技术分享 | 行星差动加载式机械封闭试验台的原理与应用案例简介

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概述

齿轮传动类试验台是研究齿轮及传动轴类综合性能的重要测试设备。通过台架试验来检验被试件设计、工艺、加工、装配的可行性与可靠性；同时也能为工程设计人员提供实践参考和真实试验数据，并可为后续的研发改进提供依据。根据被试件试验扭矩施加的方式，传动类试验台可分为开式功率流和封闭式功率流两类。

开式功率流试验台主要由动力装置、被试件及功率吸收装置三大部分组成，由于功率吸收或电阻装置最终以热能形式消耗，试验所流耗的功率为试验功率的105%以上，需配备庞大的设备，并产生巨大的能耗。

封闭式功率流试验台按功率封闭形式，有机械封闭式、液压封闭式和电封闭式三种。其中机械封闭式试验台根据不同扭矩加载方法，又可分为同步加载和差动加载两类。对于封闭传动链总传动比不严格等于1的回路，只能采用差动加载；差动加载目前使用的有行星齿轮差动加载和液压马达差动加载两种形式。机械封闭式试验台的功耗（消耗功率为试验功率的百分比）约为8～14%。

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加载原理

机械封闭式试验台由驱动装置、被试件、封闭传动装置及扭矩加载装置四部分组成，功率形成封闭循环流。驱动装置控制系统的转速，拖动传动系统的运转并补充系统内功率损失，试验所消耗的功率仅为补偿封闭链中摩擦、风阻、搅油和电损失等部分的功率损失。

试车台采用行星齿轮差动加载运转时，行星齿轮差动加载机构存在转速差Δn。系统封闭力矩由行星架输入，大小通过伺服电机进行调节，伺服电机又与扭矩/转速测量装置进行闭环控制。原理如图1所示。

图1 行星齿轮差动加载原理

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案例简介

某发动机主减速器试验台，需要对主减速器模拟加载试验，最大加载功率约8000kW，被试件输出端最大加载扭矩90000N·m。因行星差动式加载机械封闭试验台具有节能效率高、系统运转平稳、加载可靠等优点，而在此试验台设计时采用，并进一步通过严苛的试验过程验证了系统的优越性能。试验数据如下所示：

（1）试验台机械加载扭矩与加载功率的高精度与稳定性

图2 加载功率及输入轴转速曲线

通过扭矩反馈并采用高速的PID来进行闭环控制，可以将输入扭矩控制在很小的波动范围内。在额定工况下时，测试台加载功率波动范围在±0.45%以内，输入轴转速波动范围在±0.04%内。

（2）试验台运行的节能性与高效率

图3 驱动电机各工况下功率曲线图

在额定工况下时，测试台消耗功率最大，驱动电机消耗的功率约占额定功率的10%。

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总结

（1）可靠性

机械封闭式试验台是通过加载装置实现被试件的扭矩载荷的模拟加载，避免了超大功率的液压或电气驱动和负载系统，车台可靠性更高。

（2）经济性

液压封闭式和电封闭式需要容量与试验功率相当的大型驱动装置和负载装置（虽然能量可以回收，但动力和负载的容量必须与试验功率相当）；而机械封闭式试验台则不需要大型的驱动和负载装置。根据国内外试验台研制费用统计，三种封闭方式的试验台造价由低到高的顺序依次为机械封闭＜液压封闭＜电封闭。

（3）运行成本

运行成本低是机械封闭式最显著的特点，也是众多试验台采用机械封闭式的主要原因。按试验能耗比较，机械封闭式的能耗为电封闭式的30%～40%，为液压封闭式的25%～40%，这不但降低了运行成本，而且减小了能源消耗，符合节能环保的方针。

能科科技设计集成的某型发动机主减速器行星差动加载式机械封闭试验台，整机采用交流变频驱动、计算机控制及数据采集等技术，具有完善的测试、控制、显示、监视与保护功能。该技术已多次应用于能科科技承接的试验台项目中。