一種懸臂掘進機用行星減速機加載試驗分析與性能研究

劉玉濤

摘要：為驗證新研發的懸臂掘進機用行星減速機各主要性能參數是否達到設計要求，以及為減速機的綜合性能提供準確、可靠的評價數據，本文對新開發設計的某型號懸臂式掘進機用行星減速機進行了模擬實際工況的加載試驗分析，對其綜合性能進行研究。采用封閉功率流式的減速機加載試驗方案，通過試驗測得了該被試減速機多工況下的轉速、轉矩、噪聲、工作效率、溫升等性能參數。經試驗分析結果可知：該掘進機用行星減速機的功率參數滿足設計要求，且工作平穩、可靠，振動小，噪音低，符合新產品設計要求及行業標準要求，滿足減速機出廠條件，可作為定型產品進行生產。本文研究內容在懸臂式掘進機用行星減速機的研發方面具有很大的指導作用。

關鍵詞：懸臂式掘進機；行星減速機；加載試驗；性能分析

引 言

隨著基建工程的大力發展，懸臂式掘進機的應用更加廣泛。在工程隧道的施工、洞穴的開掘，礦山井下巷道的掘進等多個領域均廣泛使用懸臂式掘進機。該類型掘進機操作方便、功能強大、性能可靠。相對于傳統掘進能有效控制超欠挖、圍巖擾動、噪音、粉塵污染等難題。

我國地質條件復雜多變，為應對不同地質構造和斷面形狀，就要求硬巖掘進機系列化、多樣化。切割部是硬巖掘進機切割力輸出單元，為切割部提供動力的行星傳動裝置即行星減速機也要實現系列化、多樣化。掘進機減速機的工作性能能夠直接影響著整機的性能，如可靠性、動力性和經濟性等。因此，積極研發新產品，補充多型號懸臂硬巖掘進機切割傳動裝置的需求勢在必行[1]。

通過減速機加載試驗可幫助我們更加全面地掌握減速機產品在投入市場應用后的性能狀況，以及協助解決目前存在的不足之處，也可檢驗出現的問題是否解決或解決效果。加載試驗也是一種保證產品出廠質量以及可提高產品市場競爭水平的關鍵方法。因此，通過試驗來檢驗新研發的減速機性能的優劣是十分有必要的。借助試驗的途徑可檢驗設計理論的正確性，驗證設計意圖是否已經實現，設計的產品性能是否已達到了使用要求。它還是用來檢驗減速機制造質量的重要方法，通過檢測和驗證其各項性能指標，來判斷減速箱是否滿足設計負荷和出廠檢驗的各項標準和要求。同時，由于掘進機的工作條件復雜，很多設計暫不能根據現有的理論做出可信的預期，因此，加載試驗對于掘進機行星減速機顯得尤為重要[2]。

1 研究內容

本文主要是對新研發的懸臂式硬巖掘進機用行星減速機進行加載試驗研究，測試該行星減速機在多種工況下的噪聲、溫升、工作效率[3]等性能參數。驗證該懸臂式掘進機用行星減速機設計和產品開發結果的正確性，它是保證本研發產品的質量和提高市場競爭力的重要手段和方法。為產品定型及后續產品批量生產提供堅實的信心。通過試驗模擬減速機的實際工作狀態，可更準確地掌握減速機的性能特點，對保證掘進機的安全運行具有重要的意義。

本文依據懸臂式掘進機用行星減速機的同軸式輸入輸出的結構，以及該減速機的承載能力大小和試驗所要測量的參數要求，設計了一套功率封閉式減速機試驗臺[4]。基于封閉功率流行星減速機試驗臺，完成行星減速機性能的測量工作。測量獲得特定多工況下的行星減速機的實時轉速、轉矩、功率、溫升、噪聲以及機械效率等的變化規律，從而評估減速機的機械性能。

2 試驗方案

試驗測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的性能數據使其在減速機研發過程中占具無可取代的地位。行星減速機試驗可對其使用性能指標進行全面評估，獲得該型號掘進機用行星減速機的綜合機械特性，通過試驗結果評估減速機設計方案的正確性。

本文根據被試減速機的結構和承載能力，設計并安裝了一套功率封閉式行星減速機試驗測試系統。本測試系統是由軟件系統和硬件系統組成。詳細配置情況見下表1所示。

本試驗測量系統中，驅動電機作為減速機的動力源，加載電機對減速機施加載荷；轉速轉矩傳感器負責完成測量減速機的輸入和輸出轉速與轉矩；效率儀完成測試數據的采集與處理工作，工控計算機對數據進行顯示和保存。圖1為該試驗臺系統結構框圖。

該減速機試驗測量系統具有電能回饋式節約能源的技術。驅動端和加載端均使用了電機，但兩者的工作狀態不同，驅動電機是在電動狀態下工作，而加載電機是在發電的狀態下工作的。直流母線將加載電機工作時產生的電能輸送到驅動端，回收了大部分電能，這樣可大大降低供電系統的電力輸送量。這種試驗系統具備了環保、節能的優點。轉速轉矩傳感器分別安裝在被試減速機的輸入端和輸出端，負責完成被試減速機輸入轉速轉矩和輸出轉速轉矩的測量工作。轉速轉矩傳感器與效率儀連接，通過工控計算機經數據處理得到被試減速機的實時輸入輸出轉速、轉矩、功率、傳動效率等性能參數。通過調整驅動電機的轉速和加載電機的轉矩大小，可實現多個工況下的減速機測量工作。

3 試驗過程控制技術

在創建完成的行星減速機試驗臺上，通過控制系統和測量系統進行行星減速機各主要性能參數的試驗測量。通過試驗測量獲得各特定工況下行星減速機的輸入輸出轉速、輸入輸出轉矩以及功率等的實時變化情況，同時獲得行星減速機在不同工況下的溫升、噪聲、機械效率等性能參數的變化規律。

轉速、轉矩、機械效率這三個參數對機械傳動設備的研究、設計起著非常重要的作用，是機械傳動設備的主要動力參數。研究機械傳動設備的動力性能時必須要精確測量這些動力參數。本試驗臺通過將兩臺轉速轉矩傳感器分別安裝在行星減速機的輸入端和輸出端來測量被試減速機的工作狀態。

本封閉功率式試驗臺的加載功能是通過使用交流電機加載來實現的。它不僅能夠很容易地實現利用計算機控制，并且有利于回收電力。本試驗系統中的交流變頻電動機負責減速機的加載任務，但其工作過程中是在發電狀態下。加載電機產生的電能通過電力反饋系統反饋回到驅動電機中，作為驅動電機的一部分電源。這種系統模式可實現在不產生電網波動的情況下大大地節約了能源。電力反饋控制器通過比較轉速轉矩傳感器測量到的實際扭矩大小與系統設定的扭矩大小后自動調節加載力矩的大小。

本行星減速機試驗系統的控制部分是由交流變頻轉速控制系統和交流逆變電力反饋控制系統組成。強電控制柜、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速控制系統的核心。本系統通過將變頻器設定的轉速與編碼器測量的實際轉速進行比較，利用變頻器調整電機的工作頻率來糾正設定的轉速與實際的轉速之間的差距。強電控制柜、電抗器、電力反饋系統配上輸入、輸出濾波器組成交流電力逆變反饋控制系統的核心。試驗系統的負載的大小是利用變頻器來改變負載電機的上網電流而調節的。總線負責完成系統與工控計算機之間的通訊工作。

效率儀是與轉速轉矩傳感器配套使用的，作為本試驗臺數據采集系統，見圖2所示。本效率儀可通過接口與工控計算機相連，將其測量的實時數據傳送到計算機中，便于測量數據的記錄、處理與保存。圖3為效率儀的計算機顯示面板。此測量設備還具有效率計算功能，并通過圖像顯示出實時轉速、扭矩變化曲線和機械效率值。本試驗系統實現了轉速、轉矩、功率、機械效率等動力參數的自動采集、處理和保存。

4 試驗過程及結果分析

試驗方案確定后，便進行試驗臺的安裝調試工作。安裝過程中必須保證試驗臺系統的運轉平穩性。圖4為某型號掘進機用行星減速機實物圖。行星減速機試驗臺系統的安裝效果見圖5所示。

試驗臺設計與裝配完成后，開始進行加載試驗分析，試驗過程嚴格按文獻[5-6]執行。根據減速機的工況情況和設計的功率參數，確定該減速機的加載試驗工況，見表2所示，該減速機的設計額定功率為220KW。

掘進機用行星減速機試驗臺安裝調試完成后，首先進行低速空載運行測試，確保試驗臺無安裝錯誤后進行正式的加載試驗過程。加載試驗進行過程中，測試了被試減速機設備的溫升、振動、噪聲等的變化情況。試驗結果見下表3所示。

試驗結果表明，各項測試參數均在要求范圍內，設備運行平穩，完全符合設計要求和產品出廠要求。

5 總結

為了對新研發設計的某型號掘進式行星減速機的工作性能進行試驗研究，本文完成搭建了一套掘進機用行星減速機試驗臺系統；根據該減速機的結構特點及承載能力確定了試驗臺總體方案，并詳細介紹了該試驗臺系統的組成部分、測量原理；在所構建試驗臺上進行了行星減速機多個特定工況下的試驗工作。測量獲取了多工況下行星減速機的實時轉速、轉矩、機械效率、噪聲、溫升等的變化規律。試驗結果表明，該型號掘進機用減速機傳動平穩，產品載荷分配均勻，功率密度高，可以有效節省空間且具有較高的傳動精度與機械效率。該型號掘進機用行星減速機符合減速機設計要求和產品出廠標準。

參考文獻

[1]豆曙杰. 懸臂式掘進機研究現狀與發展趨勢[J]. 工程技術：引文版，2016（5）：236-237.

[2]閆煥景. 減速器性能試驗過程中效率問題探討[J]. 機械工程師，2011（12）：171-173.

[3]徐湛楠. 行星齒輪減速器試驗臺的設計與研究[D]. 合肥工業大學，2013.

[4]郭洪軍. 兩類減速器試驗臺性能比較[J]. 機械工程師，2009（7）：156-157.

[5]GB/T6404.1-2005，齒輪裝置的驗收規范 第1部分：空氣傳播早上的試驗規范[S]. 北京：中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局中國國家標準化管理委員會，2005：1-12.

[6]MT/T 291.1-1998，懸臂式掘進機 傳動齒輪箱檢驗規范[S].北京：國家煤炭工業局，1998：1-4.

（作者單位：徐州徐工基礎工程機械有限公司）