CN104006966B - 载荷对齿轮轴系振动和齿轮箱体振动相互耦合影响规律的实验装置及验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供载荷对齿轮轴系振动和齿轮箱体振动相互耦合影响规律的实验装置及验证方法，包括基座、输入轴、输出轴、电机、齿轮箱组件和可调扭矩发电机负载系统，齿轮箱组件包括齿轮箱体和啮合齿对，啮合齿对设置在齿轮箱体里，可调扭矩发电机负载系统包括相连的发电机负载和可调负载控制箱，输入轴连接啮合齿对的第一齿，输出轴连接啮合齿对的第二齿，电机连接输入轴，发电机负载连接输出轴，输入轴上安装第一联轴器，在发电机负载和齿轮箱体之间的输出轴上安装扭矩传感器，在扭矩传感器和齿轮箱体之间的输出轴上安装第二联轴器，在扭矩传感器和发电机负载之间的输出轴上安装第三联轴器。本发明对保证轴系安全正常运转具有重要的意义。

Description

载荷对齿轮轴系振动和齿轮箱体振动相互耦合影响规律的实验装置及验证方法

技术领域

本发明涉及的是一种振动耦合实验装置及验证方法。

背景技术

针对外部负载对齿轮轴系振动情况的研究问题进行文献查阅结果为，只有一篇文献研究了这一相关问题：李涛涛，李崚湾，张争艳2013年在机械设计第30卷第8期上发表文章《同步双驱动多级混合齿轮减速器的刚体动力学研究》，文中引入轮齿间库伦摩擦力、支撑轴承及箱体的支撑刚度等内部激励因素，以及电动机、联轴器及负载波动等外部激励，建立了内部激励及外部激励共同扰动下的单级齿轮系统刚体啮合耦合振动分析数学模型，但是缺少实验研究。

针对齿轮-转子-轴承系统试验台架的文献检索结果为只有一篇，张锁怀2002年在机械科学与技术第21卷第6期发表《齿轮-转子-轴承系统的动力特性试验研究》的文章，搭建具有不对中和质量不平衡的齿轮-转子-轴承系统试验台，可实现改变系统转速、速比和齿轮位置，发电机起到给从动轴施加负载的作用，通过改变外接于发电机电枢上的电阻箱的阻值来改变负载的大小。该试验研究实现的研究内容为由于齿轮副的存在，系统中某个转子上的不平衡量会导致系统中每一个转子产生同频振动，通过测试轴系测点横向和垂向两个弯振方向的振动位移响应来评价转子的振动情况，但是并没有涉及到外部激励对轴系振动的影响情况研究的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种载荷对齿轮轴系振动和齿轮箱体振动相互耦合影响规律的实验装置及验证方法。

本发明的目的是这样实现的：

本发明载荷对齿轮轴系振动和齿轮箱体振动相互耦合影响规律的实验装置，其特征是：包括基座、输入轴、输出轴以及安装在基座上的电机、齿轮箱组件和可调扭矩发电机负载系统，齿轮箱组件包括齿轮箱体和啮合齿对，啮合齿对设置在齿轮箱体里，可调扭矩发电机负载系统包括相连的发电机负载和可调负载控制箱，输入轴连接啮合齿对的第一齿，输出轴连接啮合齿对的第二齿，电机连接输入轴，发电机负载连接输出轴，在电机和齿轮箱体之间的输入轴上安装第一联轴器，在发电机负载和齿轮箱体之间的输出轴上安装扭矩传感器，在扭矩传感器和齿轮箱体之间的输出轴上安装第二联轴器，在扭矩传感器和发电机负载之间的输出轴上安装第三联轴器。

本发明载荷对齿轮轴系振动和齿轮箱体振动相互耦合影响规律的实验装置还可以包括：

1、还包括变频器、第一-第六加速度传感器、第一-第五电涡流传感器、磁电传感器，变频器连接电机，第一-第六加速度传感器均匀布置在基座上，在输入轴、输出轴、第三联轴器上分别设置测点，第一-第二电涡流传感器分别安装在输入轴测点处的横向和垂向，第三-第四电涡流传感器分别安装在输出轴测点处的横向和垂向，第五电涡流传感器安装在第三联轴器测点处的轴向，磁电传感器安装在齿轮箱体上。

本发明载荷对齿轮轴系振动和齿轮箱体振动相互耦合影响规律的验证方法，其特征是：采用如下实验装置：包括基座、输入轴、输出轴、变频器、第一-第六加速度传感器、第一-第五电涡流传感器、磁电传感器以及安装在基座上的电机、齿轮箱组件和可调扭矩发电机负载系统，齿轮箱组件包括齿轮箱体和啮合齿对，啮合齿对设置在齿轮箱体里，可调扭矩发电机负载系统包括相连的发电机负载和可调负载控制箱，输入轴连接啮合齿对的第一齿，输出轴连接啮合齿对的第二齿，电机连接输入轴，发电机负载连接输出轴，在电机和齿轮箱体之间的输入轴上安装第一联轴器，在发电机负载和齿轮箱体之间的输出轴上安装扭矩传感器，在扭矩传感器和齿轮箱体之间的输出轴上安装第二联轴器，在扭矩传感器和发电机负载之间的输出轴上安装第三联轴器；变频器连接电机，第一-第六加速度传感器均匀布置在基座上，在输入轴、输出轴、第三联轴器上分别设置测点，第一-第二电涡流传感器分别安装在输入轴测点处的横向和垂向，第三-第四电涡流传感器分别安装在输出轴测点处的横向和垂向，第五电涡流传感器安装在第三联轴器测点处的轴向，磁电传感器安装在齿轮箱体上；

(1)通过敲击法测齿轮箱体振动的固有频率：将第一-第六加速度传感器采集到的时域振动信号经傅里叶分析得到频域曲线，频域曲线的峰值频率为固有频率；

(2)空载工况下，测量由输入轴12、输出轴15组成的轴系的扭转振动、回旋振动、纵向振动的固有频率：在电机3转速为50r/min-2000r/min的范围内进行一组连续升降速测试，把采集到的扭转振动、回旋振动、纵向振动的时域振动信号经傅里叶分析得到幅频曲线，经谐次分析法分别得到扭转振动、回旋振动、纵向振动的固有频率；

(3)负载工况下，测量齿轮箱体振动响应，即加速度时域信号：调整变频器4驱动轴系在电机3的额定转速下运转，打开可调负载控制箱17，改变N次发电机负载16的幅值、频率，做N组测试，N取值范围40～60；

发电机负载信号是设定幅值、频率下的正弦时域信号，将发电机负载信号和齿轮箱体的加速度时域信号经傅里叶分析得到相应负载频域信号和齿轮箱体加速度频域信号，二者频域信号做相干性分析，得到相干性曲线，相干性系数位于(90％～1)的区间内的频段是受外部负载信号控制的频段，比较N组不同负载作用下，齿轮箱体加速度频域信号中，受外部负载信号控制的频段的峰值频率和峰值频率对应的幅值，总结负载对齿轮箱体振动影响规律，包括：峰值频率对应的幅值随负载信号幅值的增大的变化情况、峰值频率与外部负载频率是否一致、是否有衍生出其他频率以及衍生出的其他频率与齿轮副啮合速比的关系；

对比齿轮箱体加速度频域信号中的峰值频率与步骤(1)、(2)中得到的齿轮箱体振动的固有频率、轴系的扭转振动、回旋振动、纵向振动的固有频率，峰值频率中含有的某向振动固有频率数值的个数体现了齿轮箱体振动与轴系该向振动的耦合程度，比较N组不同负载作用下，齿轮箱体振动与轴系各向振动的耦合程度，总结负载对齿轮箱体振动与轴系振动耦合的影响规律，包括：峰值频率中含有的齿轮箱体振动的固有频率、轴系的扭转振动、回旋振动、纵向振动的固有频率的振动固有频率数值的个数开始大于等于1时的负载的幅值、频率的范围，以及频率在哪一频段内，齿轮箱体振动与轴系扭转振动、回旋振动、纵向振动振动耦合程度出现最大或最小。

本发明的优势在于：

1、本发明外部交变负载信号、轴系振动信号、箱体振动信号同时进行测量分析。用电涡流传感器测量轴系回旋振动及轴心轨迹、纵向振动，用磁电传感器测量轴系扭转振动，用加速度传感器测量齿轮箱体振动，同时采集轴系完整振动信号以及外加载荷信号，解决外部载荷对轴系振动影响的问题。

2、可控可测的外部交变负载。采用电机驱动齿轮轴系，采用可调负载发电机作为齿轮轴系的负载，该发电机可在控制箱控制下产生不同频率及幅值的波动扭矩的，实现外部负载激励的可控，输出的波动扭矩再通过膜片联轴器传递给待测齿轮轴系。

附图说明

图1为本发明实验装置的结构示意图；

图2为本发明的齿轮箱组件结构图；

图3为本发明的可调扭矩发电机负载系统；

图4a为齿轮盖结构示意图a，图4b为齿轮盖结构示意图b，图4c为齿轮盖结构示意图c；

图5为本发明实验装置的俯视图；

图6为本发明验证方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：

结合图1～6，本发明实验装置包括T形槽基座1，过渡板2，电机3，变频器4，高弹联轴器5，齿轮箱组件6，膜片联轴器7、9，扭矩传感器8，可调扭矩电机负载系统10。齿轮箱组件如图2所示，包括齿轮箱11、输入轴12，滚动轴承13，啮合齿对14，输出轴15。可调扭矩电机负载系统9具体包括发电机16，可调负载控制箱17。装置传感器布置如图5所示，A1～A6为加速度传感器，DX、DY、DZ为五个电涡流传感器，C1为磁电传感器。

1)系统各部件都安装在T形槽基座上，并用螺栓固定，为保持轴系的水平并对中，除要求T形槽基座表面较高的平面度外，各部件用螺栓通过不同厚度的过渡板固定在基座上。2)齿轮箱组件的安装，箱盖开孔，安装磁电传感器；由于平键长度大于齿轮宽度，齿对可在轴上串动，实现改变轴系固有特性及方便实现脱齿工况，因此啮合齿对用平键和径向销钉固定在轴上合适位置。

布置测点，安装传感器。在齿轮箱箱盖上安装磁电传感器，通过采集转速信号测试轴系扭转振动响应；在系统T形槽基座上布置加速度传感器，用于测量基座的机脚振动响应；在轴上布置测点，用电涡流传感器测试轴系的回旋振动。传感器以及测点布置见图5所示，A1～A6为在T形槽基座上均布的加速度传感器，传感器布置方向要一致，DX、DY、DZ为五个电涡流传感器，其中DX1、DY1是放置在主动轴测点处的横向和垂向的两个电涡流传感器，DX2、DY2是放置在从动轴测点处的横向和垂向的两个电涡流传感器，DZ是放在联轴器法兰盘面测点处的轴向的电涡流传感器，C1为磁电传感器。A1～A6测量齿轮箱体振动响应，DX1、DY1、DX2、DY2测量轴系回旋振动，DZ测量轴系纵向振动，C1测量轴系扭转振动。

分析与实验过程：

1、根据图5布置测点、安装传感器，做好实验前准备。

2、敲击法测齿轮箱体振动的固有频率：将A1～A6加速度传感器采集到的时域振动信号经傅里叶分析得到频域曲线，频域曲线的峰值频率为固有频率。

3、空载工况下，测量由输入轴12、输出轴15组成的轴系的扭转振动、回旋振动、纵向振动的固有频率：在电机3的转速为50r/min-2000r/min范围内(转速范围不固定，最大转速根据结构安全性以及需要分析的频带长度设定)进行一组连续升降速测试。把采集到的扭转振动、回旋振动、纵向振动的时域振动信号经傅里叶分析得到幅频曲线，经谐次分析法分别得到扭转振动、回旋振动、纵向振动的固有频率。

4、负载工况下，测量齿轮箱体振动响应，即加速度时域信号：调整变频器4驱动轴系在电机的额定转速下运转，打开可调负载控制箱17，改变N次发电机负载16的幅值、频率，做N组测试。N取值范围40～60(根据所需要分析的频带长度以及分析精度所要求的步长决定)。

负载信号是设定幅值、频率下的正弦时域信号，将发电机负载信号和齿轮箱体的加速度时域信号经傅里叶分析得到相应负载频域信号和齿轮箱体加速度频域信号，二者频域信号做相干性分析，得到相干性曲线，相干性系数位于(90％～1)的区间内的频段是受外部负载信号控制的频段。比较N组不同负载作用下，齿轮箱体加速度频域信号中，受外部负载信号控制的频段的峰值频率和峰值频率对应的幅值，总结外部负载对齿轮箱体振动影响规律，如：峰值频率对应的幅值随负载信号幅值的增大的变化情况、峰值频率与外部负载频率是否一致、是否有衍生出其他频率以及衍生出的其他频率与齿轮副啮合速比的关系等。

对比齿轮箱体加速度频域信号中的峰值频率与2、3中得到的齿轮箱体振动的固有频率、轴系的扭转振动、回旋振动、纵向振动的固有频率，峰值频率中含有的某向振动固有频率数值的个数体现了齿轮箱体振动与轴系该向振动的耦合程度。比较N组不同负载作用下，齿轮箱体振动与轴系各向振动的耦合程度，总结外部负载对齿轮箱体振动与轴系振动耦合的影响规律，如：峰值频率中含有的齿轮箱体振动的固有频率、轴系的扭转振动、回旋振动、纵向振动的固有频率的振动固有频率数值的个数开始大于等于1时的外部负载的幅值、频率的范围，以及频率在哪一频段内，齿轮箱体振动与轴系扭转振动、回旋振动、纵向振动振动耦合程度出现最大或最小等。

实验方法流程如图6所示。

该实验方法的突出在于对轴系扭转振动、纵向振动、回旋振动、齿轮箱体振动以及外部交变负载信号同时基采集，对系统整体振动情况包括扭振、纵振、回旋振动、箱体振动综合考虑分析，由此得到外部负载对系统的振动影响规律。

Claims (1)

1.载荷对齿轮轴系振动和齿轮箱体振动相互耦合影响规律的验证方法，其特征是：采用如下实验装置：包括基座、输入轴、输出轴、变频器、第一-第六加速度传感器、第一-第五电涡流传感器、磁电传感器以及安装在基座上的电机、齿轮箱组件和可调扭矩发电机负载系统，齿轮箱组件包括齿轮箱体和啮合齿对，啮合齿对设置在齿轮箱体里，可调扭矩发电机负载系统包括相连的发电机负载和可调负载控制箱，输入轴连接啮合齿对的第一齿，输出轴连接啮合齿对的第二齿，电机连接输入轴，发电机负载连接输出轴，在电机和齿轮箱体之间的输入轴上安装第一联轴器，在发电机负载和齿轮箱体之间的输出轴上安装扭矩传感器，在扭矩传感器和齿轮箱体之间的输出轴上安装第二联轴器，在扭矩传感器和发电机负载之间的输出轴上安装第三联轴器；变频器连接电机，第一-第六加速度传感器均匀布置在基座上，在输入轴、输出轴、第三联轴器上分别设置测点，第一-第二电涡流传感器分别安装在输入轴测点处的横向和垂向，第三-第四电涡流传感器分别安装在输出轴测点处的横向和垂向，第五电涡流传感器安装在第三联轴器测点处的轴向，磁电传感器安装在齿轮箱体上；

(1)通过敲击法测齿轮箱体振动的固有频率：将第一-第六加速度传感器采集到的时域振动信号经傅里叶分析得到频域曲线，频域曲线的峰值频率为固有频率；

(2)空载工况下，测量由输入轴(12)、输出轴(15)组成的轴系的扭转振动、回旋振动、纵向振动的固有频率：在电机(3)转速为50r/min-2000r/min的范围内进行一组连续升降速测试，把采集到的扭转振动、回旋振动、纵向振动的时域振动信号经傅里叶分析得到幅频曲线，经谐次分析法分别得到扭转振动、回旋振动、纵向振动的固有频率；

(3)负载工况下，测量齿轮箱体振动响应，即加速度时域信号：调整变频器(4)驱动轴系在电机(3)的额定转速下运转，打开可调负载控制箱(17)，改变N次发电机负载(16)的幅值、频率，做N组测试，N取值范围40～60；

发电机负载信号是设定幅值、频率下的正弦时域信号，将发电机负载信号和齿轮箱体的加速度时域信号经傅里叶分析得到相应负载频域信号和齿轮箱体加速度频域信号，二者频域信号做相干性分析，得到相干性曲线，相干性系数位于90％～1的区间内的频段是受外部负载信号控制的频段，比较N组不同负载作用下，齿轮箱体加速度频域信号中，受外部负载信号控制的频段的峰值频率和峰值频率对应的幅值，总结负载对齿轮箱体振动影响规律，包括：峰值频率对应的幅值随负载信号幅值的增大的变化情况、峰值频率与外部负载频率是否一致、是否有衍生出其他频率以及衍生出的其他频率与齿轮副啮合速比的关系；

对比齿轮箱体加速度频域信号中的峰值频率与步骤(1)、(2)中得到的齿轮箱体振动的固有频率、轴系的扭转振动、回旋振动、纵向振动的固有频率，峰值频率中含有的某向振动固有频率数值的个数体现了齿轮箱体振动与轴系该向振动的耦合程度，比较N组不同负载作用下，齿轮箱体振动与轴系各向振动的耦合程度，总结负载对齿轮箱体振动与轴系振动耦合的影响规律，包括：峰值频率中含有的齿轮箱体振动的固有频率、轴系的扭转振动、回旋振动、纵向振动的固有频率的振动固有频率数值的个数开始大于等于1时的负载的幅值、频率的范围，以及频率在哪一频段内，齿轮箱体振动与轴系扭转振动、回旋振动、纵向振动振动耦合程度出现最大或最小。