本发明属于工程机械领域，涉及一种液压马达减速器工况模拟试验台及其设计方法，尤其涉及一种能够模拟臂架式混凝土泵车臂架回转工况的液压马达减速器试验台及其设计方法。
背景技术：
液压马达减速器为液压马达与减速器集成的传动装置，由液压马达、与所述液压马达相连接的减速器及控制所述液压马达传动装置转动的液压控制阀组成，所述减速器多为多级行星齿轮减速器，通常具有一级减速的中心齿轮及与其相啮合的行星齿轮以及二级减速的中心齿轮及与其相啮合的行星齿轮装置，所述二级行星齿轮兼作驱动装置的减速器壳体上同心安置二排内齿圈，所述二级中心齿轮与二级行星齿轮相啮合，所述二级行星齿轮与所述减速器壳体的内齿轮啮合。液压马达减速器属于通用机械，其种类、规格、型号繁多，用途也很广，如广泛地应用于工程机械的上车回转机构和行走机构中。
液压马达减速器工作性能的高低直接影响到机械产品的可靠性及使用寿命(饶振纲编著，行星传动机构设计.北京：国防工业出版社,1994)。以混凝土工程机械中的臂架式混凝土泵车为例，其臂架系统为一个由多节臂多连杆构成的多自由度系统，每节臂之间的折叠和展开靠液压油缸的伸缩来驱动，而臂架系统的整体回转则由液压马达减速器来驱动。由于所述臂架系统受工作频率高、工况恶劣、液控系统工作特性、操作者素质等因素的影响，使得泵车钢结构件开裂、回转支承齿轮断齿、液压马达减速器损坏等故障时有发生，其中，因臂架回转机构的极端惯性冲击所引起的臂架抖动和共振是导致钢结构件开裂、回转支承齿轮断齿、减速器损坏等故障的主要原因，严重影响了作业进程，提高了维修成本，甚至会增加施工危险因子。可见，对于机械产品而言，尤其是对于类似处于大惯性冲击、大负载及频繁启停这一极端恶劣工况条件下的长/超长臂架式混凝土泵车而言，液压马达减速器是上述产品的关键部件，其工作性能(包括能耗效率、使用寿命、载荷特性、磨损演化规律等)理应在臂架式混凝土泵车设计选型阶段予以重点考察和全面评估。
为了便于测试液压马达减速器的工作性能，液压马达减速器的设计制造厂家一般按照国家或行业标准开发出满足通用机械的一般应用要求的液压马达减速器型式试验台；该型式试验台多采用联轴器输出动力，其布置形式有基本形式和“背对背”式两种，并以在平稳载荷作用下运行2000小时为判断标准(减速器加载装置试验[j].江汉石油科技,2009,19(2)：46-48)。然而，由于液压马达减速器应用场合各异，工况条件各异，特别是工程机械现场施工场合下(更为特别的是长/超长臂架式混凝土泵车上车满载回转时)，因其回转机构工作环境极其恶劣、工况极端复杂(如启停、制动及正反转频繁，启动静载荷与惯性力大，输出轴承所受径向力大等)，使得液压马达减速器实际工况条件与上述常规的型式试验台的测试环境相差甚远，导致所述型式试验台不能有效地反映出实际工况条件下(尤其是频繁启停、大惯性冲击、大静载荷下)液压马达减速器的真实工作性能。综上来看，液压马达减速器性能测试试验台应根据被测试减速器的结构形式、技术性能、应用场所、工况条件及测试需求进行专门定制设计。
随着我国基础设施建设投入的持续增加，工程机械产品的市场需求量快速增长，特别是近五年来臂架式混凝土泵车市场需求量会急剧增加。然而，液压马达减速器工作性能与工况条件的严重不匹配，制约了工程机械产品的规模化经济性生产和大范围高效安全应用。为了提升工程机械装备可靠性，填补国内外液压马达减速器工况模拟试验技术的空白，并满足工程机械用液压马达减速器型式试验和出厂试验的迫切需求，业内技术人员进行了不懈的努力。中国专利(公开号：202255874u)公开了一种减速器试验台，所述试验台设置在机架上，在所述试验台上设有转动盘，将所述转动盘设置在机架的内侧，在所述转动盘的上边缘设有轮齿，所述轮齿与设置在机架一侧的齿条相啮合，所述齿条由机架外侧的控制装置控制。中国专利(公开号：107655687a)提供一种减速器性能试验台，包括：工作台，包括沿水平方向设置的工作面；压紧装置，固定在工作面上，压紧装置设置有用于将减速器压紧在工作面上的压紧头；驱动装置，固定在工作面上，且驱动装置的驱动端用于与减速器的输入端连接并带动减速器转动。中国专利(公开号：107764545a)提供了一种电回馈的直升机主减速器综合试验台，包括驱动电机模块等，驱动变频电动机通过第一增速箱、联轴器带动输入轴转动，输入轴与被试件主减速器的输入口联接，被试验件主减速器的输出轴与模拟主旋翼轴向力、径向力、弯矩的附加力加载模块通过推力轴承联接，在附加力加载模块的中心位置处，主减速器输出轴与上部轴系的下端联接以传递扭矩和转速，而上部轴系上端安装于第二增速箱的垂向输入口，第二增速箱的输出口通过输出轴与加载变频电机相连，加载变频电机作为发电机，在输入轴的带动下发电。中国专利(公开号：105954028a)公开了一种垂直轴减速器试验台，包括平台，平台上固定设置有被测垂直轴减速器，被测垂直轴减速器的输入端连接有驱动电机，且被测垂直轴减速器的输入端与驱动电机的输出端之间安装有第一传感器，被测垂直轴减速器的输出端向上连接有加载电机，且被测垂直轴减速器的输出端与加载电机的输出端之间安装有第二传感器，平台上设置有升降台，升降台通过升降驱动机构带动上升或下降，驱动电机安装在升降台上。
上述公知技术为提升液压马达减速器的工作性能作出了贡献，但考虑到液压马达减速器在工程机械领域的特殊工况条件，尚不能直接在本领域加以推广应用，尤其是直接用于模拟长/超长臂架式混凝土泵车回转机构的复杂使用工况(如频繁启停、大惯性冲击、大静载荷等)。此外，由于工程机械设计制造厂商的技术限制与保密，有关工程机械产品专用的液压马达减速器工况模拟试验台及其设计方法尚未见披露和报道；工程机械产品专用的液压马达减速器工况模拟试验台也无相关产品出售流通。
技术实现要素：
针对现有技术存在的上述不足，本发明提供了一种液压马达减速器工况模拟试验台及其设计方法。
一种液压马达减速器工况模拟试验台，包括被试液压马达减速器、安装座、安装法兰盘、加速装置、联轴器、扭矩传感器、加载装置、主机架，其特征在于：
所述安装法兰盘为八边形结构，其外边缘间隔开设有榫头结构；利用螺栓连接将所述被试液压马达减速器与所述安装法兰盘固结；
所述安装座为八边形框架结构，所述框架结构的八个内边缘均相应开设有榫槽结构；所述框架结构的上部三边框架构成一体式的盖扣；下部五边框架构为一体式的扣座；所述盖扣的一端通过弹簧销轴活动地铰接于所述扣座之上，所述盖扣的另一端通过螺纹连接将所述盖扣紧固于所述扣座之上；借助所述安装法兰盘与所述安装座的榫槽配合结构，将所述被试液压马达减速器紧固于所述安装座中；
所述被试液压马达减速器通过所述安装座安装于所述主机架的一端；
所述加速装置为外啮合齿轮对；
所述被试液压马达减速器的输出轴与所述加速装置的大齿数齿轮(主动轮)动力连接；所述加速装置的小齿数齿轮(从动轮)经由联轴器i与所述扭矩传感器一端动力连接；所述安装座底部设置有双u型滑槽导轨机构，通过丝杠螺母机构可调节所述外啮合齿轮对的中心距；
所述加载装置包括陪试减速器、惯性轮和加载油泵，其中：所述陪试减速器的高速轴为双轴伸，分别与所述惯性轮和所述加载油泵动力连接；所述扭矩传感器的另一端经由联轴器ii与所述陪试减速器的低速轴动力连接；
作为优选，所述下部五边框架上开设的且与水平面垂直的两个榫槽是从安装座的上端面垂直向下开设的。
作为优选，为了防止拆装所述被试液压马达减速器时因液压油泄漏导致污染环境，在靠近所述被试液压马达减速器的所述主机架一侧地面上放置接油盆；所述接油盆位于所述被试液压马达减速器的下方。
作为优选，所述陪试减速器采用可逆运转的三级平行轴减速器。
作为优选，所述加载油泵为可双向运转的电比例轴向柱塞油泵。
更为优选，所述加载油泵的进出油口均分别通过电磁溢流阀与油箱相连；同时，所述进出油口均分别并接单向阀再与补油泵相连。
作为优选，所述惯性轮外设置惯性轮保护罩。
作为优选，所述联轴器为十字滑块联轴器。
作为优选，所述惯性轮包括基本惯性轮、辅助惯性轮；通过在所述基本惯性轮的基础上叠加挂载不同的辅助惯性轮，获得不同的等效转动惯量。
一种与所述液压马达减速器工况模拟试验台配套使用的液压马达减速器工况模拟试验台设计方法，其特征为包括如下步骤：
步骤1：工况等效分析与计算：根据被试液压马达减速器工作原理、装配特征、被试液压马达减速器的输出轮及惰轮载荷分布特性，按照被试液压马达减速器输出轴扭矩和径向力与实际工况相一致的原则，确定外啮合齿轮对的大齿数齿轮与被试液压马达减速器的输出齿轮的半径比；
步骤2：根据获得的所述半径比，结合被试液压马达减速器的输出齿轮的齿数，计算获得开式外啮合齿轮的大齿数齿轮的齿数z1；
步骤3：根据结构设计的需要，选定开式外啮合齿轮的小齿数齿轮的齿数z2；
步骤4：扭矩传感器的计算选型：按式(1)和式(2)计算确定扭矩传感器上最大测试扭矩m1和极限扭矩mmax：
mmax＝m1s(2)
式中：η1为加速装置及联轴器i的总传动效率；m为被试液压马达减速器最大输出扭矩；s为安全系数；
步骤5：转动惯量的等效分析与计算；本步骤分为如下分步骤：
分步5.1：计算传动系统的总增速比i；
分步5.2：计算被试液压马达减速器实际工作时输出齿轮(主动轮)与回转支承(从动轮)的传动比i0；
分布5.3：估算获得被试液压马达减速器实际工作时所在机构(如上车回转机构)总体最大转动惯量j0；
分布5.4：根据“惯性轮转动惯量折算到被试液压马达减速器输出轴上的等效转动惯量应与实际工况相一致”的原则，按式(3)反求惯性轮的转动惯量j：
步骤6：根据惯性轮的转动惯量j，设计惯性轮尺寸，并获得基本惯性轮和辅助惯性轮的转动惯量；
步骤7：能耗分析：根据式(4)和式(5)计算液压马达减速器工况模拟试验台的机械效率ηm及总效率η：
式中：p1为入口压力，p2为出口压力，m1为从动轴所测扭矩，ω1从动轴转速，q1为入口流量，q2为出口流量。
本发明的有益之处在于：本发明提供并指导设计的一种液压马达减速器工况模拟试验台，具有“结构紧凑、装拆调节便捷、测试能力强(功率大、惯性矩大)、应用范围广(等效惯性矩可调、转速可调、扭矩可调，故适用于多个产品系列不同型号的液压马达减速器测试需求)、工况模拟相似度高(液压马达减速器输出轴的扭矩和径向力与实际工况相一致)、测试准确可靠”等优点。
附图说明
图1为本发明一种液压马达减速器工况模拟试验台具体实施例一的总体方案图。
图2为图1的三维结构示意图。
图3为图2中安装座的盖扣开启接近极限位置时的三维结构示意图。
图4为图3的主视图。
图5为图2中安装法兰盘的三维结构示意图。
图6为图1中加载装置的液压加载原理示意图。
图7为液压马达减速器实际工作时输出小齿轮上的受力分析简图。
具体实施方式
为了能够更加清楚地理解本发明，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。
具体实施例一。
如图1至图7所示为本发明的具体实施例一。
如图1至图5所示，一种液压马达减速器工况模拟试验台，包括被试液压马达减速器(101)、安装座(10)、安装法兰盘(105)、加速装置(20)、联轴器、扭矩传感器(110)、加载装置(30)、主机架(114)，其特征在于：
如图5所示，安装法兰盘(105)中间开出装配孔，所述装配孔四周均布开设紧固螺栓孔；
如图3所示，被试液压马达减速器(101)部分穿过安装法兰盘(105)的所述装配孔；被试液压马达减速器(101)的装配面止动于安装法兰盘(105)的配合端面，并与安装法兰盘(105)的配合端面紧密贴合；利用螺栓穿过所述紧固螺栓孔将被试液压马达减速器(101)与安装法兰盘(105)固结；安装法兰盘(105)为八边形结构，其八个外边缘每间隔一边缘边开设有一个榫头结构(如图3所示共开设有4个榫头结构)；
所述加载装置(30)包括陪试减速器、惯性轮和加载油泵，其中：所述陪试减速器的高速轴为双轴伸，分别与所述惯性轮和所述加载油泵动力连接；所述扭矩传感器的另一端经由联轴器ii与所述陪试减速器的低速轴动力连接。
如图3和图4所示，安装座(10)为八边形框架结构，所述框架结构的八个内边缘均相应开设有榫槽结构，所述框架结构的上部三边框架构成一体式的盖扣(102)；所述框架结构的下部五边框架构为一体式的扣座(103)；盖扣(102)的一端通过如图3所示的弹簧销轴(120)活动地铰接于扣座(103)之上，盖扣(102)的另一端通过螺纹连接将盖扣(102)紧固于扣座(103)之上；借助安装法兰盘(105)与安装座(10)的八边形榫槽配合结构，将被试液压马达减速器(101)便捷牢固地安装于安装座(10)中，同时可有效地防止所述被试液压马达减速器(101)的机壳相对于所述安装座发生相对转动(打滑)；本例中，为了避免干涉和便于安装，更为优选地，如图3所示，所述下部五边框架上开设的且与水平面垂直的两个榫槽是从安装座(10)的上端面垂直向下开设的；
被试液压马达减速器(101)通过安装座(10)安装于主机架(114)的一端；
本例中，根据现有臂架式混凝土泵车使用的液压马达减速器的性能范围，加速装置(20)可直接优选为一对开式外啮合齿轮，无需选用庞大的增速器齿轮箱，这样一来极大地简化了试验装置的构成，缩小了试验装置的布设空间尺寸，降低了制造成本。
如图1所示，被试液压马达减速器(101)的输出轴与加速装置(20)的大齿数齿轮(106)，也即主(115)动轮动力连接；加速装置(20)的小齿数齿轮(107)，也即从动轮的所在轴经由联轴器i与扭矩传感器(110)一端动力连接；值得说明的是，当被试液压马达减速器(101)自身不带制动功能时，加速装置(20)的小齿数齿轮(107)通过独立设置的制动装置再经由联轴器i与扭矩传感器(110)一端动力连接；
本例中，安装座(10)的扣座(103)的下部开设有双u型滑槽结构，并与固设于实验台架(114)上的导轨(104)构成双u型滑槽导轨机构；丝杠穿过固设于实验台架(114)上的螺母(108)与安装座(10)的一端连接；所述丝杠和螺母(108)构成了丝杠螺母机构；安装座(10)通过丝杠螺母机构可方便地调节所述开式外啮合齿轮对的中心距。
上述安装座特有的结构设计(包括八边形框架结构、盖扣与扣座的铰接和螺纹锁止、榫槽结构、双u型滑槽导轨机构、丝杠螺母机构)，并配合独特的安装法兰盘结构，使得被试液压马达减速器的装拆调整时间较普通型式试验台大为缩短；具体实施实践更进一步证明，被试件每次装拆时间不超过2分钟，极大地提高了试验效率；同时通过设计不同尺寸的安装法兰盘，可以满足不同型号液压马达减速器的试验需求。
加载装置(30)包括陪试减速器(112)、惯性轮(113)和加载油泵(111)，其中：陪试减速器(112)的高速轴为双轴伸，其中一轴伸安装惯性轮(113)，另一轴伸与加载油泵(111)动力连接；扭矩传感器(110)的另一端经由联轴器ii(116)与陪试减速器(112)的低速轴动力连接；
作为优选，为了防止拆装被试液压马达减速器(101)时因液压油泄漏导致污染环境，在靠近被试液压马达减速器(101)的主机架(114)一侧地面上放置接油盆，使得所述接油盆位于被试液压马达减速器(101)的下方。
作为优选，陪试减速器(112)采用可逆运转的三级平行轴减速器，这样结构最为紧凑。本例中具体可选用zq型或ngw型齿轮减速器。
作为优选，图1和图2中的加载油泵(111)选用为如图6所示的可双向运转的电比例轴向柱塞油泵。
更为优选，图6中，加载油泵(111)的进出油口均分别与电磁溢流阀(121)相连，电磁溢流阀(121)的溢流口再与油箱相连；同时，所述进出油口均分别并接单向阀再与补油泵(122)相连；当加载油泵(111)以任意方向运转时，进出油口的一油口排油，并通过相应的电磁溢流阀(121)的溢流口向油箱溢流，以实现加载功能；进出油口的另一油口通过补油泵向油箱吸油。
作为优选，如图2所示，惯性轮(113)外设置惯性轮保护罩(117)；惯性轮保护罩(117)固结于主机架(114)之上。
作为优选，联轴器为十字滑块联轴器。
作为优选，惯性轮(113)包括基本惯性轮、辅助惯性轮；通过在所述基本惯性轮的基础上叠加挂载不同的辅助惯性轮，获得不同的等效转动惯量；本例中，所述辅助惯性轮存在两个尺寸系列，即辅助薄壁惯性轮和辅助厚壁惯性轮。
一种液压马达减速器工况模拟试验台设计方法，其特征为包括如下步骤：
步骤1：工况等效分析与计算：根据被试液压马达减速器的工作原理、装配特征、被试液压马达减速器的输出轮及惰轮载荷分布特性，按照被试液压马达减速器输出轴的扭矩和径向力与实际工况相一致的原则，确定外啮合齿轮对的大齿数齿轮与被试液压马达减速器的输出齿轮的半径比。本例中，以某型臂架式混凝土泵车回转机构用液压马达减速器为例，进行工况等效分析与计算。在该型液压马达减速器的实际使用过程中，液压马达减速器利用15齿的小齿轮输出，双惰轮分流传动。如图7所示，当两惰轮呈140°分布，且受力按0.6：0.4分配时，其合力为一对齿轮传动时的0.39倍，故确定开式外啮合齿轮的大齿数齿轮与被试液压马达减速器的输出齿轮的半径比为2.6；
步骤2：根据上一步骤获得的半径比，结合被试液压马达减速器的输出齿轮的齿数为15，计算获得开式外啮合齿轮的大齿数齿轮的齿数z1为39。
步骤3：根据结构设计的需要，选定开式外啮合齿轮的小齿数齿轮的齿数z2。本例中根据设计经验给定为24。
步骤4：如图1所示扭矩传感器(110)的计算与选型：按式(1)和式(2)计算确定扭矩传感器上最大测试扭矩m1和极限扭矩mmax：
mmax＝m1s(2)
式中：η1为如图1所示加速装置(20)及联轴器i(115)的总传动效率，本例中选用为0.97；m为被试液压马达减速器最大输出扭矩，本例中查产品手册确定为16knm；s为安全系数，本例取s＝1.5。
经过计算，最大测试扭矩m1和极限扭矩mmax分别为9551n·m和14326.5n·m，因此，选择额定扭矩l0000nm、最大扭矩15000nm的扭矩传感器，可兼顾富余量和测量精度。
步骤5：为了使得如图2所示惯性轮(113)转动惯量折算到被试液压马达减速器输出轴上的转动惯量与实际工况一致，应对转动惯量进行等效分析与计算，本步骤分为如下分步骤：
分步5.1：计算传动系统的总增速比i；本例中，选用的陪试减速器(112)的增速比(陪试减速器反用，故称之为增速比)i1＝60，则传动系统的总增速比
分步5.2：计算被试液压马达减速器实际工作时输出齿轮(主动轮)与回转支承(从动轮)的传动比i0。本例中，如前所述，被试液压马达减速器的输出齿轮的齿数为15，假定实际工况下与其啮合使用的回转支承(从动轮)的齿数为130，则计算其传动比i0＝8.67。
分布5.3：估算被试液压马达减速器实际工作时所在机构总体最大转动惯量j0。本例中，被试液压马达减速器用于某型臂架式混凝土泵车的上车回转机构；根据施工经验可知，当该型泵车臂架水平完全展开且处于泵送状态时，所在机构总体最大转动惯量j0取最大值；本例中利用主流商用三维建模设计软件proe建模计算获得上车回转机构的质量×质心位置为6800kg×11.88m×2.1，圆整后回转部分重量为7000kg，重心回转半径为12m，则总转动惯量j0估算为1700000kg×m2。
分布5.4：根据“惯性轮的转动惯量j折算到本试验台中被试液压马达减速器输出轴上的等效转动惯量应与实际工况中所在机构总体最大转动惯量j0相一致”的原则，按下式(3)反求惯性轮的转动惯量j为2.4kg×m2。
步骤6：根据惯性轮的转动惯量j，设计惯性轮尺寸，并获得基本惯性轮和辅助惯性轮的转动惯量；本例中，基本惯性轮、辅助薄壁惯性轮和辅助厚壁惯性轮的转动惯量分别为2.2、0.2和0.5kg·m2；
步骤7：能耗分析：根据式(4)和式(5)计算液压马达减速器工况模拟试验台的机械效率ηm及总效率η：
式中：p1为入口压力(mpa)，p2为出口压力(mpa)，m1为从动轴所测扭矩(n·m)，ω1从动轴转速(rad/min)；q1为入口流量(l/min)，q2为出口流量(l/min)。
以上所述，仅为本发明较佳的具体方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。