变速器测试试验台后驱0531.docx
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变速器测试试验台后驱0531.docx
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变速器测试试验台后驱0531
变速器测试试验台方案
文件状态:
[]初稿
[]正式发布
[√]正在修改
文件标识:
WHUT-SGMWGear-boxTestProposal
当前版本:
V3.5
作者:
田韶鹏
完成日期:
2011-05
审核:
1项目要求
1.1测试对象
适用测试对象:
FR手动变速箱,满足以下技术规格要求:
1.2试验项目
序号
试验项目
测试方法
参考标准
1
变速器性能试验
台架自动测试
2
变速器传动效率试验
台架自动测试
3
变速器温升试验
台架自动测试
4
变速器润滑试验
台架自动测试,人工检查
5
换挡齿轮齿端冲击磨损试验
台架自动测试,人工检查
6
静扭试验
台架自动测试,输出端固定
1.3主要测试参数
Ø变速箱输入转速、两输出转速;
Ø变速箱输入扭矩、两输出扭矩;
Ø被测变速箱油温;
Ø试验台运行台时及累积台时;
1.4精度要求
Ø扭矩:
控制精度±0.5%,测量精度±0.1%;
Ø转速:
控制精度±0.5%,测量精度±0.1%;
Ø油温:
控制精度±5℃,测量精度±0.5%(0-200℃);
Ø台时:
显示精度1S;
Ø转速差:
控制精度±1rpm;
2系统配置
2.1方案简述
该试验台为满足FR手动变速箱耐久试验的要求,采用三交流电机平行驱动的方式,驱动电机模拟发动机的动力输入,一台加载电机模拟负载的大小。
两台电机分别用SIEMENS矢量控制变频器驱动,可独立控制两台电机的转速和扭矩,采用SIEMENS技术成熟、应用广泛的共直流母线能量回馈电封闭驱动系统,使负载电机的发电能量经过直流母线回馈,效率高,节约能源,且对电网无污染。
驱动电机通过升速箱与被测FR变速箱的输入端连接,满足被测变速箱对输入轴功率、转速、扭矩的要求。
系统配置独立的润滑油冷却系统,调节被测变速箱的油温。
自动换档机构可实现被测变速箱的远程换档控制,满足自动试验工况的要求。
高精度的扭矩传感器可实现被测变速箱输入、输出扭矩的精确测量,满足效率试验等工况的要求。
驱动电机和加载电机自带的转速传感器可实现被测变速箱输入、输出转速的精度测量。
2.2测功系统
--驱动电机(内置编码器)
1
--负载电机(内置编码器)
1
--电机驱动柜
2
--扭矩传感器
2
--动力电缆(从变频柜到电机)
2
2.3自动化系统
--操作台
1
--UPS电源
1
--工控机
1
--数采系统
1
--过程传感器
1
--测试台操作软件
1
--自动换档机构
1
2.4机械系统
--电机底座
2
--变速箱底座及支架
1
--升速箱
1
--传动轴系
1
--保护罩
1
--扭矩传感器校准装置
1
2.5介质供给系统
--变速箱冷却系统(淋水式)
1
2.6基础环境要求
客户需要提供:
Ø电网:
3AC380V(-15%)~460V(+5%),容量≥200KVA;
Ø设备工作环境温度:
0-40℃,湿度<85%,没有凝露;
Ø冷却水:
0.1~0.3MPa,温度<30℃;
Ø压缩空气:
0.6MPa±10%;
Ø场地面积:
≥11米×12米;台架房:
8米×12米,控制室:
3米×12米
3测功系统
测功系统主要包括:
Ø驱动电机:
动力输入;
Ø负载电机:
负载模拟;
Ø共直流母线驱动系统:
驱动电机和负载电机的控制;
Ø扭矩传感器:
测量扭矩的大小;
3.1驱动电机
驱动电机采用西门子高性能交流变频电机,主要技术参数如下:
Ø电压等级:
3AC400V/50Hz
Ø额定功率:
120KW
Ø额定转速:
2090rpm
Ø额定扭矩:
458N.m
Ø最高转速:
6500rpm
Ø附件:
绕组温度保护、轴承再润滑单元、编码器、非驱动端绝缘轴承
供货范围(单个台架):
--驱动电机(内置编码器)
1台
3.2负载电机
负载电机采用西门子高性能交流变频电机,主要技术参数如下:
Ø电压等级:
3AC400V/50Hz
Ø额定功率:
265KW
Ø额定转速:
3100rpm
Ø额定扭矩:
2930N.m
Ø最高转速:
4500rpm
Ø附件:
绕组温度保护、轴承再润滑单元、编码器、非驱动端绝缘轴承
供货范围(单个台架):
--负载电机(内置编码器)
1台
3.3升速箱
驱动电机通过升速箱传动与被测变速箱的输入轴连接,从而满足被测变速箱输入转速、扭矩的要求。
升速箱的技术参数如下:
Ø驱动功率:
170KW;
Ø传动速比:
1:
1.5;
Ø高速端最高转速:
7000rpm;
Ø附件:
轴承温度监测PT100,分离式(或一体式)润滑油冷却装置,油温监控。
供货范围(单个台架):
--升速齿轮箱
1台
--分离式(或一体式)润滑油冷却装置
1套
3.4驱动柜
3.4.1系统综述
系统通讯采用目前工业系统使用最广泛的PROFIBUS(过程现场总线),以减少开发工程量和现场信号线的数量,节省投资,方便维修。
本系统主要采用的是DP协议,物理介质为工业双绞线,最高的传输速率是12MBit/S。
驱动系统使用在直流母线上进行功率平衡的电封闭方案,能量从较小的整流单元经直流母线流向驱动逆变单元,驱动电机带动齿轮箱;齿轮箱的能量由发电机经由发电逆变单元送回直流母线供驱动逆变单元使用。
从能量的角度,外界只需要供应以上循环中由于机械摩擦和电子元件损耗而变成热量的这部分功率就可以使系统运转,从而最优的实现:
(1)避免回馈能量引起的谐波;
(2)最大程度的利用能量;
(3)系统结构的简单从而带来控制和维护的便利;
(4)可以扩展反拖功能,即能量的流向根据需要由控制实现反转;
(5)在同等谐波的前提下降低成本(如上游变压器的容量下降);
(6)由于从电网提取功率极小,可以使用六脉动整流单元和普通变压器;
该方案包括以下部分:
Ø整流柜(制动单元可选);
Ø驱动逆变柜:
控制驱动电机的转速和扭矩;
Ø发电逆变柜:
分别控制两台负载电机的转速和扭矩,两者之间使用光纤SIMOLINK同步,从而保证转速差、扭矩差的精确控制;
Ø驱动逆变柜和发电逆变柜带有PROFIBUS通讯接口CBP2卡;
整流柜为直流母线供电,用于转变为电机的能量,可以用于多电机传动系统。
逆变柜采用西门子MASTERDRIVEVC变频装置,驱动逆变柜与驱动电机自带的转速传感器构成转速闭环调节系统,精确控制驱动电机的转速;两台发电逆变柜则分别与负载电机的转速传感器构成转速闭环调节系统,与扭矩传感器构成扭矩闭环调节系统,精确控制负载电机的转速、扭矩、转速差及扭矩差。
两台发电逆变柜
之间的转速同步和负载同步使用主从模式的SIMOLINK光纤通讯方式实现,简而言之,光纤SIMOLINK驱动接口是用来在传动系统间快速地交换数据的,并用共同的系统时钟周期来同步它们。
玻璃或塑料制作的光纤可用作传输线。
SLB电子板充当SIMOLINK系统变频器之间的接口,它既可作为SIMOLINK发报机也可作为SIMOLINK收发器进行操作。
西门子MASTERDRIVEVC变频柜(图片仅供参考)
3.4.2MASTERDRIVEVC变频柜介绍
工程型传动的最佳解决方案
SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制的变频柜是具有IGBT逆变器、全数字技术的有电压中间回路的变频器。
它同西门子三相交流电动机一起为所有工业领域和所有应用场合提供高性能、最经济的解决方案。
一种通用和模块式的标准系列装置
SIMOVERTMASTERDRIVES矢量控制系列变频器是全系列通用和模块化的产品:
Ø标准装置功率范围从0.55kW~2300kW。
Ø覆盖全球的三相交流电网电压,380V~690V。
采用磁场定向闭环控制(矢量控制)
用于高动态性能传动系统的频率控制(无编码器)、转速控制和转矩控制(带速度跟踪)。
磁场定向控制方式可以达到同直流传动系统相比美的动态性能。
它能做到准确地推断和调节转矩电流分量和磁通电流分量,其调节频率为2.5kHz。
利用这个矢量控制的方法,预先给定的转矩可以准确地维持和限定。
在调速范围1∶10以内,磁场定向闭环控制的矢量控制系统可以不用转速实际值发送器且同电动机参数无关。
SIMOVERTMASTERDRIVES-在任何环境下的电磁兼容
SIMOVERTMASTERDRIVES变频器遵循功率电子装置有关的EMC标准。
按照EMC规定进行安装使它们可用于工业系统和民用住宅。
适用于世界范围的设计
SIMOVERTMASTERDRIVES满足有关的国际标准和欧洲EN标准、IEC直到UL和CSA的规定。
质量-遵循DINISO9001
SIMOVERTMASTERDRIVES因制造所依据的质量标准非常之高而受到赞扬。
在所有生产各个方面,如开发、结构设计、制造、订货处理和SIMOVERTMASTERDRIVES的后勤供货中心等均分别通过DINISO9001认证。
PROFIBUSDP
PROFIBUSDP是当今适用于所有现场应用的西门子标准总线系统的传动系统。
PROFIBUSDP遵照欧洲标准EN50170,且能在MASTERDRIVES装置同上级系统,如SIMATICS7之间进行周期性数据交换。
除了过程控制数据外,PROFIBUSDP也能传输传动系统的参数设置和诊断信带有PROFIBUSDP的MotionControl的扩展功能(如传动系统间的直接通讯)受到CBP2板的支持。
与自动化系统的连接
SIMOVERTMASTERDRIVES很容易被连接到任何自动化系统,例如PLC或工业PC。
自动化系统按过程要求控制传动系统。
因而,控制数据和设定值周期性传送到传动系统上。
然后将状态信息和实际值回传给自动化系统。
甚至可以实现传动系统与过程相关的参数的调整(如方案改变的)。
现场总线系统承担信息的传送。
推荐选用PROFIBUSDP一种开放式的现场总线标准。
它符合标准EN50170而且受到很多自动化系统的支持。
3.4.3变频柜综合技术数据
3.4.4变频柜调节技术特性
3.4.5电机保护功能
变频柜根据运转情况会自动实施如下电机保护功能:
电机过流、过热保护,过压保护,欠压保护,超速保护,转矩超限保护,断电保护,电缆接地短路保护和空转等故障保护,急停后电机完全不带电。
3.4.6接口方式
MASTERDRIVEVC变频柜与控制系统的接口方式有三种:
Ø模拟量、数字量(标准方式)
ØPROFIBUS DP总线(需要另加选件)
ØCAN总线 (需要另加选件)
3.4.7基本技术参数
3.4.7.1整流回馈柜
Ø电压等级:
3AC380V(-15%)~460V(+5%);
Ø功率:
200KW;
3.4.7.2驱动逆变柜
Ø电压等级:
DC510V(-15%)~650V(+10%);
Ø功率:
200KW;
Ø输出电流:
AC370A;
Ø输出接口:
模拟量数字量、PROFIBUSDP;
3.4.7.3发电逆变柜
Ø电压等级:
DC510V(-15%)~650V(+10%);
Ø功率:
260KW;
Ø输出电流:
AC510A;
Ø输出接口:
模拟量数字量、PROFIBUSDP、光纤同步SIMOLINK;
供货范围(单个台架):
--驱动柜(1整流柜+2逆变柜)
1套
--从驱动柜至电机的动力电缆
1套
说明:
从客户配电柜至变频驱动柜的动力电缆由客户负责提供;
3.5扭矩测量传感器
采用HBM公司的T40系列扭矩传感器,与驱动电机和负载电机的输出轴端相连。
T40扭矩传感器是一种非接接触式的传感器、由转子和定子组成,转子随轴旋转,扭矩以脉冲频率信号经定子输出,结构新颖、小巧,动态响应高。
本试验台选用的扭矩传感器技术参数如下:
扭矩传感器一(输入轴):
Ø额定扭矩:
1000N.m
Ø额定转速:
12000r/min
Ø超载能力:
200%
Ø破坏载荷:
≥400%
Ø测量精度:
±0.1%
Ø输出方式:
频率60±30KHZ;电压输出:
±10V;
扭矩传感器二(输出轴):
Ø额定扭矩:
5000N.m
Ø额定转速:
8000r/min
Ø超载能力:
200%
Ø破坏载荷:
≥400%
Ø测量精度:
±0.1%
Ø输出方式:
频率60±30KHZ;电压输出:
±10V;
供货范围(单个台架):
--扭矩传感器1000N.m
1个
--扭矩传感器5000N.m
1个
--DP变送器模块
2个
--扭矩电缆
2根15m
4自动化系统
4.1系统描述
测控系统采用UPS电源供电。
测量及控制系统的网络图如下图所示:
4.2操作台
操作台的用途用于安装工控机及其他辅助设备;工控机中安装试验操作软件,为操作工提供良好的操作环境。
供货范围(单个台架):
--操作台
1套
4.3UPS电源
整个测量系统、控制系统的供电均来自UPS电源,技术指标包括:
Ø输出功率容量:
在线式、机架式1500W/2000VA;
Ø输出电压:
AC220V/50HZ;
Ø失真度:
<3%;
Ø输出波形:
正弦波;
Ø接口:
DB9RS232;
Ø输出连接:
IEC320C13;
Ø输入连接:
IEC-320C20;
供货范围(单个台架):
--UPS电源
1台
--RS232通讯电缆
1根
--电源线
1套
--用户手册
1本
4.4工控机
工控机用于运行试验台操作软件,其配置包括:
Ø配置:
P42.5G以上,250G,2GDRAM,100MB/10MBPCI网卡,19英寸彩色液晶显示器,键盘/鼠标,DVD光驱,
Ø预装WindowsXP操作系统;
Ø预装测试台操作软件;
Ø预置ProfibusDP通讯卡;
供货范围(单个台架):
--工控机(以上配置)
1台
4.5数据采集系统
数据采集接口盒的核心是一个防护等级为IP20的数据采集从站。
它可以与S7可编程控制器通讯。
最大数据传输率是12Mbit/s。
此装置用于将测试过程中的温度、大气压力、湿度等数据通过温度传感器、压力传感器、湿度传感器等外部传感器转换成供S7内部处理用的数字信号。
▪分辨率为9到15位加符号位(对不同变换时间),位数可调
▪可选择测量范围:
利用测量范围模块可以机械调整电流/电压测量范围的基本设置。
用PG上的STEP7硬件配置工具进行设定。
▪中断能力:
模块把诊断和超限中断发送到可编程控制器的CPU。
▪诊断:
模块给CPU发送大量诊断信息
信号采集箱通过以下设备与外部连接:
Ø模拟信号输入连接器;
Ø信号电缆;
Ø用于低压直流供电的供电电缆;
供货范围(单个台架):
--采集盒
1台
--模拟量采集模块4-20mA
16通道
--模拟量采集模块PT100
16通道
--模拟量采集模块热电偶
8通道
--通讯接口模块
1块
--电源模块
1块
4.6过程传感器
过程传感器主要为温度传感器等;
温度传感器
Ø型号:
PT100
Ø精度等级:
A级(-200~300℃内误差±0.75℃)
Ø四线制输出;
Ø测量范围:
-50℃~250℃
供货范围(单个台架):
--温度传感器PT100
3个
4.7操作软件
本试验台的操作软件适用于各种变速箱测试,包括后驱系统的测试。
包括:
Ø控制模式选择:
转速控制、扭矩控制;
Ø试验配置:
后驱;
Ø测试条件配置:
如变速箱冷却系统控制;
Ø测试流程配置:
如载荷谱编辑模块;
Ø设备保护配置:
各种测试参数的保护限幅设置;
Ø报警和故障处理:
根据报警等级设置响应报警和故障事件的处理;
Ø试验报表输出模块:
可按照客户定义的模板(Word或Excel)输出试验报表结果;
Ø通讯模块:
与变频器等外围设备的通讯连接;
此变速箱测试台的操作软件具有以下功能:
1).以实时数据或趋势曲线的形式显示试验台的参数(转速、扭矩、温度等),状态信息(运行指示、故障指示),具有手动转速、扭矩设定功能,可手动记录数据,保存数据,输出数据报表。
2).以直观简洁的界面显示当前驱动电机转速及扭矩,加载电机的转速及扭矩,被测变速箱的油温、档位等状态信息。
3).可随时设定转速、扭矩、油温、变速器安装基板振动量等试验参数的报警上限设置,按照报警分级处理设置对各种故障状态执行相应的处理程序。
变速箱试验台的报警处理分两级:
Alarm和Trip,其中Alarm表示报警,触发时在软件中作相应的显示(如黄色指示灯闪烁)和操作提示;Trip表示跳闸,触发时不仅在软件中作提示,而且启动外部声光报警,同时程序自动执行相应的故障处理程序,例如:
卸载、跳闸停机等。
举例说明如下:
转速、扭矩保护:
可分别设置它们的两个限幅(Alarm限幅和Trip限幅);
油温、振动量保护:
可分别设置温度、振动量的两个保护限幅(同上);
电机过载、过流、超速、缺相、过热、欠压等故障:
西门子变频器自动监测这些故障状态,根据报警或故障等级自动执行相应的处理程序—报警提示或自动跳闸停机,并将相应的故障代码信息(例如F011代表过流,F010代表直流母线过压,F008代表直流母线欠压,F020代表电机超温等)传输到上位操作系统显示,并启动相应的故障后处理程序:
软件提示或外部声光报警。
换档错误、掉档检测报警:
当出现换档错误或掉档时,加载电机将自动卸载,驱动电机自动减速,并在软件中作提示,显示声光报警。
如下图故障记录表。
4).具有开放的载荷谱编辑功能,按照一定的格式设置连续试验的负荷-时间曲线,从而在自动试验模式下,按照设定的试验程序自动完成全部试验循环。
手动试验可通过人工面板电位计手动控制。
停机记录数据的时间可设定,设定范围:
10S~1min,一般停止运转后20秒钟后自动停止记录数据。
5).监控台架系统的各个部件(电机、变频驱动器、关键低压开关、变速箱等)状态,以Binary码的格式显示。
可监测换档错误、掉档等状态信息。
6).控制模式
ASR(AutomaticSpeedRegulator):
速度自动调节;
ATR(AutomaticTorqueRegulator):
扭矩自动调节。
工作模式
M1
M2
M3
①
ATR
ASR
ASR
②
ASR
ATR
ATR
③
ATR
ASR
ASR
④
ASR
FREE
FREE
工作模式①、②中要求M2、M3同步运行;
工作模式③中M2、M3可保持一定速度差运转(进行差速试验)。
其中Free包括:
ASR、ATR、空转三种模式;
当进行动力总成测试时,可设定测功机、发动机的不同控制方式组合,以满足不同工况控制的需要。
组合控制方式
测功机控制方式
发动机油门控制方式
1
0
0(怠速工况)
2
n(恒转速)
α(恒油门位置)
3
n(恒转速)
Me(恒扭矩)
4
Me(恒扭矩)
N(恒转速)
5
Me(恒扭矩)
α(恒油门位置)
4.8自动换档机构
自动换档机构要根据不同的动力总成换挡方式进行设计,通常手动换挡机构为主变速档X、Y方向的操作和副变速操纵杆的操作。
如上图所示,X、Y方向各有三个停止位置,X方向左、中、右,只有在中位时可以进行Y方向的变换操作。
Y方向可以有前、中、后三个位置。
两组双向拨杆两端均安装有滑台以保证操作时无卡滞,两组拨杆分别由两个方向的双行程气缸控制,在两组气缸的每个位置,均安装有磁性开关,用以判断主变速杆当前位置。
在需要换下一挡位时,通过控制系统,首先X方向气缸让主操纵杆回到中位,然后选择Y位置,最后确定X方向位置,由PLC控制气缸操作。
在换档时,负载电机平滑卸载,驱动电机减速至10-50r/min,如果在设定时间内,应该到达位置磁性开关未发出到达信号,系统将控制换档手柄退回原位。
并再次执行换档操作,如果连续10次换档失败,系统发出“换挡失败”信号,并报警停机,提示检查。
换档失败的判断依据包括:
1.转速:
通过变速箱输入轴、输出轴转速判断档位是否正确;
2.位移:
通过气缸磁性开关检测换档手柄是否到位;
3.时间:
定时器,换档时间与正常换档所需要时间比较;
气缸选用SMC的CM2双行程单杆气缸,缸径DN20,气压0.4MPa时的理论出力为12.6kgf。
双行程气缸的定位精度可以在±1mm内,可以满足要求。
气路控制原理如下图所示,主要由二位五通电磁阀、单向节流阀、气源三联件组成。
通过调整气源件上的调压阀调整气路压力,以控制操作力大小<10kgf。
气路设计中包括自锁系统,保证工作时不发生误动作。
换档装置的其他功能:
(1)可在不取掉自动机构的条件下,手动操作换档手柄,完成手动换档动作;
(2)在换档成功后,可将施加于换档手柄上的换档力卸载,而换档手柄的位置仍然保持在当前位置;
供货范围(单个台架):
--自动换档机构
1套
4.9ProfiBUS通讯简介
整个系统采用ProfiBUS总线实现上位工控机、PLC、电机驱动系统之间的数据交换。
ProfiBUS是世界领先、应用广泛、功能强大的车间级和现场级总线,在全球超过个300,000个应用。
其具有以下特点:
Ø用一根串行的数字总线替代传统的并行24V信号和4...20mA模拟信号;
Ø通过一根双芯屏蔽电缆连接中央控制器和现场设备;
Ø同样适用于防爆环境和有安全要求的应用:
一个系统适合于不同的应用;
Ø数据和电源通过同一根电缆传输;
Ø对于所有的设备,只需要一个通用的组态和工程工具;
Ø连接不同厂商的设备;
Ø开放的、不依赖于厂商的现场总线,并符合IEC61158国际标准;
Ø快速的传输速率(9.6K-12Mbit/s);
Ø网络扩展能力强:
采用铜芯双绞线可达9.6km,光纤可达23km;
Ø可以连接126个主站和从站;
5机械系统
5.1系统描述
台架机械部分如图所示,由台架底座、两组输出部分(测功器、测功器底座、过渡支承、扭矩传感器、输出半轴)、输入部分(电机、底座、升速箱、扭矩传感器、被试件支架)、换档机构、被测件冷却装置组成。
1.1.台架底座为一铸铁大平板,保证台架试验时有足够的刚度。
台架底座上加工有井字形向T形槽,方便不同规格的动力总成安装调整,初定大底板尺寸7000×1800×250。
1.2.台架底座通过减震器安装在坚固的试验室地面上或专用台架基础上。
5.2电机底座
输入电机底座安装在台架底座上,输入电机、输入升速箱、扭矩传感器等安装在上面,该底座加工面有足够的加工精度,保证被试动力总成安装后的精度满足标书的精度要求。
输出加载通过交流电力测功器(交流电机)加载,电机固定在测功器底座上,底座上加工有纵向T形槽,对不同的动力总成,需调整电机位置时,通过电机底座上的丝杠进行调整。
5.3被测件底座
被试动力总成支架需根据被试件结构进行非标设计。
5.4传动轴
输出轴系统由与电机联接的膜片式弹性联轴器、过渡支承、扭矩传感器、过渡法兰及输出半轴组成,变速箱动力总成输出通过半轴与过渡法兰联接。
(输出半轴及法兰盘
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