大扭矩封闭试验系统加载器研制及其均载特性研究
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摘要
近年来，随着船舶工业的快速发展，我国的船舶工业也进入了新的发展阶段，已经具备了散货船、油船、集装箱船三大主流船型的自主研发能力，在此背景下，对船用高速、重载减速器传动技术的研究也越来越深入，新型船用大功率减速器应运而生，为解决新型大功率减速器的试验问题，一般均要研制配套的封闭试验系统，来模拟减速器的高速、重载的运行条件，以评定减速器的工作性能，而大扭矩加载器是封闭试验系统中最重要的组成部件，对大扭矩加载器的研究开发就显得尤为重要。本文是以中国船舶重工集团公司某所科研项目为依托，对大扭矩加载器进行了应用研究，研制一种新型的串入式大扭矩加载器，为搭建大型船用减速器封闭试验系统提供技术保证。
论文综述了加载器技术国内外发展概况，重点分析了机械式封闭实验用大扭矩加载器技术的研究和发展现状，在对比分析各种技术的优缺点基础上，研制了一种新型串入式大扭矩加载器。
在深入分析封闭试验台载荷特性的基础上，结合研究项目的技术指标，提出了加载器传动系统的设计方案，并构建了加载器传动系统的三维模型，阐述了加载器的工作过程，并对加载器关键部件进行了有限元分析，研究了加载器动力参数、反程自锁性以及能耗等问题，通过稳定性实验提高了加载器转子的稳定精度等级，验证了方案的可行性。通过对加载器模态分析，确定了其前6阶固有频率及振型，为分析加载器的振动特性提供了理论基础。
对加载器行星传动的内部激励进行了分析，研究了系统内部啮合刚度的时变性，推导了时变啮合刚度的计算公式。分析研究了系统的安装误差和制造误差产生的误差激励，确定了啮合副之间的误差激励函数，给出了误差激励的级数表达式，为确定动力学模型的内部激励奠定了基础。
在分析加载器行星传动系统啮合副弹性变形的基础上，推导了各啮合副在啮合线上的相对位移，使用动态子结构建模方法，建立了太阳轮、行星轮、行星架和齿圈的子结构动力学模型，利用相对位移条件联立，综合考虑了时变啮合综合刚度、轮齿啮合综合误差、轴承支承刚度等因素影响，建立了系统的平移—扭转耦合动力学模型，并给出了向量的表达式，在系统的运动微分方程基础上推导出了无阻尼自由振动运动微分方程，为分析系统的动态均载特性奠定了基础。
对加载器行星传动系统的运动微分方程采用Fourier级数求解方法，对加载器静态和动态均载特性进行了分析研究，推导了系统的静态和动态均载系数计算公式，分析了传动系统中齿轮的安装误差和制造误差对静态和动态均载特性的影响趋势。研究了啮合刚度、支承刚度对传动系统的静态和动态均载特性的影响。确定了影响传动系统静态和动态均载特性的主要因素，通过试验验证了均载特性理论分析的准确性，为提高加载器行星传动均载特性提供了理论基础。
设计了基于“环形天线”无线通信方式的加载器控制系统，采用分级控制思想，将控制系统设计成封装在转动轴内部的实时检测及加载和外部的控制台两个子系统，子系统中又划分了相应的功能模块，实现对加载器的控制和运行状况信息的检测和显示。
进行了加载器传动系统的稳定性实验，采用双面平衡法提高了加载器平衡品质等级，确定了理想加载区域。完成了加载器静态施载角检测实验，验证了加载器能实现任意施载角的变化。在加载器实验台上，进行了加载器的静态加载实验，验证了施载力矩的准确性。通过动态加载器实验，验证了加载器在不同转速下施载的准确性。
In recent years, with the rapid development of the shipbuilding industry, China's shipbuildingindustry has entered a rapid development stage, it has had the capabilities of the design on thebulk carriers,oil tankers, container ships ship's,in this context,the new high power marinereducer may be developed, with in-depth study on the marine reducer transmission technology.Adapted closed-test system usually is designed in order to assess the performance of the newhigh power marine reducer, it can simulate the conditions of the high-speed and heavyload.The research of the high-torque loading device is particularly important because it is themost important components of the closed-test system. The dissertation is the project of theChina Shipbuilding Industry Corporation,carry out applied research the high-torque loadingdevice, and develop a new series-in high-torque loading device, to provide technicalassurance of building the marine reducer closed-test system.
Paper reviews the development of domestic and international profile loading devicetechnology. On this paper, the focus of the experimental mechanical torque loading devicetechnology research and development status were analyzed.A new loading device technologywas proposed, based on the comparative analysis of the advantages and disadvantages.
With the in-depth analysis of the load characteristics of the closed-test system, andaccording to the technical specifications of the project, proposed the design of the loadingdevice drive transmission technology, build a three-dimensional model of transmission.Describes the loading process, and makes the finite element analysis of the key components,and the dynamic parameters, and anti-process self-locking, and energy consumption werestudied. Verify the design feasibility by the stability test.
According to the analysis of the planetary gear transmission internal excitation, study theinternal time-varying mesh stiffness, and derive the time-varying mesh stiffness formula.Analyze the incentives of the system incentives installation error and manufacturing error, anddetermine error excitation function of the gear mesh, and give the error excitation formula,and lay the foundation for determine the internal excitation forces.
Paper derive the meshing pair relative displacement in the meshing line based on theanalysis of planetary gear transmission elastic deformation, and establish the sun gear, planetary gear, planet carrier and ring gear sub-structural dynamics model by the dynamicsub-structural modeling method. Establish the translational-twist coupling dynamics model byusing of the relative displacement conditions, with considering the time-varying meshstiffness, integrated error of gear tooth contact, the bearing support stiffness and the otherfactors, and give the vector expressions. Derive the equations of the free vibration motion onthe basis of differential equations of motion, make the foundation for the analysis of thedynamic loading characteristics.
Calculate the system's static and dynamic loading coefficient by using Fourier solutionmethod, and analyze the influence trend of the gear manufacturing error and installation errorand the meshing stiffness and support stiffness on the static and dynamic loading coefficient.Determine the main characteristics, and provide the theoretical basis for improving uniformloading characteristics.
Design loading device control system based on the wireless communications by usingthe hierarchical control,and designe two subsystems of the real-time detection loading andexternal control panel. Each subsystem is divided into the corresponding function modules, tocontrol the loading device, detect and display the operational information.
Using two-sided balance method to improve the balance quality level loading device bythe experiment, and determine the ideal loading area. Verify the performance of the loadingdevice making any loading angle by the angle detection experiments.Verify the accuracy ofthe loading torque by static loading testing, and verify the accuracy of the loading torque onthe conditions of different speeds by dynamic loading testing.
论文综述了加载器技术国内外发展概况，重点分析了机械式封闭实验用大扭矩加载器技术的研究和发展现状，在对比分析各种技术的优缺点基础上，研制了一种新型串入式大扭矩加载器。
在深入分析封闭试验台载荷特性的基础上，结合研究项目的技术指标，提出了加载器传动系统的设计方案，并构建了加载器传动系统的三维模型，阐述了加载器的工作过程，并对加载器关键部件进行了有限元分析，研究了加载器动力参数、反程自锁性以及能耗等问题，通过稳定性实验提高了加载器转子的稳定精度等级，验证了方案的可行性。通过对加载器模态分析，确定了其前6阶固有频率及振型，为分析加载器的振动特性提供了理论基础。
对加载器行星传动的内部激励进行了分析，研究了系统内部啮合刚度的时变性，推导了时变啮合刚度的计算公式。分析研究了系统的安装误差和制造误差产生的误差激励，确定了啮合副之间的误差激励函数，给出了误差激励的级数表达式，为确定动力学模型的内部激励奠定了基础。
在分析加载器行星传动系统啮合副弹性变形的基础上，推导了各啮合副在啮合线上的相对位移，使用动态子结构建模方法，建立了太阳轮、行星轮、行星架和齿圈的子结构动力学模型，利用相对位移条件联立，综合考虑了时变啮合综合刚度、轮齿啮合综合误差、轴承支承刚度等因素影响，建立了系统的平移—扭转耦合动力学模型，并给出了向量的表达式，在系统的运动微分方程基础上推导出了无阻尼自由振动运动微分方程，为分析系统的动态均载特性奠定了基础。
对加载器行星传动系统的运动微分方程采用Fourier级数求解方法，对加载器静态和动态均载特性进行了分析研究，推导了系统的静态和动态均载系数计算公式，分析了传动系统中齿轮的安装误差和制造误差对静态和动态均载特性的影响趋势。研究了啮合刚度、支承刚度对传动系统的静态和动态均载特性的影响。确定了影响传动系统静态和动态均载特性的主要因素，通过试验验证了均载特性理论分析的准确性，为提高加载器行星传动均载特性提供了理论基础。
设计了基于“环形天线”无线通信方式的加载器控制系统，采用分级控制思想，将控制系统设计成封装在转动轴内部的实时检测及加载和外部的控制台两个子系统，子系统中又划分了相应的功能模块，实现对加载器的控制和运行状况信息的检测和显示。
进行了加载器传动系统的稳定性实验，采用双面平衡法提高了加载器平衡品质等级，确定了理想加载区域。完成了加载器静态施载角检测实验，验证了加载器能实现任意施载角的变化。在加载器实验台上，进行了加载器的静态加载实验，验证了施载力矩的准确性。通过动态加载器实验，验证了加载器在不同转速下施载的准确性。
In recent years, with the rapid development of the shipbuilding industry, China's shipbuildingindustry has entered a rapid development stage, it has had the capabilities of the design on thebulk carriers,oil tankers, container ships ship's,in this context,the new high power marinereducer may be developed, with in-depth study on the marine reducer transmission technology.Adapted closed-test system usually is designed in order to assess the performance of the newhigh power marine reducer, it can simulate the conditions of the high-speed and heavyload.The research of the high-torque loading device is particularly important because it is themost important components of the closed-test system. The dissertation is the project of theChina Shipbuilding Industry Corporation,carry out applied research the high-torque loadingdevice, and develop a new series-in high-torque loading device, to provide technicalassurance of building the marine reducer closed-test system.
Paper reviews the development of domestic and international profile loading devicetechnology. On this paper, the focus of the experimental mechanical torque loading devicetechnology research and development status were analyzed.A new loading device technologywas proposed, based on the comparative analysis of the advantages and disadvantages.
With the in-depth analysis of the load characteristics of the closed-test system, andaccording to the technical specifications of the project, proposed the design of the loadingdevice drive transmission technology, build a three-dimensional model of transmission.Describes the loading process, and makes the finite element analysis of the key components,and the dynamic parameters, and anti-process self-locking, and energy consumption werestudied. Verify the design feasibility by the stability test.
According to the analysis of the planetary gear transmission internal excitation, study theinternal time-varying mesh stiffness, and derive the time-varying mesh stiffness formula.Analyze the incentives of the system incentives installation error and manufacturing error, anddetermine error excitation function of the gear mesh, and give the error excitation formula,and lay the foundation for determine the internal excitation forces.
Paper derive the meshing pair relative displacement in the meshing line based on theanalysis of planetary gear transmission elastic deformation, and establish the sun gear, planetary gear, planet carrier and ring gear sub-structural dynamics model by the dynamicsub-structural modeling method. Establish the translational-twist coupling dynamics model byusing of the relative displacement conditions, with considering the time-varying meshstiffness, integrated error of gear tooth contact, the bearing support stiffness and the otherfactors, and give the vector expressions. Derive the equations of the free vibration motion onthe basis of differential equations of motion, make the foundation for the analysis of thedynamic loading characteristics.
Calculate the system's static and dynamic loading coefficient by using Fourier solutionmethod, and analyze the influence trend of the gear manufacturing error and installation errorand the meshing stiffness and support stiffness on the static and dynamic loading coefficient.Determine the main characteristics, and provide the theoretical basis for improving uniformloading characteristics.
Design loading device control system based on the wireless communications by usingthe hierarchical control,and designe two subsystems of the real-time detection loading andexternal control panel. Each subsystem is divided into the corresponding function modules, tocontrol the loading device, detect and display the operational information.
Using two-sided balance method to improve the balance quality level loading device bythe experiment, and determine the ideal loading area. Verify the performance of the loadingdevice making any loading angle by the angle detection experiments.Verify the accuracy ofthe loading torque by static loading testing, and verify the accuracy of the loading torque onthe conditions of different speeds by dynamic loading testing.
引文
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