一种悬臂掘进机用行星减速机加载试验分析与性能研究
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摘要：为验证新研发的悬臂掘进机用行星减速机各主要性能参数是否达到设计要求，以及为减速机的综合性能提供准确、可靠的评价数据，本文对新开发设计的某型号悬臂式掘进机用行星减速机进行了模拟实际工况的加载试验分析，对其综合性能进行研究。采用封闭功率流式的减速机加载试验方案，通过试验测得了该被试减速机多工况下的转速、转矩、噪声、工作效率、温升等性能参数。经试验分析结果可知：该掘进机用行星减速机的功率参数满足设计要求，且工作平稳、可靠，振动小，噪音低，符合新产品设计要求及行业标准要求，满足减速机出厂条件，可作为定型产品进行生产。本文研究内容在悬臂式掘进机用行星减速机的研发方面具有很大的指导作用。
关键词：悬臂式掘进机；行星減速机；加载试验；性能分析
引 言
随着基建工程的大力发展，悬臂式掘进机的应用更加广泛。在工程隧道的施工、洞穴的开掘，矿山井下巷道的掘进等多个领域均广泛使用悬臂式掘进机。该类型掘进机操作方便、功能强大、性能可靠。相对于传统掘进能有效控制超欠挖、围岩扰动、噪音、粉尘污染等难题。
我国地质条件复杂多变，为应对不同地质构造和断面形状，就要求硬岩掘进机系列化、多样化。切割部是硬岩掘进机切割力输出单元，为切割部提供动力的行星传动装置即行星减速机也要实现系列化、多样化。掘进机减速机的工作性能能够直接影响着整机的性能，如可靠性、动力性和经济性等。因此，积极研发新产品，补充多型号悬臂硬岩掘进机切割传动装置的需求势在必行[1]。
通过减速机加载试验可帮助我们更加全面地掌握减速机产品在投入市场应用后的性能状况，以及协助解决目前存在的不足之处，也可检验出现的问题是否解决或解决效果。加载试验也是一种保证产品出厂质量以及可提高产品市场竞争水平的关键方法。因此，通过试验来检验新研发的减速机性能的优劣是十分有必要的。借助试验的途径可检验设计理论的正确性，验证设计意图是否已经实现，设计的产品性能是否已达到了使用要求。它还是用来检验减速机制造质量的重要方法，通过检测和验证其各项性能指标，来判断减速箱是否满足设计负荷和出厂检验的各项标准和要求。同时，由于掘进机的工作条件复杂，很多设计暂不能根据现有的理论做出可信的预期，因此，加载试验对于掘进机行星减速机显得尤为重要[2]。
1 研究内容
本文主要是对新研发的悬臂式硬岩掘进机用行星减速机进行加载试验研究，测试该行星减速机在多种工况下的噪声、温升、工作效率[3]等性能参数。验证该悬臂式掘进机用行星减速机设计和产品开发结果的正确性，它是保证本研发产品的质量和提高市场竞争力的重要手段和方法。为产品定型及后续产品批量生产提供坚实的信心。通过试验模拟减速机的实际工作状态，可更准确地掌握减速机的性能特点，对保证掘进机的安全运行具有重要的意义。
本文依据悬臂式掘进机用行星减速机的同轴式输入输出的结构，以及该减速机的承载能力大小和试验所要测量的参数要求，设计了一套功率封闭式减速机试验台[4]。基于封闭功率流行星减速机试验台，完成行星减速机性能的测量工作。测量获得特定多工况下的行星减速机的实时转速、转矩、功率、温升、噪声以及机械效率等的变化规律，从而评估减速机的机械性能。
2 试验方案
试验测量虽具有工作效率低、投入成本高等弊端，但它能够获得非常真实的性能数据使其在减速机研发过程中占具无可取代的地位。行星减速机试验可对其使用性能指标进行全面评估，获得该型号掘进机用行星减速机的综合机械特性，通过试验结果评估减速机设计方案的正确性。
本文根据被试减速机的结构和承载能力，设计并安装了一套功率封闭式行星减速机试验测试系统。本测试系统是由软件系统和硬件系统组成。详细配置情况见下表1所示。
本试验测量系统中，驱动电机作为减速机的动力源，加载电机对减速机施加载荷；转速转矩传感器负责完成测量减速机的输入和输出转速与转矩；效率仪完成测试数据的采集与处理工作，工控计算机对数据进行显示和保存。图1为该试验台系统结构框图。
该减速机试验测量系统具有电能回馈式节约能源的技术。驱动端和加载端均使用了电机，但两者的工作状态不同，驱动电机是在电动状态下工作，而加载电机是在发电的状态下工作的。直流母线将加载电机工作时产生的电能输送到驱动端，回收了大部分电能，这样可大大降低供电系统的电力输送量。这种试验系统具备了环保、节能的优点。转速转矩传感器分别安装在被试减速机的输入端和输出端，负责完成被试减速机输入转速转矩和输出转速转矩的测量工作。转速转矩传感器与效率仪连接，通过工控计算机经数据处理得到被试减速机的实时输入输出转速、转矩、功率、传动效率等性能参数。通过调整驱动电机的转速和加载电机的转矩大小，可实现多个工况下的减速机测量工作。
3 试验过程控制技术
在创建完成的行星减速机试验台上，通过控制系统和测量系统进行行星减速机各主要性能参数的试验测量。通过试验测量获得各特定工况下行星减速机的输入输出转速、输入输出转矩以及功率等的实时变化情况，同时获得行星减速机在不同工况下的温升、噪声、机械效率等性能参数的变化规律。
转速、转矩、机械效率这三个参数对机械传动设备的研究、设计起着非常重要的作用，是机械传动设备的主要动力参数。研究机械传动设备的动力性能时必须要精确测量这些动力参数。本试验台通过将两台转速转矩传感器分别安装在行星减速机的输入端和输出端来测量被试减速机的工作状态。
本封闭功率式试验台的加载功能是通过使用交流电机加载来实现的。它不仅能够很容易地实现利用计算机控制，并且有利于回收电力。本试验系统中的交流变频电动机负责减速机的加载任务，但其工作过程中是在发电状态下。加载电机产生的电能通过电力反馈系统反馈回到驱动电机中，作为驱动电机的一部分电源。这种系统模式可实现在不产生电网波动的情况下大大地节约了能源。电力反馈控制器通过比较转速转矩传感器测量到的实际扭矩大小与系统设定的扭矩大小后自动调节加载力矩的大小。 本行星减速机试验系统的控制部分是由交流变频转速控制系统和交流逆变电力反馈控制系统组成。强电控制柜、电抗器、交流变频器配上输入、输出滤波器组成了交流变频转速控制系统的核心。本系统通过将变频器设定的转速与编码器测量的实际转速进行比较，利用变频器调整电机的工作频率来纠正设定的转速与实际的转速之间的差距。强电控制柜、电抗器、电力反馈系统配上输入、输出滤波器组成交流电力逆变反馈控制系统的核心。試验系统的负载的大小是利用变频器来改变负载电机的上网电流而调节的。总线负责完成系统与工控计算机之间的通讯工作。
效率仪是与转速转矩传感器配套使用的，作为本试验台数据采集系统，见图2所示。本效率仪可通过接口与工控计算机相连，将其测量的实时数据传送到计算机中，便于测量数据的记录、处理与保存。图3为效率仪的计算机显示面板。此测量设备还具有效率计算功能，并通过图像显示出实时转速、扭矩变化曲线和机械效率值。本试验系统实现了转速、转矩、功率、机械效率等动力参数的自动采集、处理和保存。
4 试验过程及结果分析
试验方案确定后，便进行试验台的安装调试工作。安装过程中必须保证试验台系统的运转平稳性。图4为某型号掘进机用行星减速机实物图。行星减速机试验台系统的安装效果见图5所示。
试验台设计与装配完成后，开始进行加载试验分析，试验过程严格按文献[5-6]执行。根据减速机的工况情况和设计的功率参数，确定该减速机的加载试验工况，见表2所示，该减速机的设计额定功率为220KW。
掘进机用行星减速机试验台安装调试完成后，首先进行低速空载运行测试，确保试验台无安装错误后进行正式的加载试验过程。加载试验进行过程中，测试了被试减速机设备的温升、振动、噪声等的变化情况。试验结果见下表3所示。
试验结果表明，各项测试参数均在要求范围内，设备运行平稳，完全符合设计要求和产品出厂要求。
5 总结
为了对新研发设计的某型号掘进式行星减速机的工作性能进行试验研究，本文完成搭建了一套掘进机用行星减速机试验台系统；根据该减速机的结构特点及承载能力确定了试验台总体方案，并详细介绍了该试验台系统的组成部分、测量原理；在所构建试验台上进行了行星减速机多个特定工况下的试验工作。测量获取了多工况下行星减速机的实时转速、转矩、机械效率、噪声、温升等的变化规律。试验结果表明，该型号掘进机用减速机传动平稳，产品载荷分配均匀，功率密度高，可以有效节省空间且具有较高的传动精度与机械效率。该型号掘进机用行星减速机符合减速机设计要求和产品出厂标准。
参考文献
[1]豆曙杰. 悬臂式掘进机研究现状与发展趋势[J]. 工程技术：引文版，2016（5）：236-237.
[2]闫焕景. 减速器性能试验过程中效率问题探讨[J]. 机械工程师，2011（12）：171-173.
[3]徐湛楠. 行星齿轮减速器试验台的设计与研究[D]. 合肥工业大学，2013.
[4]郭洪军. 两类减速器试验台性能比较[J]. 机械工程师，2009（7）：156-157.
[5]GB/T6404.1-2005，齿轮装置的验收规范 第1部分：空气传播早上的试验规范[S]. 北京：中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局中国国家标准化管理委员会，2005：1-12.
[6]MT/T 291.1-1998，悬臂式掘进机 传动齿轮箱检验规范[S].北京：国家煤炭工业局，1998：1-4.
（作者单位：徐州徐工基础工程机械有限公司）
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