小功率直流电机负载装置的设计与研究(3)

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摘要：如图5(b)所示，最小值发生在电机启动时，然后线性增大直到0.02 s时出现转折点。这是因为钢丝绳在初始时处于松弛状态，在电机启动后钢丝绳产生的弹性

如图5(b)所示，最小值发生在电机启动时，然后线性增大直到0.02 s时出现转折点。这是因为钢丝绳在初始时处于松弛状态，在电机启动后钢丝绳产生的弹性变形线性增大直到钢丝绳对重物的拉力与重物所受重力平衡，从而电机所受负载也同样线性增大。

从图5中可以看出，图像中周期性地出现锯齿状，这是由于齿轮的轮齿在啮合时存在接触碰撞从而影响到电机输出轴所受扭矩，至于为何在3.38 s时出现异常的最大值及为何锯齿的峰值存在差异还需进一步研究。

(a)电机输出轴所受扭矩(0～9.24 s)

(b)局部放大图(0～1.5 s)图5 电机输出轴所受扭矩仿真结果

再以钢丝绳为研究对象，其与重物的联接点的受力如图6所示。从图中可见，其受力从零线性增大到重物所受的重力值，然后基本上保持恒定，只出现了一个较大锯齿。钢丝绳受力从零增大到重物所受的重力值同样耗时0.02 s，从而验证了前文对电机输出轴所受扭矩从最小值线性增大到转折点的原因的论述。

齿轮幅中的主动轮和从动轮所受扭矩分别如图7(a)和7(b)所示。由图可见，图像中出现了周期性的锯齿状，这是由轮齿周期性地啮合所引起。

图6 钢丝绳与重物的联接点受力仿真结果(0～1.5 s)

(a)主动轮所受扭矩(0～9.24 s)

(b)从动轮所受扭矩(0～9.24 s)图7 齿轮幅所受扭矩

为了与ADAMS的仿真计算进行对比，取螺旋幅的摩擦因数为0，根据式(3)～式(7)计算出的扭矩值为2 222 N·mm，比ADAMS计算出的稳定值(图像中的水平段)约小478 N·mm。因为在仿真模型中给各部件赋了材料属性，考虑了各部件的质量和转动惯量等物理属性，同时考虑了钢丝绳的弹性变形、齿轮啮合的接触碰撞，所以如果不考虑螺旋幅的摩擦力，ADAM S仿真计算的结果比根据简化的理论公式计算的结果更接近工程实际情况。

5 结语

1)本研究提出的可自动换向的小功率直流电机负载装置结构简单、易于操作、制作成本较低，可为实际工程中小功率电机负载装置的设计提供参考。

2)改变电机的安装接口，根据计算选取相应的重物质量，该负载装置同样适用于其他小功率电机。

3)利用ADAMS对该负载装置进行了动力学仿真分析，并与理想化的理论计算进行对比，研究结果表明该负载装置施加给电机输出轴的负载并非恒定值，而是存在波动，符合工程实际情况。

4)在ADAMS中能否通过其他方法实现对螺旋幅摩擦力矩的有效仿真计算还有待进一步研究，如能实现，则可根据电机的额定输出扭矩值，利用ADAMS逆向求出重物质量。

[1] 韩雪涛，吴瑛，韩广兴.电工知识技能大全[M].北京：电子工业出版社，2020.

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佘江平(1983—)，男，湖南邵东人，本科，工程师，研究方向：城轨车辆的部件设计与维保。

0 引言中车株洲电力机车有限公司为马来西亚生产的SCS动车组从交付到现在已运营了9年，一些车门系统所用直流电机已出现故障，需要维修。在修复完电机后需要验证它是否可装车使用，有时仅对电机通电使它空转并不能说明它的状态良好，需要对它施加负载，并检测一些性能参数来判断其状态，因此考虑为电机检修设计一种负载装置。1 设计思路本文拟提出一种结构简单、操作方便、成本较低的电机负载装置，并对其进行动力学研究。设计思路来源于简单直观的力学模型：重物与绕过定滑轮的钢丝绳一端联接，电机通过适当的方式将钢丝绳另一端向上拉，此时重物即给电机提供负载。由于需要对电机正、反转时的状态均进行验证，要将这个力学模型转化成实际工程可用的负载装置要解决的问题是：如何使电机反转，如何在电机反转时给它提供同样大小的负载。解决方案是：采用合适的电气元件控制通过电机的电流，在重物上升到一定高度后自动换向，并且在电机正、反转时分别承受相同质量的不同重物施加的负载，这两个重物对电机的作用相互独立，即在一个重物作为负载被向上拉升时，另一重物不对电机产生作用力。电机循环反转，重物被拉升向上又回到初始位置以便再次作为负载，如此往复，因此考虑采用螺纹传动，电机驱动丝杆旋转，丝杆螺母沿着平行于丝杆的导轨带动滑块一起平移，而与重物相连的钢丝绳的另一端与滑块固定，在滑块平移到导轨端部时电机自动反转。在理论计算的过程中发现，如果丝杆直接与电机输出轴同轴线固定从而以相同转速旋转，需要的重物质量较大，因此采用了一对齿轮“放大”从重物传递到电机输出轴的扭矩，以减小所需重物的质量。2 系统组成根据以上设计思路对该负载装置进行设计。该负载装置由机械部分和电气部分组成，机械部分的主要作用是提供整个系统的支撑和传递负载，电气部分的主要作用是控制电机自动反转及提供需要的电磁?机械结构该负载装置的机械结构，如图1所示(电气部分的线缆和继电器等电气元件在图中略)。1—支架组成；2—重物；3—滑轮组成；4—电源模块；5—滑轮座组成(1)；6—导轨；7—丝杆；8—滑轮座组成(2)；9—齿轮；10—齿轮安装座；11—丝杆安装座；12—丝杆螺母；13—滑块组成(1)；14—滑块组成(2)；15—滑块组成(3)；16—钢丝绳；17—接近开关；18—电磁铁；19—电机；20—联轴器。图1电机负载装置示意图支架组成的主体部分采用焊接结构；大齿轮的轴与电机的输出轴通过联轴器联接，小齿轮安装在丝杆端部；左、右(下文出现的左、右均为面向图1朝里看)两个滑轮组成分别安装在滑轮座组成(1)和滑轮座组成(2)上，右端的滑轮组成的安装位置与左端的滑轮组成的安装位置沿垂向错开一定距离，从而使两根钢丝绳在工作台以上部分沿垂向也错开一定距离，防止左、右两边的钢丝绳发生干涉；丝杆螺纹的旋向采用右旋；导轨通过紧固件安装在支架组成的工作平台上；滑块组成(2)通过一块连接板与丝杆螺母固定从而一起水平移动；滑块组成(1)、(2)、(3)均由直线轴承和固定在其上的支架或连接板组成，左、右两端拉重物的钢丝绳分别与滑块组成(3)和滑块组成(1)的支架相连，并且两个连接点沿垂向错开一定距离；重物由不同厚度的金属板叠加而成，可根据需要增加或减少金属板的数量从而调整负载大小；在两端重物的正下方，各有一圈护栏连接在支架组成上，其作用是防止重物在重力作用下落到地面上后倾翻或偏离落地点距离远而在被起吊后影响负载的稳定性；在重物的落地点垫上一层软性材料以缓冲重物落地时对地面的冲击，同时也防止重物弹起或倾翻；选取合适的钢丝绳长度，以使重物在落到地面后钢丝绳还处于松弛状态，防止重物在下落过程中对相应的钢丝绳和滑块组成产生过大的冲击 电气原理及元件电气部分主要由电源模块、控制回路和主回路等组成，电气原理图，如图2所示[1-2]。图2 电气原理图两个NPN常开型接近开关(SQL、SQR)分别安装在导轨左、右两端，作用是在滑块组成(1)或滑块组成(2)运动到其感应范围内时通过相应的继电器自动改变电机的电流方向并使相应的电磁铁通电产生吸力；两块电磁铁(YAL、YAR)分别安装在左、右两个滑轮座组成上，作用是当滑块组成(1)或滑块组成(2)运动到接近开关的感应范围内时产生吸力将其吸住，从而使电机在反转后只受到另一端的负载作用，电磁铁断电后，被其吸住的滑块组成将在重物所受重力的作用下平移到导轨另一端；两个延时继电器(KT1、KT2)的作用是当接近开关感应到滑块组成运动到其感应范围内时延迟设定的时间再反向接通主回路，以防止电机受到损坏；各中间继电器起到控制电路通断的作用；电源模块提供所需直流电压，并集成了3个按钮开关；自锁按钮SB3为控制回路的总开关，常开按钮SB1和SB2能在滑块组成不在开关的感应范围内时切换电机的转向 系统功能描述面向电机输出轴端，假定电机转子沿逆时针方向旋转为正转。图3 电气元件动作顺序假设滑块组成(1)、(2)、(3)初始在图1所示位置，按钮SB3处于断开状态，按下自锁开关SB3，系统即按图3所示顺序运行。继电器KA1及其常开触点所在支路接通，电机正转，直至左端接近开关SQL感应到左移的滑块组成(1)，然后KA1及其常开触点所在支路断开，而转换为KA2及其常开触点所在支路接通，电机反转，该支路中各电气元件的动作顺序与前述支路中的相同，在图3中略，参照前述支路。如此循环，直至按下SB3，系统停止工作。当电机正转时，图中右端重物提供负载，力/力矩传递到电机输出轴的路径为：右端重物-绕过右端滑轮组成的钢丝绳-滑块组成(1)-滑块组成(2)-丝杆螺母-丝杆-小齿轮-大齿轮-联轴器→电机输出轴；当电机反转时，图中左端重物提供负载，力/力矩传递到电机输出轴的路径与前述路径相似。3 理论计算已知该电机的额定功率为93 W，输出端带行星齿轮系，行星齿轮系的传动比为21.25，转子的额定转速为3 300 r/min，电机(转子+定子)的机械效率为0.79，行星齿轮系的机械效率为0.81。假定电机以额定功率匀速转动，计算的目的是求出此时需要质量多大的重物作为负载。为简化计算，忽略所有轴承的摩擦力。以电机的输出轴为研究对象，它受到行星齿轮系传递给它的扭矩和联轴器传递给它的扭矩，因为它处于匀速转动状态，因此这两个扭矩值相等。行星齿轮系传递给它的扭矩的计算公式为：TN=9 550PNη1η2/n(1)式中，TN为行星齿轮系输出扭矩，N·m；PN为电机额定功率，kW；η1为电机(定子+转子)的机械效率；η2为行星齿轮系的机械效率；n为电机输出轴的转速，r/min。由于电机输出端通过行星齿轮系减速，因此：n=nN/i(2)式中，nN为电机转子额定转速，r/min；i为电机行星齿轮系的传动比。联轴器对电机输出轴的扭矩M等于丝杆所受的摩擦力矩与大、小齿轮的齿数比的乘积，即：M=Mt×u(3)式中，M为联轴器传递的扭矩，N·m；Mt为丝杆螺纹所受摩擦力矩，N·m；u为大、小齿轮传动比。其中[3]：(4)式中，d2为螺纹中径，m；F为螺旋传动的轴向载荷，N；λ为螺旋线升角，(°)；ρ′为当量摩擦角，(°)。根据物体受力平衡条件，易知：F=mg(5)式中，m为重物质量，kg；g为重力加速度，9.8 m/s2。(6)式中，S为丝杆导程，m。(7)式中，f为螺旋幅摩擦因数，取0.15；α为螺纹牙型角，为30°。根据TN=M及式(1)～(7)，得：(8)已知i、PN、η1、η2、f、nN、α，再选取合适的d2、S及u，易由式(8)得出电机以额定功率匀速转动时所需重物的质量。在根据式(8)计算时，因为有多个变量之间存在相互影响的关系，可充分利用Excel电子表格强大的数值计算功能，将已知量、待求量及其之间的函数关系式在Excel中列出来，再根据丝杆、齿轮等部件设计选定各个变量的值，在Excel中输入这些值，则待求值就会被自动计算出来。在本设计中，选定S=0.02 m，d2=0.024 m，大齿轮的齿数为35，小齿轮的齿数为17，计算得到重物的质量为34.6 kg。4 虚拟样机动力学仿真分析将在三维设计软件中建好的实体模型输出Parasolid格式文件，然后将其导入多体动力学仿真分析软件ADAMS中进行动力学仿真分析。为了简化模型，将紧固件及轴承等从模型中删除，并且只保留一端的负载。在ADAMS中有专门的齿轮和绳索模块用于计算分析，所以将模型中的齿轮、钢丝绳和滑轮也删除，并利用ADAMS的齿轮和绳索模块重新建立相应的模型。根据各部件之间的约束关系在ADAMS中创建固定、旋转、平移、螺旋等约束幅[4]，将螺旋幅的节距设置为丝杆导程，并添加电机转子相对于定子的旋转幅为驱动幅，驱动幅的角速度为电机输出轴的角速度。旋转幅、平移幅等约束幅有添加摩擦力并设置摩擦力参数的选项，而螺纹幅却无此选项，也无输入螺纹中径值的输入框，只需输入螺纹螺距(见图4)，所以不能有效仿真计算丝杆所受的摩擦力矩，但是仍可以将ADAMS仿真作为对该电机负载装置的动力学分析参考。能否通过其他间接方法有效地仿真计算螺旋幅的摩擦力矩有待进一步研究。图4 修改螺旋幅对话框创建距离传感器以使滑块组成(1)与左端电磁铁接触到时即停止仿真。进行仿真计算，在9.24s后传感器被触发，仿真停止，然后在后处理模块中查看计算结果。以电机输出轴与联轴器之间的固定幅为研究对象，电机输出轴所受扭矩如图5(a)所示，最小值为1 857 N·mm，最大值为1.396 3E+5 N·mm，图像中近似水平的曲线段的值约为2 700 N·mm。如图5(b)所示，最小值发生在电机启动时，然后线性增大直到0.02 s时出现转折点。这是因为钢丝绳在初始时处于松弛状态，在电机启动后钢丝绳产生的弹性变形线性增大直到钢丝绳对重物的拉力与重物所受重力平衡，从而电机所受负载也同样线性增大。从图5中可以看出，图像中周期性地出现锯齿状，这是由于齿轮的轮齿在啮合时存在接触碰撞从而影响到电机输出轴所受扭矩，至于为何在3.38 s时出现异常的最大值及为何锯齿的峰值存在差异还需进一步研究。(a)电机输出轴所受扭矩(0～9.24 s)(b)局部放大图(0～1.5 s)图5 电机输出轴所受扭矩仿真结果再以钢丝绳为研究对象，其与重物的联接点的受力如图6所示。从图中可见，其受力从零线性增大到重物所受的重力值，然后基本上保持恒定，只出现了一个较大锯齿。钢丝绳受力从零增大到重物所受的重力值同样耗时0.02 s，从而验证了前文对电机输出轴所受扭矩从最小值线性增大到转折点的原因的论述。齿轮幅中的主动轮和从动轮所受扭矩分别如图7(a)和7(b)所示。由图可见，图像中出现了周期性的锯齿状，这是由轮齿周期性地啮合所引起。图6 钢丝绳与重物的联接点受力仿真结果(0～1.5 s)(a)主动轮所受扭矩(0～9.24 s)(b)从动轮所受扭矩(0～9.24 s)图7 齿轮幅所受扭矩为了与ADAMS的仿真计算进行对比，取螺旋幅的摩擦因数为0，根据式(3)～式(7)计算出的扭矩值为2 222 N·mm，比ADAMS计算出的稳定值(图像中的水平段)约小478 N·mm。因为在仿真模型中给各部件赋了材料属性，考虑了各部件的质量和转动惯量等物理属性，同时考虑了钢丝绳的弹性变形、齿轮啮合的接触碰撞，所以如果不考虑螺旋幅的摩擦力，ADAM S仿真计算的结果比根据简化的理论公式计算的结果更接近工程实际情况。5 结语1)本研究提出的可自动换向的小功率直流电机负载装置结构简单、易于操作、制作成本较低，可为实际工程中小功率电机负载装置的设计提供参考。2)改变电机的安装接口，根据计算选取相应的重物质量，该负载装置同样适用于其他小功率电机。3)利用ADAMS对该负载装置进行了动力学仿真分析，并与理想化的理论计算进行对比，研究结果表明该负载装置施加给电机输出轴的负载并非恒定值，而是存在波动，符合工程实际情况。4)在ADAMS中能否通过其他方法实现对螺旋幅摩擦力矩的有效仿真计算还有待进一步研究，如能实现，则可根据电机的额定输出扭矩值，利用ADAMS逆向求出重物质量。参考文献：[1] 韩雪涛，吴瑛，韩广兴.电工知识技能大全[M].北京：电子工业出版社，2020.[2] 吕志刚，王鹏，饶少亮，等.EPLAN实战设计[M].北京：机械工业出版社，2018.[3] 成大先，王德夫，姬奎生，等.机械设计手册：第五版(第3卷)[M].北京：化学工业出版社，2008.[4] 陈峰华.ADAMS 2018虚拟样机技术从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2019.

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