齿轮减速器磨损的自动测量系统的制作方法

本发明为自动测量控制领域，尤其涉及对齿轮减速器工作过程中磨损的测量，具体为齿轮减速器磨损的自动测量系统。

背景技术：

齿轮减速器是各种机械和机器中常见的设备，一般减速器有三个工作阶段：磨合期、正常工作期和过度磨损失效期。新的减速器在磨合过程中会产生较多的磨损脱落屑（主要是铁和铁合金，简称磨屑）；当减速器过了磨合期后，磨屑的量反而减少，进入正常最优工作期；当减速器运转到失效期，由于齿轮工作面的高压力和高速滑磨，引起的局部高温条件下，发生齿轮齿面烧蚀，加上齿面工作间隙的增加，磨损将快速增加，产生的磨屑也大量增加。如果此时继续使用，将造成设备的损坏和人身事故。因此，监控齿轮减速器的磨损程度对生产和安全有重要意义。

由于减速器产生的磨屑脱落后，混合在润滑油中。因此，如果能够动态测量减速器润滑油中的磨屑量，就可以分析、判断减速器工作状况。如何实现对减速器磨屑的自动测量，判断减速器的运行状态是设计者和使用者的主要研究课题之一。

本发明提供了一种减速器润滑油在外循环过程中，利用永磁磁场对齿轮减速器磨屑（主要是铁和铁合金）的吸引力来实现自动润滑油、磨屑分离的方法；本发明设计了橡胶皮自动刮磨屑、超声波振动自动脱落磨屑装置，实现磨屑自动导入应变测量系统；采用应变传感器的电压变化测量磨屑与磁铁吸引力的变化，根据磁铁吸引力的变化来确定齿轮件速器磨屑的变化，从而测量减速器的磨损量。

技术实现要素：

机械减速器是机械运动的主要部件，减少减速器磨损对整个机械设备有重要意义。本发明通过减速器外循环润滑油路，自动分离混合在润滑油中的磨屑；并且能通过对分离面上磨屑的刮屑、超声波对磨屑振动自脱落，将分离出来的磨屑自动导入应变传感器测量系统中；通过测量磨屑与应变传感器吸引力的变化，来测量磨屑重量，从而测量齿轮减速器在工作过程中的磨损情况。

本发明采用如下技术方案实现齿轮减速器磨损的自动测量：齿轮减速器磨损的自动测量系统，包括润滑油外循环系统、润滑油磨屑自动分离系统、应变传感器测量系统。

润滑油外循环系统包括外循环壳体，外循环壳体上设置有分别位于壳体上方和下方的润滑油入口和润滑油出油口，外循环壳体上开有位于润滑油入口下方的分离鼓口，外循环壳体上在分离鼓口的下方还连接有开口朝上的磨屑容器；

润滑油磨屑自动分离系统包括分离鼓，分离鼓采用同轴内外双层圆柱结构，外圆柱为转动圆柱，内圆柱为固定圆柱，外圆柱材料为非磁性材料，分离鼓转动设置在外循环壳体的分离鼓口处，分离鼓外圆柱和内圆柱的部分柱面位于外循环壳体内，内圆柱的位于外循环壳体内的柱面上贴有永久磁铁，磨屑容器开口正对的内圆柱面上不贴有永久磁铁；

应变传感器测量系统包括应变传感器、传感器可调节座和磁-电转换器，应变传感器安装在传感器可调节座上，磁-电转换器支撑在应变传感器上，磁-电转换器上贴有永久磁铁，磨屑容器的下方和磁-电转换器上永久磁铁之间存在磁场间隙。

齿轮减速器磨损的自动测量原理为：齿轮减速器润滑油外接润滑油外循环系统，润滑油泵将混合有齿轮磨屑的润滑油泵到外循环壳体上部，进入润滑油入口后，混合有齿轮磨屑的润滑油流向分离鼓。在分离鼓的内部的同轴内圆柱面上贴有永久磁铁，由于永久磁铁的吸引力会将混合有磨屑的润滑油中的磨屑（铁和铁的合金）吸附在分离鼓外圆柱表面；随着分离鼓外圆柱的转动永久磁铁的吸引力并没有消失，而被紧紧吸在分离鼓表面，直到内圆柱永久磁铁面的消失，吸引力才消失；转过该位置后，在重力和离心力的作用下，磨屑从分离鼓脱落进入磨屑容器，完成磨屑分离。分离的磨屑堆积在磨屑容器底部，磁-电转换器上贴的永久磁铁就会吸引磨屑而产生向上的吸引力，由于磁-电转换器与应变传感器连为一体，所以应变传感器上的应变片受力变形，其输出电压发生变化，变化量与受到力有关，由于磨屑的重量决定了吸引力的变化量，应变传感器受到的力决定了其输出电压的变化量。因此，可以通过测量应变传感器的电压来测量磨屑重量，从而测量齿轮减速器的磨损程度。

应变测量系统输出的电压经过放大和传感器标定后，就可以显示磨屑的重量。当然，如果需要自动控制和测量，可以将测量电压输入到计算机进行计算的存储，应用软件来分析判断减速器运行时间和磨损的函数关系。

上述的齿轮减速器磨损的自动测量系统，还包括刮屑与自导入磨屑系统，刮屑与自导入磨屑系统包括刮屑器，刮屑器固定于磨屑容器侧壁顶部，该侧壁为磨屑容器的外侧侧壁，刮屑器与分离鼓的外圆柱表面接触，能将未脱落磨屑和少量的润滑油全部刮入磨屑容器中。

上述的齿轮减速器磨损的自动测量系统，刮屑与自导入磨屑系统还包括压电超声波振动脱落器，压电超声波振动脱落器固定在磨屑容器侧壁上。

上述的齿轮减速器磨损的自动测量系统，外循环壳体的润滑油入口为扁平鸭嘴结构，使混合液体变宽、变薄，这样混合液体就可以均匀平铺在分离鼓的外圆柱表面上。

上述的齿轮减速器磨损的自动测量系统，分离鼓的外圆柱材料为铜。

上述的齿轮减速器磨损的自动测量系统，分离鼓面两侧设计有密封圈，可以防止润滑油侧漏。

上述的齿轮减速器磨损的自动测量系统，磨屑容器底面为150mm×25mm，大面积平底磨屑容器能更好使导入的磨屑平铺在底部，保证了吸引力的最大化。

上述的齿轮减速器磨损的自动测量系统，分离鼓口上设置有橡胶条，橡胶条和分离鼓接触，防止润滑油喷溅在外循环壳体外部。

上述的齿轮减速器磨损的自动测量系统，磨屑容器与外循环壳体之间还连接有溢油管，溢油管出口和润滑油出油口连接。

上述的齿轮减速器磨损的自动测量系统，应变传感器包括悬臂梁和其上、下面对称贴有的应变片，应变片并与另外两个固定电阻和电位器共同组成电桥。

本发明具有以下特点：

1．混合有磨屑的润滑油入口，入口处管道由圆管变化为扁平鸭嘴结构，鸭嘴顶部角度为120°。这样使混合液体变宽、变薄，这样混合液体就可以均匀平铺在分离鼓的外表面上。溢油管的设计，保证了刮屑过程中多余的润滑油回流润滑系统。

2．润滑油磨屑自动分离系统由两个同轴圆柱面组成：永久强磁圆柱贴面形成内圆柱固定面，由铜质非磁性材料形成分离鼓面（外圆柱转动分离磨屑面）。内、外两个圆柱共轴，内圆柱面的圆周面上贴有永久强磁磁体；外圆柱面为工作转动面，分离鼓面两侧设计有密封圈，可以防止润滑油侧漏。当由外循环系统来的混合润滑油平铺在分离鼓上后，由于强磁场的作用混合在润滑油中的磨屑（主要是铁和铁合金）被吸附在铜质分离鼓表面，并随分离鼓的转动进入到刮屑导入系统。当分离鼓吸附的磨屑转动到非永久强磁贴面位置时，由于永磁贴面吸引力的消失，在重力和离心力的作用下，磨屑从分离鼓脱落，完成润滑油与磨屑的分离。

3．刮屑与自导入磨屑系统：刮屑器采用橡胶制成，柔软有弹性，能将磨屑和微量润滑油全部刮入自导入槽中。为了磨屑快速、完全进入自导入槽，设计了压电超声振动脱落器，使分离的磨屑快速进入测量系统。

4．应变测量系统结构：磁-电转换器上部的固定平底磨屑容器底面为150mm×25mm，大面积平底磨屑容器能更好使导入的磨屑平铺在底部，保证了吸引力的最大化。由于磁-电转换器与磨屑容器底部之间采用非接触设计且仅针对磨屑吸引的选择性受力设计，因此，消除了磨屑中混有的润滑油等杂质对测量的影响。平底磨屑容器与磁-电转换器之间采用可调间隙设计，可以根据测量需要调整间隙，提高测量灵敏度。应变测量系统的测量设计，选用悬臂应变结构、电桥电位器可调、放大电路设计为测量显示提供了方便。

由于本发明实现了减速器磨屑的自动测量，对监控齿轮减速器磨损、提高机械的工作效率、提高机械的使用寿命和安全有重要意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为图1的侧视图

图3为扁平鸭嘴结构示意图。

图4为图3的侧视图。

图5为润滑油磨屑自动分离系统结构图。

图6为应变测量系统结构图。

图7为图6侧视图。

图8为应变传感器电原理图。

图中：1-润滑油出油口，2-溢油管，3-润滑油入口，4-永久磁铁，5-内圆柱，6-外圆柱，7-转轴，8-刮屑器，9-超声波振动脱落器，10-应变传感器，11-传感器可调节座，12-基座，13-磁场间隙，14-磁-电转换器，15-磨屑，16-磨屑容器，17-外循环壳体。

具体实施方式

结合附图，对本发明做出进一步详细说明。

齿轮减速器磨损的自动测量系统包括润滑油外循环系统、润滑油磨屑自动分离系统、刮屑与自导入磨屑系统、应变传感器测量系统。

润滑油外循环系统：图1、图2所示，包括外循环壳体17，外循环壳体17上设置有分别位于壳体上方和下方的润滑油入口3和润滑油出油口1，外循环壳体17上开有位于润滑油入口3下方的分离鼓口，外循环壳体上在分离鼓口的下方还连接有开口朝上的磨屑容器16，磨屑容器16与外循环壳体之间还连接有溢油管2，溢油管2出口和润滑油出油口1连接。润滑油外循环系统由油泵驱动，混合有磨屑的润滑油由润滑油入口3进入，入口处管道由圆管变化为扁平鸭嘴结构，使混合液体变宽、变薄，这样混合液体就可以均匀平铺在分离鼓的外圆柱表面上；混合液体随分离鼓转动和自由下落进入外循环壳体的出口部分，经过分离鼓将磨屑分离后的润滑油与溢油管出来的油汇合后，在重力作用下流出润滑油出油口1。

润滑油磨屑自动分离系统：图1、图2所示，包括分离鼓，分离鼓采用同心内外双层圆柱结构，分离鼓包括外圆柱6、内圆柱5和转轴7，外圆柱6表面为转动分离磨屑面，内圆柱5固定不动，表面为永久强磁圆柱贴面，其表面贴有永久磁铁4。当润滑油外循环系统来的混合有磨屑的润滑油平铺在分离鼓上后，由于强磁场的作用混合在润滑油中的磨屑（主要是铁和铁合金）被吸附在分离鼓外圆柱6表面，并随分离鼓外圆柱6的转动进入到刮屑与自导入磨屑系统。当被分离鼓吸附的磨屑到达分离鼓下部时，由于永磁贴面吸引力的消失，在重力和离心力的作用下，磨屑从分离鼓脱落，完成磨屑分离。

刮屑与自导入磨屑系统：图1、图2所示，包括刮屑器8和压电超声波振动脱落器9。当被永久磁铁吸引在分离鼓上的磨屑随分离鼓转到分离鼓下部后，进入刮屑器与自导入磨屑系统。由于磁场吸引力的消失，在重力、离心力的共同作用下，大部分磨屑脱落进入磨屑容器，小部分继续随分离鼓转动。当这部分磨屑到达刮屑器8后，被刮屑器完全刮下来进入磨屑容器。为了使刮下的磨屑完全、快速进入测量系统，在磨屑容器的右侧壁外安装有压电超声波振动脱落器9（供电电压来源测量电路），压电超声波振动脱落器的振动能使刮下来的磨屑快速脱落到磨屑容器底部。

应变传感器测量系统：如图1、图2所示，包括应变传感器10、传感器可调节座11、磁-电转换器14。当磨屑落到磨屑容器底部，由于磨屑主要由铁和铁合金组成，而磁-电转换器上表面贴有永久磁材料，这样磨屑受到强磁场的吸引产生向下的力，由于磨屑受到磨屑容器底的限制不能向下移动，因此只能使磁-电转换器14向上移动。磁-电转换器向上移动时，由于磁-电转换器与应变传感器10连为一体，所以应变传感器10受到向上的力作用。应变传感器受到力的作用后，就产生应变电压输出，其电压大小与受力有关。磁场间隙13，可以根据需要进行调节。磁场间隙小：测量时的应变传感器10可变形范围小，应变传感器10受到的作用力大，测量灵敏度高；磁场间隙大：测量时应变传感器10可变形范围大，应变传感器10受到的作用力小，测量灵敏度低。磁场间隙13的大小可以通过传感器调节座11来调节。由于磨屑的重量决定了吸引力的变化量，应变传感器受到的力决定了其测量的电压的输出。因此，可以通过测量应变传感器的电压来测量磨屑重量，从而测量齿轮减速器的磨损程度。磁-电转换器与磨屑容器底部之间采用非接触、间隙可调节受力设计，因此消除了磨屑中混有的杂质（如润滑油等）对测量的影响。

齿轮减速器磨损量测量系统各部分结构：

润滑油外循环系统结构：外循环壳体的润滑油入口3处管道由直径φ10mm的圆管变化为150mm×2mm的扁平鸭嘴结构，鸭嘴顶部角度为120°，如图3、图4所示。这样使混合液体变宽、变薄，混合液体就可以均匀平铺在分离鼓的外表面上。这样的结构，混合在润滑油中的磨屑就可以完全被吸附在分离鼓上，确保混合液体中磨屑的彻底分离。由于分离后的磨屑还带有少量润滑油，为了保证测量的精确，设计了溢油管。这样，如果测量系统长时间积累的润滑油超过溢油口后，就会经溢油口排出汇合到出油口。

润滑油磨屑自动分离系统：润滑油磨屑自动分离系统由内部固定、可调的永久强磁圆柱贴面，外圆柱铜质的分离鼓面（外圆柱转动分离磨屑面，铜为非磁性材料）构成主体。内、外两个圆柱共轴，内圆柱在xoy坐标系（x轴正方向起始为0°）90°—240°的圆周面表面上贴有永久强磁（贴磁面角度差为150°，即内圆柱90°-240°的圆周面位于外循环壳体内）；外圆柱面为工作转动面，其直径为100mm；内、外圆柱面宽为154mm，保证润滑油鸭嘴入口150mm的需要。内、外两个圆周面直径差为2mm；分离鼓面两侧设计有密封圈，可以防止润滑油侧漏。当由外循环系统来的混合有磨屑的润滑油平铺在分离鼓上后，由于强磁场的作用混合在润滑油中的磨屑（主要是铁和铁合金）被吸附在铜质分离鼓表面，并随分离鼓的转动进入到刮屑导入系统。当分离鼓吸附磨屑转动到240°位置时，由于永磁贴面吸引力的消失，在重力和离心力的作用下，磨屑从分离鼓脱落，完成磨屑分离，如图5所示。

刮屑与自导入磨屑系统结构：刮屑器8由类似汽车雨刷的橡胶皮制成，刮屑器固定于磨屑容器外侧侧壁顶部（如图1所示，分离鼓为逆时针旋转情况下该侧壁为右侧侧壁），当未脱落磨屑和少量润滑油到达刮屑器后，刮屑器将磨屑和微量润滑油全部刮入自磨屑容器中，为了防止磨屑和少量润滑油粘在刮屑器和磨屑容器上，设计了压电超声波振动脱落器9；在磨屑容器的右侧壁外安装有压电超声波振动脱落器，压电超声波振动脱落器的振动能使刮屑器所刮磨屑快速脱落进入磨屑容器。

应变测量系统结构：如图6、图7所示，传感器可调节座11安装在基座12上，调节传感器可调节座11的螺栓使磁场间隙13为2mm，磁-电转换器14可无阻力上下移动。磁-电转换器上部的平底磨屑容器底面为150mm×25mm，设计磁-电转换器上部凹面下表面为154mm×29mm，并在该表面贴有永久磁铁。由于磁-电转换器本身有质量，应变传感器在没有磨屑进入测量系统时，仅受到磁-电转换器本身的重力作用，此时输出的电压并不为0，测量系统可以通过调节测量电桥电路的电位器使应变传感器的输出电压变为0。当有磨屑进入磨屑容器底部时，磁-电转换器上表面所贴强磁材料就会因吸引磨屑而产生向上的吸引力，由于磁-电转换器与应变传感器10连为一体，所以应变传感器10受到磨屑吸引力的作用，而使应变片变形产生电压变化。应变传感器电压的变化大小与受到力的变化大小有关。由于磨屑的重量决定了吸引力的变化量，应变传感器受到的吸引力决定了其测量的电压的输出。因此，可以通过测量应变传感器的电压来测量磨屑重量，从而测量齿轮减速器的磨损程度。

应变传感器10由一悬臂梁和上、下面对称贴有应变片的测量元件组成，应变片的电阻均为360欧，并与另外两个300欧的固定电阻和120欧电位器共同组成电桥。图8所示，应变传感器的应变片电阻组成电桥上边两个电桥臂；下电桥臂由两个300欧的固定电阻和120欧电位器组成，当电位器触头在中间位置时，下电桥臂两个电阻分别分得60欧电阻。这样，每个臂的电阻均为360欧，uo为传感器电压输出，u为传感器供电电压（5v，同时为压电超声波振动脱落器9供电）。若没有磨屑进入测量系统时，悬臂梁仅受到磁-电转换器14重力的作用，此时，电桥输出电压uo不为0，需要调节120欧电位器使输出电压uo为0，使应变传感器进入测量初始状态。当有磨屑进入测量系统后，由于磨屑对永久磁铁向上的吸力，应变传感器10悬臂梁产生变形，其上、下面对称贴有的应变片的电阻发生变化，使得输出电压uo发生变化，变化大小与磨屑的重量成正比。可以通过测量应变传感器的电压来测量磨屑重量，从而测量齿轮减速器的磨损程度。

齿轮减速器磨损的自动测量原理：齿轮减速器润滑油外接循环系统，润滑油泵将混合有齿轮磨屑的润滑油泵到测量装置上部，通过润滑油入口3，混合有齿轮磨屑的润滑油通过扁平鸭嘴结构将液体流变化为150mm×2mm瀑布面，均匀流向分离鼓6。在分离鼓的内部的同轴内圆柱面上贴有一个角度位置可调节的永久磁铁；调节内圆柱永久磁铁角度位置，使扁平鸭嘴来的液体正好落在贴有永久磁铁的y轴正方向开始端左侧位置。由于内、外两个圆柱面的直径差为2mm，永久磁铁的吸引力会将混合有磨屑的润滑油中的磨屑（铁和铁的合金）吸附在分离鼓表面；随着分离鼓的逆时针转动永久磁铁的吸引力并没有消失，而被紧紧吸在铜质的分离鼓表面，直到分离鼓转到坐标系240°位置时，由于永久磁铁的消失，吸引力才消失；转过该位置后，在重力和离心力的作用下，磨屑从分离鼓脱落，完成磨屑分离。

分离后的磨屑被刮屑器8及自身重力导入测量系统中，刮屑器8采用橡胶制成，柔软有弹性，能将磨屑和少量的润滑油全部刮入自导入槽中，积累的润滑油从溢油口及溢油管排出。为了磨屑快速、完全进入自导入槽，设计了压电超声波振动脱落器9，使分离的磨屑快速进入测量系统。

磨屑在重力和压电超声振动脱落器9的共同作用下，堆积在平底磨屑容器底部。磁-电转换器上部凹面下表面为154mm×29mm，并在该表面贴永久恒磁磁铁。由于磁-电转换器的本身的质量，应变传感器在没有磨屑时只受到磁-电转换器本身的重力作用。此时，电桥输出电压uo不为0，需要调节120欧电位器使输出电压uo为0，使应变传感器进入测量初始状态。当有磨屑进入磨屑容器底部时，磁-电转换器上表面贴的永久恒磁磁铁就会吸引磨屑而产生向上的吸引力，由于磁-电转换器与应变传感器10连为一体，所以应变传感器10上的应变片受力变形，其输出电压发生变化，变化量与受到力有关，由于磨屑的重量决定了吸引力的变化量，应变传感器受到的力决定了其输出电压的变化量。因此，可以通过测量应变传感器的电压来测量磨屑重量，从而测量齿轮减速器的磨损程度。

应变测量系统输出的电压经过放大和传感器标定后，就可以显示磨屑的重量。当然，如果需要自动控制和测量，可以将测量电压输入到计算机进行计算的存储，应用软件来分析判断减速器运行时间和磨损的函数关系。