一种摩擦振动测试装置及其测试方法与流程

本发明属于机械传动系统中的设备检测技术领域，具体涉及一种机械传动中的摩擦振动测试装置及其测试方法。

背景技术：

行星齿轮作为国民经济和国防建设中的关键传动部件，在风力发电、航空、船舶、冶金、石化、矿山、起重运输等行业的机械传动系统中广泛应用。齿轮箱具有重量轻、体积小、传动比大、承载能力强、传动效率高等诸多优点，但在低速重载的恶劣工作环境经常导致其太阳轮、行星轮、行星架等关键部件出现严重磨损或疲劳裂纹等故障。基于上述情况，很有必要进行摩擦、振动以及磨损的测试，以对其因为故障而可能引发的灾难性事故进行预防。因此，本发明对行星齿轮系统摩擦-振动状态测试装置及测试方法展开研究。

目前现有的试验机无法满足上述要求，而且难以保证在相应转速下的润滑剂的取样，不易进行磨损在线检测试验，因此本发明对行星齿轮摩擦-振动试验台进行设计。通过开发相关的测试装置与设备，设计合理的润滑油路，提供充足的润滑油把摩擦副产生的磨屑冲刷到油液中，模拟齿轮箱摩擦副不同的实际工况等来实现测试。在试验台及现场验证各种理论与方法，以有效地解决现有行星齿轮故障诊断的难点问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种摩擦振动测试装置及其测试方法，用以实时检测齿轮减速箱太阳轮、行星轮、行星架等关键部件在正常工作中的受损情况，解决现有行星齿轮故障诊断困难的问题。

本发明的技术方案为：

一种摩擦振动测试装置，包括底座，在底座上端面的中轴线上依次设置电机、待测齿轮减速箱和水利测功机；所述电机的输出轴通过联轴器连接待测齿轮减速箱的输入轴，待测齿轮减速箱的输出轴通过联轴器与水利测功机的主轴连接；待测齿轮减速箱上固定设置有压电式加速度传感器。

所述的待测齿轮减速箱包括外壳体，在外壳体内设置有环形齿圈、行星架、太阳轮和多个行星轮；所述的行星架为双侧板整体式结构，行星架内设置所述的太阳轮和行星轮，太阳轮的一端与待测齿轮减速箱的输入轴连接、另一端与多个行星轮啮合，多个行星轮均通过行星轮芯轴与行星架连接，多个行星轮等间隔环形分布在太阳轮外；所述的行星架、太阳轮和行星轮整体设置在环形齿圈内，多个行星轮与环形齿圈啮合；多个行星轮与待测齿轮减速箱的输出轴连接；所述的外壳体侧壁上部设置有游标孔，游标孔内设置游标尺，外壳体侧壁下部设置有放油孔，放油孔内设置油塞。

所述待测齿轮减速箱的外壳体上端设置有吊装耳。

所述摩擦振动测试装置的摩擦测试方法如下：将金属丝分别粘贴在待测齿轮减速箱的行星轮、太阳轮和环形齿圈上，当各齿轮受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随之发生变化，进而导致金属丝电阻值发生变化，根据金属丝电阻的变化量确定待测齿轮减速箱内各齿轮的摩擦情况。

所述摩擦振动测试装置的磨损测试方法如下：通过放油孔放出润滑油，采用高分辨率图像采集光学系统检测待测齿轮减速箱内润滑油中磨粒的浓度及成分，将气泡等噪声信息从磨粒浓度信息中剔除，然后对磨粒进行分类计算，得到待测齿轮减速箱的磨损情况。

所述摩擦振动测试装置的震动测试方法如下：将压电式加速度传感器固定在待测齿轮减速箱上，压电式加速度传感器的加速度会随着待测齿轮减速箱传动过程中的振动发生变化，将加速度信号引出计算，得到待测齿轮减速箱的扭转振动情况。

本发明具有以下优点：

1.本发明的摩擦振动测试装置可以对行星齿轮减速箱的摩擦、磨损以及振动进行测试，该装置选用电机带动齿轮减速箱进行运转，为了齿轮减速箱不空转，在齿轮减速箱后加一测功机，可作为行星齿轮箱的负载来测试它们的性能。

2.本发明将齿轮减速箱的磨损监测信息与齿轮减速箱的其它监测信息进行融合，利用组合加权理论进行信息融合，融合后得到一个新的综合状态指标，作为下一步状态识别的依据。

附图说明

图1是本发明摩擦振动测试装置的整体结构示意图；

图2是图1的a-a侧剖视图；

图3是图1的左视图；

图4是本发明行星架的结构示意图；

图5是本发明太阳轮的结构示意图；

图6是本发明行星轮的结构示意图；

图中，1-底座，2-电机，3-待测齿轮减速箱，4-水利测功机，5-联轴器，6-外壳体，7-环形齿圈，8-行星架，9-太阳轮，10-行星轮，11-游标孔，12-游标尺，13-放油孔，14-油塞，15-吊装耳。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参见图1-图6所述的摩擦振动测试装置，包括底座1，在底座1上端面的中轴线上依次设置电机2、待测齿轮减速箱3和水利测功机4；所述电机2的输出轴通过联轴器5连接待测齿轮减速箱3的输入轴，待测齿轮减速箱3的输出轴通过联轴器5与水利测功机4的主轴连接；待测齿轮减速箱3上固定设置有压电式加速度传感器。

所述的待测齿轮减速箱3包括外壳体6，在外壳体6内设置有环形齿圈7、行星架8、太阳轮9和多个行星轮10；所述的行星架8为双侧板整体式结构，行星架8内设置所述的太阳轮9和行星轮10，太阳轮9的一端与待测齿轮减速箱3的输入轴连接、另一端与多个行星轮10啮合，多个行星轮10均通过行星轮芯轴11与行星架8连接，多个行星轮10等间隔环形分布在太阳轮9外；所述的行星架8、太阳轮9和行星轮10整体设置在环形齿圈7内，多个行星轮10与环形齿圈7啮合；每相邻两个行星轮10齿顶之间不得相互碰撞；多个行星轮10与待测齿轮减速箱3的输出轴连接；所述的外壳体6侧壁上部设置有游标孔11，游标孔11内设置游标尺12，外壳体6侧壁下部设置有放油孔13，放油孔13内设置油塞14。所述待测齿轮减速箱3的外壳体6上端设置有吊装耳15。

本发明摩擦振动测试装置的具体装配过程如下：

2.电机2通过联轴器5与待测齿轮减速箱3的输入轴相连；待测齿轮减速箱3的输入轴与待测齿轮减速箱3内的太阳轮9通过鼓形齿式联轴器相连接；太阳轮9装入行星架8，再与多个行星轮10相啮合；其中，多个行星轮10均通过行星轮芯轴11与行星架8连接；再将由太阳轮9、行星轮10及行星架8构成的整体放入环形齿圈7中；行星架8通过销、弹簧垫圈和螺栓与待测齿轮减速箱3的输出轴连接；多个行星轮10中的套筒、深沟球轴承与行星轮芯轴配合后通过螺钉与待测齿轮减速箱3的输出轴连接；待测齿轮减速箱3的外壳体6包括前轴承盖、后轴承盖、箱座、箱盖和端盖；吊装耳15设置在箱盖上端面，游标尺12通过外壳体6上的游标孔11装入待测齿轮减速箱3中。待测齿轮减速箱3的输出轴小端通过联轴与测功机的主轴连接，再将其连接到水力测功机4内。水力测功机4是在工作腔中充满水的情况下工作的，利用物体在水中运动产生摩擦阻力吸收待测齿轮减速箱3的功率。水力测功机的转子与定子在水力测功机4的内部组成耦合件，通过联轴器与待测齿轮减速箱3的输出轴连接，工作时使水力测功机4的转子6与定子5产生相对运动。在一定压力作用下，水通过进水管同时进入水力测功机4两侧的进水环室，然后由定子上的进水孔进入涡流中心。待测齿轮减速箱3的输出轴与水力测功机4的主轴相连，带动主轴上的转子做旋转运动，转子上的叶片不停的搅拌工作腔中的水流，使其在工作腔中做旋转运动，并不断的冲击摩擦叶片和内腔壁，使来自于待测齿轮减速箱3的机械能转化成水流的热能。

本发明摩擦振动测试装置的测试方法如下：

在摩擦、磨损和振动的检测过程中，本发明设计出如下的三种测试方案：分别针对每一个过程进行检测，从而可以轻易地掌握设备的工作情况，方法分别如下：

(一)行星齿轮减速箱的摩擦测试

本发明的摩擦测试方法是利用电阻应变片进行摩擦测试，其工作原理为：金属丝的电阻值不仅与材料的性质有关之外，还与金属丝的长度，横截面积有关。电阻应变片是基于应变效应制作的，即导体或半导体材料在外界的作用下产生应变变形。当其电阻值相应的发生变化时，通过阻值的变化，我们就可以知道应力的大小，从而反映出摩擦力的大小。在本发明中，打开待测齿轮减速箱3的箱盖，将金属丝粘贴在待测齿轮减速箱3的行星轮10、太阳轮9和环形齿圈7上，当各个齿轮受力变形时，金属丝的长度和横截面积也随之一起发生变化，进而导致电阻值发生变化。根据电阻的变化就可以了解到齿轮摩擦的情况。

(二)行星齿轮减速箱的磨损测试

本发明的磨损测试主要通过磨粒分析技术来检测润滑油中磨粒浓度及成分。由于待测齿轮减速箱3中有润滑结构的设计，可通过均匀取出润滑剂检测其中磨粒的方法来反映其磨损的严重程度，磨粒浓度越大，磨损情况越严重；反之亦然。

磨粒分析技术采用高分辨率图像采集光学系统，内置图像智能模式识别软件，可自动将润滑油中的磨粒进行分类。不仅可以检测到磨粒大小，还能探测出磨粒形貌，从而确定磨粒的机械磨损类型；同时还能测量油液的动态粘度。通过该技术可以精确测量磨粒最大等效直径、油液中磨粒浓度等信息，同时将气泡等噪声信息从磨粒浓度信息中剔除，判断是否需要对其进行维护，提高设备性能。

(三)行星齿轮减速箱的振动测试

本发明的振动测试选用的是压电式加速度传感器，也属于惯性式传感器。利用压电陶瓷或石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。测量时，将加速度传感器固定在待测齿轮减速箱3上，其加速度会随着待测齿轮减速箱3的振动发生变化。通过加速度传感器将加速度信号引出,从而测量待测齿轮减速箱3扭转振动情况。

振动信号的频率由信号发生器控制,通过振动台的功率放大器控制激振力的幅值。加速度计和位移传感器测量得到的信号经过调理器滤波、放大，进行数据的采集；进而根据各测量参数之间的关系进行推导计算，分析数据的变动情况，完成待测齿轮减速箱3的振动测试。

当待测齿轮减速箱3产生加速度时将产生惯性力f1，其方向与加速度方向相反，大小为f1＝ma，此惯性力与预紧力f0叠加后作用在压电式加速度传感器上，使得作用在压电式加速度传感器的力f为：

f＝f0+f1＝f0+ma

压电式加速度传感器上产生与加速度a对应的电荷，即q＝d11f＝d11(f0+ma)。为静态工作点的电荷量与ma对应的是电荷的增量δq

δq＝d11×ma

工作时，将压电式加速度传感器产生的电荷输出给电荷放大器，则电荷放大器的输出电压的增量

由上式可知，电荷放大器的输出电压的增量δu0与加速度a成正比。因此，只要将δuo测出，即可以得到待测齿轮减速箱3的加速度，近而可以进行振动测试。

本发明中的摩擦振动测试装置，其状态评估需要使用融合上述的多种检验信息状态识别方法。

单一利用一种传感器误诊的情况比较多，虚警率高，造成大量有用的信息被浪费。利用组合加权模型将本测试平台的磨损监测信息与本平台其它监测信息进行融合，对行星齿轮箱的健康状态评估以及视情维护具有重要意义。

t时刻磨损监测数据所对应的发动机故障预示概率pw(t)表示为：

pw(t)＝ω1*p1(t)+ω2*p2(t)+ω3*p3(t)(1)

其中，p1(t),p2(t),p3(t)分别代表了磨损监测数据中的磨粒浓度，磨粒尺寸、磨粒浓度变化率三个指标的无量纲转化指标，ω1，ω2，ω3是权值系数，ω1+ω2+ω3＝1。当磨损监测数据超过警戒线的可能故障预示概率为1。

利用组合加权理论进行信息融合，融合后得到一个新的综合状态指标，作为下一步状态识别的依据。

以上几种不同监测信号对齿轮轴成系统整体状态的贡献率有所不同，本发明在统计以往试验结果的基础上，确定各信号与故障关联度s，(s＝s1…,s3)。

矩阵px表示所有监测参数，如式(2)所示：

ptr和pvb分别表示摩擦测试信号和振动测试信号无量纲转化指标；

其中，在时刻t，发动机整体综合状态因子py(i)可以由公式(3)计算得到，该无量纲特征值表示发动机当前所处的磨损状态。

本发明对齿轮箱的健康状态划分简化为初步正常、初步异常两种状态。综合状态因子py介于0-1之间，初步状态正常时综合状态因子py(i)≤0.5，初步状态异常时综合状态因子py(i)>0.5。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。