CN111562106A - 一种基于cfrp传动轴的可控变载齿轮试验台 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种基于CFRP传动轴的可控变载齿轮试验台，试验台主要包括CFRP弹性轴，刚性轴，加载联轴器，磁粉制动器，待测齿轮箱，配对齿轮箱，蠕动泵油液循环装置，带传动和辅助固定装置，嵌入式工控一体机。在重载高速试验条件下，试验台基于CFRP传动轴耦合机械恒定加载和磁粉制动器特性实现对待测齿轮可控加载。非金属材料CFRP传动轴缓冲吸震兼并磁粉制动器传递、制动扭矩的工作特性，最大限度减少实验的干扰因素。试验台采用蠕动泵循环装置实现不同时间段不停机均匀油样采集检测。试验台通过嵌入式一体机调节电机转速和磁粉制动器励磁电流等参数，建立励磁电流‑齿轮受载的函数关系。上述创新方法可提高实验数据的准确性，便于获取齿轮健康状态信息。

Description

一种基于CFRP传动轴的可控变载齿轮试验台

技术领域

本发明属于齿轮状态检测试验台技术领域，具体通过基于CFRP传动轴传递转矩建立加载载荷与待测齿轮箱受载的线性对应关系，磁粉制动器实现可控性的干预，试验台达到精确的可控连续变载的目的，并利用蠕动泵使待测齿轮箱的油液形成循环，实验齿轮箱达到均匀润滑和防止磨损粒子沉积的目的，基于油液实时监测技术可准确获取齿轮箱的健康状态数据，研究载荷特征对齿轮健康运行的影响关系。

背景技术

齿轮传动是指利用相啮合的齿轮副传递运动和动力，在现代工业装备中，齿轮因具有传动准确，效率高，传动能力强，寿命长等优点，被广泛应用于现代工业装备和交通领域，另一方面，CFRP复合材料优越性能在各行业倍受欢迎，应用于高性能汽车，航空飞机制造业领域，因它具有质量轻，抗疲劳性能好，尤其在传动轴制作行业，其比强度、比模量和抗疲劳性能比金属材料优越而被广泛使用，并且在工程试验领域应用材料的首选。在准确检测啮合齿轮受载能力和健康演变过程中，为尽可能减少无关变量对实验数据的影响，更为准确的监测出不同载荷特征，对齿轮工作健康状态的影响，特别是在复杂机器中的齿轮传动系统维护困难的重要场合，齿轮的健康状态直接影响工业的安全生产和大型机组的工作连续性，所以亟需通过实验的方式，掌握不同载荷下齿轮的使用性能。由于金属材料残余变形对后续加载过程的使用性能影响是十分复杂的，所以必须通过建立更为准确载荷函数关系监测不同载荷下齿轮运行健康状态，因此，发明一种基于CFRP传动轴的可控变载齿轮试验台显得尤为重要，对不同载荷特征下齿轮的健康演变过程研究具有重要价值。

目前，齿轮监测的试验台有多种形式，常用的齿轮试验台类型有德国的FZG试验台和美国的NASA试验台，但试验此类台应用的弹性轴采用金属材料，金属材料作为弹性轴需要经过繁琐的热处理，一方面金属材料弹性轴质量大，在高速重载实验条件下，电机和齿轮箱会产生很大冲击，金属材料的转动惯量大，抗冲击吸振能力差的方面就凸现出来，另一方面，金属材料的弹性轴在重载条件下，金属晶粒之间的位移变化使之存在残余变形应力，相反，采用CFRP复合材料质量轻，韧性好、抗冲击吸振性能优越。磁粉制动器在机械的测功加载和制动方面性能作用越来越突出，为实现更为可控精确的加载方式，在以往机械加载的基础上，增设磁粉制动器加载方式，实现运转过程中的变载，同时起到缓冲减震的作用，尽可能控制无关变量，提高数据准确性。

发明内容

本发明通过改善试验台加载方式实现齿轮箱健康状态的准确检测，由于金属弹性中间轴在高速重载条件下，传动轴会产生残余变形和变形后增加动不平衡，因此，为避免较大的载荷累积误差和材料浪费，需要选取一种性能更为优越的线弹性轴重新建立加载载荷与轴变形的对应函数关系，本发明采用质量轻的非金属材料CFRP，通过合理设置碳纤维的铺设角度，厚度，顺序及对称性参数，可传递满足实验要求的转矩，减缓冲击，减少载荷衰减。试验台通过嵌入式工控一体机调节电机转速和磁粉制动器的励磁电流（电机转速不得超过磁粉制动器的许用转速），试验台既能在加载联轴器机械加载的基础上利用磁粉制动器连接时的圆滑特性及产生安定的转矩来进行可控的变载加载，又可实现与CFRP传动轴配合在电机启动和变速过程中缓冲击，两种装置的双可控变载双缓冲减震缓冲确保试验台达到平顺的连续及驱动状态。应用油液循环润滑与采样系统实现待测齿轮箱的磨损状态监测过程的均匀采样，消除无关变量，达到对待测齿轮箱健康状态的准确科学评测，既能保证实验过程的安全性，又能实现对不同时间段和一定范围内载荷变化的齿轮磨损状态的准确监测。

本发明公开的一种基于CFRP传动轴的可控变载齿轮试验台，其特征在于：所述机械系统包括传动及辅助装置、加载装置、试验装置、驱动装置、蠕动泵油液循环装置和监测控制装置；所述传动及辅助装置包括：CFRP传动轴[9]、刚性轴[6]、鼓形齿式联轴器[10]、配套的半联轴器[13]、刚性联轴器[14]、固定辅助装置[7]；所述加载装置包括：差分加载联轴器[8]和磁粉制动器[16]；所述试验装置包括：待测齿轮箱[2]、配对齿轮箱[11]；所述驱动装置包括：电动机[3]、平带[4]和带轮[5]；所述蠕动泵油液循环装置：蠕动泵[12]，橡胶软管[1]；所述监测控制装置包括：嵌入式工控一体机[17]。

所述机构的工作原理如下：安装CFRP传动轴，使得传动轴两末端均布6孔的联轴器通过螺栓螺母与另两个半联轴器通过平键再与试验齿轮箱和辅助齿轮箱相连，加载时，对差分加载联轴器进行试验测试加载，通过加载扳手卡在两加载联轴器凹槽中，根据实验要求梯度加载，每当一分度刻度重合便有两个半加载联轴器上的两对铰制孔重合，在对齐的两对孔中插入铰制孔螺栓，拧紧螺母，撤掉加载扳手，实现机械加载（加载扭矩与CFRP传动轴变形量相对应，加载联轴器施加的载荷通过CFRP轴始终传动扭矩作用在试验齿轮啮合处）。磁粉制动器与配对齿轮箱轴Ⅲ通过刚性联轴器联接，在一定范围内磁粉制动器产生的转矩与激励电流呈线性关系，可以实现传递变载转矩和缓冲启动。嵌入式工控一体机，控制磁力励磁电流大小和电机速度，根据实验标定数据建立励磁电流与齿轮受载函数关系，蠕动泵油液循环装置进行油液闭式环路循环，在不同时间段提取油样，同时随时实现不停机不拆卸取油样换油工作，减少换油取油样过程中杂质问题的影响，更好的体现安全性和环保作用，基于油样质量和磨粒特征检测评估齿轮啮合健康状态。

本发明的创新点是：一种基于CFRP传动轴的可控变载齿轮试验台，利用非金属材料传动轴CFRP较金属材料传动轴的动态优越性能，极小化CFRP传动轴变形后转动惯量，同时电动机和齿轮啮合会产生冲击，而CFRP材料的吸振缓振比金属材料弹性轴更为优越。在一定范围内，根据磁粉制动器在激励电流作用下的连续制动特性产生安定的转矩，试验台在加载联轴器恒定机械加载的基础上利用磁粉制动器输出可调整扭矩，进行可控变载加载实验，两种装置的双可控加载方式，且具有减震缓冲特征，能够确保试验台达到平顺的连续制动状态，两个齿轮箱同为一级斜齿轮传动，利于建立励磁电流和载荷之间的函数关系，结合蠕动泵灵活的油液循环装置，实现不停机拆卸换油取样工，避免停机过程中对齿轮工作过程的状态特征的影响，获取更加准确有效的齿轮摩擦磨损监测数据，从而为齿轮摩擦学状态研究和寿命预测提供更加科学的实验数据。

附图说明

图1是本发明总体三维结构示意图。

图2是配对齿轮箱示意图。

图3是CFRP传动轴机构示意图。

图中：1、橡胶管；2、待测齿轮箱；3、电动机；4、平带；5、带轮；6、刚性轴；7、固定辅助装置；8、差分加载联轴器；9、CFRP传动轴；10、鼓式齿形联轴器；11、配对齿轮箱；12、蠕动泵；13、配套的半联轴器；14、刚性联轴器；15、试验台台架；16、磁粉制动器；17、嵌入式工控一体机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述。

参见图1是发明总体三维结构示意图：驱动电机[3]通过带传动[4]和[5]与刚性轴[6]相连，刚性轴的一端连接加载联轴器[8]，再与待测齿轮箱[2]相连，另一端通过鼓形齿式联轴器[10]与配对齿轮箱[11]的轴Ⅱ相接（可参见图2）；配对齿轮箱的轴Ⅲ通过平键及刚性联轴器[14]与磁粉制动器[16]联接；配对齿轮箱轴Ⅰ通过平键及配套的半联轴器[13]与CFRP传动轴[9]的一端相连，CFRP传动轴的另一端同样通过配套的半联轴器与待测齿轮箱连接（CFRP传动轴[9]与配对的半联轴器[13]外圈均布6个孔对齐，通过与连接差分加载联轴器同参数的螺栓螺母来连接安装，减少工序流程，可参见图3）形成稳定可靠的基于CFRP传动轴的可控变载齿轮试验台。然后对差分加载联轴器[8]进行加载，同样用螺栓螺母进行连接，通过嵌入式工控一体机[17]调节电动机[3]的转速和磁粉制动器[16]的激磁电流大小，将蠕动泵[12]与橡胶软管[1]连接合理放置到待测齿轮箱中，实现闭式循环供油的润滑方式，便于实时油样采集，用于齿轮状态数据的后处理健康评估。

Claims (3)

1.本发明公开的一种基于CFRP传动轴的可控变载齿轮试验台，其特征在于：所述机械系统包括传动及辅助装置、加载装置、试验装置、驱动装置、蠕动泵油液循环装置和监测控制装置；所述传动及辅助装置包括：CFRP传动轴[9]、刚性轴[6]、鼓形齿式联轴器[10]、半联轴器[13]、刚性联轴器[14]、固定辅助装置[7]；所述加载装置包括：差分加载联轴器[8]和磁粉制动器[16]；所述试验装置包括：待测齿轮箱[2]、配对齿轮箱[11]；所述驱动装置包括：电动机[3]、平带[4]和带轮[5]；所述蠕动泵油液循环装置：蠕动泵[12]，橡胶软管[1]；所述监测控制装置包括：嵌入式工控一体机[17]。

2.根据权利要求1所述的一种基于CFRP传动轴的可控变载齿轮试验台，其特征在于：驱动电机[3]通过平带[4]和带轮[5]与刚性轴[6]相连，刚性轴的一端接差分加载联轴器[8]，再与待测齿轮箱[2]相连，另一端通过鼓形齿式联轴器[10]与配对齿轮箱[11]的轴II相接；配对齿轮箱的轴III通过平键及刚性联轴器[14]与磁粉制动器联接；轴I再通过平键及配套的半联轴器[13]与CFRP传动轴[9]的一端相连，CFRP传动轴的另一端同样通过配套的半联轴器与待测齿轮箱连接，形成稳定可靠的开环机械系统，建立实验加载与齿轮受载函数关系；将蠕动泵[12]与橡胶软管[1]连接放置到待测齿轮箱上部开口中，实现不停机实时取样和闭式循环供油的润滑方式。

3.根据权利要求1所述的一种基于CFRP传动轴的可控变载齿轮试验台，其特征在于：所述CFRP传动轴选用碳纤维/环氧树脂复合材料圆管，通过选择合理的CFRP铺设厚度和角度等重要参数，材料为线弹性材料且韧性好，在加载载荷作用下，CFRP传动轴与外圈均布6孔的刚性联轴器进行合理工艺进行结合，在保证合理安全实验前提下，根据扭矩与空心轴半径的函数关系，空心轴的直径在满足最大应力要求下设置在5±0.5cm，确保试验台合理装配；试验台通过嵌入式一体机调节电机转速和磁粉制动器励磁电流等参数，建立励磁电流-载荷函数关系（载荷变化只与制动器的励磁电流大小和差分加载联轴器固定加载大小有关，与转速无关，转速与实验齿轮的疲劳寿命有关，调节转速为缩短实验周期）；非金属材料的CFRP传动轴在传动过程可以吸收试验台运转带来的冲击和振动；在电机启动初始阶段，试验台利用磁粉制动器的圆滑连接特性并通过产生安定转矩达到缓冲起动；试验台通过加载联轴器产生的恒定机械加载的基础上，根据实验许用转速选择合适参数的磁粉制动器，磁粉制动器可以调整励磁电流大小产生一定范围内的可控输出扭矩，两种装置的双可控变载双缓冲减震方式确保试验台达到平顺的连续及驱动状态，优化待测齿轮箱健康监测状态。

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