高速电主轴非接触式加载可靠性试验(4)

第3章 加载机构设计

第3章 加载机构设计

测功机是动力试验的重要设备，它在试验中能吸收被测设备的功率和转矩，而且可以通过变频器对测功机的控制来改变被测设备的转速、转矩和功率，因此扭矩加载选用测功机。轴向力和径向力加载有利用伺服电机作为动力源，然后通过锥齿轮减速传递到安装在电主轴测试棒上面的径向滚动轴承和平面滚动轴承的机械接触式加载；还有用两组励磁

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绕组在轴侧面和轴端面实现非接触式加载。接触式加载在速度不高时有较强的使用性，但是在高速主轴高速运转状态下，轴承受动态力，将产生大量的热和磨损，为了延长轴承的使用寿命就要添加冷却系统和润滑系统。而在高速情况下，冷却系统一般用水冷，润滑系统一般采用油气或油雾润滑，这两个系统将很复杂而且需要较大的空间来安装，而电主轴的测试棒不能太长，空间有限，加载较难实现，这就导致加载系统的可靠性不及电主轴的可靠性，导致可靠性试验失败。而非接触式磁力加载中，轴向力加载，将励磁绕组放在主轴轴线上，由于主轴受的轴向力受力点是切削刀具圆周上，不是在轴线上，所以将励磁绕组放在侧面更能反映切削工况。其总体结构示意图如图3-1。.

1电力测功机 2 弹性联轴器 3 电磁铁

4 导磁体 5 非接触式电磁激振器 6 陶瓷测试棒 7电主轴

图3-1 可靠性试验平台结构示意图

非接触式激振器5内部结构为两组励磁绕组，一个直流绕组和一个交流绕组。为了避免电磁铁3、激振器5和电主轴7的励磁互相干扰，中间的测试棒6采用陶瓷材料加工。导磁体4采用目前磁性最高的永磁材料——钕铁硼（NdFeB），其磁能积在27~50MGoe之间。高速对联轴器2的要求较高，采用的是弹性膜片联轴器。

第1节 扭矩加载设计

测功机作为旋转类动力源输出性能的常用测试设备，在电机等动力

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源的转速、转矩、输出功率的测试和检验中起着无可替代的作用，它能对被测动力源施加可变负载转矩并吸收其功率。测试时，通过高速联轴器将测功机的轴与被加载的加载器的轴与被测电机的输出轴通过联轴器连接，且在加载器的轴上安装光栅盘，以达到被测电机的同步转速测量的目的；通过控制加载电压或电流的方式控制加载器向被测动力源加载，加载力度的大小可以通过控制仪器调节，加载到什么程度，可由测功机智能显示仪直接将力矩数字显示。再结合其他检测辅助设备，可以测试各种类型电机的输入电压、电流、输出转矩和功率、转速、功率因数及效率等特性曲线，完成对被测电机性能动态测试.测功机可分为按加载器的工作方式不同可以分为水力测功机、磁粉测功机、电力测功机等，电力测功机包括直流测功机，交流测功机，涡流测功机。测功机的转速一般在10000r/min左右，超过两万转就颇为困难，在运转时会有强烈的振动和刺耳的噪声，轴承会急剧发热，其可靠性很低[12]。此次选用的电主轴转速能达到22000r/min,实验要求最高达18000r/min,功率输出为22Kw。 1.1 测功机的选型

水力测功机是利用物体在水中运动产生摩擦阻力吸收发动机的功率的一种测功装置。在汽车行业已逐渐被电涡流测功机所代替，但因其单位转动惯量的扭矩吸收能力强，在大功率测功及耐久性试验等方面仍多采用。其优点是结构简单、造价低廉、高速吸收、功率大、容易操作、运转平稳。其缺点是控制不便、测量精度差、难于实现远距离操纵及自动调节。它由测力机构、供水系统和制动器三部分组成。可分为叶片式、水阻柱式、圆盘式三种。目前国内水力测功机功率能到达20Kw的，最高转速都在10000rpm以下。

磁粉测功机内部线圈通过电流时会产生磁场，该磁场将内部磁粉按磁力线方向排成磁链，磁链产生的拉力将阻碍主轴的转动，这就是负载力矩。通过改变励磁电流的大小即可改变负载力矩的大小。磁粉测功机由实心转子、定子、磁粉介质、励磁线圈、支架、底板等组成。其特点有：①操作方便,力矩的大小只需通过调节励磁电流大小就可实现。②静态转矩力矩平滑，没有齿槽波动转矩和剩磁转矩。③测功机力矩的产生是由磁粉链的拉力形成，力矩变化不具有冲击性。④转子为空心鼓形转子，惯性小，可承受的离心力较大大。⑤没有摩擦结构，使用寿命较长。磁粉测功机的功率达不到20Kw,使用水冷设备时功率可达15Kw，但最大转速基本在1200rpm左右，因此磁粉测功机达不到要求。

直流测功机一般由直流发电机和控制器组成，利用直流发电机作为负载并将发出的电能通过其加载及回馈控制器（逆变器）回馈给输入端，它和扭矩传感器配接，即组成性能优良的加载系统。直流电机的转矩

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T=KTФIa,即转矩与磁通和电枢电流成正比，对于它激直流电机来说，只要励磁电流不变，转矩只与电枢电流成正比。直流测功机就是利用这一原理来稳定调节转矩的。但是直流测功机转速最多能达4000rpm，转速达不到实验要求。

涡流测功机利用涡流产生制动转矩来测量机械转矩的装置。它由测力计、电磁滑差离合器和测速发电机组成。磁极被安装其上的测力臂上并被掣住,只可以摆动一定的角度,与测力计配合就能由此摆动角直接读出电枢与磁极间的电磁转矩；被测动力源与电磁滑差离合器的输入轴相连接，并带动电枢旋转。省略掉风摩损耗等测量误差时，此电磁转矩就等于被测动力机械的输出转矩。涡流测功机只能产生制动转矩，不能作为电动机一直运行。一般用于测量动力源的转速上升而转矩下降，或转矩变化而转速基本不变的动力源。它的主要特点：①控制器采用单相交流电源，控制功率小；②输入转速范围较宽，可用于变频调速等各类电动机及动力机械的型式试验；③采用水冷却、振动小、噪音低；④转矩的测量可以采用电子磅秤、高精度转矩转速测量仪或压力传感器等，适用于不同测量精度的场合；⑤价格低廉、使用维护方便、结构简单、运行稳定；⑥该装置还能作制动器用，制动力矩较大。

交流电力测功机功率能达到22Kw，转速能达18000rpm，最终选用的是四川城邦测控技术有限公司研发的DLG22型悬浮式交流电力测功机。

1.2 DLG22型悬浮式交流电力测功机

如图3-2所示。交流电力测功机利用发电机的原理，吸收电主轴发出的能量，将其回馈电网，从节约能源角度，具有很大的优越性。选用的交流测功机由一台悬浮起来的交流电机，拉压力传感器测力装置、转速传感器，安装底座及与动力机械连接的法兰，可四象限运行的ACS800系列交流变频调速系统和交流电力测功机测控仪组成。其优点如下： (1)节能 水力、电涡流测功机的基本原理是将原动机产生的机械能转化为热能由水冷却后把热量带走，原动机发出的能量不能回收，转换过程中亦需耗费能量。而电力测功机却可以把原动机产生的机械能转换为电能回馈到内部电网，供其他设备使用。

(2)双向加载及拖动特性 水力测功机只能在一个方向加载，同时转速低于一定值时加载性能变差；不能作为反拖设备，在需要做发动机机械效率试验时需要另外配置拖动设备。电涡流测功机可以双向加载，但在低速时加载性能比水力测功机还差，不能作为反拖设备，在需要做发动机机械效率试验时需要另外配置拖动设备。电力测功机却可以方便的实现双向加载，同时在转速到0r/min时依然可以提供足够的加载能力；其加载特性为零转速至额定转速为恒扭矩特性，额定转速至最高转速为

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恒功率特性，完全符合动力机械的负载特性；而且，电力测功机可以作为动力机械倒拖原动机，可以作为机械效率试验的动力和发动机启动动力使用。

(3)瞬态加载特性 水力测功机的加载反应时间基本上在秒级，电力测功机的加载反应主时间为ms级，这主要取决与变频器的阶跃响应和系统的惯性；就ACS800本身而言，控制信号的阶跃响应时间小于5ms 。 (4)反拖特性 水力测功机和电涡流测功机本身只消耗原动机能量，不能提供驱动动力，因此不能作为反拖设备。电力测功机可以方便的转换成电机拖动模式，从电网吸收能量，作为动力机械倒拖原动机。 (5)可靠性 DL系列交流电力测功机的主机由国内著名品牌配套，转矩转速传感器由四川诚邦测控技术有限公司或HBM公司制造，交流变频调速器由ABB公司配套。负载电机、转矩转速传感器、变频器均经国家权威部门严格检测，完全符合相关的行业标准。

(6)可维护性 由于采用了完全符合行业标准/国家标准的配套件，用户在维护时不必依赖制造商，完全可以自行进行日常的维护保养，甚至在需要更换主机和传感器时亦可独立完成，降低维护保养费用。 (7)基建费用低 DL系列交流测功机本身带有风机冷却，无需水冷装置（包括水池和循环管道），节省基建费。

(9)紧急保护特性 测功机本身具有过流，断相等保护功能，配合控制系统的超速保护功能，有效的避免了因原动机故障而引起的测功机损坏和原动机故障的扩大。

图3-2 交流电力测功机结构图

1联轴器 2校正臂 3拉压力传感器 4电机接线盒 5吊环 6电机 7 导风罩 8冷却风机

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9转速传感器 10底座 11转矩转速传感器接线盒

变频器是ABB公司生产的 ACS-800系列变频器，它对电机的控制采用用直接转矩控制方式，该方式以转矩为中心来进行磁链、转矩的综合控制，简单地通过检测电机定子电压和电流，借助瞬时空间矢量理论计算和控制电机的磁链和转矩，采用离散的两点式调节器（Band—Band 控制），把转矩检测值与转矩给定值作比较，使转矩波动限制在一定的容差范围内，容差的大小由频率调节器来控制，并产生 PWM 脉宽调制信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得高动态性能的转矩输出。它的控制效果不取决于异步电动机的数学模型是否能够简化，而是取决于转矩的实际状况，它的控制结构简单、控制信号处理的物理概念明确、系统的转矩响应迅速且无超调，是一种具有高静、动态性能的交流调速控制方式。 主要技术参数：

(1)测控柜选用卧式机柜，具备良好的通风降温效果，外表面喷塑处理； (2)二次仪表采用插头插座连接方式，连接可靠牢固；

(3)测量参数自动显示、打印、存储，并有异常现象报警功能；

(4)同时完成各测试数据和报表的记录及各种特性曲线绘制与输出等功能；

(5)测功机形式：采用供货方DLG22型电力测功机，其具体技术参数及使用要求满足供货方《产品使用说明书》中要求； (6)测功机最大吸收功率：22kw；

(7)测功机控制系统：采用ET2100控制仪，具有手动和程控两种控制方式;

(8)特性曲线如图3-3

图3-3 测功机特性曲线

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