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1、高速电主轴非接触式加载可靠性试验摘 要为了准确反映高速电主轴的实际工况，对电主轴进行可靠性试验，本文设计了一套能同时模拟实现主轴所受扭矩、径向力和轴向力的加载系统利用电力测功机实现扭矩加载、非接触式激振器实现径向加载、自行设计的电磁铁实现轴向加载。该系统不但能完成对电主轴的动态加载，还可以检测出电主轴在加载过程中的基本性能参数和故障指标参数，并收集故障数据，绘制故障数据曲线并做出可靠性分析，提高电主轴的可靠性。本文针对转速18000r/min、功率为22Kw的电主轴进行加载实验设计，为电主轴的可靠性研究提出了一种新方法。本设计对以上问题进行了分析，主要内容如下：1 综述了可靠性和电主轴可靠性的
2、研究现状。2 电主轴结构原理介绍和针对选用的电主轴进行受力计算。3 电主轴加载设计扭矩加载、轴向力和径向力加载。4 电主轴检测控制系统设计和相应设备的选用。5 其他辅助零件设计如电主轴的夹持支撑机构，最后完成其整体结构的设计。关键词：高速电主轴 可靠性 非接触式加载 设计AbstractIn order to reflect the actual working conditions of high-speed motorized spindle accurately, and text the reliability of the spindle, the paper design a se
3、t of simulated system simultaneously suffered the spindle torque, radial force and axial force loading, which use electric dynamometer to achieve the torque loading, contactless shaker to achieve radial loading, the solenoid designed to achieve axial loading. The system not only completes the dynami
4、c loading of the spindle, but also detects the basic performance parameters and fault indicators parameter of the spindle in the loading process. And it collects failure data, draws the curves of fault data and makes reliability analysis, improving the reliability of the spindle. This paper designs
5、the loading text of the spindle whose maximum speed is 18000rpm and electric power is 22Kw, which proposing a new method for the reliability of spindle.This design has carried on the analysis to the above questions, the primary coverage is as following:1. Reviewed the reliability and the reliability
6、 of spindle.2. The introduction of spindles structure and principle and calculating the stress of the used spindle. 3. The design for spindle loading：the torque loading ,the radial and axial loading.4. The design of motorized spindle test and control system and the choosing of corresponding equipmen
7、t.5. Other auxiliary parts design such as electric spindle supporting institution, and finishing its whole structure design. Key words: High-speed motorized spindle; Reliability; Contactless loading;Design目 录第1章 绪论1第1节可靠性的研究现状11.1 国外可靠性研究现状11.2 国内可靠性研究现状2第2节 电主轴的国内外研究现状3第2章电主轴5第1节电主轴结构及关键技术51.1 电主轴机
8、构5第2节 电主轴的关键技术6第3节 电主轴基本信息7第4节 电主轴受力计算8第3章 加载机构设计10第1节 扭矩加载设计101.1 测功机的选型111.2 DLG22型悬浮式交流电力测功机12第2节 轴向力加载设计15第3节 径向力加载设计17第4章 检测控制系统设计22第1节 转速转矩检测23第2节 温度检测23第3节 轴向位移和径向跳动检测243.1 电涡流传感器工作原理及特性243.2 检测方案25第4节 机壳振动速度与噪声检测27第5节 总体检测控制框图28第5章 其他结构设计29第1节 电主轴支撑机构29第2节 测试棒强度分析30设计总结32致 谢34参考文献35附图1 电磁铁组件
9、37附图2 电主轴38附图3 电力测功机组件39附图4 总体试验平台40第1章 绪论现代制造业作为国民经济的支柱产业，其制造技术水平和设备制造能力的高低，是衡量一个国家科技技术水平和综合国力水平的重要标志。而现代制造技术结合了现代信息技术和微电子技术的理论与应用成果，发展了以数控机床为基础的自动化加工技术，从而促进了高速加工技术、精密和超精密加工技术的迅猛发展。近几十年来，高速加工技术得到了迅猛地发展，尤其在工业发达的国家，它已被广泛应用于工业生产的各个部门。高速电主轴作为高速加工的核心部件，随着高速数控机床和高速加工中心等高速加工机床相继投放国际市场，它的需求正与日剧增，国内外各研究机构纷纷
10、投入力量来开发此项目技术。高速电主轴作为现代高速加工技术的核心技术之一，在高性能机床上的广泛应用，不仅大幅度提高了加工效率，降低了生产成本，改善了产品质量，在为社会创造巨大物质财富的同时，更促进了新材料、新技术的应用与推广，并带动了相关产业的发展。研究高速电主轴技术，一方面可以打破先进国家对我国的技术垄断，提升我国技术制造业的整体水平，增强我国制造业在国际上的整体竞争能力；另一方面，高速电主轴技术可以大幅度降低生产准备时间，提高产品的加工效率和加工质量，降低社会成本，创造更多的社会财富。高速电主轴的性能高低在一定程度上决定了机床的整体发展水平，因此高速加工机床对高速电主轴的技术指标有着严厉而苛
11、刻的要求，使其不同于传统的主轴系统，其安全性、可靠性和动态性能也成为结构设计和机床运行中的首要考虑的问题。因此，无论在理论研究还是实际应用上，对高速电主轴相关技术的研究均具有重要的学术意义和社会经济效益。高速电主轴作为数控机床关键功能部件之一，其可靠性对机床的可靠性起着决定性的作用，因此研制其可靠性试验台对于提高数控机床整机的MTBF水平具有重要意义。第1节 可靠性的研究现状1.1 国外可靠性研究现状可靠性理论萌芽于40 年代的航空领域，提出于50 年代的美国国防部门，从60 年代开始全面发展，到70年代进入成熟阶段，进入80、90 年代可靠性技术逐步深入发展阶段1，国外专家、学者把可靠性和维
12、修性要求与性能要求同等看待，强调保障性要求，并重视测试性及故障诊断技术的研究，同时发展了综合化的可靠性计算机程序。在70年代，机床可靠性技术发源于前苏联，苏联某些高校机床界的权威人士，如50年代曾来中国讲学的机床专家A.C.普罗尼柯夫，根据机床产品在结构、功能、外载荷等方面的特殊性，对机床可靠性进行过专门的研究，建立了机床可靠性的一些基本理论，在机床领域进行可靠性研究开辟了新途径，发表了一系列针对机床具体产品的可靠性著作（如导轨磨损等规律对机床精度故障和无故障工作时间的影响、机床热变形等），并出版了论述数控机床可靠性与精度的专著。近年来，俄罗斯新一代的机床可靠性研究人员，其中以B.B.巴拉巴诺
13、夫、B.C.瓦西里耶夫等为代表的新一代学者所进行的研究反映了俄罗斯数控机床可靠性研究的动向和现状2。他们重视对数控机床使用过程中的经济效益的研究，提出了技术使用系数的概念，并且建立了它的信息概率模型，在机床承载能力预测方面也做了大量的工作，在机床早期故障的排除方面，提出了进行工艺试运转和可靠性试验的方法。另外，俄罗斯学者还对机床故障情况进行了收集分类，并进行了保护和预防等方法的研究。这些研究虽然可以对数控机床的加工精度进行了控制和预报,但实际表明数控机床的故障表现多为功能性故障，所以这种研究对当前机床可靠性中急需解决的关键问题效果不怎么明显。美英等国家在数控加工中心领域，大多数进行现场故障数据
14、的采集和对故障数据的数理统计分析以及指标的评定，还没见到对机床进行系统的可靠性研究的报导1。日本在民用产品（如汽车、家电等）中的可靠性研究举世瞩目，但在数控机床领域，也限于注重现场故障数据的采集和分析，从故障诊断分析入手，寻找故障原因，提出了可靠性改进措施，对提高机床产品的可靠性水平起了积极作用。1.2 国内可靠性研究现状原电子工业部五所最早开展可靠性工作，在60 年代初，该所就进行了可靠性评估的开拓性工作，促进了我国可靠性工程的发展。70 年代我国的可靠性工作开始于从引进国外标准资料，可靠性工程应用在电子、机械、电力、航天、仪表等部门，并取得不同程度的进展3。80 年代我国的各种可靠性机构、
15、学术团体得到迅速发展，在可靠性数学和可靠性理论、机构可靠性分析方面上已取得了一些成绩，发表了一系列文章,从理论上和实践方面进行了相关的探索。其中有很多方面值得在数控机床的可靠性设计中借鉴。但是我们应该意识到，目前我国可靠性技术在工业和企业的应用还不广泛，与先进国家相比还存在较大的差距。另外，我国台湾学者王国松等应用模糊数学方法对柔性制造系统的故障模式、故障率及可靠度模型等进行了分析。我国对数控机床可靠性研究比较晚，是从二十世纪80 年代末期开始的。90 年代以来，我国把数控机床可靠性的基础研究工作列入到了“八五”和“九五”国家重点科技攻关计划中，制订了CNC 系统可靠性测定试验方案及一系列标准
16、。积累并处理了部分国产加工中心的故障和维修数据，对国内外部分加工中心的使用状况，进行了可靠性初步考核,并取得成果, 但国产数控机床的整体可靠性水平与进口数控机床相比仍有较大差距。机床现代诊断技术是一门近20多年来发展起来的新兴学科，它是在机床的运行过程中针对机床的运行状态及时做出判断，并采取相应解决措施，以提高机床运行的可靠性，进一步提高了机床的利用率。在我国机床可靠性的研究中，吉林大学计算机数控装备可信性研究所进行了大量的研究工作3。对数控车床载荷谱进行了初步研究，对数控车床进行初步故障分析和维修性分析，对无故障工作时间进行了时间序列分析，得出无故障工作时间的AR模型。对机床的主传动系统进行
17、了动力特性分析，并对传动件的可靠性设计进行了初步研究。目前可靠性技术的发展趋势是：一方面与现代信息科学相结合，使可靠性技术实现了“信息化”，发展现代化的可靠性技术；另一方面，可靠性技术与具体产品相结合的，根据不同产品的结构和功能特点研究故障分布和演变过程的规律，发展具有行业特色的实用化的可靠性技术4。第2节 电主轴的国内外研究现状目前国内对电主轴的研究主要对电主轴某一方面的性能进行过研究，对电主轴整体可靠性试验研究还比较缺乏。于印民5通过搭建测试平台，深入研究了高速电主轴误差测量原理，并完成了测试平台的搭建。采用USB数据采集卡和PC机，在VB6.0编程环境下，开发了高速电主轴径向振动及轴向热
18、伸长数据采集系统。然后，采用红外温度传感器、电涡流位移传感器，对高速电主轴轴端温度、轴向热伸长、径向振动和进行了非接触实式测量。并对高速电主轴空载运行时测试曲线的分析，得出了测试电主轴的振动性能和稳定时间。最后，提出了一些高速电主轴的误差补偿措施，并通过“普传PI7000.7R5H32型变频器监控系统”来控制变频器以达到调节电主轴运行状态的目的，实现了闭环控制，对高速电主轴径向振动实时测量及轴向伸长与补偿进行研究，为电主轴研究提供了一个实时、动态的测试电主轴性能的测试系统。陈锋6 基于模态分析理论，对最高转速为60000 r/min的磨削型高速电主轴进行了模态实验。介绍了实验方法，并分析了实验
19、结果，提取了该电主轴的模态参数（固有阻尼、振型和频率）,验证其是否符合高精度加工生产的要求以及所采用实验方法的正确性，同时阐明了电主轴产生振动的主要原因。并运用随机子空间法对电主轴进行模态参数的识别，排除了电主轴工作在共振区的可能性。胡爱玲7利用ansys软件对电主轴的结构和动静态特性进行了深入的研究，再对其优化，对电主轴的工作性能提高有十分重要的意义。康辉民8、王永宾9分别研制了电主轴的综合性能测试与评价试验台，前者开展对电主轴的性能测试与分析，开发了相应的测试与评价软件系统，建立了电主轴的测试与评价的规范；后者在控制方法与数学模型之间的相互关系、动态测试方法、稳态和动态数学模型的建立、交叉
20、耦合电压的解耦效果以及它们对主轴动态性能的影响。并且在主轴整体动力学热模型的建立和温升的影响因素确定等方面取得了一定的理论和试验测试成果，为高速电主轴的的后续研究作出了一定的贡献。因可靠性现场试验存在投入大，周期长的不足，国内对电主轴可靠性研究还比较少，正因为如此，更应发展可靠性试验台的研究。对样品系列进行可靠性试验，为产品可靠性水平提供重要依据，方便日后的市场投入。国内外对电主轴的可靠性有过一些研究，秦少军10在建立可靠性数学模型的基础上，对电主轴的可靠性进行了预测，并为提高电主轴系统的可靠性提出了一些建议。李彦，窦怀洛等11针对高速电主轴高可靠性的要求，在高速电主轴现有机构的基础上，采用动
21、态设计方法，得出电主轴和滚动轴承的动态特性，进而再研究轴向跨距、预紧力、转轴各台阶外径以及轴承对高速电主轴临界转速的影响因素，最终得到较合理的电主轴结构；同时，对高速电主轴的密封、冷却、润滑、材料等方面也进行了研究，以实现最优化设计，从而满足了高速电主轴的高可靠性要求。在国内外可靠性试验台并不多见，而建立专门的电主轴可靠性试验台实属首例。相较于其他试验手段，试验台更适于对机床功能部件可靠性进行系统的研究。第2章 电主轴第1节 电主轴结构由机床内装式电动机直接驱动机床主轴，基本上取消了带轮传动和齿轮传动，把机床主传动链的长度缩短为零，实现了“零传动”方式。这种把主轴电动机与机床主轴“合二为一”的
22、传动结构形式，使主轴部件从机床的传动系统和整体结构中相对独立出来，称之为“主轴单元”，俗称为“电主轴”。电主轴是一种智能型功能部件，由于转速高、功率大，就需要有一系列控制主轴温升与振动等机床运行参数的功能，以确保其高速运转的可靠性与安全。图2-1 电主轴基本结构电主轴的基本结构如图2-1所示，它由定子、转子、轴承、润滑装置和冷却装置等构成。电主轴是高速轴承技术、冷却技术、润滑技术、动平衡技术、精密制造与装配技术以及电机高速驱动等技术的综合运用。其主要特点如下：(1)机械结构相对简单，运动惯量小，动态响应性好，能实现很高的速度和加速度以及定角度的快速准停。(2)电主轴系统没有高精密齿轮等关键传动
23、零件，消除了齿轮传动误差。(3)减少了主轴的振动和噪声，提高了主轴的回转精度。(4)用交流变频调速和矢量控制，输出功率大，调速范围宽，功率-扭矩特性好。电动机会产生大量的热，轴承在高速运转下也会产生大量的热，这两个热源构成了主轴主要的内部热源，如果不加以控制，由此引起的热变形会降低机床的加工精度和轴承的使用寿命，从而需要设计专门用于冷却电动机的油冷或水冷系统。主轴的变速是通过变频器来实现的。高速轴承要有专门的润滑装置，润滑方式有油脂润滑、油气润滑、油雾润滑，高速电主轴一般采用后两种润滑方式。为了保证高速回转部件的安全，还要有报警装置及停止用的传感器及其相应控制系统等一系列支持电主轴运转的外围设
24、备和技术。因此，“电主轴”的概念不应简单地理解为只是一根主轴，而是一个在机床数控系统监控下完整的的子系统，如图2-2所示。图2-2 电主轴系统第2节 电主轴的关键技术电主轴单元是一套组件，它是一项涉及电主轴本身及其附件的系统工程技术。电主轴单元所融合的关键技术主要包括以下几方面:（1）高速电机技术。电主轴是电动机与主轴融合的产物，主轴的旋转部分即为电机的转子，理论上就可以把电主轴看作一台高速电动机，其关键技术是高速度下的动平衡、主轴内励磁的稳定性以及驱动技术。（2）轴承技术。由于普通钢制轴承质量大，限制了它的极限转速，电主轴通常采用陶瓷球轴承，陶瓷球轴承分为全陶瓷轴承和混合陶瓷轴承两种，陶瓷材
25、料具有优良的物理、化学和机械性能。有时也采用静压轴承，或电磁悬浮轴承，内外圈不接触，理论上命无限长。（3）润滑技术。电主轴的润滑主要是轴承的润滑，主要有油雾润滑、油气润滑及油脂润滑，一般采用的是油气润滑和油雾润滑，也可以采用脂润滑，但其相应的最高速度有了限制。油气润滑，通常是润滑油在压缩空气的携带下，被吹入陶瓷轴承。这里，油量控制显得十分重要，油量过少，起不到润滑作用；油量过多，又会在轴承高速旋转时因油的阻力而发热。（4）内置脉冲编码器技术。为了实现自动换刀以及刚性攻螺纹，电主轴内需安装一个脉冲编码器，以实现相位的准确控制以及与进给的配合。（5）矢量变频技术。要实现电主轴每分钟几万甚至十几万转
26、的转速，必须用高频变频装置来驱动电主轴的内置高速电动机，变频器的输出频率甚至需要达到几千赫兹。（6）高速刀具的装卡技术。广为熟悉的BT、ISO刀具不适合于高速加工。在高速加工此背景下出现了的HSK、SKI等高速刀柄被广泛运用到了高速电主轴中。（7）自动换刀技术。为了适用于加工中心，电主轴配备了能进行自动换刀的装置，包括拉刀油缸、碟形弹簧等。（8）冷却技术。内置电机和主轴轴承是电主轴的两个主要热源，电主轴的冷却系统主要依靠冷却液的循环流动来实现。外水套和内水套为电主轴冷却系统的两种冷却方式。第3节 电主轴基本信息本试验选用的是洛阳轴研科技股份有限公司研发的170XDS30Q22型数控铣用电主轴，
27、其基本信息如下：1.基本参数ne=23000r/min nm=30000r/min fe=383.33HZ fm=500HZ Ue=380V Um=380V Pe=22KW Pm=22KW Ie=39A Im=40.5A Me=9.15Nm Mm=7Nm 2.主要技术精度: 静态：电主轴锥孔0.003mm电主轴+检具远端0.008mm电主轴轴向窜动0.002mm动态：电主轴以态30000r/min运行时其振动V2mm/S电主轴以30000r/min运行时其噪声80db（A）电主轴运行4小时后外壳温升25 3.基本外型安装尺寸与结构要素(1)外型安装尺寸：170h6350 +12072+60(2
28、)法兰22025中心节园1940.15安装6-M8内六角(3)前轴承组：2-VEX45/NS 7CE1 DDL 后轴承组：2-VEX45/NS 7CE1 DDL(4)安装HSKE-40刀柄（用户自备） 带HSKE40拉爪 OTT松拉刀系统配带双向油缸 拉刀力560Kg 松刀力850 Kg 进入油缸油压3MPa(5)配omron拉刀 松拉刀接近开关(6)配MCW-25-01精密水冷机(7)配意大利西技联4路油气装置(8)主轴前后轴承油气润滑油品为32#汽轮机油 进气压力为0.5-0.8MPa 出气压力为0.2-0.25 MPa 用油量：1滴/min(9)配用MCW-25C-01精密水冷机，冷却主
29、轴电机和前后轴承，进入主轴冷却腔体介质温度15冷却水配方：2%无水碳酸钠，1%亚硝酸钠，97%水第4节 电主轴受力计算 此处省略NNNNNNNNNNNN字。如需要完整说明书和设计图纸等.请联系扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套机械毕业设计下载！该论文已经通过答辩电主轴在实际工况中所受力即切削力。机械加工工艺手册里对切削力的定义如下：在切削加工时，刀具切入工件，使被加工材料产生弹性和塑性变形而形成切削所需要的力称为切削力。切削力来自于切削过程中：克服切削变性去材料塑性变形所需的抗力；克服切削对前刀面的摩擦力和刀具后刀面对已加工表面和过渡表面的摩擦力所需的抗力。克服切削变形区材料的弹性变形所需的
30、抗力。由于切削力的大小和方向受到切削过程许多因素的影响，它们都是不固定的。为了便于分析测量，将切削力分解为三个相互垂直于坐标轴方向的分力或力矩来表示，如图1所示。查机械加工工艺手册得铣削力和铣削功率的计算公式如下：扭矩(Nm): .背吃刀力和进给切削力按立铣、硬质合金刀加工碳素结构钢、逆铣估算：背吃刀力: .进给切削力：将电主轴的额定转矩带入式，按HSKE-40刀柄标准，取则：取:取为了模拟真实工况，需要添加的轴向力即，加载的径向力为和的合力,即：。所以需要加载的轴向力为343.125N,径向力为943.16N，考虑切削过程中的动态因素和其他的不稳定因素，最大轴向力按400N，最大径向力按10
31、00N来设计。图1 刀具受力分解图第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；还有用两组励磁绕组在轴侧面和轴端面实现非接触式加载8。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
32、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
33、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2750MGoe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
34、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
35、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
36、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：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。静态转矩力矩平滑，没有齿槽波动转矩和剩磁转矩。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。转子为空心鼓形转子，惯性小，可承受的离心力较大大。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
37、，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T=KTIa,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
38、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：控制器采用单相交流电源，控制功率小；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；采用水冷却、振动小、噪音低；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；价格低廉、使用维护方便、结构简单、运行稳定；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 DL
39、G22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
40、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
41、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/
42、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
43、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（BandBand 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
44、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 测功机特性曲线第2节 轴向力加载设计轴向力加载选用的是DJ-20型非接触式电磁激振器
45、，最大能提供1000N的力，最大激振力为200N，工作频率范围为20800Hz，激振器与被激构件间隙：0.50.01(mm)。它由激励线圈、铁芯、测力线圈、拾振器、支座五部分构成。与与电动式激振器、电液式激振器比较有以下特征：(1)与被激物体间为非接触式，可用于研究旋转或平面运动的结构动态特性。(2)单位力体积比电动式小，激振力比电动式大，没有附加质量的影响。(3)频率范围比电液式激振器宽，工作频率为20-2000Hz，能满足一般大、中、小型机床试验之用。(4)装有电容式拾振器，能进行非接触式的振动位移量测量。直流电源扼流线圈信号发生器交流功放激振器频 率 计测力线圈DJ型激振器测力表电容传感
46、器电容微调器电容测微仪记录仪被激物体图3-4 电磁激振器工作原理图其工作原理图如图3-4所示。激励线圈包括直流偏磁绕组和交流励磁绕组两部分，直流偏磁绕组产生一个预置偏磁力，交流励磁绕组产生交变激振力，实现动态加载。当激振铁芯中产生交变磁通时，测力线圈中产生感应电势，把该电势进行积分，得到积分电压，而力与积分电压成正比。经过适当标定，找出力与积分电压的比例关系，就能把积分电压值转换成力的量值。拾振器能拾取被激振系统的相对振动位移量。交流励磁绕组可以通过编写相应程序，输入任意波形，实现对电主轴轴向力的动态加载。该激振器的加载面是一个120mm90mm矩形平面，所以设计的导磁体圆盘部分直径设计为20
47、0mm，满足加载要求。由于电磁吸力随气隙的增大会急剧减小，所以安装时应保证激振面与导磁体的间隙为0.50.01(mm)。为了将非接触式激振器安装到加载力的位置，需要设计相应的支撑底座机构，而且支撑机构还要方便调节激振器的位置。设计的激振器加载部件如图3-5所示。图3-5 激振器部件图由于要保证激振器与导磁体的距离在0.50.01(mm)，所以支撑底座在受力状态下的变形量太大会影响激振器加力效果，所以对底座进行了仿真分析。底座采用HT250铸造，实际试验中底座受动态力，需要添加的轴向力最大为343.125N，故只需对底座在最大受力状态下的最大变形量即可。对底座在受343.125N拉力作用下的静力学分析的变形结果如3-6所示。从分析结果可以看出最大的变形为8.74m，激振器允许的距离误差为10m，所以可以看出底座的变形量不足以影响激振器的加载,况且底座的变形使激振器
