浅谈高速旋转试验机技术特点及开发方向
2016-11-29肖俊林沈治国
陈 欣,肖俊林,沈治国
( 上海电动工具研究所(集团)有限公司,上海电动工具工程技术中心 上海 200031 )
浅谈高速旋转试验机技术特点及开发方向
陈 欣,肖俊林,沈治国
( 上海电动工具研究所(集团)有限公司,上海电动工具工程技术中心 上海 200031 )
介绍高速旋转试验机在业界的应用情况和技术特点,对相关产品开发的市场方向提出建议。
旋转试验;高速试验机;电机换向器
0 引言
高速旋转试验机通常是用于对各种旋转部件进行超过额定转速情况下的高速旋转试验,以了解机械性能,测试其在一定速度下的变形量和爆裂情况,该测试对产品机械性能及使用安全而言极为重要。本文简单介绍相关情况。
1 概述
我国国内在高速旋转试验机方面的研制已有30多年,起初多应用在军工和航空航天等特殊领域,后随着汽车、家电和电动工具等行业的发展,逐步应用在汽车轮胎、离合器等旋转零部件的试验中,相关试验大都有对应标准要求。在电动工具行业,高速试验机产品一般应用于换向器、砂轮片、风叶和轴承试验。
随着技术进步和产品升级换代,航空、航天、汽车电机和其它高端电机行业客户对试验机的要求越来越高,通常需要在高速旋转的情况下动态实时检测被测件的变形量,来改变以往高速旋转后再用片间误差测试仪测试的繁琐模式。因此,动态高速旋转试验机应运而出。
2 现状
压缩空气通过叶轮驱动、交流电机通过增速皮带驱动、交流电机通过高精度增速齿轮箱驱动、高速电机(电主轴)直接驱动,这四种方式是高速旋转试验机通常选用的旋转方式。
就其优缺点来看,压缩空气通过叶轮驱动常用于小型物件,由于压缩空气较难精确控制压力,所以其转速精度较差;交流电机通过增速皮带驱动常用于大型物件,由于采用了皮带增速,所以其最高转速略低,一般不高于20000r/min;交流电机通过高精度增速齿轮箱驱动受高速齿轮箱的设计和制造精度限制,制造代价高,噪声大且易损坏;高速电机(电主轴)直接驱动,可以获得较高转速,通过静止变频器控制速度,精度高、噪音低,使用范围较广。根据高速轴承润滑方式不同,有油脂、油雾和油气三种形式。
业界通常采用交流电机通过增速皮带驱动和高速电机(电主轴)直接驱动这两种驱动方式,传统的HG-9600S高速试验机如图1~图3所示。
图1 小型物件高速旋转试验
图2 大型物件高速旋转试验
图3 特殊物件高速旋转试验
图1 为传统的小型物件高速试验,如换向器、砂轮片、轴承、小风叶等,其转速通常为3000r/min~75000r/min,由高速电主轴驱动,热态试验情况下温度范围为室温~300℃。
图2为针对大型物件的高速旋转试验,如牵引电机换向器、大型砂轮片、风叶、汽车零部件(如离合器部分)等,由交流电机和增速皮带驱动,其转速略低,约为1000r/min~36000r/min。
图3为用于电机转子等装夹较特殊物件进行的高速旋转试验,因其特殊要求可能要致使被试物体爆破,故采用下吊式安装。其中,试验腔体视情况需保持真空,内部加装高速摄像头,由高速电主轴驱动,为保护电主轴还需加装特殊的阻尼器等等。
3 要求
在高速旋转试验要求中,更高的速度要求和更大的驱动功率尤显重要,且功能需要越来越多,智能化程度逐步上升,主要表现在:
1)破坏性试验
破坏性试验要求的最高转速并不仅仅限于额定转速的某个倍率,而是直接破坏被试物体。这就对试验机提出很高要求,尤其是驱动能力要强,发生被试物体破坏时应能承受冲击并及时停机和保存实时数据如实时转速、运行时间、电流电压和试验温度等。
2)标准规定加速度下离心力试验
被试物体如航空航天部件或汽车离合器之类,需要在一定时间内上升到某个转速,再考核到这个转速瞬间其中的两个部分有无分离。该试验对高速机的加速特性和速度惯性控制时的算法和响应要求极高。
3)动态高速旋转试验
在高速旋转情况下,按预先设置的速度梯度运行,按要求在高速旋转情况下实时测量被试物的变形量和其他数据并保存输出。
在电动工具行业,以往对于换向器产品的测试较为繁琐。通常需要在高速试验后放置于片间误差测试仪上再进行测试,将测试所得数据与高速试验前数据做比对来判断产品是否符合标准要求。目前,一些高端客户开始寻求在高速旋转试验时实时测量物件的变形量等数据,免除累积误差,获取更好的检验结果借以跟踪产品的质量,为产品的改进设计提供更准确的数据。
4 方案
新一代动态高速旋转试验机由三部分组成:电气控制箱,含主控工控机、位移测量、温度控制、转速控制、时间控制和保护线路;测试平台,含定制高速高功率电主轴、激光位移测试部分、红外温度测量加热部分和保护线路;循环水冷却装置,用于对高速电主轴进行实时冷却。
采用高速高精度激光位移传感器,可对换向器进行最高转速至90000r/min的动态高速旋转测试,全程计算机测控,变形量可实时显示。
图4为放大的动态高速旋转试验机测控主界面显示情况。
图4 测控主界面
动态测试的难度主要表现在:整体结构的设计,安装了高速激光位移传感器和红外温度传感器等测量仪器,既要保证测试环境的尽可能稳固,又要保证调节和易拆卸;高速、高精度的位移测量和数据处理技术,作为μm级的测量,电主轴高速旋转下其本身有不定的误差,准确的动态测试微小变形量,需要经过大量试验,找到并建立合适的数学模型,运用到多种数据处理技术;防护技术,在高速高温下试验,应防止随时发生物件爆破现象,所以对激光位移和红外温度传感器的防护就非常必要。
5 结语
高速旋转试验机技术进步反映在产品水平的提高和对试验要求的提升,更高的转速、更高的智能化、更高可靠性并尽可能模拟实际运行工况下进行实时测试是产品开发的必然方向。
海外视点
On the High-speed Rotation Testing Machine Technical Features and Development Direction
Chen XinXiao Jun Lin ShenZhiGuo
(SETRI (Group). Co., Ltd., Shanghai Electric Tools Engineering Center, Shanghai 200031, China)
Introduce high-speed rotation testing machine application and technical features in the industry, to make recommendations on the direction of the market related products.
Rotation test; High-speed testing machine; Motor commutator
TM08
A
1674-2796(2016)01-0006-03
2015-12-03
陈欣(1965—)男,大学本科,高级工程师,主要从事专用设备仪器开发工作。