專利名稱：移動式恒載荷齒輪—齒條綜合性能試驗臺的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種適用于工作在齒條固定，齒輪在齒條上轉(zhuǎn)動并帶動工作機構(gòu)移動狀態(tài)下的齒輪、齒條的綜合性能的驗證裝置，具體說是特別涉及一種適用于大型(如三峽) 升船機中驅(qū)動升降機構(gòu)的關(guān)鍵傳動部件(齒輪、齒條)的綜合性能驗證的電封閉式的移動式恒載荷齒輪一齒條綜合性能試驗臺。
背景技術(shù)：
三峽升船機是目前世界上規(guī)模最大、技術(shù)難度最大的升船機，其中最關(guān)鍵的驅(qū)動升降傳動機構(gòu)采用了齒輪、齒條傳動裝置，工作時齒條固定在壩體上，齒輪固定在船箱上， 齒輪在齒條上旋轉(zhuǎn)，帶動船箱上下運動，完成通航。大模數(shù)重載齒輪一齒條(模數(shù)m > 60mm, 載荷Ft ^ IOOOkN)傳動裝置是升船機的核心裝置，其安全、可靠地運行是三峽工程的通航過壩能力和通航質(zhì)量的基本保證，此外類似的工作方式還有海洋石油鉆井平臺升降裝置的傳動系統(tǒng)等。目前在大模數(shù)齒輪齒條傳動裝置的設(shè)計中，國內(nèi)外可供參考的可靠性方面的試驗數(shù)據(jù)極少，相關(guān)的評價方法也缺乏系統(tǒng)性和針對性，也沒有現(xiàn)成的試驗驗證裝置及評價測試條件。因此，迫切需要對像三峽升船機特大模數(shù)齒輪齒條傳動裝置進行試驗驗證。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的正是為了解決上述問題而提供一種電封閉式的移動式恒載荷齒輪一齒條綜合性能試驗臺。本發(fā)明的目的可通過下述技術(shù)措施來實現(xiàn)
本發(fā)明的移動式恒載荷齒輪一齒條綜合性能試驗臺包括一個基礎(chǔ)平臺、一個被試驗齒條及相應(yīng)的齒條座、左右半移動平臺、兩套被試驗齒輪軸；所述被試驗齒條通過齒條座固定在基礎(chǔ)平臺上，在齒條座的左右側(cè)各固定布置一條導(dǎo)軌，左右半移動平臺分別通過設(shè)置在底面上的滑座坐落在導(dǎo)軌上，且左右半移動平臺之間的間距大于齒條的寬度；兩套被試驗齒輪軸以沿齒條長度方向前后排列的方式安裝在被試驗齒條的上方，并與齒條相嚙合，且所述的兩套被試驗齒輪軸的兩端分別通過相應(yīng)的軸承座安裝在左右半移動平臺上，兩套被試驗齒輪軸分別通過相應(yīng)的低速聯(lián)軸器與安裝在左右半移動平臺上的相應(yīng)的一套由變頻電機、高速聯(lián)軸器、齒輪箱組成的驅(qū)動機構(gòu)相結(jié)合；所述左右半移動平臺之間通過連接架構(gòu)成剛體構(gòu)件，并與安裝在左右半移動平臺上的所有部件共同構(gòu)成移動平臺。本發(fā)明中所述左右半移動平臺之間通過前后連接架和中間連接架構(gòu)成剛體構(gòu)件。本發(fā)明的工作原理如下
試驗時，電網(wǎng)向一個處于驅(qū)動工作狀態(tài)的變頻電機提供電能使其轉(zhuǎn)動，經(jīng)高速聯(lián)軸器、 齒輪箱、低速聯(lián)軸器帶動安裝在軸承座上被試驗齒輪軸(齒輪軸)以預(yù)定的速度在被試驗齒條(齒條)上轉(zhuǎn)動，由于軸承座的作用，迫使移動平臺向某一方向水平移動，同時導(dǎo)致另一個被試驗齒輪軸在被試驗齒條上轉(zhuǎn)動，經(jīng)另一套低速聯(lián)軸器、齒輪箱、高速聯(lián)軸器，帶動另一個處于負載工作狀態(tài)的變頻電機轉(zhuǎn)動。由于驅(qū)動電機和負載電機的共同作用，在被試驗齒輪軸和被試驗齒條的嚙合齒面間產(chǎn)生預(yù)定的嚙合力，同時處于負載電機工作狀態(tài)的變頻電機又可向電網(wǎng)提供電能，進行能量反饋。在齒輪軸轉(zhuǎn)過預(yù)定的齒數(shù)，移動平臺移動相應(yīng)的距離時停機，然后驅(qū)動電機和負載電機角色互換，反向運行，移動平臺向另一個方向移動，并在移動同樣的距離時停機，完成一個試驗循環(huán)。整個試驗過程就是由設(shè)備完成規(guī)定的循環(huán)次數(shù)，達到齒輪一齒條綜合性能的試驗的目的，同時實現(xiàn)了電封閉，達到節(jié)能的目的。本發(fā)明所采用的電氣控制與測試設(shè)備包括配變電裝置、動力驅(qū)動和加載裝置、主控制器及現(xiàn)場總線、運行參數(shù)監(jiān)測傳感器電路、監(jiān)控計算機系統(tǒng)。配電及變送裝置由IOKV高壓開關(guān)柜和10KV/690V變壓器組成，用于三相交流 10KV/50HZ電網(wǎng)接入電源控制和保護裝置。為試驗設(shè)備提供高壓配供電電源，并將三相交流 10KV/50Hz高壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿?90V電壓。動力驅(qū)動裝置和加載裝置由交流變頻器和交流變頻電機組成，交流變頻器包括整流回饋單元、四象限型變頻單元、傳動控制單元、制動單元等。為變頻電機提供驅(qū)動控制，并實現(xiàn)電力封閉功率流的循環(huán)和電能回饋電網(wǎng)，交流變頻電機包括驅(qū)動電機和加載電機，均為異步交流變頻電機。為試驗設(shè)備提供加載和運動驅(qū)動。主控制器及現(xiàn)場總線包括PLC主控制器、I/O模塊、現(xiàn)場總線模塊、低壓電器電路等，主控制器通過I/O模塊和現(xiàn)場總線模塊等，對變頻器裝置進行控制，實現(xiàn)試驗設(shè)備要求的加載和運動控制。運行參數(shù)監(jiān)測傳感器電路包括扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、振動和限位傳感器等。用來監(jiān)測試驗過程中驅(qū)動元件和傳動裝置的運行狀態(tài)，根據(jù)需要監(jiān)測的對象，分別布置在電控系統(tǒng)或機械設(shè)備的預(yù)定的監(jiān)測點處，以收集數(shù)據(jù)或保證試驗設(shè)備的安全運行。監(jiān)控計算機系統(tǒng)包括工控機、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)、接口板卡、數(shù)據(jù)采集板卡等。作為試驗裝備的人機界面和主控制器的上位機，完成試驗任務(wù)的設(shè)置和試驗裝備運行狀態(tài)的監(jiān)測。整個機、電、測試設(shè)備安裝完畢后，系統(tǒng)進行各運行參數(shù)聯(lián)動和調(diào)試，調(diào)試完畢后， 將最終數(shù)據(jù)設(shè)定在電控設(shè)備中，其具體控制方式如下
(1)由監(jiān)控計算機設(shè)置試驗運行模式，將指令下達到主控制器PLC，PLC通過現(xiàn)場總線控制兩臺變頻電機，驅(qū)動齒輪軸轉(zhuǎn)動，帶動移動平臺移動，運行過程中監(jiān)控計算機和PLC對整個試驗設(shè)備、變頻裝置及動力電源裝置的工作狀態(tài)和運動參數(shù)進行監(jiān)測，確保系統(tǒng)的運行模式和安全。驅(qū)動系統(tǒng)工作在電功率封閉模式下，大部分時間電能在直流母線一級循環(huán)， 小部分時間將多余的電能回饋至電網(wǎng)。(2)系統(tǒng)的加載按下列模式進行循環(huán)
加速階段驅(qū)動電機提供恒定的扭矩，負載電機的扭矩從零開始增加，在預(yù)定的時間內(nèi)，齒輪軸達到預(yù)定的轉(zhuǎn)速，移動平臺按相應(yīng)的速度向一個方向平移，在此過程中，保證齒輪軸和齒條間的嚙合力為恒定值，驅(qū)動電機和負載電機之間的功率差值用于移動平臺產(chǎn)生加速和克服系統(tǒng)運行的摩擦，同時，在加速末了，使負載電機的扭矩值達到勻速運行的預(yù)定值。勻速運行階段加速段末了，驅(qū)動電機和負載電機均保證上階段的扭矩值不變，驅(qū)動電機和負載電機之間的功率差值僅用于移克服系統(tǒng)運行的摩擦，此時齒輪軸和齒條間的嚙合力仍為恒定值，系統(tǒng)勻速運行。減速階段勻速運階段末了，監(jiān)控計算機將指令下達到主控制器PLC，PLC通過現(xiàn)場總線控制兩臺變頻電機，使處于驅(qū)動狀態(tài)的變頻電機斷電，處于負載狀態(tài)的變頻電機工作狀態(tài)不變，為系統(tǒng)提供運行阻力，使系統(tǒng)減速運行至停止。此時齒輪軸和齒條間的嚙合力仍為恒定值。(3)系統(tǒng)的運行速度按下列模式循環(huán)
正向加速到預(yù)定速度一勻速運行一減速到零一反向加速到預(yù)定速度一勻速運行一減速到零一進入下一個循環(huán)。下一步，驅(qū)動電機和負載電機進行角色互換，反向重復(fù)上述過程，完成一個完整的試驗循環(huán)。本發(fā)明的有益效果如下
本發(fā)明的試驗臺可模擬升船機運行工況，在給定的條件下，對齒輪一齒條傳動的疲勞強度進行一系列測試及驗證，評價齒輪一齒條傳動系統(tǒng)的可靠性，并為類似設(shè)備的設(shè)計提供數(shù)據(jù)支撐。


圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖(立體圖)。圖2是圖1中基礎(chǔ)平臺與導(dǎo)軌及移動平臺與滑座的連接關(guān)系圖。圖3是本發(fā)明的電氣控制與測試原理簡圖。圖1 圖3中，1是基礎(chǔ)平臺、2是半移動平臺、3是軸承座、4是被試驗齒輪軸(齒輪軸)、5是連接架、6是變頻電機、7是高速聯(lián)軸器、8是齒輪箱、9是低速聯(lián)軸器、10是中間連接架、11是導(dǎo)軌、12是滑座、13是被試驗齒條(齒條)、14是齒條座、15是移動平臺。
具體實施例方式本發(fā)明以下將結(jié)合實施例(附圖)作進一步描述
如圖1和圖2所示，本發(fā)明的電封閉式的移動式恒載荷齒輪一齒條綜合性能試驗臺包括一個基礎(chǔ)平臺1、一個被試驗齒條(齒條)13及相應(yīng)的齒條座14、兩個連接架5、一個中間連接架10、兩套導(dǎo)軌11和滑座12、兩個半移動平臺2、兩個變頻電機6、兩個高速聯(lián)軸器7、 兩個齒輪箱8、兩個低速聯(lián)軸器9、兩套被試驗齒輪軸(齒輪軸)4及軸承座3。在上述部分中，除基礎(chǔ)平臺1、齒條13、中間連接架10外，其余各部分型號及規(guī)格完全相同。
更具體說所述被試驗齒條13通過齒條座14固定在基礎(chǔ)平臺1上，在齒條座14的左右側(cè)各固定布置一條導(dǎo)軌11，左右半移動平臺分別通過設(shè)置在底面上的滑座12坐落在導(dǎo)軌11上，且左右半移動平臺之間的間距大于齒條13的寬度；兩套被試驗齒輪軸4以沿齒條長度方向前后排列的方式安裝在被試驗齒條13的上方，并與齒條13相嚙合，且所述的兩套被試驗齒輪軸4的兩端分別通過相應(yīng)的軸承座3安裝在左右半移動平臺2上，兩套被試驗齒輪軸4分別通過相應(yīng)的低速聯(lián)軸器9與安裝在左右半移動平臺2上的相應(yīng)的一套由變頻電機6、高速聯(lián)軸器7、齒輪箱8組成的驅(qū)動機構(gòu)相結(jié)合；所述左右半移動平臺2之間通過前后連接架5和中間連接架10構(gòu)成剛體構(gòu)件，并與安裝在左右半移動平臺上的所有部件共同構(gòu)成移動平臺。
本發(fā)明中所述的變頻電機6與齒輪箱8之間通過高速聯(lián)軸器7連接，齒輪箱8與齒輪軸4之間通過低速聯(lián)軸器9連接。如圖3所示，本發(fā)明的試驗臺的電氣控制與測試設(shè)備包括配變電裝置、動力驅(qū)動和加載裝置、主控制器及現(xiàn)場總線、運行參數(shù)監(jiān)測傳感器電路、監(jiān)控計算機系統(tǒng)。配電及變送裝置由IOKV高壓開關(guān)柜和10KV/690V變壓器組成，用于三相交流 10KV/50HZ電網(wǎng)接入電源控制和保護裝置。為試驗設(shè)備提供高壓配供電電源，并將三相交流 10KV/50Hz高壓轉(zhuǎn)變?yōu)槿?90V電壓。動力驅(qū)動裝置和加載裝置由交流變頻器和交流變頻電機組成，交流變頻器包括整流回饋單元、四象限型變頻單元、傳動控制單元、制動單元等。為變頻電機提供驅(qū)動控制，并實現(xiàn)電力封閉功率流的循環(huán)和電能回饋電網(wǎng)，交流變頻電機包括驅(qū)動電機和加載電機，均為異步交流變頻電機。為試驗設(shè)備提供加載和運動驅(qū)動。主控制器及現(xiàn)場總線包括PLC主控制器、I/O模塊、現(xiàn)場總線模塊、低壓電器電路等，主控制器通過I/O模塊和現(xiàn)場總線模塊等，對變頻器裝置進行控制，實現(xiàn)試驗設(shè)備要求的加載和運動控制。運行參數(shù)監(jiān)測傳感器電路包括扭矩、轉(zhuǎn)速、溫度、振動和限位傳感器等。用來監(jiān)測試驗過程中驅(qū)動元件和傳動裝置的運行狀態(tài)，根據(jù)需要監(jiān)測的對象，分別布置在電控系統(tǒng)或機械設(shè)備的預(yù)定的監(jiān)測點處，以收集數(shù)據(jù)或保證試驗設(shè)備的安全運行。監(jiān)控計算機系統(tǒng)包括工控機、顯示器、鍵盤鼠標(biāo)、接口板卡、數(shù)據(jù)采集板卡等。作為試驗裝備的人機界面和主控制器的上位機，完成試驗任務(wù)的設(shè)置和試驗裝備運行狀態(tài)的監(jiān)測。整個機、電、測試設(shè)備安裝完畢后，系統(tǒng)進行各運行參數(shù)聯(lián)動和調(diào)試，調(diào)試完畢后， 將最終數(shù)據(jù)設(shè)定在電控設(shè)備中，在整個試驗過程中，其具體控制方式如下
(1)由監(jiān)控計算機設(shè)置試驗運行模式，將指令下達到主控制器PLC，PLC通過現(xiàn)場總線控制兩臺變頻電機6，驅(qū)動齒輪軸4轉(zhuǎn)動，帶動移動平臺15移動，運行過程中監(jiān)控計算機和 PLC對整個試驗設(shè)備、變頻裝置及動力電源裝置的工作狀態(tài)和運動參數(shù)進行監(jiān)測，確保系統(tǒng)的運行模式和安全。驅(qū)動系統(tǒng)工作在電功率封閉模式下，大部分時間電能在直流母線一級循環(huán)，小部分時間將多余的電能回饋至電網(wǎng)。(2)系統(tǒng)的加載按下列模式進行循環(huán)
加速階段驅(qū)動電機6提供恒定的扭矩，負載電機6的扭矩從零開始增加，在預(yù)定的時間內(nèi)，齒輪軸4達到預(yù)定的轉(zhuǎn)速，移動平臺15按相應(yīng)的速度向一個方向平移，在此過程中， 保證齒輪軸4和齒條13間的嚙合力為恒定值，驅(qū)動電機6和負載電機6之間的功率差值用于移動平臺產(chǎn)生加速和克服系統(tǒng)運行的摩擦，同時，在加速末了，使負載電機6的扭矩值達到勻速運行的預(yù)定值。勻速運行階段加速段末了，驅(qū)動電機6和負載電機6均保證上階段的扭矩值不變，驅(qū)動電機6和負載電機6之間的功率差值僅用于移克服系統(tǒng)運行的摩擦，此時齒輪軸4 和齒條13間的嚙合力仍為恒定值，系統(tǒng)勻速運行。減速階段勻速運階段末了，監(jiān)控計算機將指令下達到主控制器PLC，PLC通過現(xiàn)場總線控制兩臺變頻電機6，使處于驅(qū)動狀態(tài)的變頻電機6斷電，處于負載狀態(tài)的變頻電機 6工作狀態(tài)不變，為系統(tǒng)提供運行阻力，使系統(tǒng)減速運行至停止。此時齒輪軸4和齒條13間的嚙合力仍為恒定值。(3)系統(tǒng)的運行速度按下列模式循環(huán)
正向加速到預(yù)定速度一勻速運行一減速到零一反向加速到預(yù)定速度一勻速運行一減速到零一進入下一個循環(huán)。下一步，驅(qū)動電機和負載電機進行角色互換，反向重復(fù)上述過程，完成一個完整的試驗循環(huán)。從圖1、圖2和圖3看，本發(fā)明具備以下幾個明顯特點
1.齒條13固定在基礎(chǔ)平臺1上，齒輪軸4安裝在移動平臺15上，并與齒條13正確嚙合，在齒條13上轉(zhuǎn)動，完全模擬升船機的工作狀態(tài)，為實驗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了可靠的保證。2.采取的控制方式可使在整個測試中齒條13和齒輪軸4的嚙合齒面上保持恒定的載荷，可避免在加速段因嚙合齒面受力大而造成被試件的非正常損壞，導(dǎo)致試驗工作不能正常進行，同時可避免在減速階段因嚙合齒面受力小而導(dǎo)致試驗工作時間延長，因為試驗循環(huán)每增加1秒，按3個試驗樣本、每天M小時試驗時間計，就意味著試驗時間將延長15天。
權(quán)利要求
1.一種移動式恒載荷齒輪一齒條綜合性能試驗臺，其特征在于所述試驗臺包括一個基礎(chǔ)平臺、一個被試驗齒條及相應(yīng)的齒條座、左右半移動平臺、兩套被試驗齒輪軸；所述被試驗齒條通過齒條座固定在基礎(chǔ)平臺上，在齒條座的左右側(cè)各固定布置一條導(dǎo)軌，左右半移動平臺分別通過設(shè)置在底面上的滑座坐落在導(dǎo)軌上，且左右半移動平臺之間的間距大于齒條的寬度；兩套被試驗齒輪軸以沿齒條長度方向前后排列的方式安裝在被試驗齒條的上方，并與齒條相嚙合，且所述的兩套被試驗齒輪軸的兩端分別通過相應(yīng)的軸承座安裝在左右半移動平臺上，兩套被試驗齒輪軸分別通過相應(yīng)的低速聯(lián)軸器與安裝在左右半移動平臺上的相應(yīng)的一套由變頻電機、高速聯(lián)軸器、齒輪箱組成的驅(qū)動機構(gòu)相結(jié)合；所述左右半移動平臺之間通過連接架構(gòu)成剛體構(gòu)件，并與安裝在左右半移動平臺上的所有部件共同構(gòu)成移動平臺。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的移動式恒載荷齒輪一齒條綜合性能試驗臺，其特征在于所述左右半移動平臺之間通過前后連接架和中間連接架構(gòu)成剛體構(gòu)件。
全文摘要
一種移動式恒載荷齒輪—齒條綜合性能試驗臺，所述試驗臺包括基礎(chǔ)平臺，通過齒條座固定在基礎(chǔ)平臺上的被試驗齒條，在齒條座的左右側(cè)各固定布置一條導(dǎo)軌，左右半移動平臺分別通過設(shè)置在底面上的滑座坐落在導(dǎo)軌上；兩套被試驗齒輪軸以沿齒條長度方向前后排列的方式安裝在被試驗齒條的上方，并與齒條相嚙合，且所述的兩套被試驗齒輪軸的兩端分別通過相應(yīng)的軸承座安裝在左右半移動平臺上，兩套被試驗齒輪軸分別通過相應(yīng)的低速聯(lián)軸器與安裝在左右半移動平臺上的相應(yīng)的一套由變頻電機、高速聯(lián)軸器、齒輪箱組成的驅(qū)動機構(gòu)相結(jié)合；所述左右半移動平臺之間通過連接架構(gòu)成剛體構(gòu)件，并與安裝在左右半移動平臺上的所有部件共同構(gòu)成移動平臺。
文檔編號G01M13/02GK102507180SQ20111029889
公開日2012年6月20日 申請日期2011年9月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月28日
發(fā)明者劉忠明, 呂泮功, 孟令先, 張和平, 張志宏, 張立勇, 李紀(jì)強, 王征兵, 王振 申請人:鄭州機械研究所