CN113418671A

CN113418671A - 一种跌落式齿轮箱冲击试验台及其试验方法

Info

Publication number: CN113418671A
Application number: CN202110513549.0A
Authority: CN
Inventors: 王鑫; 赵松涛; 崔朝凯
Original assignee: 703th Research Institute of CSIC
Current assignee: 703th Research Institute of CSIC
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2021-09-21
Anticipated expiration: 2041-05-11
Also published as: CN113418671B

Abstract

本发明提供一种跌落式齿轮箱冲击试验台及其试验方法，包括跌落式冲击试验机、功率封闭试验系统和测试与分析系统；所述小带轮通过平键与电机相连，大带轮通过平键与传动齿轮箱大齿轮相连，电机与传动齿轮箱之间以带传动的形式传递功率，传动比为28：36；传动齿轮箱大齿轮通过膜片联轴器与扭力轴相连，扭力轴通过连接齿套与试验齿轮箱大齿轮相连；传动齿轮箱小齿轮通过膜片联轴器与试验齿轮箱小齿轮相连。本发明在运转和加载状态下进行跌落式冲击试验，通过仿真和试验相结合，一方面验证仿真分析方法，一方面掌握齿轮箱在运转状态下的冲击特性，更好地指导齿轮箱设计。

Description

一种跌落式齿轮箱冲击试验台及其试验方法

技术领域

本发明涉及一种冲击试验台及其试验方法，尤其涉及一种跌落式齿轮箱冲击试验台及其试验方法。

背景技术

齿轮箱是传递功率的重要传动形式，在汽车、船舶、航天和航空等领域发挥着重要的作用。随着使用环境的逐渐多样化，齿轮箱的抗冲击性能越来越受到关注。在民用领域，齿轮箱能否抵御地震的冲击是大型动力设备设计生产时必要的考虑因素，在军用领域齿轮箱的抗冲击性能直接关系到舰船的生命力和战斗力，是舰船的核心技术指标。抗冲击技术是一门试验科学，在试验的基础上适当的结合仿真分析，可以达到提升效率和安全性的目的。目前，常见的齿轮箱冲击试验多是在齿轮箱静止状态下进行，虽然从一定程度上能够反映设备抗冲击性能，但与实际运行状态差距较大，以此试验为依据进行齿轮箱设计会造成安全裕度过大，经济性较差。此外，现阶段的冲击试验方法不能反映诸如齿轮、轴承的转动(传动)件在冲击环境下的影响，冲击载荷对传动性能的影响还少有通过试验获得。

发明内容

本发明的目的是为了更好地指导齿轮箱设计而提供一种跌落式齿轮箱冲击试验台及其试验方法。

本发明的目的是这样实现的：

一种跌落式齿轮箱冲击试验台，包括跌落式冲击试验机、功率封闭试验系统和测试与分析系统；所述功率封闭试验系统包括电机小带轮、大带轮、皮带、试验齿轮箱、传动齿轮箱、膜片联轴器、膜片联轴器、扭力轴、连接齿套、加载固定装置、支撑结构、电机控制装置和油站；所述测试与分析系统包括高速摄像机、加速度传感器、应变片和数据采集与分析系统；所述小带轮通过平键与电机相连，大带轮通过平键与传动齿轮箱大齿轮相连，电机与传动齿轮箱之间以带传动的形式传递功率，传动比为28：36；试验齿轮箱和传动齿轮箱传动比同为 51：47、模数3.5mm、压力角20°、螺旋角10°，中心距174mm，传动齿轮箱大齿轮通过膜片联轴器与扭力轴相连，扭力轴通过连接齿套与试验齿轮箱大齿轮相连；传动齿轮箱小齿轮通过膜片联轴器与试验齿轮箱小齿轮相连。

所述验齿轮箱大齿轮轴端设计成齿形状，配合加载固定装置使用；所述加载固定装置将试验齿轮箱大齿轮固定，利用扭矩扳手将连接齿套连同扭力轴转过一定角度，再用螺栓将连接齿套和试验齿轮箱大齿轮轴相连，完成加载；

所述传动齿轮箱、膜片联轴器、试验齿轮箱、扭力轴、膜片联轴安装在支撑结构上；

一种跌落式齿轮箱冲击试验方法，其特征是，包括如下步骤：

1)根据仿真分析结果设计试验齿轮箱的加速度响应测点和应变测点，选取冲击加速度响应PA较大的部位，冲击应变PS较大的部位作为试验测点的重点区域，选取结构分析中可能承受较大冲击的部位同样作为试验测点，对应区域布置加速度传感器和应变片；

2)取试验平台上测点作为试验冲击输入的校准点PA0；

3)取与试验装置质量相同的质量块，将其放置在试验平台上，通过2)中校准点测得不同冲击输入时对应的跌落式冲击试验机S1抬升高度h和跌落加速度a等设置参数SET，将设置参数SET与2)测得冲击输入对应即可得到试验工况；

4)在试验齿轮箱的轴端和箱体上布置位移参考点PU0，利用高速摄像机11拍摄冲击试验时的照片，经过照片图像处理，得到冲击过程中的“等效”轴心轨迹和试验齿轮箱的位移 PU；

5)分别测试试验台静止状态和不同试验工况下，试验齿轮箱运转情况下位移参考点PU0 的运动轨迹，经过对比不同状态下PU0的运动轨迹，总结冲击过程对齿轮运转情况的影响规律；

6)根据试验工况进行冲击试验，分别进行利用高速摄像机、加速度传感器、应变片和数据采集与分析系统，测试试验齿轮箱的冲击加速度响应PA、冲击应变PS、位移PU，将测试结果与仿真分析结果相对比，验证有限元模型M有效性和准确性；经对比，仿真分析与试验测试冲击加速度响应PA、冲击应变PS分布误差小于20％，最大冲击加速度响应PA、冲击应变PS出现部位位置误差不超过20％，冲击加速度响应PA、冲击应变PS最大值误差不小于20％。

7)分别设计支撑结构，以不同刚度和阻尼的支撑结构安装在试验齿轮箱和传动齿轮箱上，分别进行利用高速摄像机、加速度传感器、应变片和数据采集与分析系统，测试冲击加速度响应PA、冲击应变PS、位移PU，将试验结果与仿真分析结果进行对比，重复以上6)和4) 的过程，验证不同支撑结构对试验齿轮箱冲击隔离作用；支撑结构的基本参数有垂向刚度、阻尼比、布置形式和布置个数；垂向刚度取值有20N/mm、30N/mm、40N/mm、50N/mm、60N/mm，阻尼比取值0.04、0.05、0.06，布置形式皆为均布，布置个数分别为4个和6个；分别控制支撑结构基本参数重复以上6)和4)仿真和测试工作，归纳总结垂向刚度、阻尼比、布置个数等对试验齿轮冲击响应的影响，根据不同冲击响应需求，在试验齿轮箱结构不变的情况下，选择合理的支撑结构的基本参数。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明在跌落式冲击试验机上设计机械功率封闭试验台，采用电机和加载装置使试验台运转起来，并适当施加扭矩，使功率封闭。配合试验测试系统，可以在运转和加载状态下进行跌落式冲击试验，通过仿真和试验相结合，一方面验证仿真分析方法，一方面掌握齿轮箱在运转状态下的冲击特性，更好地指导齿轮箱设计。

本发明跌落式齿轮箱冲击试验台是一种机械功率封闭试验台，可以考虑在运转、加载状态下试验齿轮箱冲击响应，全面地评价试验齿轮箱抗冲击性能。

附图说明

图1是试验台结构框图；

图2是试验台结构图；

图3是试验台实物图(主)；

图4是试验台实物图(侧)；

图5是加载固定装置10结构简图；

图6是试验方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

本发明的目的是提供一套跌落式齿轮箱冲击试验台及其对应的试验方法，跌落式齿轮箱冲击试验台是一个机械功率封闭试验台，基于跌落式冲击试验机对机械功率封闭的试验齿轮箱开展冲击试验，分别通过不同的抬升高度和波形发生装置产生不同的冲击脉宽，输入到试验齿轮箱中；利用电机和加载装置可以进一步开展试验齿轮箱在运转状态和加载状态下的冲击响应；利用冲击加速度传感器、应变片、高速摄像机和数据采集仪建立测试与分析系统，用于测量试验过程中相关物理量：冲击加速度响应，冲击应变和位移；通过设计试验可以标定跌落式冲击试验输入载荷，测量冲击试验响应用以评价试验齿轮箱抗冲击性能；将试验台与测试方法、仿真计算相结合，用以修正仿真计算模型，验证仿真计算方法，为试验齿轮箱设计提供依据。

一种跌落式齿轮箱冲击试验台：

结构介绍：一种跌落式齿轮箱冲击试验台(以下简称：试验台)，试验台由跌落式冲击试验机S1、功率封闭试验系统S2、测试与分析系统S3组成。跌落式冲击试验机S1最大负载1200kg，最大加速度2000m/s2，脉冲持续时间3-18ms，最大提升高度1000mm；通过控制试验平台的抬升高度h，降落的冲击加速度a和更换波形发生器来产生不同脉宽t、波形和幅值的冲击输入载荷。功率封闭试验系统S2由电机1(电机参数:额定功率22kW，最高转速980r/min)、小带轮2、大带轮3、皮带16、试验齿轮箱(带齿)6、传动齿轮箱4、膜片联轴器5、膜片联轴器8、扭力轴7、连接齿套9、加载固定装置10、支撑结构15、电机控制装置 17和油站18(基本参数：最高使用压力0.8MPa，最大流量112L/min)组成；测试与分析系统S3由高速摄像机11、加速度传感器12、应变片13、数据采集与分析系统14组成。小带轮2通过平键与电机1相连，大带轮3通过平键与传动齿轮箱4大齿轮相连，电机1与传动齿轮箱4之间以带传动的形式传递功率，传动比为28：36；试验齿轮箱6和传动齿轮箱4传动比同为51：47、模数3.5mm、压力角20°、螺旋角10°，中心距174mm。传动齿轮箱4 大齿轮通过膜片联轴器8与扭力轴7相连，扭力轴7通过连接齿套9与试验齿轮箱6大齿轮相连；传动齿轮箱4小齿轮通过膜片联轴器5与试验齿轮箱6小齿轮相连，以上装置形成功率封闭试验系统。其中，膜片联轴器5最大扭矩1000Nm转速900r/min允许轴向偏移±2mm，允许角向偏移0.25°，膜片联轴器8最大扭矩1000Nm转速800r/min允许轴向偏移±2mm，允许角向偏移0.25°，可以实现在跌落冲击试验过程中的位移补偿。试验台结构图和实物图见说明书附图。

为了在有限的试验平台上实现为功率封闭试验系统S2加载，将试验齿轮箱6大齿轮轴端设计成齿形状，配合加载固定装置10使用；用加载固定装置10将试验齿轮箱6大齿轮固定，利用扭矩扳手将连接齿套9连同扭力轴7转过一定角度，再用螺栓将连接齿套9和试验齿轮箱6大齿轮轴相连，完成加载，结构见图5。

设计试验支撑结构15，将传动齿轮箱4、膜片联轴器5、试验齿轮箱6、扭力轴7、膜片联轴器8安装在支撑结构15上，根据不同的试验目的设计支撑结构15刚度和阻尼，使其产生不同的隔振、隔冲击的效果。

一种跌落式齿轮箱冲击试验方法：在开始试验之前先进行仿真分析，初步判断试验过程中可能出现的结果。试验过程采用有限元显示算法，将冲击载荷输入到试验装置有限元模型 M中，进行时域分析计算，计算出试验装置冲击加速度响应PA、冲击应变PS、位移PU，分别对比试验测试结果和仿真分析结果验证试验结果。

1)根据仿真分析结果设计试验齿轮箱6的加速度响应测点和应变测点，选取冲击加速度响应PA较大的部位，冲击应变PS较大的部位作为试验测点的重点区域，选取结构分析中可能承受较大冲击的部位同样作为试验测点，对应区域布置加速度传感器和应变片；

2)取试验平台上测点作为试验冲击输入的校准点PA0；

3)取与试验装置质量相同的质量块，将其放置在试验平台上，通过2)中校准点测得不同冲击输入时对应的跌落式冲击试验机S1抬升高度h和跌落加速度a等设置参数SET，将设置参数SET与2)测得冲击输入对应即可得到试验工况，部分试验工况见下表；

表1部分试验工况对应跌落式冲击试验机设置参数SET

序号	抬升高度h(mm)	脉宽t(ms)	跌落加速度a幅值(g)	波形
					1	265	10	50	半正弦
2	277	10	62.5	半正弦
					3	290	10	75	半正弦
4	303	10	87.5	半正弦
					5	315	10	100	半正弦
6	340	10	125	半正弦
					7	370	10	150	半正弦

4)在试验齿轮箱6的轴端和箱体上布置位移参考点PU0，利用高速摄像机11拍摄冲击试验时的照片，经过照片图像处理，可以得到冲击过程中的“等效”轴心轨迹和试验齿轮箱 6的位移PU；

5)分别测试试验台静止状态和不同试验工况下(见表)，试验齿轮箱6运转情况下位移参考点PU0的运动轨迹，经过对比不同状态下PU0的运动轨迹，总结冲击过程对齿轮运转情况的影响规律；

表2试验齿轮箱6对应试验工况

序号	转速n(r/min)	扭矩T(Nm)
			1	600	200
2	600	300
			3	750	200
4	750	300

6)根据表中试验工况进行冲击试验，分别进行利用高速摄像机11、加速度传感器12、应变片13和数据采集与分析系统14，测试试验齿轮箱6的冲击加速度响应PA、冲击应变PS、位移PU，将测试结果与仿真分析结果相对比，验证有限元模型M有效性和准确性；经对比，仿真分析与试验测试冲击加速度响应PA、冲击应变PS分布误差小于20％，最大冲击加速度响应PA、冲击应变PS出现部位位置误差不超过20％，冲击加速度响应PA、冲击应变PS最大值误差不小于20％。

7)分别设计支撑结构15，以不同刚度和阻尼的支撑结构安装在试验齿轮箱6和传动齿轮箱4上，分别进行利用高速摄像机11、加速度传感器12、应变片13和数据采集与分析系统14，测试冲击加速度响应PA、冲击应变PS、位移PU，将试验结果与仿真分析结果进行对比，重复以上6)和4)的过程，验证不同支撑结构15对试验齿轮箱6冲击隔离作用；支撑结构的基本参数有垂向刚度、阻尼比、布置形式和布置个数；垂向刚度取值有20N/mm、30 N/mm、40N/mm、50N/mm、60N/mm，阻尼比取值0.04、0.05、0.06，布置形式皆为均布，布置个数分别为4个和6个；分别控制支撑结构基本参数重复以上6)和4)仿真和测试工作，归纳总结垂向刚度、阻尼比、布置个数等对试验齿轮箱6冲击响应的影响，根据不同冲击响应需求，在试验齿轮箱6结构不变的情况下，可以选择合理的支撑结构15的基本参数。

Claims

1.一种跌落式齿轮箱冲击试验台，其特征是，包括跌落式冲击试验机、功率封闭试验系统和测试与分析系统；所述功率封闭试验系统包括电机小带轮、大带轮、皮带、试验齿轮箱、传动齿轮箱、膜片联轴器、膜片联轴器、扭力轴、连接齿套、加载固定装置、支撑结构、电机控制装置和油站；所述测试与分析系统包括高速摄像机、加速度传感器、应变片和数据采集与分析系统；所述小带轮通过平键与电机相连，大带轮通过平键与传动齿轮箱大齿轮相连，电机与传动齿轮箱之间以带传动的形式传递功率，传动比为28：36；试验齿轮箱和传动齿轮箱传动比同为51：47、模数3.5mm、压力角20°、螺旋角10°，中心距174mm，传动齿轮箱大齿轮通过膜片联轴器与扭力轴相连，扭力轴通过连接齿套与试验齿轮箱大齿轮相连；传动齿轮箱小齿轮通过膜片联轴器与试验齿轮箱小齿轮相连。

2.根据权利要求1所述的跌落式齿轮箱冲击试验台，其特征是，所述验齿轮箱大齿轮轴端设计成齿形状，配合加载固定装置使用；所述加载固定装置将试验齿轮箱大齿轮固定，利用扭矩扳手将连接齿套连同扭力轴转过一定角度，再用螺栓将连接齿套和试验齿轮箱大齿轮轴相连，完成加载。

3.根据权利要求1所述的跌落式齿轮箱冲击试验台，其特征是，所述传动齿轮箱、膜片联轴器、试验齿轮箱、扭力轴、膜片联轴安装在支撑结构上。

4.一种跌落式齿轮箱冲击试验方法，其特征是，包括如下步骤：

2)取试验平台上测点作为试验冲击输入的校准点PA0；

4)在试验齿轮箱的轴端和箱体上布置位移参考点PU0，利用高速摄像机11拍摄冲击试验时的照片，经过照片图像处理，得到冲击过程中的“等效”轴心轨迹和试验齿轮箱的位移PU；

5)分别测试试验台静止状态和不同试验工况下，试验齿轮箱运转情况下位移参考点PU0的运动轨迹，经过对比不同状态下PU0的运动轨迹，总结冲击过程对齿轮运转情况的影响规律；

6)根据试验工况进行冲击试验，分别进行利用高速摄像机、加速度传感器、应变片和数据采集与分析系统，测试试验齿轮箱的冲击加速度响应PA、冲击应变PS、位移PU，将测试结果与仿真分析结果相对比，验证有限元模型M有效性和准确性；经对比，仿真分析与试验测试冲击加速度响应PA、冲击应变PS分布误差小于20％，最大冲击加速度响应PA、冲击应变PS出现部位位置误差不超过20％，冲击加速度响应PA、冲击应变PS最大值误差不小于20％；

7)分别设计支撑结构，以不同刚度和阻尼的支撑结构安装在试验齿轮箱和传动齿轮箱上，分别进行利用高速摄像机、加速度传感器、应变片和数据采集与分析系统，测试冲击加速度响应PA、冲击应变PS、位移PU，将试验结果与仿真分析结果进行对比，重复以上6)和4)的过程，验证不同支撑结构对试验齿轮箱冲击隔离作用；支撑结构的基本参数有垂向刚度、阻尼比、布置形式和布置个数；垂向刚度取值有20N/mm、30N/mm、40N/mm、50N/mm、60N/mm，阻尼比取值0.04、0.05、0.06，布置形式皆为均布，布置个数分别为4个和6个；分别控制支撑结构基本参数重复以上6)和4)仿真和测试工作，归纳总结垂向刚度、阻尼比、布置个数等对试验齿轮冲击响应的影响，根据不同冲击响应需求，在试验齿轮箱结构不变的情况下，选择合理的支撑结构的基本参数。