【文章內(nèi)容簡介】 素，最大軸向力按400N，最大徑向力按1000N來設(shè)計。圖1 刀具受力分解圖33吉林大學本科畢業(yè)設(shè)計說明書第3章 加載機構(gòu)設(shè)計測功機是動力試驗的重要設(shè)備，它在試驗中能吸收被測設(shè)備的功率和轉(zhuǎn)矩，而且可以通過變頻器對測功機的控制來改變被測設(shè)備的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩和功率，因此扭矩加載選用測功機。軸向力和徑向力加載有利用伺服電機作為動力源，然后通過錐齒輪減速傳遞到安裝在電主軸測試棒上面的徑向滾動軸承和平面滾動軸承的機械接觸式加載；還有用兩組勵磁繞組在軸側(cè)面和軸端面實現(xiàn)非接觸式加載[8]。接觸式加載在速度不高時有較強的使用性，但是在高速主軸高速運轉(zhuǎn)狀態(tài)下，軸承受動態(tài)力，將產(chǎn)生大量的熱和磨損，為了延長軸承的使用壽命就要添加冷卻系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)。而在高速情況下，冷卻系統(tǒng)一般用水冷，潤滑系統(tǒng)一般采用油氣或油霧潤滑，這兩個系統(tǒng)將很復(fù)雜而且需要較大的空間來安裝，而電主軸的測試棒不能太長，空間有限，加載較難實現(xiàn)，這就導(dǎo)致加載系統(tǒng)的可靠性不及電主軸的可靠性，導(dǎo)致可靠性試驗失敗。而非接觸式磁力加載中，軸向力加載，將勵磁繞組放在主軸軸線上，由于主軸受的軸向力受力點是切削刀具圓周上，不是在軸線上，所以將勵磁繞組放在側(cè)面更能反映切削工況。其總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖31。.1電力測功機 2 彈性聯(lián)軸器 3 電磁鐵 4 導(dǎo)磁體 5 非接觸式電磁激振器 6 陶瓷測試棒 7電主軸圖31 可靠性試驗平臺結(jié)構(gòu)示意圖非接觸式激振器5內(nèi)部結(jié)構(gòu)為兩組勵磁繞組，一個直流繞組和一個交流繞組。為了避免電磁鐵激振器5和電主軸7的勵磁互相干擾，中間的測試棒6采用陶瓷材料加工。導(dǎo)磁體4采用目前磁性最高的永磁材料——釹鐵硼（NdFeB），其磁能積在27~50MGoe之間。高速對聯(lián)軸器2的要求較高，采用的是彈性膜片聯(lián)軸器。第1節(jié) 扭矩加載設(shè)計測功機作為旋轉(zhuǎn)類動力源輸出性能的常用測試設(shè)備，在電機等動力源的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、輸出功率的測試和檢驗中起著無可替代的作用，它能對被測動力源施加可變負載轉(zhuǎn)矩并吸收其功率。測試時，通過高速聯(lián)軸器將測功機的軸與被加載的加載器的軸與被測電機的輸出軸通過聯(lián)軸器連接，且在加載器的軸上安裝光柵盤，以達到被測電機的同步轉(zhuǎn)速測量的目的；通過控制加載電壓或電流的方式控制加載器向被測動力源加載，加載力度的大小可以通過控制儀器調(diào)節(jié)，加載到什么程度，可由測功機智能顯示儀直接將力矩數(shù)字顯示。再結(jié)合其他檢測輔助設(shè)備，可以測試各種類型電機的輸入電壓、電流、輸出轉(zhuǎn)矩和功率、轉(zhuǎn)速、功率因數(shù)及效率等特性曲線，、磁粉測功機、電力測功機等，電力測功機包括直流測功機，交流測功機，渦流測功機。測功機的轉(zhuǎn)速一般在10000r/min左右，超過兩萬轉(zhuǎn)就頗為困難，在運轉(zhuǎn)時會有強烈的振動和刺耳的噪聲，軸承會急劇發(fā)熱，其可靠性很低[12]。此次選用的電主軸轉(zhuǎn)速能達到22000r/min,實驗要求最高達18000r/min,功率輸出為22Kw。 測功機的選型水力測功機是利用物體在水中運動產(chǎn)生摩擦阻力吸收發(fā)動機的功率的一種測功裝置。在汽車行業(yè)已逐漸被電渦流測功機所代替，但因其單位轉(zhuǎn)動慣量的扭矩吸收能力強，在大功率測功及耐久性試驗等方面仍多采用。其優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉、高速吸收、功率大、容易操作、運轉(zhuǎn)平穩(wěn)。其缺點是控制不便、測量精度差、難于實現(xiàn)遠距離操縱及自動調(diào)節(jié)。它由測力機構(gòu)、供水系統(tǒng)和制動器三部分組成。可分為葉片式、水阻柱式、圓盤式三種。目前國內(nèi)水力測功機功率能到達20Kw的，最高轉(zhuǎn)速都在10000rpm以下。磁粉測功機內(nèi)部線圈通過電流時會產(chǎn)生磁場，該磁場將內(nèi)部磁粉按磁力線方向排成磁鏈，磁鏈產(chǎn)生的拉力將阻礙主軸的轉(zhuǎn)動，這就是負載力矩。通過改變勵磁電流的大小即可改變負載力矩的大小。磁粉測功機由實心轉(zhuǎn)子、定子、磁粉介質(zhì)、勵磁線圈、支架、底板等組成。其特點有：①操作方便,力矩的大小只需通過調(diào)節(jié)勵磁電流大小就可實現(xiàn)。②靜態(tài)轉(zhuǎn)矩力矩平滑，沒有齒槽波動轉(zhuǎn)矩和剩磁轉(zhuǎn)矩。③測功機力矩的產(chǎn)生是由磁粉鏈的拉力形成，力矩變化不具有沖擊性。④轉(zhuǎn)子為空心鼓形轉(zhuǎn)子，慣性小，可承受的離心力較大大。⑤沒有摩擦結(jié)構(gòu)，使用壽命較長。磁粉測功機的功率達不到20Kw,使用水冷設(shè)備時功率可達15Kw，但最大轉(zhuǎn)速基本在1200rpm左右，因此磁粉測功機達不到要求。直流測功機一般由直流發(fā)電機和控制器組成，利用直流發(fā)電機作為負載并將發(fā)出的電能通過其加載及回饋控制器（逆變器）回饋給輸入端，它和扭矩傳感器配接，即組成性能優(yōu)良的加載系統(tǒng)。直流電機的轉(zhuǎn)矩T=KTФIa,即轉(zhuǎn)矩與磁通和電樞電流成正比，對于它激直流電機來說，只要勵磁電流不變，轉(zhuǎn)矩只與電樞電流成正比。直流測功機就是利用這一原理來穩(wěn)定調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)矩的。但是直流測功機轉(zhuǎn)速最多能達4000rpm，轉(zhuǎn)速達不到實驗要求。渦流測功機利用渦流產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩來測量機械轉(zhuǎn)矩的裝置。它由測力計、電磁滑差離合器和測速發(fā)電機組成。磁極被安裝其上的測力臂上并被掣住,只可以擺動一定的角度,與測力計配合就能由此擺動角直接讀出電樞與磁極間的電磁轉(zhuǎn)矩；被測動力源與電磁滑差離合器的輸入軸相連接，并帶動電樞旋轉(zhuǎn)。省略掉風摩損耗等測量誤差時，此電磁轉(zhuǎn)矩就等于被測動力機械的輸出轉(zhuǎn)矩。渦流測功機只能產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，不能作為電動機一直運行。一般用于測量動力源的轉(zhuǎn)速上升而轉(zhuǎn)矩下降，或轉(zhuǎn)矩變化而轉(zhuǎn)速基本不變的動力源。它的主要特點：①控制器采用單相交流電源，控制功率小；②輸入轉(zhuǎn)速范圍較寬，可用于變頻調(diào)速等各類電動機及動力機械的型式試驗；③采用水冷卻、振動小、噪音低；④轉(zhuǎn)矩的測量可以采用電子磅秤、高精度轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速測量儀或壓力傳感器等，適用于不同測量精度的場合；⑤價格低廉、使用維護方便、結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定；⑥該裝置還能作制動器用，制動力矩較大。交流電力測功機功率能達到22Kw，轉(zhuǎn)速能達18000rpm，最終選用的是四川城邦測控技術(shù)有限公司研發(fā)的DLG22型懸浮式交流電力測功機。 DLG22型懸浮式交流電力測功機如圖32所示。交流電力測功機利用發(fā)電機的原理，吸收電主軸發(fā)出的能量，將其回饋電網(wǎng)，從節(jié)約能源角度，具有很大的優(yōu)越性。選用的交流測功機由一臺懸浮起來的交流電機，拉壓力傳感器測力裝置、轉(zhuǎn)速傳感器，安裝底座及與動力機械連接的法蘭，可四象限運行的ACS800系列交流變頻調(diào)速系統(tǒng)和交流電力測功機測控儀組成。其優(yōu)點如下：(1)節(jié)能 　　水力、電渦流測功機的基本原理是將原動機產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)化為熱能由水冷卻后把熱量帶走，原動機發(fā)出的能量不能回收，轉(zhuǎn)換過程中亦需耗費能量。而電力測功機卻可以把原動機產(chǎn)生的機械能轉(zhuǎn)換為電能回饋到內(nèi)部電網(wǎng)，供其他設(shè)備使用。 　　(2)雙向加載及拖動特性 　　水力測功機只能在一個方向加載，同時轉(zhuǎn)速低于一定值時加載性能變差；不能作為反拖設(shè)備，在需要做發(fā)動機機械效率試驗時需要另外配置拖動設(shè)備。電渦流測功機可以雙向加載，但在低速時加載性能比水力測功機還差，不能作為反拖設(shè)備，在需要做發(fā)動機機械效率試驗時需要另外配置拖動設(shè)備。電力測功機卻可以方便的實現(xiàn)雙向加載，同時在轉(zhuǎn)速到0r/min時依然可以提供足夠的加載能力；其加載特性為零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速為恒扭矩特性，額定轉(zhuǎn)速至最高轉(zhuǎn)速為恒功率特性，完全符合動力機械的負載特性；而且，電力測功機可以作為動力機械倒拖原動機，可以作為機械效率試驗的動力和發(fā)動機啟動動力使用。(3)瞬態(tài)加載特性 　　水力測功機的加載反應(yīng)時間基本上在秒級，電力測功機的加載反應(yīng)主時間為ms級，這主要取決與變頻器的階躍響應(yīng)和系統(tǒng)的慣性；就ACS800本身而言，控制信號的階躍響應(yīng)時間小于5ms 。 　　(4)反拖特性 　　水力測功機和電渦流測功機本身只消耗原動機能量，不能提供驅(qū)動動力，因此不能作為反拖設(shè)備。電力測功機可以方便的轉(zhuǎn)換成電機拖動模式，從電網(wǎng)吸收能量，作為動力機械倒拖原動機。 　　(5)可靠性 　　DL系列交流電力測功機的主機由國內(nèi)著名品牌配套，轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器由四川誠邦測控技術(shù)有限公司或HBM公司制造，交流變頻調(diào)速器由ABB公司配套。負載電機、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、變頻器均經(jīng)國家權(quán)威部門嚴格檢測，完全符合相關(guān)的行業(yè)標準。 　　(6)可維護性 　　由于采用了完全符合行業(yè)標準/國家標準的配套件，用戶在維護時不必依賴制造商，完全可以自行進行日常的維護保養(yǎng)，甚至在需要更換主機和傳感器時亦可獨立完成，降低維護保養(yǎng)費用。 　　(7)基建費用低 　　DL系列交流測功機本身帶有風機冷卻，無需水冷裝置（包括水池和循環(huán)管道），節(jié)省基建費。 　(9)緊急保護特性 　　測功機本身具有過流，斷相等保護功能，配合控制系統(tǒng)的超速保護功能，有效的避免了因原動機故障而引起的測功機損壞和原動機故障的擴大。圖32 交流電力測功機結(jié)構(gòu)圖1聯(lián)軸器 2校正臂 3拉壓力傳感器 4電機接線盒5吊環(huán) 6電機 7 導(dǎo)風罩 8冷卻風機9轉(zhuǎn)速傳感器 10底座 11轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器接線盒 變頻器是ABB公司生產(chǎn)的 ACS800系列變頻器，它對電機的控制采用用直接轉(zhuǎn)矩控制方式，該方式以轉(zhuǎn)矩為中心來進行磁鏈、轉(zhuǎn)矩的綜合控制，簡單地通過檢測電機定子電壓和電流，借助瞬時空間矢量理論計算和控制電機的磁鏈和轉(zhuǎn)矩，采用離散的兩點式調(diào)節(jié)器（Band—Band 控制），把轉(zhuǎn)矩檢測值與轉(zhuǎn)矩給定值作比較，使轉(zhuǎn)矩波動限制在一定的容差范圍內(nèi)，容差的大小由頻率調(diào)節(jié)器來控制，并產(chǎn)生 PWM 脈寬調(diào)制信號，直接對逆變器的開關(guān)狀態(tài)進行控制，以獲得高動態(tài)性能的轉(zhuǎn)矩輸出。它的控制效果不取決于異步電動機的數(shù)學模型是否能夠簡化，而是取決于轉(zhuǎn)矩的實際狀況，它的控制結(jié)構(gòu)簡單、控制信號處理的物理概念明確、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩響應(yīng)迅速且無超調(diào)，是一種具有高靜、動態(tài)性能的交流調(diào)速控制方式。主要技術(shù)參數(shù)：(1)測控柜選用臥式機柜，具備良好的通風降溫效果，外表面噴塑處理；(2)二次儀表采用插頭插座連接方式，連接可靠牢固；(3)測量參數(shù)自動顯示、打印、存儲，并有異?，F(xiàn)象報警功能；(4)同時完成各測試數(shù)據(jù)和報表的記錄及各種特性曲線繪制與輸出等功能；(5)測功機形式：采用供貨方DLG22型電力測功機，其具體技術(shù)參數(shù)及使用要求滿足供貨方《產(chǎn)品使用說明書》中要求；(6)測功機最大吸收功率：22kw；(7)測功機控制系統(tǒng)：采用ET2100控制儀，具有手動和程控兩種控制方式。(8)特性曲線如圖33圖33 測功機特性曲線第2節(jié) 軸向力加載設(shè)計軸向力加載選用的是DJ20型非接觸式電磁激振器，最大能提供1000N的力，最大激振力為200N，工作頻率范圍為20—800Hz，激振器與被激構(gòu)件間隙：177。(mm)。它由激勵線圈、鐵芯、測力線圈、拾振器、支座五部分構(gòu)成。與與電動式激振器、電液式激振器比較有以下特征：(1)與被激物體間為非接觸式，可用于研究旋轉(zhuǎn)或平面運動的結(jié)構(gòu)動態(tài)特性。(2)單位力體積比電動式小，激振力比電動式大，沒有附加質(zhì)量的影響。(3)頻率范圍比電液式激振器寬，工作頻率為202000Hz，能滿足一般大、中、小型機床試驗之用。(4)裝有電容式拾振器，能進行非接觸式的振動位移量測量。直流電源扼流線圈信號