CN112557025B

CN112557025B - 一种模拟多工况环境的行星齿轮试验台架及工作方法

Info

Publication number: CN112557025B
Application number: CN202011416604.6A
Authority: CN
Inventors: 李振; 张执南; 尹念; 何可; 陈实; 邢璐
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2020-12-07
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2022-09-13
Anticipated expiration: 2040-12-07
Also published as: CN112557025A

Abstract

本发明公开了一种模拟多工况环境的行星齿轮台架，其特征在于：包括动力单元、负载单元、试验箱单元、盐雾单元、控温单元、油液单元和控制与显示单元组成；其中，将行星齿轮安装在封闭的试验箱单元内，由动力单元驱动行星齿轮机构后，其行星齿轮机构的输出与负载单元结合后产生负载，根据不同模拟状态，由控制与显示单元来开启或关闭盐雾单元、控温单元和油液单元。该台架可以实现不同温度的干摩擦服役工况和不同温度的润滑油服役工况及盐雾服役工况下测试需求，同时通过对其运动状态实时监控，可获得行星齿轮机构在不同工况下的损伤演变过程。

Description

一种模拟多工况环境的行星齿轮试验台架及工作方法

技术领域：

本发明涉及一种行星齿轮机构的技术领域，尤其涉及一种模拟多工况环境的行星齿轮机构试验台架及其工作方法。

背景技术：

行星齿轮传动是传递动力、改变传动比最为常用的传动方案之一，因其输入与输出轴共线，且具有承载能力大、大传动比等优点被广泛应用于风电、船舶、汽车行业中的减速器、变速装置等装置上。

又由于行星齿轮多处于恶劣的变载荷(风电齿轮箱)、高低温、盐雾(船舶齿轮)等工况环境中，因长时间运行，其齿与齿之间容易发生磨损、点蚀、胶合、裂纹等损伤行为。

上述损伤行为不仅影响行星齿轮的传动效率，严重时将造成设备失效，且其工作空间位置的特殊性，如风电机组的齿轮箱位于高空，难以进行维修更换。因此，获取行星齿轮在不同工况下的损伤演变规律及其失效形式具有重要意义。

通过试验台架考核验证齿轮的服役性能是重要的方式之一。相关技术人员，开发了多种齿轮试验台架，如现有技术中(专利名称：齿轮箱试验台架，专利申请号：CN201510398435.0、专利名称：一种适用于多种型号行星齿轮减速器的试验平台，专利申请号：CN201821749177.1、专利名称：基于磨耗试验的齿轮微观修形设计方法及磨耗试验台架，专利申请号：CN201310544477.1)中可以看出，虽然可以从不同的角度考核了齿轮的性能，但缺乏针对不同工况下的行星齿轮试验台架。

发明内容：

本发明针对现有技术的上述不足和缺陷，具体公开了一种模拟多工况环境的行星齿轮机构试验台架及其工作方法，其可实现在干摩擦工况下的高低温环境、润滑工况及盐雾工况下的变负载测试，同时含有扭矩、温度、振动及对润滑油监测的黏度、介电常数(检测油液含水量)和铁磁性颗粒的在线传感器，以实现对行星齿轮运行状态的监测，获取行星齿轮传动机构在复杂工况下的服役性能。

为了实现上述目的及解决上述主要的技术问题，本发明通过以下具体的技术方案来实现：一种模拟多工况环境的行星齿轮台架，其特征在于：包括动力单元、负载单元、试验箱单元、盐雾单元、控温单元、油液单元和控制与显示单元组成；其中，将行星齿轮安装在封闭的试验箱单元内，由动力单元驱动行星齿轮机构后，其行星齿轮机构的输出与负载单元结合后产生负载，根据不同模拟状态，由控制与显示单元来开启或关闭盐雾单元、控温单元和油液单元。

在一个实施例中，所述盐雾单元包括提供盐雾浓度可控的盐雾装置和盐雾管道，通过盐雾装置产生的盐雾通过盐雾管道进入所述封闭的试验箱单元内。

在一个实施例中，所述控制与显示单元包括由盐雾控制器、润滑油控制器、温度控制器和控制与显示器；通过所述控制与显示单元来进行盐雾、温度、转速参数及对测试系统中的振动、扭矩信号和润滑油性能参数的控制，显示测试系统各传感器的信号，并以图像的形式进行表示。

在一个实施例中，所述油液单元包括润滑油装置和润滑油管道；其中，润滑油管道用于将润滑油装置产生的润滑油运输到所述封闭的试验箱单元内。

在一个实施例中，通过所述控制与显示单元来进行盐雾、温度、转速参数及对测试系统中的振动、扭矩信号和润滑油性能参数的控制，显示测试系统各传感器的信号，并以图像的形式进行表示。

在一个实施例中，所述行星齿轮机构包括位于中心位置的太阳齿轮、位于太阳轮外侧并与太阳轮啮合的行星齿轮及位于行星齿轮外侧并与行星齿轮啮合的齿圈；其中，由所述动力单元为太阳齿轮提供主动力矩并在动力单元输出端设有第一扭矩传感器，在行星齿轮的输出轴设有第二扭矩传感器。

在一个实施例中，所述负载单元包括摩擦片组件和液压缸，摩擦片组件由第一摩擦片和第二摩擦片组成；其中，第一摩擦片连接在所述太阳轮的输出端，第二摩擦片连接在液压缸的输出端，当需要负载时，第一摩擦片和第二摩擦片结合，由液压缸工作后使摩擦片组件产生压力；当不需要负载时，第一摩擦片和第二摩擦片分离，液压缸不工作。

在一个实施例中，还包括温度传感器和振动传感器；其中，所述动力单元的输出端通过联轴器与太阳轮主轴连接，太阳轮主轴上安装所述太阳齿轮；温度传感器、振动传感器和所述第一扭矩传感器安装在联轴器上并与所述控制与显示单元之间电性连接。

在一个实施例中，所述动力单元包括伺服电机、减速器、联轴器与导电滑环；其中，伺服电机通过减速器后，其输出端上安装联轴器和导电滑环。

一种模拟多工况环境的行星齿轮台架的工作方法，其特征在于，包括如下工作步骤：

S1)将行星齿轮机构安放在测试箱体内，并通过紧固螺栓进行固定，并将试验箱体上部关合；

S2)选择所需要测试的工况

若选择干摩擦测试环境下的高低温工况，则需要在温度控制器中输入所需要的温度值，并关闭润滑油控制器和盐雾控制器；

若选择润滑油测试环境下的高低温工况，除需要在润滑油控制器输入相关的参数，同时需在温度控制器中输入所需要的温度测试，并关闭盐雾控制器，润滑油在测试箱内的容积应淹没上行星架，且应低于盐雾与温度介质流出接口；

若选择盐雾测试环境下的测试工况，除需要在盐雾控制器中输入需要的盐雾参数，同时需在温度控制器中输入所需要的温度值，并关闭润滑油控制器；

S3)在控制与显示器单元输入测试所需要的太阳齿轮转速、负载扭矩及测试时间，点击测试；

S4)在控制与显示器单元上观察温度、扭矩、液压油的黏度、介电常数、磨损颗粒等参数变化曲线。

本发明的主要有益效果是：

针对目前行星齿轮机构试验台架单一，不能完全实现行星齿轮机构在不同工况下的测试需求的问题，设计了可以模拟多工况环境的行星齿轮机构试验台架，并阐述了其工作方法。

相比于其他齿轮检测台架，该台架可以实现不同温度的干摩擦服役工况和不同温度的润滑油服役工况及盐雾服役工况下测试需求，同时通过对其运动状态实时监控，还可搭载在线铁谱分析仪进行基于油液的磨损状态实时测量，可获得行星齿轮在不同工况下的损伤演变过程。

本发明的行星齿轮试验台架，通过盐雾部分可模拟行星齿轮在盐雾工况下的运行状态，通过控温部分可模拟其在干摩擦工况下的运行状态，通过控温部分与油液部分的结合可模拟其在不同液压油温度下的运行状态，采用压力产生负载扭矩的方式，可实现其负载的连续变化。

通过本台架，可以满足行星齿轮机构在不同工况下的损伤演变过程，对于保证传动设备的正常运行具有重要的意义，并对目前高性能齿轮的性能评估具有较好的支撑作用。

附图说明：

本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：

图1揭示了本发明一实施例中，一种模拟多工况环境的行星齿轮机构试验台架主视结构示意图；

图2揭示了本发明一实施例中，一种模拟多工况环境的行星齿轮机构试验台架的测试箱内部主视图；

图3揭示了本发明一实施例中，一种模拟多工况环境的行星齿轮机构试验台架的测试箱内部仰视图；

图4揭示了本发明一实施例中，一种模拟多工况环境的行星齿轮机构试验台架的测试箱内部俯视图。

在图示中，

1、驱动伺服电机；

2、减速器；

3、联轴器；

4、第一扭矩传感器；

5、导电滑环；

6、试验箱；

61、试验箱体；

62、太阳轮主轴；

63、温度传感器；

64、联轴器；

65、振动传感器；

66、上行星架；

67、固定螺栓；

68、齿圈；

69、管道连接件；

691、润滑油管道连接器；

692、温控管道连接器；

693、盐雾管道连接器；

610、支撑柱；

611、温度传感器；

612、固定螺栓；

613、热电阻；

614、下行星架；

615、行星齿轮轴；

616、固定螺母；

617、固定螺栓3；

618、固定螺栓4；

619、太阳齿轮；

620、行星齿轮；

7、润滑油管道；

8、振动传感器；

9、下主轴；

10、第二扭矩传感器；

11、联轴器；

12、底板；

13、推力轴承；

14、扭矩器支架；

15、第一摩擦盘；

16、第二摩擦盘；

17、扭矩器支架；

18、液压缸；

19、盐雾装置；

20、盐雾管道；

21、液压泵；

22、盐雾控制器；

23、润滑油控制器；

24、温度控制器；

25、控制与显示器；

26、控温管道；

27、调温装置；

28、润滑油装置；

29、支撑柱；

30、控制线。

具体实施方式：

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本实施例的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实施例中的具体含义。

参考图1并结合图2-图4，在实施例中的一种模拟多工况环境的行星齿轮机构试验台架，包括动力单元、负载单元、试验箱单元、盐雾单元、控温单元、油液单元和控制与显示单元。

进一步的，动力单元主要由驱动伺服电机1、减速器2、联轴器3、第一扭矩传感器4与导电滑环5组成。

进一步的，动力单元由驱动伺服电机1为行星齿轮机构中的太阳齿轮619提供主动力矩，同时再通过扭矩传感器，获取其扭矩变化值。

进一步的，上述动力单元的部件都以同轴线安装。

进一步的，负载单元的主要功能是提供试验台架所需的负载扭矩，主要由底板12、推力轴承13、扭矩器支架14、第一摩擦盘15、第二摩擦盘16、扭矩器支架17、液压缸18与液压泵21等组成。

进一步的，采用压力产生摩擦扭矩的方式，其相对运动的摩擦盘组件是易损耗品，因此采用分离结构，即设计为扭矩器支架与摩擦盘。扭矩器支架14与第一摩擦盘15通过螺栓连接，第二摩擦盘16与扭矩器支架17通过螺栓连接。两摩擦盘在压力作用下，产生扭矩。

进一步的，通过扭矩器支架17与液压缸18相连，由液压缸18产生压力，进而传递到两摩擦盘中。

进一步的，推力轴承13用于承受负载部分产生的正向压力。

进一步的，上述负载单元的部件都安装在同一轴线上。

进一步的，试验箱单元的主要功能是为所测试的太阳齿轮619和行星齿轮620提供密闭的测试环境，并获取太阳轮619、行星齿轮620在测试过程中的运行状态。

进一步的，试验箱6单元主要由试验箱体61、行星齿轮轴615、太阳轮主轴62、温度传感器63、温度传感器611、振动传感器65、第二扭矩传感器10、振动传感器8、联轴器64、管道连接件69、支撑柱29、热电阻613、上行星架66、下行星架614、固定螺栓67、固定螺栓612、固定螺母616、齿圈68、太阳齿轮619、行星齿轮620与下主轴9组成。

进一步的，试验箱体61的上部是可以打开的，其余为整体件，轴与试验箱体61之间存在密封圈。

进一步的，本试验台架采用齿圈68固定，太阳齿轮619和行星齿轮620相对运动的方式。

进一步的，太阳轮主轴62与动力单元的轴线在同一直线上。

进一步的，太阳轮主轴62安装有联轴器64，使之与动力单元相连。

进一步的，联轴器64上安装有温度传感器63与振动传感器65，用于监测测试中太阳轮的温度及其振动情况。

进一步的，上述温度传感器63与振动传感器65与动力单元的导电滑环5相连接，以传输数据。

进一步的，太阳轮主轴62上安装太阳齿轮619。

进一步的，行星齿轮620位于上行星架66与下行星架614之间，通过行星齿轮轴615与之相连，并通过固定螺栓进行紧固。

进一步的，行星齿轮620的尺寸与数量应根据具体测试工况进行选择。

进一步的，齿圈68通过支撑柱610固定在试验箱的内部。

进一步的，上述的太阳齿轮619、行星齿轮620和齿圈68并不限于直齿轮、斜齿轮等。

进一步的，部分支撑柱610的内部有内孔，用于安装温度传感器611、热电阻613。

进一步的，温度传感器611、热电阻613的传输一段位于试验箱的外侧。

进一步的，支撑柱610通过固定螺栓618安装在试验箱的底部。

进一步的，下主轴9的上端与下行星架614相连，下端与扭矩传感器相连，用于获取负载扭矩值。下主轴9上可以安装有振动传感器8，用于检测行星轮轴615的振动状态。

进一步的，扭矩传感器10通过联轴器11与负载单元的扭矩支架14相连。

进一步的，试验箱6两侧安装有管道连接件，分别用于实现盐雾环境、高低温环境及油液环境介质的流入与流出。

进一步的，试验箱6的外部还可以有保温材料，使得行星齿轮机构在测试过程中，保持测试环境温度的稳定。

进一步的，盐雾单元的主要功能是提供浓度可控的盐雾。

进一步的，盐雾单元由盐雾管道20与盐雾装置19组成，其中盐雾管道20用于将盐雾装置19产生的盐雾运送到试验箱6内。

进一步的，盐雾管道20与试验箱上左侧管道连接件相连，为盐雾输送管；与试验箱上的右侧管道连接件相连，为盐雾回收管。

进一步的，盐雾装置19含有盐溶液并含有热电阻器件，用于加热盐溶液，进而产生盐雾介质。

进一步的，通过控制与显示部分中的盐雾控制器22进行盐雾参数的控制。

进一步的，控温单元的主要功能是为试验箱6内的零部件提供高温和低温的测试工况。

进一步的，控温单元由控温管道26与温度控制器24组成，其中控温管道26用于将温度控制器24产生的不同温度的介质输送到试验箱6内。

进一步的，控温管道26与试验箱上的左侧管道连接件相连，为介质输送管；与试验箱上的右侧管道连接件相连，为介质回收管。

进一步的，温度控制器24的主要功能是提供测试所需要的温度。低温控制是将液氨、液氮等低温介质，通过控温管道26输入到试验箱中。

高温控制是控制试验箱6内的热电阻进行加热，以获得试验所需的高温环境。

进一步的，通过控制与显示单元中的温度控制器24进行试验箱6内温度参数的控制。

进一步的，油液部分的主要功能是提供润滑环境下的测试工况。

进一步的，油液部分由润滑油管道7和润滑油装置28组成，其中润滑油管道7用于将润滑油装置28产生的润滑油运输到试验箱内。

进一步的，润滑油管道7与试验箱6上的左侧管道连接件相连，为润滑油输送管；与试验箱6上的右侧管道连接件相连，为润滑油回收管。

进一步的，润滑油装置28含有测试所需的润滑油和对润滑油性能检测所需要的黏度、介电常数及对润滑油内部铁磁颗粒检测的传感器。

进一步的，润滑油的黏度、介电常数测试数据及润滑油内部铁磁颗粒检测的数据在控制与显示部分中的控制与显示器25上显示。

进一步的，控制与显示单元的主要功能是控制测试所需要的盐雾、温度、转速、扭矩及对测试系统的振动、扭矩信号、润滑油性能参数的处理与监测。

进一步的，控制与显示单元可以由盐雾控制器22、润滑油控制器23、温度控制器24、控制与显示器25组成。

进一步的，控制与显示器25的主要功能是显示测试系统各传感器的信号，并以图像的形式进行表示，同时对测试系统所需要的转速及扭矩进行调控。

本发明还公开了一种模拟多工况环境的行星齿轮机构试验台架的工作方法，包括以下步骤：

步骤S1：将太阳齿轮619和行星齿轮620安放在测试箱6内，并通过紧固螺栓进行固定，并将试验箱体上部关合。

步骤S2：选择所需要测试的工况。

若选择干摩擦测试环境下的高低温工况，则需要在温度控制器中输入所需要的温度值，并关闭润滑油控制器和盐雾控制器。

若选择润滑油测试环境下的高低温工况，除需要在润滑油控制器23输入相关的参数，同时需在温度控制器24中输入所需要的温度测试，并关闭盐雾控制器22。应注意，润滑油在测试箱内的容积应淹没上行星架66，且应低于盐雾与温度介质流出接口。

若选择盐雾测试环境下的测试工况，除需要在盐雾控制器22中输入所需要的盐雾参数，同时需在温度控制器24中输入所需要的温度值，并关闭润滑油控制器23。

步骤S3：在控制与显示器25输入测试所需要的太阳轮转速、负载扭矩及测试时间，点击测试。

步骤S4：在控制与显示器25上观察温度、扭矩、液压油的黏度、介电常数、磨损颗粒等参数变化曲线。

可以理解的是：

盐雾单元由盐雾装置19和盐雾管道20组成，可为行星齿轮机构的测试提供盐雾测试工况。

控温单元由控温管道26和调温装置27组成，可为行星齿轮机构的测试提供高低温测试工况。

油液单元由润滑油管道7和润滑油装置28组成，可为行星齿轮机构的测试提供润滑油测试工况。

控制与显示单元可以由盐雾控制器22、润滑油控制器23、温度控制器24、控制与显示器25和控制线30组成，主要功能为控制行星齿轮测试工况，并获取行星齿轮在运行过程中的状态。

首先将试验箱体的上端盖打开，将太阳齿轮619和3个行星齿轮620安装在图示的位置，随后将试验箱体的上端盖关闭。接着根据测试工况的不同，选择不同工况的控制器

若选择干摩擦高低温环境，则需要打开温度控制器24；

若选择盐雾工况，则需要打开盐雾控制器22；

若需要润滑油高低温环境，则需要打开温度控制器24和润滑油控制器23，随后根据测试工况参数的不同，在控制器界面上输入相关的参数。

对于不同的载荷和转速，需要在控制与显示器25输入预定的测试扭矩和转速，即通过控制与显示器25控制驱动伺服电机1来提供动力和控制液压泵21和液压缸18来提供扭矩。

随后输入相应的测试时间，点击开始。

台架测试过程中的各个传感器，如温度传感器、扭矩传感器、振动传感器及液压油性能的黏度传感器、介电常数传感器和铁磁颗粒传感器所采集的实时数据将以图像形式展现在控制与显示器25上。

通过观察不同参数的变化情况，获取行星齿轮在不同工况下的运动传递规律及其损伤特征。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims

1.一种模拟多工况环境的行星齿轮台架的工作方法，其特征在于：行星齿轮台架包括动力单元、负载单元、试验箱、盐雾单元、控温单元、油液单元和控制与显示单元组成；

由动力单元驱动行星齿轮机构后，行星齿轮机构的输出与负载单元结合后产生负载，根据不同模拟状态，由控制与显示单元来开启或关闭盐雾单元、控温单元和油液单元；

控制与显示单元包括由盐雾控制器、润滑油控制器、温度控制器和控制与显示器；通过所述控制与显示单元来进行盐雾、温度、转速参数、扭矩的控制及对测试系统中的振动信号、温度信号、扭矩信号和润滑油性能参数的监测，显示测试系统各传感器的信号，并以图像的形式进行表示；

行星齿轮机构包括位于中心位置的太阳齿轮、位于太阳轮外侧并与太阳齿轮啮合的行星齿轮及位于行星齿轮外侧并与行星齿轮啮合的齿圈，行星齿轮位于上行星架与下行星架之间；

包括如下工作步骤：

S1)将行星齿轮机构安放在试验箱内，并通过紧固螺栓进行固定，并将试验箱体上部关合；

S2)选择所需要测试的工况

若选择润滑油测试环境下的高低温工况，除需要在润滑油控制器输入相关的参数，同时需在温度控制器中输入所需要的温度测试，并关闭盐雾控制器，润滑油在试验箱内的容积应淹没上行星架，且应低于盐雾与温度介质流出接口；

S3)在控制与显示器单元输入测试所需要的太阳轮转速、负载扭矩及测试时间，点击测试；

S4)在控制与显示器单元上观察温度、扭矩、液压油的黏度、介电常数、磨损颗粒的参数变化曲线。