劉玉濤

摘要：為驗(yàn)證新研發(fā)的懸臂掘進(jìn)機(jī)用行星減速機(jī)各主要性能參數(shù)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，以及為減速機(jī)的綜合性能提供準(zhǔn)確、可靠的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)，本文對(duì)新開發(fā)設(shè)計(jì)的某型號(hào)懸臂式掘進(jìn)機(jī)用行星減速機(jī)進(jìn)行了模擬實(shí)際工況的加載試驗(yàn)分析，對(duì)其綜合性能進(jìn)行研究。采用封閉功率流式的減速機(jī)加載試驗(yàn)方案，通過試驗(yàn)測(cè)得了該被試減速機(jī)多工況下的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、噪聲、工作效率、溫升等性能參數(shù)。經(jīng)試驗(yàn)分析結(jié)果可知：該掘進(jìn)機(jī)用行星減速機(jī)的功率參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，且工作平穩(wěn)、可靠，振動(dòng)小，噪音低，符合新產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足減速機(jī)出廠條件，可作為定型產(chǎn)品進(jìn)行生產(chǎn)。本文研究內(nèi)容在懸臂式掘進(jìn)機(jī)用行星減速機(jī)的研發(fā)方面具有很大的指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：懸臂式掘進(jìn)機(jī)；行星減速機(jī)；加載試驗(yàn)；性能分析

引 言

隨著基建工程的大力發(fā)展，懸臂式掘進(jìn)機(jī)的應(yīng)用更加廣泛。在工程隧道的施工、洞穴的開掘，礦山井下巷道的掘進(jìn)等多個(gè)領(lǐng)域均廣泛使用懸臂式掘進(jìn)機(jī)。該類型掘進(jìn)機(jī)操作方便、功能強(qiáng)大、性能可靠。相對(duì)于傳統(tǒng)掘進(jìn)能有效控制超欠挖、圍巖擾動(dòng)、噪音、粉塵污染等難題。

我國地質(zhì)條件復(fù)雜多變，為應(yīng)對(duì)不同地質(zhì)構(gòu)造和斷面形狀，就要求硬巖掘進(jìn)機(jī)系列化、多樣化。切割部是硬巖掘進(jìn)機(jī)切割力輸出單元，為切割部提供動(dòng)力的行星傳動(dòng)裝置即行星減速機(jī)也要實(shí)現(xiàn)系列化、多樣化。掘進(jìn)機(jī)減速機(jī)的工作性能能夠直接影響著整機(jī)的性能，如可靠性、動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等。因此，積極研發(fā)新產(chǎn)品，補(bǔ)充多型號(hào)懸臂硬巖掘進(jìn)機(jī)切割傳動(dòng)裝置的需求勢(shì)在必行[1]。

通過減速機(jī)加載試驗(yàn)可幫助我們更加全面地掌握減速機(jī)產(chǎn)品在投入市場應(yīng)用后的性能狀況，以及協(xié)助解決目前存在的不足之處，也可檢驗(yàn)出現(xiàn)的問題是否解決或解決效果。加載試驗(yàn)也是一種保證產(chǎn)品出廠質(zhì)量以及可提高產(chǎn)品市場競爭水平的關(guān)鍵方法。因此，通過試驗(yàn)來檢驗(yàn)新研發(fā)的減速機(jī)性能的優(yōu)劣是十分有必要的。借助試驗(yàn)的途徑可檢驗(yàn)設(shè)計(jì)理論的正確性，驗(yàn)證設(shè)計(jì)意圖是否已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)的產(chǎn)品性能是否已達(dá)到了使用要求。它還是用來檢驗(yàn)減速機(jī)制造質(zhì)量的重要方法，通過檢測(cè)和驗(yàn)證其各項(xiàng)性能指標(biāo)，來判斷減速箱是否滿足設(shè)計(jì)負(fù)荷和出廠檢驗(yàn)的各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和要求。同時(shí)，由于掘進(jìn)機(jī)的工作條件復(fù)雜，很多設(shè)計(jì)暫不能根據(jù)現(xiàn)有的理論做出可信的預(yù)期，因此，加載試驗(yàn)對(duì)于掘進(jìn)機(jī)行星減速機(jī)顯得尤為重要[2]。

1 研究內(nèi)容

本文主要是對(duì)新研發(fā)的懸臂式硬巖掘進(jìn)機(jī)用行星減速機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)研究，測(cè)試該行星減速機(jī)在多種工況下的噪聲、溫升、工作效率[3]等性能參數(shù)。驗(yàn)證該懸臂式掘進(jìn)機(jī)用行星減速機(jī)設(shè)計(jì)和產(chǎn)品開發(fā)結(jié)果的正確性，它是保證本研發(fā)產(chǎn)品的質(zhì)量和提高市場競爭力的重要手段和方法。為產(chǎn)品定型及后續(xù)產(chǎn)品批量生產(chǎn)提供堅(jiān)實(shí)的信心。通過試驗(yàn)?zāi)M減速機(jī)的實(shí)際工作狀態(tài)，可更準(zhǔn)確地掌握減速機(jī)的性能特點(diǎn)，對(duì)保證掘進(jìn)機(jī)的安全運(yùn)行具有重要的意義。

本文依據(jù)懸臂式掘進(jìn)機(jī)用行星減速機(jī)的同軸式輸入輸出的結(jié)構(gòu)，以及該減速機(jī)的承載能力大小和試驗(yàn)所要測(cè)量的參數(shù)要求，設(shè)計(jì)了一套功率封閉式減速機(jī)試驗(yàn)臺(tái)[4]。基于封閉功率流行星減速機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，完成行星減速機(jī)性能的測(cè)量工作。測(cè)量獲得特定多工況下的行星減速機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、溫升、噪聲以及機(jī)械效率等的變化規(guī)律，從而評(píng)估減速機(jī)的機(jī)械性能。

2 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)測(cè)量雖具有工作效率低、投入成本高等弊端，但它能夠獲得非常真實(shí)的性能數(shù)據(jù)使其在減速機(jī)研發(fā)過程中占具無可取代的地位。行星減速機(jī)試驗(yàn)可對(duì)其使用性能指標(biāo)進(jìn)行全面評(píng)估，獲得該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)用行星減速機(jī)的綜合機(jī)械特性，通過試驗(yàn)結(jié)果評(píng)估減速機(jī)設(shè)計(jì)方案的正確性。

本文根據(jù)被試減速機(jī)的結(jié)構(gòu)和承載能力，設(shè)計(jì)并安裝了一套功率封閉式行星減速機(jī)試驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)。本測(cè)試系統(tǒng)是由軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)組成。詳細(xì)配置情況見下表1所示。

本試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)作為減速機(jī)的動(dòng)力源，加載電機(jī)對(duì)減速機(jī)施加載荷；轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器負(fù)責(zé)完成測(cè)量減速機(jī)的輸入和輸出轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩；效率儀完成測(cè)試數(shù)據(jù)的采集與處理工作，工控計(jì)算機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和保存。圖1為該試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

該減速機(jī)試驗(yàn)測(cè)量系統(tǒng)具有電能回饋式節(jié)約能源的技術(shù)。驅(qū)動(dòng)端和加載端均使用了電機(jī)，但兩者的工作狀態(tài)不同，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是在電動(dòng)狀態(tài)下工作，而加載電機(jī)是在發(fā)電的狀態(tài)下工作的。直流母線將加載電機(jī)工作時(shí)產(chǎn)生的電能輸送到驅(qū)動(dòng)端，回收了大部分電能，這樣可大大降低供電系統(tǒng)的電力輸送量。這種試驗(yàn)系統(tǒng)具備了環(huán)保、節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器分別安裝在被試減速機(jī)的輸入端和輸出端，負(fù)責(zé)完成被試減速機(jī)輸入轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩和輸出轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩的測(cè)量工作。轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器與效率儀連接，通過工控計(jì)算機(jī)經(jīng)數(shù)據(jù)處理得到被試減速機(jī)的實(shí)時(shí)輸入輸出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、傳動(dòng)效率等性能參數(shù)。通過調(diào)整驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和加載電機(jī)的轉(zhuǎn)矩大小，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)工況下的減速機(jī)測(cè)量工作。

3 試驗(yàn)過程控制技術(shù)

在創(chuàng)建完成的行星減速機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上，通過控制系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行行星減速機(jī)各主要性能參數(shù)的試驗(yàn)測(cè)量。通過試驗(yàn)測(cè)量獲得各特定工況下行星減速機(jī)的輸入輸出轉(zhuǎn)速、輸入輸出轉(zhuǎn)矩以及功率等的實(shí)時(shí)變化情況，同時(shí)獲得行星減速機(jī)在不同工況下的溫升、噪聲、機(jī)械效率等性能參數(shù)的變化規(guī)律。

轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、機(jī)械效率這三個(gè)參數(shù)對(duì)機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備的研究、設(shè)計(jì)起著非常重要的作用，是機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備的主要?jiǎng)恿?shù)。研究機(jī)械傳動(dòng)設(shè)備的動(dòng)力性能時(shí)必須要精確測(cè)量這些動(dòng)力參數(shù)。本試驗(yàn)臺(tái)通過將兩臺(tái)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器分別安裝在行星減速機(jī)的輸入端和輸出端來測(cè)量被試減速機(jī)的工作狀態(tài)。

本封閉功率式試驗(yàn)臺(tái)的加載功能是通過使用交流電機(jī)加載來實(shí)現(xiàn)的。它不僅能夠很容易地實(shí)現(xiàn)利用計(jì)算機(jī)控制，并且有利于回收電力。本試驗(yàn)系統(tǒng)中的交流變頻電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)減速機(jī)的加載任務(wù)，但其工作過程中是在發(fā)電狀態(tài)下。加載電機(jī)產(chǎn)生的電能通過電力反饋系統(tǒng)反饋回到驅(qū)動(dòng)電機(jī)中，作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的一部分電源。這種系統(tǒng)模式可實(shí)現(xiàn)在不產(chǎn)生電網(wǎng)波動(dòng)的情況下大大地節(jié)約了能源。電力反饋控制器通過比較轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器測(cè)量到的實(shí)際扭矩大小與系統(tǒng)設(shè)定的扭矩大小后自動(dòng)調(diào)節(jié)加載力矩的大小。

本行星減速機(jī)試驗(yàn)系統(tǒng)的控制部分是由交流變頻轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)和交流逆變電力反饋控制系統(tǒng)組成。強(qiáng)電控制柜、電抗器、交流變頻器配上輸入、輸出濾波器組成了交流變頻轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的核心。本系統(tǒng)通過將變頻器設(shè)定的轉(zhuǎn)速與編碼器測(cè)量的實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，利用變頻器調(diào)整電機(jī)的工作頻率來糾正設(shè)定的轉(zhuǎn)速與實(shí)際的轉(zhuǎn)速之間的差距。強(qiáng)電控制柜、電抗器、電力反饋系統(tǒng)配上輸入、輸出濾波器組成交流電力逆變反饋控制系統(tǒng)的核心。試驗(yàn)系統(tǒng)的負(fù)載的大小是利用變頻器來改變負(fù)載電機(jī)的上網(wǎng)電流而調(diào)節(jié)的?？偩€負(fù)責(zé)完成系統(tǒng)與工控計(jì)算機(jī)之間的通訊工作。

效率儀是與轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩傳感器配套使用的，作為本試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，見圖2所示。本效率儀可通過接口與工控計(jì)算機(jī)相連，將其測(cè)量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)中，便于測(cè)量數(shù)據(jù)的記錄、處理與保存。圖3為效率儀的計(jì)算機(jī)顯示面板。此測(cè)量設(shè)備還具有效率計(jì)算功能，并通過圖像顯示出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、扭矩變化曲線和機(jī)械效率值。本試驗(yàn)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、功率、機(jī)械效率等動(dòng)力參數(shù)的自動(dòng)采集、處理和保存。

4 試驗(yàn)過程及結(jié)果分析

試驗(yàn)方案確定后，便進(jìn)行試驗(yàn)臺(tái)的安裝調(diào)試工作。安裝過程中必須保證試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性。圖4為某型號(hào)掘進(jìn)機(jī)用行星減速機(jī)實(shí)物圖。行星減速機(jī)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的安裝效果見圖5所示。

試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與裝配完成后，開始進(jìn)行加載試驗(yàn)分析，試驗(yàn)過程嚴(yán)格按文獻(xiàn)[5-6]執(zhí)行。根據(jù)減速機(jī)的工況情況和設(shè)計(jì)的功率參數(shù)，確定該減速機(jī)的加載試驗(yàn)工況，見表2所示，該減速機(jī)的設(shè)計(jì)額定功率為220KW。

掘進(jìn)機(jī)用行星減速機(jī)試驗(yàn)臺(tái)安裝調(diào)試完成后，首先進(jìn)行低速空載運(yùn)行測(cè)試，確保試驗(yàn)臺(tái)無安裝錯(cuò)誤后進(jìn)行正式的加載試驗(yàn)過程。加載試驗(yàn)進(jìn)行過程中，測(cè)試了被試減速機(jī)設(shè)備的溫升、振動(dòng)、噪聲等的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果見下表3所示。

試驗(yàn)結(jié)果表明，各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)均在要求范圍內(nèi)，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)，完全符合設(shè)計(jì)要求和產(chǎn)品出廠要求。

5 總結(jié)

為了對(duì)新研發(fā)設(shè)計(jì)的某型號(hào)掘進(jìn)式行星減速機(jī)的工作性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，本文完成搭建了一套掘進(jìn)機(jī)用行星減速機(jī)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)；根據(jù)該減速機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及承載能力確定了試驗(yàn)臺(tái)總體方案，并詳細(xì)介紹了該試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的組成部分、測(cè)量原理；在所構(gòu)建試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行了行星減速機(jī)多個(gè)特定工況下的試驗(yàn)工作。測(cè)量獲取了多工況下行星減速機(jī)的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、機(jī)械效率、噪聲、溫升等的變化規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)用減速機(jī)傳動(dòng)平穩(wěn)，產(chǎn)品載荷分配均勻，功率密度高，可以有效節(jié)省空間且具有較高的傳動(dòng)精度與機(jī)械效率。該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)用行星減速機(jī)符合減速機(jī)設(shè)計(jì)要求和產(chǎn)品出廠標(biāo)準(zhǔn)。

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（作者單位：徐州徐工基礎(chǔ)工程機(jī)械有限公司）