专利名称：移动式恒载荷齿轮—齿条综合性能试验台的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种适用于工作在齿条固定，齿轮在齿条上转动并带动工作机构移动状态下的齿轮、齿条的综合性能的验证装置，具体说是特别涉及一种适用于大型(如三峡) 升船机中驱动升降机构的关键传动部件(齿轮、齿条)的综合性能验证的电封闭式的移动式恒载荷齿轮一齿条综合性能试验台。
背景技术：
三峡升船机是目前世界上规模最大、技术难度最大的升船机，其中最关键的驱动升降传动机构采用了齿轮、齿条传动装置，工作时齿条固定在坝体上，齿轮固定在船箱上， 齿轮在齿条上旋转，带动船箱上下运动，完成通航。大模数重载齿轮一齿条(模数m > 60mm, 载荷Ft ^ IOOOkN)传动装置是升船机的核心装置，其安全、可靠地运行是三峡工程的通航过坝能力和通航质量的基本保证，此外类似的工作方式还有海洋石油钻井平台升降装置的传动系统等。目前在大模数齿轮齿条传动装置的设计中，国内外可供参考的可靠性方面的试验数据极少，相关的评价方法也缺乏系统性和针对性，也没有现成的试验验证装置及评价测试条件。因此，迫切需要对像三峡升船机特大模数齿轮齿条传动装置进行试验验证。
发明内容
本发明的目的正是为了解决上述问题而提供一种电封闭式的移动式恒载荷齿轮一齿条综合性能试验台。本发明的目的可通过下述技术措施来实现
本发明的移动式恒载荷齿轮一齿条综合性能试验台包括一个基础平台、一个被试验齿条及相应的齿条座、左右半移动平台、两套被试验齿轮轴；所述被试验齿条通过齿条座固定在基础平台上，在齿条座的左右侧各固定布置一条导轨，左右半移动平台分别通过设置在底面上的滑座坐落在导轨上，且左右半移动平台之间的间距大于齿条的宽度；两套被试验齿轮轴以沿齿条长度方向前后排列的方式安装在被试验齿条的上方，并与齿条相啮合，且所述的两套被试验齿轮轴的两端分别通过相应的轴承座安装在左右半移动平台上，两套被试验齿轮轴分别通过相应的低速联轴器与安装在左右半移动平台上的相应的一套由变频电机、高速联轴器、齿轮箱组成的驱动机构相结合；所述左右半移动平台之间通过连接架构成刚体构件，并与安装在左右半移动平台上的所有部件共同构成移动平台。本发明中所述左右半移动平台之间通过前后连接架和中间连接架构成刚体构件。本发明的工作原理如下
试验时，电网向一个处于驱动工作状态的变频电机提供电能使其转动，经高速联轴器、 齿轮箱、低速联轴器带动安装在轴承座上被试验齿轮轴(齿轮轴)以预定的速度在被试验齿条(齿条)上转动，由于轴承座的作用，迫使移动平台向某一方向水平移动，同时导致另一个被试验齿轮轴在被试验齿条上转动，经另一套低速联轴器、齿轮箱、高速联轴器，带动另一个处于负载工作状态的变频电机转动。由于驱动电机和负载电机的共同作用，在被试验齿轮轴和被试验齿条的啮合齿面间产生预定的啮合力，同时处于负载电机工作状态的变频电机又可向电网提供电能，进行能量反馈。在齿轮轴转过预定的齿数，移动平台移动相应的距离时停机，然后驱动电机和负载电机角色互换，反向运行，移动平台向另一个方向移动，并在移动同样的距离时停机，完成一个试验循环。整个试验过程就是由设备完成规定的循环次数，达到齿轮一齿条综合性能的试验的目的，同时实现了电封闭，达到节能的目的。本发明所采用的电气控制与测试设备包括配变电装置、动力驱动和加载装置、主控制器及现场总线、运行参数监测传感器电路、监控计算机系统。配电及变送装置由IOKV高压开关柜和10KV/690V变压器组成，用于三相交流 10KV/50HZ电网接入电源控制和保护装置。为试验设备提供高压配供电电源，并将三相交流 10KV/50Hz高压转变为三相690V电压。动力驱动装置和加载装置由交流变频器和交流变频电机组成，交流变频器包括整流回馈单元、四象限型变频单元、传动控制单元、制动单元等。为变频电机提供驱动控制，并实现电力封闭功率流的循环和电能回馈电网，交流变频电机包括驱动电机和加载电机，均为异步交流变频电机。为试验设备提供加载和运动驱动。主控制器及现场总线包括PLC主控制器、I/O模块、现场总线�？椤⒌脱沟缙鞯缏返龋骺刂破魍ü齀/O�？楹拖殖∽芟吣？榈龋员淦灯髯爸媒锌刂疲迪质匝樯璞敢蟮募釉睾驮硕刂�。运行参数监测传感器电路包括扭矩、转速、温度、振动和限位传感器等。用来监测试验过程中驱动元件和传动装置的运行状态，根据需要监测的对象，分别布置在电控系统或机械设备的预定的监测点处，以收集数据或保证试验设备的安全运行。监控计算机系统包括工控机、显示器、键盘鼠标、接口板卡、数据采集板卡等。作为试验装备的人机界面和主控制器的上位机，完成试验任务的设置和试验装备运行状态的监测。整个机、电、测试设备安装完毕后，系统进行各运行参数联动和调试，调试完毕后， 将最终数据设定在电控设备中，其具体控制方式如下
(1)由监控计算机设置试验运行模式，将指令下达到主控制器PLC，PLC通过现场总线控制两台变频电机，驱动齿轮轴转动，带动移动平台移动，运行过程中监控计算机和PLC对整个试验设备、变频装置及动力电源装置的工作状态和运动参数进行监测，确保系统的运行模式和安全。驱动系统工作在电功率封闭模式下，大部分时间电能在直流母线一级循环， 小部分时间将多余的电能回馈至电网。(2)系统的加载按下列模式进行循环
加速阶段驱动电机提供恒定的扭矩，负载电机的扭矩从零开始增加，在预定的时间内，齿轮轴达到预定的转速，移动平台按相应的速度向一个方向平移，在此过程中，保证齿轮轴和齿条间的啮合力为恒定值，驱动电机和负载电机之间的功率差值用于移动平台产生加速和克服系统运行的摩擦，同时，在加速末了，使负载电机的扭矩值达到勻速运行的预定值。勻速运行阶段加速段末了，驱动电机和负载电机均保证上阶段的扭矩值不变，驱动电机和负载电机之间的功率差值仅用于移克服系统运行的摩擦，此时齿轮轴和齿条间的啮合力仍为恒定值，系统勻速运行。减速阶段勻速运阶段末了，监控计算机将指令下达到主控制器PLC，PLC通过现场总线控制两台变频电机，使处于驱动状态的变频电机断电，处于负载状态的变频电机工作状态不变，为系统提供运行阻力，使系统减速运行至停止。此时齿轮轴和齿条间的啮合力仍为恒定值。(3)系统的运行速度按下列模式循环
正向加速到预定速度一勻速运行一减速到零一反向加速到预定速度一勻速运行一减速到零一进入下一个循环。下一步，驱动电机和负载电机进行角色互换，反向重复上述过程，完成一个完整的试验循环。本发明的有益效果如下
本发明的试验台可模拟升船机运行工况，在给定的条件下，对齿轮一齿条传动的疲劳强度进行一系列测试及验证，评价齿轮一齿条传动系统的可靠性，并为类似设备的设计提供数据支撑。
图1是本发明的结构示意图(立体图)。图2是图1中基础平台与导轨及移动平台与滑座的连接关系图。图3是本发明的电气控制与测试原理简图。图1 图3中，1是基础平台、2是半移动平台、3是轴承座、4是被试验齿轮轴(齿轮轴)、5是连接架、6是变频电机、7是高速联轴器、8是齿轮箱、9是低速联轴器、10是中间连接架、11是导轨、12是滑座、13是被试验齿条(齿条)、14是齿条座、15是移动平台。
具体实施例方式本发明以下将结合实施例(附图)作进一步描述
如图1和图2所示，本发明的电封闭式的移动式恒载荷齿轮一齿条综合性能试验台包括一个基础平台1、一个被试验齿条(齿条)13及相应的齿条座14、两个连接架5、一个中间连接架10、两套导轨11和滑座12、两个半移动平台2、两个变频电机6、两个高速联轴器7、 两个齿轮箱8、两个低速联轴器9、两套被试验齿轮轴(齿轮轴)4及轴承座3。在上述部分中，除基础平台1、齿条13、中间连接架10外，其余各部分型号及规格完全相同。
更具体说所述被试验齿条13通过齿条座14固定在基础平台1上，在齿条座14的左右侧各固定布置一条导轨11，左右半移动平台分别通过设置在底面上的滑座12坐落在导轨11上，且左右半移动平台之间的间距大于齿条13的宽度；两套被试验齿轮轴4以沿齿条长度方向前后排列的方式安装在被试验齿条13的上方，并与齿条13相啮合，且所述的两套被试验齿轮轴4的两端分别通过相应的轴承座3安装在左右半移动平台2上，两套被试验齿轮轴4分别通过相应的低速联轴器9与安装在左右半移动平台2上的相应的一套由变频电机6、高速联轴器7、齿轮箱8组成的驱动机构相结合；所述左右半移动平台2之间通过前后连接架5和中间连接架10构成刚体构件，并与安装在左右半移动平台上的所有部件共同构成移动平台。
本发明中所述的变频电机6与齿轮箱8之间通过高速联轴器7连接，齿轮箱8与齿轮轴4之间通过低速联轴器9连接。如图3所示，本发明的试验台的电气控制与测试设备包括配变电装置、动力驱动和加载装置、主控制器及现场总线、运行参数监测传感器电路、监控计算机系统。配电及变送装置由IOKV高压开关柜和10KV/690V变压器组成，用于三相交流 10KV/50HZ电网接入电源控制和保护装置。为试验设备提供高压配供电电源，并将三相交流 10KV/50Hz高压转变为三相690V电压。动力驱动装置和加载装置由交流变频器和交流变频电机组成，交流变频器包括整流回馈单元、四象限型变频单元、传动控制单元、制动单元等。为变频电机提供驱动控制，并实现电力封闭功率流的循环和电能回馈电网，交流变频电机包括驱动电机和加载电机，均为异步交流变频电机。为试验设备提供加载和运动驱动。主控制器及现场总线包括PLC主控制器、I/O�？�、现场总线�？�、低压电器电路等，主控制器通过I/O�？楹拖殖∽芟吣？榈龋员淦灯髯爸媒锌刂疲迪质匝樯璞敢蟮募釉睾驮硕刂�。运行参数监测传感器电路包括扭矩、转速、温度、振动和限位传感器等。用来监测试验过程中驱动元件和传动装置的运行状态，根据需要监测的对象，分别布置在电控系统或机械设备的预定的监测点处，以收集数据或保证试验设备的安全运行。监控计算机系统包括工控机、显示器、键盘鼠标、接口板卡、数据采集板卡等。作为试验装备的人机界面和主控制器的上位机，完成试验任务的设置和试验装备运行状态的监测。整个机、电、测试设备安装完毕后，系统进行各运行参数联动和调试，调试完毕后， 将最终数据设定在电控设备中，在整个试验过程中，其具体控制方式如下
(1)由监控计算机设置试验运行模式，将指令下达到主控制器PLC，PLC通过现场总线控制两台变频电机6，驱动齿轮轴4转动，带动移动平台15移动，运行过程中监控计算机和 PLC对整个试验设备、变频装置及动力电源装置的工作状态和运动参数进行监测，确保系统的运行模式和安全。驱动系统工作在电功率封闭模式下，大部分时间电能在直流母线一级循环，小部分时间将多余的电能回馈至电网。(2)系统的加载按下列模式进行循环
加速阶段驱动电机6提供恒定的扭矩，负载电机6的扭矩从零开始增加，在预定的时间内，齿轮轴4达到预定的转速，移动平台15按相应的速度向一个方向平移，在此过程中， 保证齿轮轴4和齿条13间的啮合力为恒定值，驱动电机6和负载电机6之间的功率差值用于移动平台产生加速和克服系统运行的摩擦，同时，在加速末了，使负载电机6的扭矩值达到勻速运行的预定值。勻速运行阶段加速段末了，驱动电机6和负载电机6均保证上阶段的扭矩值不变，驱动电机6和负载电机6之间的功率差值仅用于移克服系统运行的摩擦，此时齿轮轴4 和齿条13间的啮合力仍为恒定值，系统勻速运行。减速阶段勻速运阶段末了，监控计算机将指令下达到主控制器PLC，PLC通过现场总线控制两台变频电机6，使处于驱动状态的变频电机6断电，处于负载状态的变频电机 6工作状态不变，为系统提供运行阻力，使系统减速运行至停止。此时齿轮轴4和齿条13间的啮合力仍为恒定值。(3)系统的运行速度按下列模式循环
正向加速到预定速度一勻速运行一减速到零一反向加速到预定速度一勻速运行一减速到零一进入下一个循环。下一步，驱动电机和负载电机进行角色互换，反向重复上述过程，完成一个完整的试验循环。从图1、图2和图3看，本发明具备以下几个明显特点
1.齿条13固定在基础平台1上，齿轮轴4安装在移动平台15上，并与齿条13正确啮合，在齿条13上转动，完全模拟升船机的工作状态，为实验数据的准确性提供了可靠的保证。2.采取的控制方式可使在整个测试中齿条13和齿轮轴4的啮合齿面上保持恒定的载荷，可避免在加速段因啮合齿面受力大而造成被试件的非正常损坏，导致试验工作不能正常进行，同时可避免在减速阶段因啮合齿面受力小而导致试验工作时间延长，因为试验循环每增加1秒，按3个试验样本、每天M小时试验时间计，就意味着试验时间将延长15天。
权利要求
1.一种移动式恒载荷齿轮一齿条综合性能试验台，其特征在于所述试验台包括一个基础平台、一个被试验齿条及相应的齿条座、左右半移动平台、两套被试验齿轮轴；所述被试验齿条通过齿条座固定在基础平台上，在齿条座的左右侧各固定布置一条导轨，左右半移动平台分别通过设置在底面上的滑座坐落在导轨上，且左右半移动平台之间的间距大于齿条的宽度；两套被试验齿轮轴以沿齿条长度方向前后排列的方式安装在被试验齿条的上方，并与齿条相啮合，且所述的两套被试验齿轮轴的两端分别通过相应的轴承座安装在左右半移动平台上，两套被试验齿轮轴分别通过相应的低速联轴器与安装在左右半移动平台上的相应的一套由变频电机、高速联轴器、齿轮箱组成的驱动机构相结合；所述左右半移动平台之间通过连接架构成刚体构件，并与安装在左右半移动平台上的所有部件共同构成移动平台。
2.根据权利要求1所述的移动式恒载荷齿轮一齿条综合性能试验台，其特征在于所述左右半移动平台之间通过前后连接架和中间连接架构成刚体构件。
全文摘要
一种移动式恒载荷齿轮—齿条综合性能试验台，所述试验台包括基础平台，通过齿条座固定在基础平台上的被试验齿条，在齿条座的左右侧各固定布置一条导轨，左右半移动平台分别通过设置在底面上的滑座坐落在导轨上；两套被试验齿轮轴以沿齿条长度方向前后排列的方式安装在被试验齿条的上方，并与齿条相啮合，且所述的两套被试验齿轮轴的两端分别通过相应的轴承座安装在左右半移动平台上，两套被试验齿轮轴分别通过相应的低速联轴器与安装在左右半移动平台上的相应的一套由变频电机、高速联轴器、齿轮箱组成的驱动机构相结合；所述左右半移动平台之间通过连接架构成刚体构件，并与安装在左右半移动平台上的所有部件共同构成移动平台。
文档编号G01M13/02GK102507180SQ20111029889
公开日2012年6月20日 申请日期2011年9月28日 优先权日2011年9月28日
发明者刘忠明, 吕泮功, 孟令先, 张和平, 张志宏, 张立勇, 李纪强, 王征兵, 王振 申请人:郑州机械研究所
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