CN114370997B - 一种行星轮系内部动态分流测试方法 - Google Patents

一种行星轮系内部动态分流测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种行星轮系内部动态分流测试方法。所述行星轮系内部动态分流测试方法，包括以下步骤：S1，在太阳轮和齿圈齿根上设置应变片测点并在应变片测点处粘贴应变片；以及设置转速测点并在转速测点处安装测速反光带与测速探头；S2，开展试验，在外部基源时钟的记录下，获取应变片测点和转速测点分别采集的应变数据与转速数据；S3，输出轴时域激光脉冲和输入轴时域激光脉冲同步触发，建立应变数据与行星轮对应关系；S4，依照行星轮与应变数据对应关系，重新划分以行星轮为视角的应变数据；S5，根据以行星轮为视角的应变数据计算行星轮载荷功率动态分流。

Description

一种行星轮系内部动态分流测试方法
技术领域
本发明涉及机械传动领域领域，具体涉及一种行星轮系内部动态分流测试方法。
背景技术
行星轮系是机械传动领域的一种重要形式，由于其高功率、高效率、结构紧凑而在机械行业里得到广泛的应用。行星轮系的内部动态分流是指行星轮系运行过程的各行星轮载荷功率与传递功率的分流，具体表现为各行星轮与太阳轮和齿圈的动态啮合应变，是影响行星轮系寿命的重要因素。通过测试的手段，检测行星轮系运动过程中的内部动态分流，能够为行星轮系的设计、维护、检修提供充分的数据支持。
传统的行星轮系内部分流测试方法，没有考虑到试验测试的偶然性与误差性，具有以下缺点：
1)由于测试过程复杂繁琐，容易使太阳轮啮合应变对应行星轮映射关系、丢失，导致啮合应变不具有对应于行星轮的特异性，因此试验测试具有偶然性。
2)由于测试过程庞大、需要多方面合作，容易导致应变数据与转速数据无法对应，导致试验后数据处理存在一定的***误差。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在的内部分流测试未考虑试验测试的偶然性与误差性的不足，提供一种行星轮系内部动态分流测试方法，应变片和转速的测试同步触发，使得数据同步。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种行星轮系内部动态分流测试方法，包括以下步骤：
S1，在太阳轮和齿圈齿根上分别设置应变片测点并在应变片测点处粘贴应变片；在输出轴与输入轴设置转速测点并在转速测点处安装测速传感器；
S2，开展试验，在外部基源时钟的记录下，获取应变片测点和转速测点分别采集的应变数据与转速数据；其中输出轴与输入轴测速传感器转速检测同步触发后采集的应变数据与转速数据记作有效数据，根据有效数据建立应变数据与行星轮对应关系；
S3，依照行星轮与应变数据对应关系，重新划分各应变测点采集的应变数据，得到以行星轮为视角的应变数据；
S4，根据以行星轮为视角的应变数据计算行星轮载荷功率动态分流。
优选地，所述步骤S1中应变片测点数目与行星轮个数一致，每组应变片测点有两个应变片。
优选地，所述步骤S1中，测速传感器为测速反光带与测速探头，所述应变片包括太阳轮应变片和齿圈应变片，测速反光带包括输出轴测速反光带和输入轴测速反光带，测速探头包括输出轴测速探头和输入轴测速探头；测速反光带与行星轮轴心线平行，测速探头与齿圈应变片相对于输出轴与行星架直接相连；输出轴测速反光带与行星架上一行星轮相对应；输入轴与太阳轮直接相连，输入轴测速反光带与一太阳轮应变片相对应。
优选地，所述步骤S2中，输出轴与输入轴测速传感器检测获取的信号记作输出轴时域激光脉冲信号和输入轴时域激光脉冲信号，采用激光脉冲同步触发法使输出轴时域激光脉冲信号和输入轴时域激光脉冲信号同步触发，并根据同步触发后的应变数据与转速数据建立应变数据与行星轮的对应关系。
优选地，所述步骤S4中，行星轮为视角的应变数据包括行星轮相对于太阳轮的应变数据和行星轮相对于齿圈的应变数据。
优选地，所述步骤S5包括以下步骤：基于应变与啮合力的对应关系，根据行星轮相对于太阳轮的应变数据和行星轮相对于齿圈的应变数据得到太阳轮啮合力和齿圈啮合力；基于受力分析，根据太阳轮啮合力和齿圈啮合力计算行星轮对应的行星架作用力，然后基于公式转换根据行星架作用力计算行星轮传递功率动态分流。
优选地，所述步骤S1基于滑环转子与滑环定子直接配合关系采集太阳轮应变片测点的应变数据；滑环转子与滑环定子直接配合关系如下所示：
过渡法兰与输入法兰的输入端连接，输入轴连接盘的输出端与太阳轮输入轴连接，且输入轴连接盘的输出端套设于太阳轮输入轴外；所述输入轴连接盘输出端外依次套设滑环转子与滑环定子；滑环转子与输入轴连接盘的输出端花键连接；太阳轮转动时，所述滑环定子固定不动；传感器信号线的一端与太阳轮应变片连接，传感器信号线的另一端与滑环转子连接；传感器信号线通过输入轴连接盘轴心和过渡法兰的线槽实现走线设置。
优选地，步骤S2中所述采集的应变数据需根据转换矩阵进行预处理；
所述转换矩阵的计算包括以下步骤：
S21，针对已经固定的应变片进行标定测量，固定有应变片的齿轮设置为测试齿轮，与测试齿轮啮合用于加载载荷的齿轮设置为加载齿轮；标准啮合位置时，加载齿轮加载两个不相同载荷后采集应变片的应变，根据应变影响系数计算应变衡量标准值；
S22，选择除齿顶以外的啮合位置，加载不同载荷，采集应变片的应变；
S23，根据应变衡量标准值计算第一载荷Ff o与第一应变Fn o；再结合测试时采集的应变与测试时的载荷计算相对误差δf，δn，判断相对误差是否达到需求，若相对误差不符合需求，执行步骤S22；若相对误差符合需求，执行步骤S24；
S24，判断测试次数是否充足，测试次数不充足，执行步骤S22，测试次数充足，执行步骤S25；
S25，计算转换矩阵。
优选地，所述步骤S21中应变衡量标准值计算方法如下所示：
S1＝a11 oFn1+a12 oFf1
S2＝a21 oFn2+a22 oFf2
其中，第一次测试的载荷为Ff1，对应采集的应变为Fn1；第二次测试的载荷为Ff2，对应采集的应变为Fn2；a11 o、a12 o、a21 o和a22 o为应变影响系数；S1为第一次测试的应变衡量标准值，S2为第二次测试的应变衡量标准值。
优选地，步骤S23中Fn o、Ff o与相对误差计算方法如下所示：
其中，通过下列方法计算第一载荷Fn o与第一应变Ff o。
{Fo}＝{ao}-1{S}
其中，Fo＝[Fn o，Ff o]，ao——应变影响系数标准矩阵，S＝[Sf,Sn]，Sf与Sn为分别为Ff o与Fn o对应的衡量标准值。
相对误差计算方法如下所示：
Figure RE-GDA0003536183650000051
其中，Ff为测试时的载荷，Fn为采集的应变。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本专利通过设计太阳轮应变片测点布置与齿圈应变片测点布置同行星轮的对应关系，建立啮合应变与行星轮的映射关系；通过设计应变片、测速反光带与测速探头的相对关系，实现自动同步触发，为时域上应变数据和转速数据同步对应创造条件。
附图说明：
图1为本发明示例性实施例1的行星轮系内部动态分流测试方法的流程图；
图2为本发明示例性实施例1的四行星轮系应变片布置图；
图3为本发明示例性实施例1的应变测点与转速测点对应关系示意图；
图4为本发明示例性实施例1的激光脉冲同步触发法示意图；
图5为本发明示例性实施例1的以行星轮为视角的应变数据划分示意图；
图6为本发明示例性实施例1的行星轮受力分析示意图；
图7为本发明示例性实施例1的太阳轮应变测量安装示意图。
图8为本发明示例性实施例1的标准啮合位置示意图；即选定齿槽②对应的齿顶啮合位置作为标准啮合位置，加载齿轮加载两个不相同载荷后采集应变片的应变。
附图标记：1-行星轮轴心线、2-输入轴测速探头、3-输入轴测速反光带、4- 太阳轮应变片、5-输出轴测速反光带、6-输出轴测速探头、7-齿圈应变片、8-太阳轮、9-滑环转子、10-滑环定子、11-输入轴连接盘、12-传感器信号线、13-过渡法兰。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种行星轮系内部动态分流测试方法，包括以下步骤：
S1，在太阳轮和齿圈齿根上分别设置应变片测点并在应变片测点处粘贴应变片；在输出轴与输入轴设置转速测点并在转速测点处安装测速传感器；
S2，开展试验，在外部基源时钟的记录下，获取应变片测点和转速测点分别采集的应变数据与转速数据；其中输出轴与输入轴测速传感器转速检测同步触发后采集的应变数据与转速数据记作有效数据，根据有效数据建立应变数据与行星轮对应关系；
S3，依照行星轮与应变数据对应关系，重新划分各应变测点采集的应变数据，得到以行星轮为视角的应变数据；
S4，根据以行星轮为视角的应变数据计算行星轮载荷功率动态分流。
本实施例通过应变片测点、转速测点的相对关系，并采用同步触发，使得获取的太阳轮啮合应变与齿圈啮合应变与行星轮具有映射关系，实现时域上应变数据和转速数据同步对应。
示例性的，应变片测点数目与行星轮个数n一致，每组测点有两个应变片。由于应变片测点数目与行星轮个数n一致，因此可以通过太阳轮应变片测点布置与齿圈应变片测点布置同行星轮的对应关系，建立啮合应变与行星轮的映射关系。如图2所示，步骤S1以四行星轮系为例，在太阳轮和齿圈齿根上粘贴应变片，图2(a)所示为太阳轮应变片布置图，图2(b)所示为齿圈应变片布置图。本实施例设计太阳轮应变片测点布置与齿圈应变片测点布置同行星轮的对应关系，建立了啮合应变与行星轮的映射关系。
示例性的，步骤S1中，测速传感器为测速反光带与测速探头，按照如图3 所示的应变片测点与转速测点对应关系，安装应变片、测速反光带与测速探头。所述应变片包括太阳轮应变片4和齿圈应变片7，测速反光带包括输出轴测速反光带5和输入轴测速反光带3，测速探头包括输出轴测速探头6和输入轴测速探头2；测速反光带与行星轮轴心线1平行，测速探头与齿圈应变片相对于输出轴与行星架直接相连；输出轴测速反光带与行星架上一行星轮(记为行星轮a)相对应；输入轴与太阳轮直接相连，输入轴测速反光带与一太阳轮应变片(记为太阳轮应变片a)相对应。测速探头通过捕捉发出的激光脉冲信号遇到测速反光带后返回的信号，对转速进行测量，得到转速数据。本实施例通过设计应变片、测速反光带与测速探头的相对关系，实现自动同步触发，为时域上应变数据和转速数据同步对应创造条件。
示例性的，如图4所示，输出轴与输入轴测速传感器检测获取的信号记作输出轴时域激光脉冲信号和输入轴时域激光脉冲信号，采用激光脉冲同步触发法使输出轴时域激光脉冲信号和输入轴时域激光脉冲信号同步触发，并根据同步触发后的应变数据与转速数据建立应变数据与行星轮的对应关系。在本实施例中，一齿圈应变片(记为齿圈应变片a)设置于齿圈的正上方，当输出轴时域激光脉冲和输入轴时域激光脉冲同步触发(图中有效数据开始时刻)，代表行星轮a和太阳轮应变片a均在行星轮系正上方，结合行星架旋转方向，即可建立行星轮与应变数据、应变数据与转速数据的对应关系。本实施例也可将齿圈应变片a设置于其他位置，同步触发原理一致，当齿圈应变片a检测的应变信号与输出轴时域激光脉冲信号和输入轴时域激光脉冲信号上升沿时刻同步时，即实现同步触发，此时齿圈应变片a、行星轮a和太阳轮应变片a的位置具有对应关系，同步后的时刻的数据即为有效数据，即可根据有效数据建立应变数据与行星轮的对应关系。
示例性的，如图5所示，依照行星轮与应变数据对应关系，重新划分各应变测点采集的应变数据，得到以行星轮为视角的应变数据。应变片如果安装在行星轮上，由于行星轮的运动容易造成采集数据线绕线，因此应变片安装在太阳轮和齿圈齿根上。因为行星架和行星轮的自转和公转存在，在同一时刻，并不是所有应变片都能存在数据，也不是所有应变片采集的数据均为同一个行星轮的数据，因此需要将应变片采集的应变数据进行重新划分，得到行星轮为视角的应变数据。本实施例以四行星轮系为例，由于太阳轮和齿圈齿根上分别设置的应变片测点数目与行星轮个数一致，因此可以以图5所示的方式快速便捷的重新划分以行星轮为视角的应变数据。
示例性的，步骤S4以行星轮为视角的应变数据完成行星轮载荷功率动态分流；以行星轮为视角的应变数据包括行星轮相对于太阳轮的应变数据和行星轮相对于齿圈的应变数据；基于应变与啮合力的对应关系，根据行星轮相对于太阳轮的应变数据和行星轮相对于齿圈的应变数据得到太阳轮啮合力和齿圈啮合力；如图6所示，基于受力分析，根据太阳轮啮合力和齿圈啮合力计算行星轮对应的行星架作用力，然后基于公式转换根据行星架作用力计算行星轮传递功率动态分流。
示例性的，如图7所示，基于滑环转子与滑环定子直接配合关系采集太阳轮的应变数据；
过渡法兰13与输入法兰11的输入端连接，输入轴连接盘11的输出端与太阳轮8输入轴连接，且输入轴连接盘11的输出端套设于太阳轮8输入轴外；所述输入轴连接盘11输出端外依次套设滑环转子9与滑环定子10；滑环转子9与输入轴连接盘11的输出端花键连接；太阳轮转动时，所述滑环定子10固定不动；传感器信号线12的一端与太阳轮应变片连接，传感器信号线12的另一端与滑环转子9连接；传感器信号线12通过输入轴连接盘11轴心和过渡法兰13 的线槽实现走线设置。
因为太阳轮应变片测点随啮合过程进行运动，容易造成采集数据线绕线，因此本申请通过滑环转子与滑环定子直接配合关系测量活动的太阳轮上应变片测点的齿根啮合应变；传感器信号线整体随着太阳轮运动，并且通过滑环定子实现应变数据读取，即传感器信号线与太阳轮间保持静止，传感器的数据采集接收端也保持静止；因此解决了太阳轮随啮合过程运动时，传感器信号线绕线的问题。
本实施例滑环转子9的内径依据输入轴连接盘11的输出端外径进行设计；结合安装定位关系设计滑环转子9的外径；结合输入轴连接盘11的长度和定位关系设计滑环转子9的长度，结合滑环转子9的长度与内外径，利用花键国标设计流程设计滑环转子9与输入轴连接盘11的输出端的花键。通过滑环转子9 外径与行星轮系外圈内径选择滑环定子10的内外径，结合安装定位关系设计滑环定子10的长度，并结合信号连接的需求选择定子内圈的表面粗糙度。
示例性的，步骤S2中所述采集的应变数据需根据转换矩阵进行预处理；
所述转换矩阵的计算包括以下步骤：
S21，针对已经固定的应变片进行标定测量，固定有应变片的齿轮设置为测试齿轮，与测试齿轮啮合用于加载载荷的齿轮设置为加载齿轮；标准啮合位置时，加载齿轮加载两个不相同载荷后采集应变片的应变，根据应变影响系数计算应变衡量标准值；
其中，如图8所示，选定齿槽②对应的齿顶啮合位置作为标准啮合位置，加载齿轮加载两个不相同载荷后采集应变片的应变。
其中，应变衡量标准值计算方法如下所示：
S1＝a11 oFn1+a12 oFf1
S2＝a21 oFn2+a22 oFf2
其中，第一次测试的载荷为Ff1，对应采集的应变为Fn1；第二次测试的载荷为Ff2，对应采集的应变为Fn2；a11 o、a12 o、a21 o和a22 o为应变影响系数，S1为第一次测试的应变衡量标准值，S2为第二次测试的应变衡量标准值。
S22，选择除齿顶以外的啮合位置，加载不同载荷，采集应变片的应变；
S23，根据应变衡量标准值计算第一载荷Ff o与第一应变Fn o；再结合测试时采集的应变与测试时的载荷计算相对误差δf，δn，判断相对误差是否达到需求，若相对误差不符合需求，执行步骤S22；若相对误差符合需求，执行步骤S24；
其中，通过下列方法计算第一载荷Ff o与第一应变Fn o。
{Fo}＝{ao}-1{S}
其中，Fo＝[Fn o，Ff o]，ao——应变影响系数标准矩阵，S＝[Sf,Sn]，Sf与 Sn为分别为Ff o与Fn o对应的衡量标准值。
相对误差计算方法如下：
Figure RE-GDA0003536183650000111
其中，Ff为测试时的载荷，Fn为采集的应变。
S24，判断测试次数是否充足，测试次数不充足，执行步骤S22，测试次数充足，执行步骤S25；
S25，计算转换矩阵。
根据上述描述计算转换矩阵Fo＝[Fn o，Ff o]，然后用于对采集的应变进行预处理。本实施例通过相对误差控制和测试次数控制的迭代，调整应变影响系数，最后就通过应变影响系数来对采集的数据进行预处理。
本实施例通过通过应变标定的方法，针对已经固定的应变片进行标定测量，获取应变转换矩阵，根据转换矩阵对后续测量的应变进行预处理，以降低齿轮因轮齿制造误差和应变片安装误差导致的应变变化，是的应变的采集更准确，提高后续功率动态分流等分析统计的准确性。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种行星轮系内部动态分流测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，在太阳轮和齿圈齿根上分别设置应变片测点并在应变片测点处粘贴应变片；在输出轴与输入轴设置转速测点并在转速测点处安装测速传感器；
所述步骤S1基于滑环转子与滑环定子直接配合关系采集太阳轮应变片测点的应变数据；滑环转子与滑环定子直接配合关系如下所示：
过渡法兰与输入法兰的输入端连接，输入轴连接盘的输出端与太阳轮输入轴连接，且输入轴连接盘的输出端套设于太阳轮输入轴外；所述输入轴连接盘输出端外依次套设滑环转子与滑环定子；滑环转子与输入轴连接盘的输出端花键连接；太阳轮转动时，所述滑环定子固定不动；传感器信号线的一端与太阳轮应变片连接，传感器信号线的另一端与滑环转子连接；传感器信号线通过输入轴连接盘轴心和过渡法兰的线槽实现走线设置；
S2，开展试验，在外部基源时钟的记录下，获取应变片测点和转速测点分别采集的应变数据与转速数据；其中输出轴与输入轴测速传感器转速检测同步触发后采集的应变数据与转速数据记作有效数据，根据有效数据建立应变数据与行星轮对应关系；
步骤S2中所述采集的应变数据需根据转换矩阵进行预处理；
所述转换矩阵的计算包括以下步骤：
S21，针对已经固定的应变片进行标定测量，固定有应变片的齿轮设置为测试齿轮，与测试齿轮啮合用于加载载荷的齿轮设置为加载齿轮；标准啮合位置时，加载齿轮加载两个不相同载荷后采集应变片的应变，根据应变影响系数计算应变衡量标准值；
所述步骤S21中应变衡量标准值计算方法如下所示：
S1＝a11 oFn1+a12 oFf1
S2＝a21 oFn2+a22 oFf2
其中，第一次测试的载荷为Ff1，对应采集的应变为Fn1；第二次测试的载荷为Ff2，对应采集的应变为Fn2；a11 o、a12 o、a21 o和a22 o为应变影响系数；S1为第一次测试的应变衡量标准值，S2为第二次测试的应变衡量标准值；
S22，选择除齿顶以外的啮合位置，加载不同载荷，采集应变片的应变；
S23，根据应变衡量标准值计算第一载荷Ff o与第一应变Fn o；再结合测试时采集的应变与测试时的载荷计算相对误差δf，δn，判断相对误差是否达到需求，若相对误差不符合需求，执行步骤S22；若相对误差符合需求，执行步骤S24；
步骤S23中Fn o、Ff o与相对误差计算方法如下所示：
其中，通过下列方法计算第一载荷Ff o与第一应变Fn o；
{Fo}＝{ao}-1{S}
其中，Fo＝[Fn o，Ff o]，ao——应变影响系数标准矩阵，S＝[Sf,Sn]，Sf与Sn为分别为Ff o与Fn o对应的衡量标准值；
相对误差计算方法如下所示：
Figure FDA0004216868540000021
其中，Ff为测试时的载荷，Fn为采集的应变；
S24，判断测试次数是否充足，测试次数不充足，执行步骤S22，测试次数充足，执行步骤S25；
S25，计算转换矩阵；
S3，依照行星轮与应变数据对应关系，重新划分各应变测点采集的应变数据，得到以行星轮为视角的应变数据；
S4，根据以行星轮为视角的应变数据计算行星轮载荷功率动态分流；
所述步骤S4中，行星轮为视角的应变数据包括行星轮相对于太阳轮的应变数据和行星轮相对于齿圈的应变数据；
所述步骤S4包括以下步骤：基于应变与啮合力的对应关系，根据行星轮相对于太阳轮的应变数据和行星轮相对于齿圈的应变数据得到太阳轮啮合力和齿圈啮合力；基于受力分析，根据太阳轮啮合力和齿圈啮合力计算行星轮对应的行星架作用力，然后基于公式转换根据行星架作用力计算行星轮传递功率动态分流。
2.根据权利要求1所述的行星轮系内部动态分流测试方法，其特征在于，所述步骤S1中应变片测点数目与行星轮个数一致，每组应变片测点有两个应变片。
3.根据权利要求1所述的行星轮系内部动态分流测试方法，其特征在于，所述步骤S1中，测速传感器为测速反光带与测速探头，所述应变片包括太阳轮应变片和齿圈应变片，测速反光带包括输出轴测速反光带和输入轴测速反光带，测速探头包括输出轴测速探头和输入轴测速探头；测速反光带与行星轮轴心线平行，测速探头与齿圈应变片相对于输出轴与行星架直接相连；输出轴测速反光带与行星架上一行星轮相对应；输入轴与太阳轮直接相连，输入轴测速反光带与一太阳轮应变片相对应。
4.根据权利要求1所述的行星轮系内部动态分流测试方法，其特征在于，所述步骤S2中，输出轴与输入轴测速传感器检测获取的信号记作输出轴时域激光脉冲信号和输入轴时域激光脉冲信号，采用激光脉冲同步触发法使输出轴时域激光脉冲信号和输入轴时域激光脉冲信号同步触发，并根据同步触发后的应变数据与转速数据建立应变数据与行星轮的对应关系。
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