CN219551859U - 一种用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台，由高速齿轮、高速电机、电机驱动器、负载发电机、齿轮箱、联轴器及隔振器组成；高速电机、负载发电机与齿轮箱通过止口对中连接；转子部分高速电机轴、负载发电机轴、主从动齿轮轴之间采用销轴联轴器连接；主从动齿轮与轴采用花键传递动力；高速齿轮装于齿轮箱内，采用浸油润滑。通过调节负载发电机可以测量齿轮不同负载扭矩条件下对齿轮运转振动噪声的影响，通过调节油量测试不同油量条件下齿轮的负载及振动噪声变化，通过调节冷却水套内冷却介质的温度可以测试不同环境温度条件下齿轮的运行状况，为高速齿轮设计及振动噪声优化，进而提高高速齿轮机械稳定可靠运行优化提供测试平台。

Description

一种用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台

技术领域

本实用新型涉及一种用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台，根据功率等级也可以更改结构参数用于其他高速齿轮性能测试平台。

背景技术

作为应用最为广泛的机械传动方式，齿轮传动具有传动精度高、传动功率大、使用寿命长等优点。目前，齿轮传动已广泛应用于机械、汽车、航空航天、船舶等行业。随着齿轮的广泛应用与现代工业的快速发展，对齿轮传动的传动性能、精密性、可靠性和经济成本的要求越来越高。在不同的应用环境中，齿轮的振动和噪声问题也日趋凸显，极大地影响了齿轮传动系统的寿命和可靠性。因此，如何有效地减少齿轮的振动与噪声逐渐成为现代科研中的热点。

齿轮行业基本由三部分组成：工业齿轮、车辆齿轮和齿轮装备。其中，车辆齿轮市场份额达到60％；工业齿轮由工业通用、专用、特种齿轮构成，其市场份额约为38％；齿轮装备占市场份额的2％。经过几十年的发展，国内齿轮行业已形成百亿元产值规模，进入高速发展时期，是各行各业不可或缺的产品。但是，当前国内齿轮行业和国外相比还存在一定差距，主要包括：齿轮动力学分析手段和技术不足，齿轮测量、分析软件及设备基本被国外垄断；齿轮低噪声设计理论、模块化设计理论还不够完善；在生产制造方面，齿轮材料以及热处理工艺存在一定差距，高精密磨齿机被国外垄断。齿轮发展趋势：齿轮装置正沿着小型化、高速化、标准化方向发展，特殊齿轮的应用、行星齿轮装置的发展、低振动、低噪声齿轮装置的研制是齿轮设计的重点发展方向。

高速齿轮是各辅机设备实现高速小型一体化的重要传动件之一，也是机械振动噪声源头之一，对辅机设备性能、可靠性、高效性起着重要作用。通常机械在高速运行时的振动和噪声高于低转速运行，高频振动的增加会加剧机械的疲劳损伤，降低机械部件的使用寿命。通过高速低振动噪声齿轮技术研究改善机械结构振动，降低机械高频振动噪声，减少摩擦损耗，提高齿轮的机械传动性能，提升辅机设备的总效率及运行的可靠性和稳定性。

现有的齿轮测试平台及相关设计技术往往不能排除电机机械、气动等环境振动及噪声影响，无法对转速、负载、油量多参数变动，综合或独立测试高速齿轮的振动噪声，从而分析振动噪声的主要原因。

发明内容

本实用新型是要提供一种用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台，目的在于开展高速同步齿轮振动及噪声性能优化设计、高速齿轮性能分析试验平台研究、高速齿轮加工制造及试验验证等方面的研究，突破高速齿轮性能分析试验平台设计关键技术，解决高速齿轮影响设备运行可靠性、稳定性、效率以及振动噪声的问题，为高速高效、高可靠性、隐身性的燃料电池用氢气循环泵的工程化应用提供技术支撑。

本实用新型的技术方案是：一种用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台，包括高速齿轮驱动装置、隔振装置和齿轮负载调节装置，所述高速齿轮振动噪声测试平台为耦合齿轮驱动、负载发电机、隔振一体化的振动噪声测试平台，由高速齿轮、高速电机、电机驱动器、负载发电机、齿轮箱、联轴器及隔振器组成；所述高速电机、负载发电机与齿轮箱通过止口对中连接；转子部分高速电机轴、负载发电机轴、主从动齿轮轴之间采用销轴联轴器连接；主从动齿轮与轴采用花键传递动力；高速齿轮装于齿轮箱内，采用浸油润滑。

进一步，所述高速电机及负载发电机采用变频、高速、多极、低电磁和机械振动噪声的永磁同步结构，高速电机及负载发电机冷却方式为风冷、水冷或油冷型式，电机和发电机转轴永磁体结构为中空插入永磁体再整体充磁型式或永磁体贴片型式，电机和发电机轴承支撑方式为磁悬浮、气浮动压、气浮静压、或滚动轴承结构型式。

进一步，所述电机驱动器为集成变压模块、通讯模块、变频模块、交互模块、控制采集模块、CPU处理芯片于一体的小型控制器，采用防水、防尘航插结构，其中变压模块为AC/DC/AC或DC/AC；通讯模块为CAN通讯或RS485通讯；交互模块包括模数和数模转换；控制采集模块采集交流或直流电流值、交流或直流电压值、转速、电机绕组温度。

进一步，所述联轴器采用高同轴度配合弹性销轴联轴器、直流耦合器或梅花弹性联轴器，用于传递不同轴之间的扭矩，降低电机和发电机旋转部件对齿轮的影响。

进一步，所述负载发电机的耗电量通过滑动变阻器、电解水、电加热器及冷却水系统、扭矩调节驱动器方式改变齿轮负载。

进一步，所述隔振装置包括平台底座及配套的隔振器，平台底座为松木板、PEEK、或聚氨酯，隔振器为钢丝绳、橡胶弹性减振器或组合式减振器。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型通过采用高速齿轮振动噪声测试平台，可排除氢泵的气流压力脉动带来的振动噪声干扰，单独测量氢泵高速齿轮的振动噪声，通过调节负载发电机可以测量齿轮不同负载扭矩条件下对齿轮运转振动噪声的影响，通过调节油量测试不同油量条件下齿轮的负载及振动噪声变化，通过调节冷却水套内冷却介质的温度可以测试不同环境温度条件下齿轮的运行状况，为高速齿轮设计及振动噪声优化，进而提高高速齿轮机械稳定可靠运行优化提供测试平台。

本实用新型设计的一种用于氢泵的高速齿轮振动噪声测试平台，包括测试对象高速齿轮副、高速电机、电机驱动器、负载发电机、齿轮箱、联轴器及隔振器等部套件，其特征为齿轮测试平台的驱动电机、负载发电机在电磁、机械方面进行低振动噪声优化设计，联轴器根据测试对象的振动噪声优化目标值采用高弹性或非接触式传动进行针对性设计，平台本身振动噪声低于测试对象高速齿轮副10dB以上，同时依靠隔振装置将外界环境的振动与设备本身的振动噪声进行隔离。通过多种措施对干扰测试目标高速齿轮的结构进行优化设计：

1、利用自然冷却式或进一步使用水冷式电机或油冷却式电机，能够降低电机风扇对转子部件的振动影响；电机采用多对极优化电磁场，降低电机电磁振动噪声；针对齿轮振动噪声优化目标，电机支撑方式的振动噪声影响从高到低可选择滚动轴承、磁悬浮、气浮动压、气浮静压结构；电机采用变频高速的永磁同步结构，可为齿轮的高速变频运行进行无级调节；

2、联轴器采用高同轴度配合弹性销轴联轴器、梅花弹性联轴器等弹性联轴器传递不同轴之间的扭矩，中大功率的齿轮扭矩可通过直流耦合器进行无接触式传递扭矩，降低电机和发电机旋转部件对齿轮的影响。

3、负载发电机的耗电量通过滑动变阻器、电解水、电加热器及冷却水系统、扭矩调节驱动器等不会产生机械振动噪声的方式改变齿轮负载；

4、隔振装置包括平台底座及配套隔振器，根据不同测试齿轮大小及转速需针对平台装置固有频率及特征频率进行针对性设计，平台底板可以为轻质松木板、PEEK、聚氨酯等减振性材料，隔振器可以为钢丝绳、橡胶弹性减振器、组合式减振器等；

5、本实用高速齿轮振动噪声测试平台可以为高速齿轮设计结果提供试验验证，为高速齿轮的不同参数变量提供试验平台支撑，为带齿轮的高速旋转机械齿轮振动噪声优化提供测试平台。

附图说明

图1为氢泵用高速齿轮振动噪声测试平台剖视图；

图2为高速齿轮驱动装置剖视图；

图3为高速电机结构主视图；

图4为图3的左剖视图；

图5为图3的俯视图；

图中：1-驱动器；2-高速齿轮驱动装置；3-隔振装置；4-齿轮负载调节装置；21-高速电机；22-联轴器；23-高速齿轮；24-轴承座；25-齿轮箱；26-负载发电机；211-电机壳体；212-接线板组件；213-密封圈；214-定子；215-轴承压盖螺钉；216-前轴承；217-弹性衬套；218-电机联接盘；219-轴承压盖；2110-油封挡圈；2111-油封；2112-转子组件；2113-电机后端盖组件；2114-填料函螺钉；2115-接线盒螺钉；2116-标牌铆钉；2117-标牌；2118-后轴承；2119-减振密封圈；2120-后端盖螺钉；2121-接线盒。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

如图1所示，本实用新型涉及一种用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台，包括驱动器1、高速齿轮驱动装置2、隔振装置3和齿轮负载调节装置4。

如图2所示，高速齿轮驱动装置2，由高速电机21、联轴器22、高速齿轮23、轴承座24、齿轮箱25、负载发电机26等部套件组成。高速电机21开有止口槽及销槽，通过止口和销双重定位与轴承座24对中定位，保证联轴器22的对中要求；轴承座24与齿轮箱25也通过止口及销双重定位，保证主轴和从动轴的平行度。本实用新型通过采用高速齿轮振动噪声测试平台，可排除氢泵的气流压力脉动带来的振动噪声干扰，单独测量氢泵高速齿轮的振动噪声，通过调节负载发电机可以测量齿轮不同负载扭矩条件下对齿轮运转振动噪声的影响，通过调节油量测试不同油量条件下齿轮的负载及振动噪声变化，通过调节冷却水套内冷却介质的温度可以测试不同环境温度条件下齿轮的运行状况，为高速齿轮设计及振动噪声优化，进而提高高速齿轮机械稳定可靠运行优化提供测试平台。

如图1至图5所示，本实施例的高速电机21由电机壳体211、接线板组件212、密封圈213、定子214、轴承压盖螺钉215、前轴承216、弹性衬套217、电机联接盘218、轴承压盖219、油封挡圈2110、油封2111、转子组件2112、电机后端盖组件2113、填料函螺钉2114、接线盒螺钉2115、标牌铆钉2116、标牌2117、后轴承2118、减振密封圈2119、后端盖螺钉2120、接线盒2121组成。

本实施例的高速电机21轴功率小，不到2kW，采用自然式冷却，对于大功率电机进一步可使用水冷式电机或油冷却式电机，能够降低电机风扇对转子部件的振动及噪声影响；电机设计需综合考虑电磁学、机械振动噪声学、传热学、工热、转子动力学等，电机采用多对极优化电磁场，降低电机电磁振动噪声；针对齿轮振动噪声优化目标，电机支撑方式的振动噪声影响从高到低可选择滚动轴承、磁悬浮、气浮动压、气浮静压结构；电机采用变频高速的永磁同步结构，可为齿轮的高速变频运行进行无级调节。

联轴器22采用高同轴度配合弹性销轴联轴器，中大功率等级电机可采用梅花弹性联轴器等弹性联轴器传递不同轴之间的扭矩，中大功率的齿轮扭矩可通过直流耦合器进行无接触式传递扭矩，降低电机和发电机旋转部件对齿轮的影响。

负载发电机26的耗电量通过滑动变阻器、电解水、电加热器及冷却水系统、扭矩调节驱动器等不会产生机械振动噪声的方式改变齿轮负载。

隔振装置3包括平台底座及配套隔振器，根据不同测试齿轮大小及转速需针对平台装置固有频率及特征频率进行针对性设计，平台底板可以为轻质松木板、PEEK、聚氨酯等减振性材料，隔振器可以为钢丝绳、橡胶弹性减振器、组合式减振器等；本实用高速齿轮振动噪声测试平台可以为高速齿轮设计结果提供试验验证，为高速齿轮的不同参数变量提供试验平台支撑，为带齿轮的高速旋转机械齿轮振动噪声优化提供测试平台。

本实用新型通过采用非定常电磁场分析、模态分析、流固耦合分析、传热学、转子动力学等方法相结合开展设计工作，设计出的高速齿轮测试平台可排除氢泵的气流压力脉动带来的振动噪声干扰，单独测量氢泵高速齿轮的振动噪声，通过调节负载发电机可以测量齿轮不同负载扭矩条件下对齿轮运转振动噪声的影响，通过调节油量测试不同油量条件下齿轮的负载及振动噪声变化，通过调节冷却水套内冷却介质的温度可以测试不同环境温度条件下齿轮的运行状况，为高速齿轮设计及振动噪声优化，进而提高高速齿轮机械稳定可靠运行优化提供测试平台。

在方案实施过程中，针对某一型有明确功率、转速、中心距等参数要求的高速齿轮，首先确认高速齿轮传动模型，确认功率、转速、中心距、扭矩、轴向受力等边界条件，计算齿轮动载荷、静载荷对轴承座产生的应力，从而确定轴承座的形状及尺寸；其次，对轴承座进行模态分析，校核分析轴承座各阶模态频率已经劈开齿轮转速及其齿数的特征频率；确定轴承座后对齿轮箱及电机止口进行尺寸链设计，确保齿轮副的主从动轴的同轴度、平行度等要求；同时，对电机、发电机磁场进行电磁仿真分析，优化磁场结构，减少电磁振动噪声；利用转子动力学对电机转子、主副齿轮轴等转子部件进行动平衡、临界转速校核计算，防止齿轮变转速运行测试过程中由于临界转速造成轴系振动；在此基础上对电机冷却方式进行校核计算，确认电机是否需要油冷或水冷；最后针对齿轮功率等级对电机、发电机与齿轮装置之间的扭矩传递方式及对中进行设计计算，保证传递效率及对中要求。在高速齿轮驱动装置设计完毕的基础上，对其整体进行模态仿真，并对其计算结果设计隔振装置，降低周围环境对齿轮测试平台的影响。最后针对高速电机、负载发电机进行驱动器及控制器的电控设计，保证测试台架的功能性，及时反馈运行状态数据(包括转速、功率、扭矩、温度、电压、电流等)，并发射脉冲信号实施诊断故障并报警。

本实用新型针对不同性能需求(中心距、转速、额定功率)的高速齿轮，采用不同的齿轮箱测试装置。

Claims (6)

1.一种用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台，其特征在于：包括高速齿轮驱动装置、隔振装置和齿轮负载调节装置，所述高速齿轮振动噪声测试平台为耦合齿轮驱动、负载发电机、隔振一体化的振动噪声测试平台，由高速齿轮、高速电机、电机驱动器、负载发电机、齿轮箱、联轴器及隔振器组成；所述高速电机、负载发电机与齿轮箱通过止口对中连接；转子部分高速电机轴、负载发电机轴、主从动齿轮轴之间采用销轴联轴器连接；主从动齿轮与轴采用花键传递动力；高速齿轮装于齿轮箱内，采用浸油润滑。

2.根据权利要求1所述的用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台，其特征在于：所述高速电机及负载发电机采用变频、高速、多极、低电磁和机械振动噪声的永磁同步结构，高速电机及负载发电机冷却方式为风冷、水冷或油冷型式，电机和发电机转轴永磁体结构为中空插入永磁体再整体充磁型式或永磁体贴片型式，电机和发电机轴承支撑方式为磁悬浮、气浮动压、气浮静压、或滚动轴承结构型式。

3.根据权利要求1所述的用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台，其特征在于：所述电机驱动器为集成变压模块、通讯模块、变频模块、交互模块、控制采集模块、CPU处理芯片于一体的小型控制器，采用防水、防尘航插结构，其中变压模块为AC/DC/AC或DC/AC；通讯模块为CAN通讯或RS485通讯；交互模块包括模数和数模转换；控制采集模块采集交流或直流电流值、交流或直流电压值、转速、电机绕组温度。

4.根据权利要求1所述的用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台，其特征在于：所述联轴器采用高同轴度配合弹性销轴联轴器、直流耦合器或梅花弹性联轴器，用于传递不同轴之间的扭矩，降低电机和发电机旋转部件对齿轮的影响。

5.根据权利要求1所述的用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台，其特征在于：所述负载发电机的耗电量通过滑动变阻器、电解水、电加热器及冷却水系统、扭矩调节驱动器方式改变齿轮负载。

6.根据权利要求1所述的用于氢泵高速齿轮振动噪声测试平台，其特征在于：所述隔振装置包括平台底座及配套的隔振器，平台底座为松木板、PEEK、或聚氨酯，隔振器为钢丝绳、橡胶弹性减振器或组合式减振器。