操松林，夏 添，文宏剛，董文平，2

（1.合肥通用機(jī)械研究院有限公司，合肥 230031；2.通用機(jī)械關(guān)鍵核心基礎(chǔ)創(chuàng)新中心（安徽）有限公司，合肥 230031）

0 引言

近年來(lái)，我國(guó)航空航天、艦船軍工等領(lǐng)域快速發(fā)展，成果頻出、成績(jī)斐然。設(shè)備小型化、輕量化、高可靠性是航空航天、艦船軍工等領(lǐng)域?qū)ε涮讬C(jī)電設(shè)備的一貫要求，也是其未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)［1-6］。外形尺寸小、占用面積小、重量輕等技術(shù)特性，對(duì)應(yīng)用于這些領(lǐng)域的機(jī)電設(shè)備來(lái)說(shuō)意義重大。

對(duì)離心泵、離心風(fēng)機(jī)、離心分離機(jī)、離心霧化器等旋轉(zhuǎn)機(jī)械來(lái)說(shuō)，提高轉(zhuǎn)速是實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化、輕量化的重要手段。在實(shí)現(xiàn)相同功能或達(dá)到同樣技術(shù)指標(biāo)的前提下，提高轉(zhuǎn)速，就意味著設(shè)備可以減小外形尺寸、降低重量、提高設(shè)備效率、從而獲得更高的功率密度［7-10］。故而針對(duì)高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備的相關(guān)研究一直是行業(yè)的研究熱點(diǎn)。MOHAMMAD等［11］通過有限元分析結(jié)合模態(tài)試驗(yàn)的方法，對(duì)高速工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)進(jìn)行了全動(dòng)力學(xué)分析，得到了轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)行為，對(duì)高速轉(zhuǎn)子的設(shè)計(jì)具有良好指導(dǎo)效果。ALI等［12］利用多目標(biāo)優(yōu)化方法對(duì)某一小型高速渦輪增壓器的轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，其結(jié)果表明：優(yōu)化軸承可顯著改善轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)行為，并有效延長(zhǎng)轉(zhuǎn)子-軸承系統(tǒng)的壽命。ANVAR等［13］通過開發(fā)一種特殊的模擬工作臺(tái)裝置用于研究高速離心風(fēng)機(jī)參數(shù)對(duì)其氣動(dòng)性能的影響，獲得了要求工況下的最佳參數(shù)取值。叢小青等［14］以某高速泵揚(yáng)程、效率及湍動(dòng)能為優(yōu)化目標(biāo)，利用單因素敏感性分析方法確定了優(yōu)化變量，優(yōu)化效果使得泵性能有較大提升。王彥偉等［15］研究了高速離心泵葉輪在啟動(dòng)過程中以及流體作用力下的動(dòng)態(tài)特性，采用單向流固耦合的方法獲取了離心泵啟動(dòng)過程中葉輪的動(dòng)態(tài)特性，其結(jié)果對(duì)改善泵的振動(dòng)特性具有明顯作用。戴樂樂等［16］以某小型高速離心風(fēng)機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)風(fēng)機(jī)在軌實(shí)際工況，得到不同含氧率下的氣動(dòng)噪聲分布情況，其研究結(jié)果為高速風(fēng)機(jī)的降噪設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。陳強(qiáng)等［17］通過數(shù)值分析與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，對(duì)比得出了帶分流葉片的葉輪和不帶分流葉片的葉輪對(duì)風(fēng)機(jī)氣動(dòng)性能的影響規(guī)律。

由上述成果可知，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于高速設(shè)備的研究大多集中在轉(zhuǎn)子的動(dòng)態(tài)特性或設(shè)備自身的性能變化方面，鮮有文獻(xiàn)就高速設(shè)備的驅(qū)動(dòng)方式進(jìn)行細(xì)化分析。在高速設(shè)備領(lǐng)域內(nèi)，常見的驅(qū)動(dòng)方式有3種：（1）通過高速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)設(shè)備，無(wú)需復(fù)雜的增速機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)型式簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是高速電機(jī)的轉(zhuǎn)速基本在17 500 r/min以內(nèi)，且相關(guān)技術(shù)并不成熟，不具備廣泛運(yùn)用的條件。（2）通過將齒輪增速機(jī)構(gòu)內(nèi)置在設(shè)備中，采用普通三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其適用范圍廣，技術(shù)相對(duì)成熟；缺點(diǎn)是內(nèi)增速式高速設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外形尺寸大，維護(hù)成本高，對(duì)于特殊場(chǎng)合適用率低。（3）采用外置增速機(jī)構(gòu)如齒輪增速箱直接對(duì)設(shè)備進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，該種驅(qū)動(dòng)方式簡(jiǎn)單，高速設(shè)備本體結(jié)構(gòu)尺寸小，能夠滿足不同型號(hào)的高速設(shè)備動(dòng)力供給；缺點(diǎn)是大范圍調(diào)速工況下的電機(jī)和增速箱匹配性差，需針對(duì)使用工況，特殊定制。

基于上述分析，本文以某高校高速設(shè)備驅(qū)動(dòng)項(xiàng)目為依托，詳細(xì)分析和介紹了外置增速箱型驅(qū)動(dòng)方案的設(shè)計(jì)難點(diǎn)及其應(yīng)對(duì)措施，以期對(duì)國(guó)產(chǎn)高速設(shè)備的發(fā)展起到積極促進(jìn)作用。

1 設(shè)計(jì)方案及實(shí)施對(duì)策

1.1 單級(jí)增速方案可行性分析

高速驅(qū)動(dòng)單元裝置要求被測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)速范圍為6 000～30 000 r/min，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍廣，且需要在整個(gè)轉(zhuǎn)速區(qū)間內(nèi)，其功率能滿足37 kW要求，故需要配套合適的電機(jī)及合理的增速方案才能保證高速狀態(tài)下的扭矩供給和低速狀態(tài)下的功率供給。軸功率計(jì)算公式：

式中，P為軸功率，kW；M為扭矩，N·m；n為轉(zhuǎn)速，r/min。

由式（1）可知，當(dāng)軸功率不變時(shí)，扭矩隨轉(zhuǎn)速呈負(fù)相關(guān)性。按照傳統(tǒng)高增速比設(shè)計(jì)方案即i=1：10，當(dāng)被測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)速為30 000 r/min、功率為37 kW時(shí)，電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，所需扭矩為117.8 N·m，考慮齒輪箱效率為85%，則電機(jī)功率45 kW即可滿足；但當(dāng)被測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)速為6 000 r/min、功率為37 kW時(shí)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為600 r/min，其需求扭矩為589 N·m，考慮常規(guī)兩極電機(jī)低速恒扭矩特性，185 kW電機(jī)才可滿足低速大扭矩要求?？紤]齒輪增速箱傳動(dòng)效率為85%，則對(duì)應(yīng)的電機(jī)功率至少為220 kW，故選擇單級(jí)高速比設(shè)計(jì)方案時(shí)，存在電機(jī)功率大、尺寸超限等問題。

若選擇低增速比設(shè)計(jì)方案，即i=1：6，當(dāng)被測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)速為30 000 r/min，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為5 000 r/min；當(dāng)被測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)速為6 000 r/min，此時(shí)對(duì)應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 000 r/min。采用兩極變頻電機(jī)時(shí)，存在電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍（變頻范圍）過寬，高效區(qū)使用范圍窄等缺點(diǎn)。

綜上所述，當(dāng)采取單級(jí)增速比方案時(shí)，過寬的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍會(huì)導(dǎo)致電機(jī)選型困難，方案適用性差。

1.2 多級(jí)增速方案的實(shí)施對(duì)策

為了降低電機(jī)額定功率需求，解決驅(qū)動(dòng)電機(jī)額定功率與被測(cè)設(shè)備功率的匹配問題，將被測(cè)設(shè)備的轉(zhuǎn)速區(qū)間拆分為6 000～15 000 r/min和15 000～30 000 r/min 2個(gè)區(qū)域范圍，各轉(zhuǎn)速區(qū)域范圍分別對(duì)應(yīng)不同的增速比，施行兩級(jí)增速比設(shè)計(jì)方案，見表1。

表1 齒輪箱增速比設(shè)計(jì)方案Tab.1 Design scheme for the gear ratio of the speed increaser

由表1可知，當(dāng)被測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)速為15 000～30 000 r/min、功率為37 kW時(shí)，選擇兩級(jí)增速模式，其增速比i=1：10.036，此時(shí)電機(jī)需求轉(zhuǎn)速為1 500～3 000 r/min，需求扭矩為235.2～118 N·m。當(dāng)被測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)速為6 000～15 000 r/min、功率為37 kW時(shí)，選擇單級(jí)增速模式，其增速比i=1：3.393，此時(shí)電機(jī)需求轉(zhuǎn)速為1 770～4 420 r/min，需求扭矩為200～80 N·m。故在整個(gè)轉(zhuǎn)速測(cè)試區(qū)間范圍內(nèi)，且被測(cè)設(shè)備功率為37 kW時(shí)，電機(jī)最高需求轉(zhuǎn)速為4 420 r/min，最大需求扭矩為235.2 N·m，最大需求功率為74 kW，考慮齒輪箱傳動(dòng)效率并預(yù)留一定的安全余量，選擇額定功率110 kW的電機(jī)則能完全滿足設(shè)計(jì)要求，相比單級(jí)增速比方案，極大降低了電機(jī)的功率和尺寸。

此外，在電機(jī)型式方面，設(shè)計(jì)時(shí)也需充分考量，傳統(tǒng)的兩極變頻電機(jī)只能降速使用，無(wú)法升速調(diào)節(jié)，不能滿足方案需求。經(jīng)調(diào)研分析，當(dāng)采用110 kW兩極主軸變頻伺服電機(jī)時(shí)，其性能參數(shù)可滿足方案需求，性能特性曲線如圖1所示。

圖1 電機(jī)性能特性曲線Fig.1 Motor performance characteristic curve

由圖1可知，110 kW主軸型伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速變化范圍為0～5 100 r/min，最大扭矩為357 N·m，其低速恒扭矩、高速恒功率特性良好適配于兩極增速比設(shè)計(jì)方案。

1.3 高速狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩測(cè)量對(duì)策

高速設(shè)備的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩測(cè)試方法是高速驅(qū)動(dòng)單元裝置設(shè)計(jì)的另一難點(diǎn)問題。采用傳統(tǒng)的軸接觸式轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速傳感器方法進(jìn)行測(cè)試時(shí)，如圖2所示，其安裝對(duì)中精度、動(dòng)平衡等級(jí)難以滿足30 000 r/min轉(zhuǎn)速需求，故只適用于15 000 r/min及其以下被測(cè)設(shè)備的測(cè)量。

圖2 軸伸式轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩測(cè)試方法原理示意Fig.2 Schematic diagram of the principle of shaft extension speed-torque testing method

基于上述原因，為了實(shí)現(xiàn)高轉(zhuǎn)速設(shè)備的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩測(cè)量，引入了新型扭矩測(cè)試設(shè)備—無(wú)軸承動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器，其主體為“工”字型法蘭結(jié)構(gòu)，如圖3所示，兩端的法蘭通過止口配合定位，便于安裝對(duì)中。同時(shí)配備的轉(zhuǎn)矩信號(hào)接收器和轉(zhuǎn)速接收器能夠?qū)崿F(xiàn)扭矩和轉(zhuǎn)速的測(cè)量，其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3 無(wú)軸承動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速傳感器主體Fig.3 Body of bearingless dynamic torque-speed sensor

圖4 無(wú)軸承動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速傳感器組成Fig.4 Composition of bearingless dynamic torque-speed sensor

無(wú)軸承動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器實(shí)際工作時(shí)，位于扭矩測(cè)量法蘭盤下方的轉(zhuǎn)矩信號(hào)接收器通過感知?jiǎng)恿斎攵朔ㄌm和動(dòng)力輸出端法蘭二者之間的相對(duì)形變，將位移信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)并輸出至數(shù)據(jù)采集器中，從而實(shí)現(xiàn)扭矩的測(cè)量；同時(shí)，配備的紅外轉(zhuǎn)速信號(hào)接收器發(fā)射的的紅外光源會(huì)通過法蘭刻度盤反射至接收器探頭處并產(chǎn)生脈沖信號(hào)，最終將脈沖信號(hào)輸出至數(shù)據(jù)采集器中，完成轉(zhuǎn)速的測(cè)量。

采用無(wú)軸承動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器進(jìn)行高速設(shè)備轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩測(cè)量時(shí)，具有測(cè)試精度高、便于安裝及適用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

1.4 被測(cè)設(shè)備安裝平臺(tái)的實(shí)施對(duì)策

被測(cè)設(shè)備的快速化、便捷化安裝也是高速驅(qū)動(dòng)單元亟待解決的問題，安裝平臺(tái)須滿足不同型號(hào)、規(guī)格尺寸的被測(cè)設(shè)備，具備多尺度中心高無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)的能力。本文提出了一種依靠單個(gè)液壓缸頂升的可調(diào)金屬安裝平臺(tái)設(shè)計(jì)方案，該方案能夠解決多規(guī)格型號(hào)下的設(shè)備安裝難題，主要組成如圖5所示。

液壓升降平臺(tái)工作時(shí)通過液壓油站內(nèi)的油泵為油缸提供壓力，并同時(shí)通過控制油站內(nèi)部的電磁換向閥啟閉，從而實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的上升和下降。為實(shí)現(xiàn)平臺(tái)高度快速、精準(zhǔn)化調(diào)節(jié)，升降速度分設(shè)快、慢兩擋，快速擋用于高度粗找，平臺(tái)運(yùn)行速度為100 mm/min；慢速擋用于精確對(duì)中，平臺(tái)運(yùn)行速度為5 mm/min。如此即可實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備中心高的精確調(diào)節(jié)。

平臺(tái)活動(dòng)臺(tái)面的升降通過4個(gè)導(dǎo)桿導(dǎo)向，保證升降過程的平穩(wěn)性、均勻性。平臺(tái)兩側(cè)設(shè)置鎖緊機(jī)構(gòu)，當(dāng)平臺(tái)調(diào)整合適后，通過鎖緊輪將平臺(tái)與底座鎖緊成一體，保證被測(cè)設(shè)備高速運(yùn)行時(shí)，平臺(tái)的穩(wěn)定。

1.5 方案實(shí)施

依據(jù)上述設(shè)計(jì)方案實(shí)施得到的高速驅(qū)動(dòng)單元裝置機(jī)械部分組成如圖6所示，采用集成式設(shè)計(jì)思路，整體結(jié)構(gòu)緊湊，系統(tǒng)簡(jiǎn)單明了，便于操作和使用。

圖6 高速驅(qū)動(dòng)單元總成示意Fig.6 Schematic diagram of high-speed drive unit assembly

2 方案實(shí)施效果及應(yīng)用前景

2.1 高速驅(qū)動(dòng)單元裝置運(yùn)行狀況分析

通過分析論證，有效解決了制約高速驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)的幾大難點(diǎn)問題，并形成了行之有效的實(shí)施對(duì)策，最終策劃了總體設(shè)計(jì)方案。依據(jù)方案建造、調(diào)試完成的高速驅(qū)動(dòng)單元裝置如圖7所示。

圖7 高速驅(qū)動(dòng)單元裝置Fig.7 High-speed drive unit

為了檢驗(yàn)高速驅(qū)動(dòng)單元裝置是否滿足實(shí)際運(yùn)行要求，按照GB/T 29531《泵的振動(dòng)測(cè)量與評(píng)價(jià)方法》，考核了30 000 r/min運(yùn)轉(zhuǎn)條件下的電機(jī)和增速箱機(jī)腳振動(dòng)速度，各測(cè)點(diǎn)位置如圖8所示，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。

圖8 設(shè)備機(jī)腳烈度測(cè)點(diǎn)Fig.8 Equipment foot intensity measurement point

圖9 高速驅(qū)動(dòng)單元裝置機(jī)腳振動(dòng)速度分析Fig.9 Analysis of vibration velocities for high-speed drive unit device foot

由圖9可知，高速驅(qū)動(dòng)單元裝置在30 000 r/min運(yùn)行狀態(tài)下，電機(jī)和增速箱的機(jī)腳振動(dòng)速度值變化趨勢(shì)基本一致，電機(jī)的機(jī)腳振動(dòng)速度值要高于增速箱，且二者在y方向上振動(dòng)值都相對(duì)較大，但其最大值均不超過2.8 mm/s，滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的二類動(dòng)設(shè)備振動(dòng)速度要求。

2.2 高速驅(qū)動(dòng)單元測(cè)試精度分析

為了考核高速驅(qū)動(dòng)單元裝置對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集精度，選擇扭矩測(cè)試項(xiàng)作為分析對(duì)象，不同扭矩工況下的測(cè)試結(jié)果偏離度如圖10所示。

圖10 扭矩測(cè)試偏離度分析Fig.10 Deviation analysis of torque testing

由圖10可知，高速驅(qū)動(dòng)單元裝置針對(duì)正反扭矩的測(cè)量最大偏離程度不超過0.02%，測(cè)試精度高，完全能夠滿足高速離心式泵、風(fēng)機(jī)等性能測(cè)試要求。

2.3 應(yīng)用前景

高速驅(qū)動(dòng)單元能夠?yàn)楦咿D(zhuǎn)速離心泵、離心風(fēng)機(jī)或其他高速運(yùn)動(dòng)部件提供動(dòng)力。同時(shí)配備的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)能夠完成對(duì)被測(cè)設(shè)備的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩、壓力、流量、壓力脈動(dòng)、振動(dòng)等信號(hào)的采集和處理。因此，高速驅(qū)動(dòng)單元能夠廣泛運(yùn)用于高速設(shè)備研究，對(duì)推動(dòng)我國(guó)高速化設(shè)備的發(fā)展具有積極作用。

3 結(jié)論

（1）本文通過詳細(xì)分析高速驅(qū)動(dòng)單元在實(shí)施過程中存在的難點(diǎn)，提出了行之有效的應(yīng)對(duì)措施，采用兩級(jí)增速的設(shè)計(jì)方案使得配套電機(jī)功率與傳統(tǒng)方案相比降低了50%，極好地解決了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)大的工況下電機(jī)與增速箱匹配問題。

（2）通過引入無(wú)軸承動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速傳感器，解決了傳統(tǒng)軸接觸式轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩傳感器不適用高速設(shè)備轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速測(cè)試的現(xiàn)狀，且扭矩的測(cè)試不確定度小于0.05%，測(cè)試精度高，為高速設(shè)備的相關(guān)測(cè)試方法提供了有益參考。

（3）建設(shè)完成的高速驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)行狀況良好，設(shè)備機(jī)腳振動(dòng)速度最大值不超過1.5 mm/s，設(shè)備運(yùn)行平穩(wěn)可靠，其測(cè)試精度高，能深度滿足不同行業(yè)在高速設(shè)備領(lǐng)域的研究需求，具有較高的實(shí)踐應(yīng)用價(jià)值。