)量程） |
| 通過(guò)頻率 |
12KHz（最高，連續(xù)可調(diào)） |
| A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間 |
25μs（典型值） |
| 通道數(shù) |
32（ch0～ch31） |
| 軟件方式 |
高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě) |
表5-2 三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)在不同載荷下的環(huán)板齒根應(yīng)變值 （με）
輸入轉(zhuǎn)速
n（r/min） |
減速機(jī)輸出
扭矩T（N·m） |
環(huán)板1應(yīng)變 |
環(huán)板2應(yīng)變 |
環(huán)板3應(yīng)變 |
環(huán)板1、2、3平均應(yīng)變 |
| 平均應(yīng)變 |
最大應(yīng)變 |
平均應(yīng)變 |
最大應(yīng)變 |
平均應(yīng)變 |
最大應(yīng)變 |
| 813 |
40 |
3.59 |
4.25 |
5.56 |
5.88 |
4.58 |
5.82 |
4.58 |
| 807 |
245 |
15.69 |
19.61 |
16.34 |
19.93 |
15.03 |
18.63 |
15.69 |
| 795 |
467 |
33.99 |
39.22 |
36.60 |
42.48 |
32.03 |
39.87 |
34.21 |
| 808 |
668 |
45.75 |
59.48 |
44.12 |
60.13 |
47.39 |
57.52 |
45.75 |
| 796 |
875 |
60.13 |
71.90 |
56.21 |
73.20 |
58.82 |
69.28 |
58.39 |
表5-3 三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)在不同載荷下的環(huán)板齒根應(yīng)變值 （με）
輸入轉(zhuǎn)速
n（r/min） |
減速機(jī)輸出
扭矩T（N·m） |
環(huán)板1應(yīng)變 |
環(huán)板2應(yīng)變 |
環(huán)板3應(yīng)變 |
環(huán)板1、2、3平均應(yīng)變 |
| 平均應(yīng)變 |
最大應(yīng)變 |
平均應(yīng)變 |
最大應(yīng)變 |
平均應(yīng)變 |
最大應(yīng)變 |
| 810 |
36 |
3.14 |
3.27 |
3.38 |
3.46 |
3.27 |
3.33 |
3.26 |
| 790 |
205 |
13.40 |
13.73 |
13.59 |
14.05 |
12.75 |
13.07 |
13.25 |
| 805 |
440 |
33.33 |
34.64 |
33.99 |
35.29 |
32.68 |
34.68 |
33.33 |
| 805 |
650 |
39.87 |
41.83 |
40.52 |
42.48 |
39.22 |
40.55 |
39.87 |
| 797 |
875 |
53.59 |
56.21 |
54.90 |
57.52 |
52.29 |
54.88 |
53.59 |
表5-4 三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)在不同載荷下的環(huán)板齒根應(yīng)變值 （με）
輸入轉(zhuǎn)速
n（r/min） |
減速機(jī)輸出
扭矩T（N·m） |
環(huán)板1應(yīng)變 |
環(huán)板2應(yīng)變 |
環(huán)板3應(yīng)變 |
環(huán)板1、2、3平均應(yīng)變 |
| 平均應(yīng)變 |
最大應(yīng)變 |
平均應(yīng)變 |
最大應(yīng)變 |
平均應(yīng)變 |
最大應(yīng)變 |
| 796 |
48 |
1.18 |
1.44 |
1.37 |
1.70 |
1.31 |
1.57 |
1.29 |
| 800 |
230 |
10.46 |
14.12 |
11.76 |
14.38 |
11.11 |
13.07 |
11.11 |
| 806 |
443 |
16.34 |
17.65 |
14.38 |
18.30 |
12.09 |
13.73 |
14.27 |
| 822 |
660 |
24.84 |
26.80 |
20.92 |
27.45 |
19.61 |
25.49 |
21.79 |
| 808 |
876 |
30.07 |
33.99 |
29.41 |
39.22 |
28.76 |
32.68 |
29.41 |
表5-5 三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)在不同載荷下的環(huán)板齒根應(yīng)變值 （με）
輸入轉(zhuǎn)速
n（r/min） |
減速機(jī)輸出
扭矩T（N·m） |
環(huán)板1應(yīng)變 |
環(huán)板2應(yīng)變 |
環(huán)板3應(yīng)變 |
環(huán)板1、2、3平均應(yīng)變 |
| 平均應(yīng)變 |
最大應(yīng)變 |
平均應(yīng)變 |
最大應(yīng)變 |
平均應(yīng)變 |
最大應(yīng)變 |
| 824 |
37 |
1.18 |
1.24 |
1.31 |
1.33 |
1.24 |
1.32 |
1.24 |
| 812 |
224 |
7.84 |
8.37 |
8.50 |
8.76 |
8.17 |
8.63 |
8.17 |
| 798 |
432 |
11.18 |
11.90 |
11.74 |
11.96 |
10.46 |
10.85 |
11.13 |
| 812 |
645 |
16.99 |
17.97 |
17.65 |
18.30 |
16.34 |
17.78 |
16.99 |
| 795 |
875 |
22.88 |
24.25 |
24.84 |
25.62 |
24.18 |
25.16 |
23.97 |
由實(shí)驗(yàn)采集到的應(yīng)變電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)標(biāo)定、計(jì)算，可以得到環(huán)板齒根彎曲應(yīng)變和環(huán)板頂部應(yīng)變的數(shù)值，運(yùn)用式（5-2）可以求出分別考慮環(huán)板齒根彎曲應(yīng)變和環(huán)板頂部應(yīng)變兩種情況下三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)的載荷分配不均勻系數(shù)KP。
圖5-12、5-13為考慮環(huán)板齒根應(yīng)變的原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)載荷分配不均勻系數(shù)KP——轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)曲線；圖5-14、5-15為考慮環(huán)板應(yīng)變的原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)載荷分配不均勻系數(shù)KP——轉(zhuǎn)矩實(shí)驗(yàn)曲線。
從上述實(shí)驗(yàn)曲線可以看出：當(dāng)考慮環(huán)板齒根應(yīng)變時(shí)，原型機(jī)載荷分配情況較差，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速n=800r/min，輸出轉(zhuǎn)矩T=668N·m時(shí)，載荷分配不均勻系數(shù)KP=1.314；改進(jìn)型機(jī)載荷分配情況較原型機(jī)有很大的改善，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速n=800r/min，輸出轉(zhuǎn)矩T=875N·m時(shí)，載荷分配不均勻系數(shù)KP=1.073。
從上述實(shí)驗(yàn)曲線可以看出：考慮環(huán)板頂端應(yīng)變時(shí)，原型機(jī)載荷分配情況較差，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速n=800r/min，輸出轉(zhuǎn)矩T=876N·m時(shí)，載荷分配不均勻系數(shù)KP=1.333；改進(jìn)型機(jī)載荷分配情況原型機(jī)有很大的改善，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速n=800r/min，輸出轉(zhuǎn)矩T=645N·m，載荷分配不均勻系數(shù)KP=1.077。
無(wú)論以?xún)?nèi)齒環(huán)板齒根應(yīng)變，還是以環(huán)板頂端應(yīng)變作為衡量的基礎(chǔ)，所測(cè)得的原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)的載荷分配不均勻系數(shù)KP，均說(shuō)明均載機(jī)構(gòu)部分補(bǔ)償了制造誤差，達(dá)到了均衡荷的目的。
從實(shí)驗(yàn)曲線中可以看到，采用均載機(jī)構(gòu)能夠明顯地改善三環(huán)減速機(jī)三片內(nèi)齒環(huán)板間的載荷分配情況，從而降低了三環(huán)減速機(jī)箱體的振動(dòng)，降低了傳動(dòng)噪聲，增加了傳動(dòng)平穩(wěn)性，延長(zhǎng)了減速機(jī)的使用壽命。實(shí)驗(yàn)證明：本文提出的均載機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，均載效果較好。
對(duì)于原型三環(huán)減速機(jī)，分析以上數(shù)據(jù)可得，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速n=808r/min，輸出扭矩T=668N·m時(shí)，中間環(huán)板載荷分配不均勻系數(shù)KP最大，此時(shí)有：
ε1=45.75με
ε2=44.12με
ε3=47.39με
εmax=60.13με
所以可以求得載荷分配不均勻系數(shù)：KP=1.314。
對(duì)于改進(jìn)型三環(huán)減速機(jī)，分析以上數(shù)據(jù)可得：當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速n=797r/min，輸出扭矩T=875N·m時(shí)，中間環(huán)板載荷分配不均勻系數(shù)KP最大，此時(shí)有：
ε1=53.59με
ε2=54.90με
ε3=52.29με
εmax=57.52με
所以可以求得載荷分配不均勻系數(shù)：KP=1.073。
載荷分配不均勻系數(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果基本吻合，證實(shí)了用間隙元法求解三環(huán)減速機(jī)載荷分配不均勻系數(shù)KP的正確性。
在輸入轉(zhuǎn)速n=500r／min，輸出扭矩T=875N·m工況下，應(yīng)變信號(hào)電壓隨采集信號(hào)時(shí)間變化的曲線如圖5-16所示，在這種工況下，由簡(jiǎn)單計(jì)算可以得到：內(nèi)齒環(huán)板轉(zhuǎn)動(dòng)一圈約需182ms。我們知道，在內(nèi)齒環(huán)板轉(zhuǎn)動(dòng)一圈過(guò)程中，應(yīng)變片變形即有應(yīng)變信號(hào)電壓，否則沒(méi)有應(yīng)變信號(hào)電壓，根據(jù)采用的A/D采集轉(zhuǎn)換板的精度，可以把20mV左右的電壓信號(hào)視為干擾信號(hào)。分析上圖，可以得到在貼有應(yīng)變片的輪齒附近有四個(gè)輪齒同時(shí)參與嚙合。這與用間隙元法計(jì)算得到的結(jié)果：在內(nèi)齒環(huán)板轉(zhuǎn)動(dòng)一圈過(guò)程中，有五個(gè)輪齒同時(shí)參與嚙合略有出入，主要是由于計(jì)算考慮的制造安裝誤差與實(shí)際加工的制造安裝誤差不同的緣故，計(jì)算考慮的制造安裝誤差比實(shí)際加工的制造安裝誤差要小，從而導(dǎo)致由于變形而嚙合的齒數(shù)較少。
5.4.3振動(dòng)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理
三環(huán)減速機(jī)結(jié)構(gòu)和工作原理獨(dú)特，具有諸多優(yōu)點(diǎn)。但振動(dòng)普遍較大是制約其進(jìn)一步推廣的主要問(wèn)題，尤其在重載高速下更為突出。為了解決這一問(wèn)題，已經(jīng)作了很多嘗試。本文在探究其振動(dòng)根源的基礎(chǔ)上，通過(guò)實(shí)驗(yàn)比較原型機(jī)與改進(jìn)型機(jī)的振動(dòng)，證實(shí)本文提出的彈性均載環(huán)在減振上的可行性。
正確選擇采樣參數(shù)，是能否得到理想的離散數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。采樣頻率和采樣長(zhǎng)度是兩個(gè)重要的采樣參數(shù)。采樣頻率是單位時(shí)間內(nèi)采集的離散點(diǎn)數(shù)，根據(jù)不同的信號(hào)頻率和不同的分析方法，需要選擇不同的采樣頻率。對(duì)于本文的齒輪傳動(dòng)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)，假定嚙合頻率為f′，需要分析到m次諧波（即m倍頻）,則選擇采樣頻率fs：
fs≥2.5×m×f′比較合適。當(dāng)然，這樣做的時(shí)候，應(yīng)該先將信號(hào)中大于mf′頻率分量濾掉。本文測(cè)量中選取的采樣頻率為2kHz；采樣長(zhǎng)度，是指一次從某通道采樣的離散點(diǎn)數(shù)，對(duì)于機(jī)器振動(dòng)信號(hào)，通常是每次采集2的整數(shù)次冪個(gè)點(diǎn)數(shù)，這是因?yàn)樵贔FT變換中運(yùn)算起來(lái)比較方便。本文測(cè)量中每次210=1024個(gè)點(diǎn)數(shù)。
通常用來(lái)描述振動(dòng)響應(yīng)的三個(gè)參數(shù)是位移、速度和加速度。一般情況下，低頻時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度由位移值度量；中頻時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度由速度值度量；高頻時(shí)的振動(dòng)強(qiáng)度由加速度值度量。對(duì)于大多數(shù)機(jī)器來(lái)說(shuō)，最佳參數(shù)是速度；在發(fā)電、石化行業(yè)機(jī)組振動(dòng)監(jiān)測(cè)中，相對(duì)位移參數(shù)應(yīng)用最多；對(duì)于軸承和齒輪部件的高頻振動(dòng)監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō)，加速度是最合適的監(jiān)測(cè)參數(shù)。
機(jī)器的振動(dòng)烈度定義為：在機(jī)器表面的重要位置上（例如：軸承、安裝點(diǎn)處等）沿垂向、縱向、橫向三個(gè)方向上所測(cè)得的振動(dòng)速度的最大有效值。
對(duì)于速度為V（t)=VPcosωt的簡(jiǎn)諧振動(dòng)，其振動(dòng)速度有效值用下式計(jì)算：
式中VP——振動(dòng)速度的峰值；
——簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期。
若機(jī)器的振動(dòng)系由幾個(gè)不同頻率的簡(jiǎn)諧振動(dòng)復(fù)合而成，則振動(dòng)速度有效值可由下式求得：
式中 V1rms、V2rms，…，Vnrms分別為第1，2，…，n個(gè)簡(jiǎn)諧分量的有效值。
簡(jiǎn)諧振動(dòng)的位移數(shù)學(xué)表達(dá)式為：
x（t）=Asin（ωt+φ） （5-10）
式中 A——振幅；
ω——角頻率；
φ——初始相位角。
A、ω和φ稱(chēng)為簡(jiǎn)諧振動(dòng)的三素。式（5-10）對(duì)時(shí)間t求導(dǎo)可以得到簡(jiǎn)諧振動(dòng)的速度和加速度的數(shù)學(xué)表達(dá)式：
因此，用本文的振動(dòng)信號(hào)采集系統(tǒng)，測(cè)得三環(huán)減速機(jī)各軸承座的振動(dòng)加速度的數(shù)值量a，當(dāng)在時(shí)域內(nèi)求解時(shí)，則可以應(yīng)用下式求得其在某一時(shí)刻t的振動(dòng)速度vt。
vt=a·△t （5-13）
式中 △t——振動(dòng)信號(hào)采樣時(shí)間間隔。
在頻域內(nèi)求解時(shí)，則可以應(yīng)用下式求得其在某一頻率f下的振動(dòng)速度vf。
在傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上對(duì)樣機(jī)HITSH145型三環(huán)減速機(jī)在n輸入=800r/min，T輸出=0、
、T工況下進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試與分析，其中額定輸出扭矩T=875N·m。三環(huán)減速機(jī)的振動(dòng)特征測(cè)點(diǎn)如圖5-17所示，振動(dòng)采樣軟件框圖如圖5-18所示。測(cè)點(diǎn)1和2分別測(cè)量?jī)筛患?jí)輸出二級(jí)輸入軸輸出端軸承座的振動(dòng)，測(cè)點(diǎn)3測(cè)量輸出軸軸承座的振動(dòng)，測(cè)點(diǎn)4測(cè)量箱體的上平面的振動(dòng)，測(cè)點(diǎn)5測(cè)量箱體由于傾覆力矩引起的捱國(guó)，測(cè)點(diǎn)6測(cè)量箱體的橫向振動(dòng)。實(shí)驗(yàn)采用了電荷放大器、同步A/D采集轉(zhuǎn)換卡與振動(dòng)分析軟件。圖5-19～5-24所示為在額定轉(zhuǎn)矩下，未加裝均載環(huán)的三環(huán)減速機(jī)上振動(dòng)測(cè)點(diǎn)1～6的振動(dòng)加速度，圖5-25～5-30為在額定轉(zhuǎn)矩下，加裝均載環(huán)的三環(huán)減速機(jī)上振動(dòng)測(cè)點(diǎn)1～6的振動(dòng)加速度。由圖5-19～5-30可以看出：加裝均載環(huán)后，各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度明顯減小，尤其是測(cè)點(diǎn)3（輸出軸軸承座，加裝了輸出軸均載環(huán)）的振動(dòng)加速度幾乎降為零，說(shuō)明均載效果極佳。測(cè)點(diǎn)1和2分別測(cè)量?jī)筛患?jí)輸出二級(jí)輸入軸的振動(dòng)，由2.3.7可知，OAOA′軸的激振力比OBOB′軸的大，因此得到測(cè)點(diǎn)2的加速度電壓級(jí)比測(cè)點(diǎn)1的大，這與第二章的分析一致。
在n輸入=800r/min，三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)在不同輸出扭矩下的振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)值如表5-6所示，改進(jìn)型機(jī)在不同輸出扭矩下的振動(dòng)加速度實(shí)測(cè)值如表5-7所示。三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)在額定扭矩下各軸承座的振動(dòng)速度頻譜如圖5-31～5-33所示，改進(jìn)型機(jī)在額定扭矩下各軸承座的振動(dòng)速度頻譜如圖5-34～5-36所示。三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)的各軸承座在不同工況下的振動(dòng)有效速度如表5-8所示，改進(jìn)型機(jī)的各軸承座在不同工況下的振動(dòng)有效速度如表5-9所示。
表5-6 三環(huán)減速原型機(jī)在不同輸出扭矩下的振動(dòng)加速度
輸出
扭矩T |
P1點(diǎn)加速度
（m/s2） |
P2點(diǎn)加速度
（m/s2） |
P3點(diǎn)加速度
（m/s2） |
P4點(diǎn)加速度
（m/s2） |
P5點(diǎn)加速度
（m/s2） |
P6點(diǎn)加速度
（m/s2） |
| amin |
amax |
amin |
amax |
amin |
amax |
amin |
amax |
amin |
amax |
amin |
amax |
| 34N·m |
-5.45 |
9.06 |
-6.78 |
10.5 |
-32.3 |
24.6 |
-17.4 |
25.7 |
-20.4 |
22.5 |
-3.78 |
2.94 |
| 315 N·m |
-13.9 |
13.5 |
-18.6 |
19.3 |
-48.9 |
49.2 |
-22.9 |
41.7 |
-42.2 |
47.3 |
-5.52 |
4.66 |
| 635 N·m |
-12.0 |
16.6 |
-16.7 |
21.2 |
-34.8 |
36.7 |
-32.7 |
32 |
-35.3 |
36.4 |
-8.31 |
6.81 |
| 895 N·m |
-11.1 |
10.4 |
-15.9 |
16.2 |
-29.5 |
26.6 |
-43.8 |
35 |
-29.6 |
29.7 |
-10.5 |
8.69 |
表5-7 三環(huán)減速原型機(jī)在不同輸出扭矩下的振動(dòng)加速度
輸出
扭矩T |
P1點(diǎn)加速度
（m/s2） |
P2點(diǎn)加速度
（m/s2） |
P3點(diǎn)加速度
（m/s2） |
P4點(diǎn)加速度
（m/s2） |
P5點(diǎn)加速度
（m/s2） |
P6點(diǎn)加速度
（m/s2） |
| amin |
amax |
amin |
amax |
amin |
amax |
amin |
amax |
amin |
amax |
amin |
amax |
| 20N·m |
-1.68 |
3.81 |
-2.17 |
5.22 |
-1.23 |
1.75 |
-10.2 |
10.9 |
-11.1 |
15.2 |
-1.56 |
1.38 |
| 330 N·m |
-4.62 |
5.89 |
-6.20 |
7.46 |
-1.89 |
2.45 |
-14.4 |
19.9 |
-25 |
25.4 |
-2.48 |
316 |
| 628 N·m |
-10.5 |
8.69 |
-11.2 |
9.26 |
-2.35 |
2.86 |
-22.1 |
18.4 |
-24 |
28.9 |
-3.92 |
4.85 |
| 908 N·m |
-5.91 |
10.2 |
-12.8 |
10.4 |
-2.88 |
3.35 |
-27.3 |
23.3 |
-25.5 |
26.6 |
-4.79 |
6.54 |
表5-8 三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)軸承座振動(dòng)有效速度
| 工況 |
測(cè)點(diǎn)No. |
| 軸承座測(cè)點(diǎn)P1(mm/s) |
軸承座測(cè)點(diǎn)P2(mm/s) |
軸承座測(cè)點(diǎn)P3(mm/s) |
| T輸出=34N·m |
3.20 |
3.71 |
8.69 |
| T輸出=895N·m |
3.68 |
5.73 |
9.40 |
表5-9 三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)軸承座振動(dòng)有效速度
| 工況 |
測(cè)點(diǎn)No. |
| 軸承座測(cè)點(diǎn)P1(mm/s) |
軸承座測(cè)點(diǎn)P2(mm/s) |
軸承座測(cè)點(diǎn)P3(mm/s) |
| T輸出=20N·m |
1.35 |
1.85 |
0.62 |
| T輸出=908N·m |
3.61 |
3.68 |
1.19 |
由表5-8、5-9可得：隨著輸出扭矩的增加，三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)的軸承座振動(dòng)有效速度增加，也就是說(shuō)，隨著載荷的增大，各軸承座的激振力也增大。在相同的傳動(dòng)條件下，三環(huán)減速機(jī)改進(jìn)型機(jī)軸承座振動(dòng)有效速度比原型機(jī)的小，均載環(huán)減振效果明顯。
5.4.4噪聲測(cè)量
噪聲是衡量機(jī)器傳動(dòng)性能的重要指標(biāo)，本文實(shí)驗(yàn)中使用精密聲級(jí)計(jì)測(cè)量三環(huán)減速機(jī)工作時(shí)的噪聲。首先測(cè)量本底噪聲，約為48dB，如果輸出端轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，本底噪聲約為63dB。其次測(cè)量空載時(shí)的噪聲，由于所使用的增速機(jī)噪聲太大，因此在測(cè)量前卸掉增速機(jī)。當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速n=515r/min時(shí)，約為74dB；當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速n=1000r/min時(shí)，約為82.8dB；當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速n=1500r/min時(shí)，約為86.5dB；再次測(cè)量聯(lián)接上增速機(jī)且加載情況的噪聲，當(dāng)輸入轉(zhuǎn)速n=12O0r/min時(shí)，輸出扭矩T=875Nm時(shí)，約為96dB，此項(xiàng)噪聲較大，主要是由于增速機(jī)精度太低而影響的。
根據(jù)傳動(dòng)機(jī)械的衡量標(biāo)準(zhǔn)，三環(huán)減速機(jī)的噪聲符合標(biāo)準(zhǔn)要求。
5.5本章小結(jié)
本章對(duì)提出的三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)（未加裝均載環(huán)）和改進(jìn)型機(jī)（加裝均載環(huán)）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。
對(duì)三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)進(jìn)行效率實(shí)驗(yàn)，在相同的傳動(dòng)條件下，改進(jìn)型機(jī)的效率略高于原型機(jī)，在額定轉(zhuǎn)速和額定轉(zhuǎn)矩下，傳動(dòng)效率可達(dá)92％。
對(duì)三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)的環(huán)板齒根彎曲應(yīng)力和環(huán)板薄弱部位應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)行載荷均衡實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明改進(jìn)型機(jī)具有很好的均載效果，實(shí)驗(yàn)還驗(yàn)證了載荷分配不均勻系數(shù)KP的理論計(jì)算方法的正確性及實(shí)際多少對(duì)齒嚙合問(wèn)題。
對(duì)三環(huán)減速機(jī)原型機(jī)和改進(jìn)型機(jī)的特征振動(dòng)點(diǎn)進(jìn)行振動(dòng)測(cè)量，結(jié)果表明彈性均載環(huán)具有良好的減振效果。
對(duì)三環(huán)減速機(jī)改進(jìn)型機(jī)進(jìn)行噪聲測(cè)量，結(jié)果表明本文提出的三環(huán)減速機(jī)樣機(jī)HITSH145符合相關(guān)傳動(dòng)機(jī)械噪聲標(biāo)準(zhǔn)要求。
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