旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，其是一種針對旋轉(zhuǎn)機械故障的驗證性實驗與診斷實驗教學的實驗室設(shè)備，包括滑移齒輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、三聯(lián)滑移齒輪機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)，以及由蝸輪蝸桿與內(nèi)嚙合不完全齒輪構(gòu)成的組合機構(gòu)；各個機構(gòu)相互獨立，可通過各機構(gòu)端部的齒輪與動力齒輪構(gòu)成齒輪副來獲得動力。本發(fā)明突出解決了實驗過程故障零部件更換過程困難、實驗功能單一不能滿足教學需求的問題，結(jié)合教學目的進行整體搭建，彌補了高校旋轉(zhuǎn)機械類故障實驗的空白。以現(xiàn)有的一些機械類實驗平臺的機械傳動和測試裝置的構(gòu)建為基礎(chǔ)，有利于提高新型旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺的可靠性，實用性，易用性，使實驗平臺具有良好的推廣價值。
【專利說明】旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于機電一體化實驗領(lǐng)域，具體涉及一種旋轉(zhuǎn)機械故障的檢測平臺。本發(fā) 明涉及一種旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前國內(nèi)外已有的旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺基本上應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和科研中，其成 本一般較高。而能夠應(yīng)用于教學的旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺都存在操作不便，使用功能局限 的問題。
[0003] 旋轉(zhuǎn)機械故障的分析是我國高校機械設(shè)計、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷等課程中的 重要內(nèi)容，并且旋轉(zhuǎn)機械故障的模擬實驗也是全國高校機械專業(yè)創(chuàng)新性實驗的一種。基于 教學的需要，我們設(shè)計了可針對旋轉(zhuǎn)機械典型故障問題進行演示和分析的綜合性實驗平 臺。其可模擬軸系典型故障、軸承典型故障、齒輪典型故障。
[0004] 但是，現(xiàn)有的課堂上老師要使用旋轉(zhuǎn)機械故障模擬實驗平臺普遍存在著以下幾 方面的問題：①需要頻繁地拆卸故障零件，費時費力，影響課程的正常進度；②相關(guān)資料表 明，這樣的使用方式很容易造成故障零件損壞，不能使用；③學生們動手操作時可能會因繁 瑣的過程而失去積極性；④實驗平臺上只設(shè)有單一類型的故障，學生不能較為全面地去了 解旋轉(zhuǎn)機械故障的特點。
[0005] 因此，為了實現(xiàn)以下三點的課堂教學目的：①老師方便地進行旋轉(zhuǎn)機械故障模擬 演示，讓學生對旋轉(zhuǎn)機械故障有一個直觀的感受；②學生可以使用實驗臺進行旋轉(zhuǎn)機械類 典型故障的驗證性實驗，通過實驗加深對相關(guān)原理的理解；③通過實驗平臺掌握常用的故 障診斷方法。我們擬設(shè)計出一款新型的旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是：提供一種旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，以便解決目前旋 轉(zhuǎn)機械故障檢測實驗平臺功能單一的問題。
[0007] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案：
[0008] 本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，其包括滑移齒輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、三聯(lián)滑移 齒輪機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)，以及由蝸輪蝸桿與內(nèi)嚙合不完全齒輪構(gòu)成的組合機構(gòu)；各個機構(gòu) 相互獨立，可通過各機構(gòu)端部的齒輪與動力齒輪構(gòu)成齒輪副來獲得動力。
[0009] 所述的滑移齒輪機構(gòu)，其通過滑移齒輪機構(gòu)使交流電機上的齒輪分別與三個故障 模擬模塊的輸入端齒輪嚙合，并為它們提供動力；所述三個故障模擬模塊分別是齒輪故障 模擬模塊、軸系故障模擬模塊、軸承故障模擬模塊。
[0010] 所述的槽輪機構(gòu)，其可以進行三種故障軸承與正常軸承的切換，模擬出三種類型 的軸承故障，這樣就可以避免故障軸承更換時的拆裝困難問題；軸承的典型故障有內(nèi)圈點 蝕、外圈點蝕、保持架損壞。
[0011] 所述的三聯(lián)滑移齒輪機構(gòu)，其包括一個正常齒輪、一個點蝕齒輪和一個齒面磨損 齒輪，通過撥叉控制三聯(lián)滑移齒輪移動可使該撥叉在三聯(lián)滑移齒輪軸上左右滑移，分別與 另一根軸上的正常齒輪、點蝕齒輪、齒面磨損齒輪嚙合。
[0012] 所述的三聯(lián)滑移齒輪機構(gòu)，其通過三種齒輪工況的模擬來避免齒輪的頻繁拆卸， 所述三種齒輪工況分別是：一對正常齒輪嚙合、一對點蝕齒輪嚙合、一對齒面磨損齒輪嚙 合。
[0013] 所述的由蝸輪蝸桿與內(nèi)嚙合不完全齒輪構(gòu)成的組合機構(gòu)，以及絲杠螺母機構(gòu)，來 模擬軸系典型故障，以此避免了零件的拆裝工作；所述典型故障包括角度不對中、動靜不平 衡。
[0014] 所述的絲杠螺母機構(gòu)，其結(jié)合螺栓螺母這一小部件實現(xiàn)了靜不平衡的模擬，調(diào)節(jié) 圓盤安裝孔上螺栓螺母的滑動，從而改變軸上旋轉(zhuǎn)圓盤平衡質(zhì)量來模擬轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心； 并且，使用兩個旋轉(zhuǎn)圓盤模擬它們之間距離不同的動不平衡，通過絲桿螺母機構(gòu)調(diào)節(jié)兩旋 轉(zhuǎn)圓盤之間的距離，模擬多種間距下的動不平衡。
[0015] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下的主要優(yōu)點：
[0016] 通過滑移齒輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)分別實現(xiàn)了多種故障齒輪、多種故障軸承之間的切 換，避免了它們的拆裝所帶來的不便；
[0017] 利用蝸輪蝸桿與內(nèi)嚙合不完全齒輪的組合機構(gòu)實現(xiàn)了角度不對中的故障模擬，同 時巧妙結(jié)合蝸輪蝸桿反向自鎖特性維持了角度不對中的狀態(tài)不變。
[0018] 使用虛擬儀器軟件的方式來得到實驗數(shù)據(jù)結(jié)果，不僅實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)可視化，還降 低了成本，增強了檢測的功能。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖2是圖1中動力模塊。
[0021] 圖3是圖1中的軸系故障模擬模塊的示意圖。
[0022] 圖4是圖1中的軸承故障模擬模塊的示意圖。
[0023] 圖5是圖4左視圖。
[0024] 圖6是圖1中的齒輪故障模擬模塊的示意圖。
[0025] 圖7是本發(fā)明用于檢測旋轉(zhuǎn)機械故障的示意圖。
[0026] 圖8是本發(fā)明用于檢測旋轉(zhuǎn)機械故障的流程圖。
[0027] 圖9是本發(fā)明用于檢測旋轉(zhuǎn)機械故障的檢測原理流程圖。
[0028] 圖10是常見故障對應(yīng)頻譜示意圖。
[0029] 圖中：1.動力模塊；I. 1交流電動機；1. 2滑移齒輪機構(gòu)；2.軸系故障模擬模塊； 2. 1減速器；2. 2調(diào)節(jié)螺釘；2. 3轉(zhuǎn)動圓盤；2. 4蝸輪蝸桿；2. 5內(nèi)嚙合不完全齒輪；2. 6絲 杠螺母機構(gòu)；3.軸承故障模擬模塊；3. 1正常軸承；3. 2-3. 4三個故障軸承；3. 5槽輪機構(gòu)； 4.齒輪故障模擬模塊；4. 1減速器；4. 2三聯(lián)滑移齒輪機構(gòu)；4. 3正常齒輪；4. 4點蝕齒輪； 4. 5齒面磨損齒輪；4. 6磁粉制動器。

【具體實施方式】
[0030] 下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0031] 本發(fā)明提供的旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，其結(jié)構(gòu)如圖1至圖6所示，包括滑移齒輪機 構(gòu)1. 2、蝸輪蝸桿2. 4與內(nèi)嚙合不完全齒輪2. 5的組合機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)2. 6、槽輪機構(gòu) 3. 5和三聯(lián)滑移齒輪機構(gòu)4. 2等。上述各個機構(gòu)相互獨立，可通過各模塊端部的齒輪與動力 模塊上的滑移齒輪機構(gòu)1. 2構(gòu)成的齒輪副來獲得動力。
[0032] 所述滑移齒輪機構(gòu)1. 2,其通過動力模塊1上的滑移齒輪分別與三個故障模擬模 塊的輸入端齒輪嚙合，使交流電動機I. 1為它們提供動力；并通過各故障模擬模塊前的減 速器，例如軸系故障模擬模塊中的減速器2. 1，降低轉(zhuǎn)速、傳遞動力、增大轉(zhuǎn)矩。所述三個故 障模擬模塊分別是軸系故障模擬模塊2、軸承故障模擬模塊3、齒輪故障模擬模塊4。
[0033] 所述蝸輪蝸桿2. 4與內(nèi)嚙合不完全齒輪2. 5的組合機構(gòu)，其軸系的典型故障有：角 度不對中、動靜不平衡。本發(fā)明利用蝸輪蝸桿2. 4與內(nèi)嚙合不完全齒輪2. 5的組合機構(gòu)來 模擬角度不對中故障，這樣就不需要使用銷與螺栓螺母來定位，避免了這些定位的零件拆 裝工作。手動使蝸桿轉(zhuǎn)動，帶動蝸輪轉(zhuǎn)動。與蝸輪同軸的小齒輪轉(zhuǎn)動，在內(nèi)嚙合不完全齒輪 機構(gòu)的作用下，整個從動軸部分與主動軸形成了角度不對中。同時利用了蝸輪蝸桿的反向 自鎖特性，可實現(xiàn)從動軸部分在故障模擬與檢測時維持角度不對中狀態(tài)，保持固定。
[0034] 所述絲杠螺母機構(gòu)2. 6,其結(jié)合調(diào)節(jié)螺釘2. 2這一小部件實現(xiàn)了靜不平衡的模擬， 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動圓盤2. 3安裝孔上調(diào)節(jié)螺釘2. 2的滑動，從而改變軸上轉(zhuǎn)動圓盤2. 3平衡質(zhì)量來 模擬轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心（靜不平衡）；并且，可以使用兩個轉(zhuǎn)動圓盤2. 3模擬它們之間距離不 同的動不平衡，通過絲桿螺母機構(gòu)2. 6調(diào)節(jié)兩旋轉(zhuǎn)圓盤之間的距離，模擬多種間距下的動 不平衡。
[0035] 所述槽輪機構(gòu)3. 5,其可以進行三種故障軸承軸承3. 2-3. 4與正常軸承3. 1的切 換，模擬出三種類型的軸承故障，這樣就可以避免故障軸承更換時的拆裝困難問題；軸承的 典型故障有內(nèi)圈點蝕、外圈點蝕、保持架損壞。
[0036] 所述三聯(lián)滑移齒輪機構(gòu)4. 2,其可以實現(xiàn)三種齒輪工況的模擬，這樣就可以避免齒 輪的頻繁拆卸；其通過減速器4. 1降低傳入齒輪故障模擬模塊的轉(zhuǎn)速并增大轉(zhuǎn)矩；其通過 磁粉制動器4. 6進行傳動機械的測功加載和制動。所述三種齒輪工況是指：工況1為一對 正常齒輪嚙合；工況2為一對點蝕齒輪嚙合；工況3為一對齒面磨損齒輪嚙合。該三聯(lián)滑移 齒輪機構(gòu)4. 2包括一個正常齒輪、一個點蝕齒輪和一個齒面磨損齒輪,通過撥叉控制三聯(lián) 滑移齒輪移動可使其在軸上左右滑移，分別與另一根軸上的正常齒輪4. 3、點蝕齒輪4. 4、 齒面磨損齒輪4. 5嚙合。
[0037] 本發(fā)明提供的上述旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，其在旋轉(zhuǎn)機械典型故障問題進行演示 和分析中的應(yīng)用。所述旋轉(zhuǎn)機械典型故障類型主要分3種：齒輪故障、軸系故障、軸承故障。 [0038] 所述齒輪故障中常見典型故障有：齒輪點蝕和齒面磨損。
[0039] 所述軸系故障中常見典型故障有：動靜不平衡和角度不對中；
[0040] 所述軸承故障中常見典型故障有：內(nèi)環(huán)點蝕、外環(huán)點蝕、保持架損壞和軸承座松 動。
[0041] 使用本發(fā)明設(shè)計的這一款新型旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，老師可以在實驗課上實現(xiàn) 這些故障類型的模擬演示，學生們可通過觸摸、聽聲、在電腦顯示界面觀察傳感器測得數(shù)據(jù) 等各種方式建立起旋轉(zhuǎn)機械某一故障發(fā)生對旋轉(zhuǎn)機械系統(tǒng)影響的直觀認識和通過正?，F(xiàn) 象與故障存在時現(xiàn)象的對比更加能夠認識清各種故障的危害程度和特點，并可以進行旋轉(zhuǎn) 機械故障的驗證性實驗與故障的診斷實驗。
[0042] 本發(fā)明可以采用檢測模塊及配套的檢測方式實現(xiàn)上述功能。
[0043] 一 .檢測模塊
[0044] 將旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺分成三種類型故障的檢測模塊，所以，需要分別為它們 提供動力，其方案是：通過滑移齒輪機構(gòu)1. 2實現(xiàn)滑移齒輪與三個故障檢測模塊動力輸入 端處的齒輪嚙合，可分別為它們提供動力。
[0045] 1 ?齒輪故障模擬模塊：
[0046] 采用三聯(lián)滑移齒輪機構(gòu)4. 2,三聯(lián)滑移齒輪的三個齒輪分別是正常齒輪、點蝕齒 輪、齒面磨損齒輪?？梢杂盟謩e與正常齒輪4. 3、點蝕齒輪4. 4、齒面磨損齒輪4. 5嚙合， 即可模擬一對正常齒輪、一對點蝕齒輪、一對齒面磨損齒輪這三種工況。
[0047] 2.軸系故障模擬模塊：
[0048] 動靜不平衡的模擬方式是：依靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動圓盤2. 3轉(zhuǎn)子上調(diào)節(jié)螺釘2. 2在其孔槽 上滑動，模擬靜不平衡；依靠兩個上述的轉(zhuǎn)動圓盤和絲杠螺母機構(gòu)2. 6,模擬兩圓盤轉(zhuǎn)子在 不同距離下的動不平衡情況。角度不對中的模擬方式則是：通過蝸輪蝸桿2. 4與內(nèi)嚙合不 完全齒輪2. 5的組合機構(gòu)帶動萬向聯(lián)軸節(jié)右側(cè)部分以萬向聯(lián)軸節(jié)中心所在位置為圓心，從 而從動軸與主動軸形成角度不對中，同時蝸輪蝸桿2. 4的反向自鎖特性可保證在故障模擬 時維持角度不對中的狀態(tài)不變。
[0049] 3?軸承故障模擬模塊：
[0050] 故障的模擬方式是：利用槽輪機構(gòu)3. 5實現(xiàn)正常軸承3. 1與三個故障軸承 3. 2-3. 4的切換。軸承座松動的模擬即可采用松動螺栓的方式實現(xiàn)。
[0051] 二?檢測方式
[0052] 1 ?檢測原理：
[0053] 如圖8所示，本發(fā)明搭建圖8上所述的檢測模塊。它由壓電式加速度傳感器、三極 管放大電路、數(shù)據(jù)采集卡、虛擬儀器軟件組成。首先可由壓電式加速度傳感器分別在各個故 障模擬模塊相應(yīng)檢測部位獲取振動信號，經(jīng)由三極管放大電路將傳感器獲取的高阻抗的電 荷信號轉(zhuǎn)為低阻抗的電壓信號，再可使用數(shù)據(jù)采集卡將模擬量信號轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量信號，送 入用Iabview軟件編寫的虛擬儀器軟件分析處理。
[0054] 2?檢測方式的設(shè)計：
[0055] 如圖8所示，依靠壓電式加速度傳感器獲取振動信號，經(jīng)由三極管放大電路將高 阻抗電荷信號轉(zhuǎn)為低阻抗電壓信號，再經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡進行模擬量與數(shù)字量的轉(zhuǎn)化，即可 送入電腦設(shè)備中用Iabview編好的虛擬儀器軟件處理分析，觀察實驗現(xiàn)象。
[0056] 3--檢測方式流程：
[0057] 如圖9所示，包括旋轉(zhuǎn)機械典型故障的驗證性實驗功能和旋轉(zhuǎn)機械故障的診斷功 能。
[0058] (1)旋轉(zhuǎn)機械典型故障的驗證性實驗功能：
[0059] 通過切換機構(gòu)與檢測模塊，可以觀察最終在電腦虛擬儀器軟件中顯示的數(shù)據(jù)進行 有關(guān)于各類故障結(jié)論的驗證性實驗。
[0060] (2)旋轉(zhuǎn)機械故障的診斷功能：
[0061] 學習掌握常見故障診斷的方法來診斷發(fā)生的故障的類型、部位等。如可觀察振動 的頻譜圖來進行故障類型的判定。
[0062] 虛擬儀器檢測方式的設(shè)計有利于降低實驗平臺成本，提高經(jīng)濟性，并使功能更加 齊全。學生可自帶筆記本設(shè)備或由學校提供的電腦設(shè)備即可在實驗平臺上進行旋轉(zhuǎn)機械典 型故障的模擬，進行相關(guān)的驗證性實驗與診斷實驗。較為全面地通過實驗去認識旋轉(zhuǎn)機械 故障，輔助原理知識的學習。
[0063] 表1驗證性實驗內(nèi)容表
[0064]

【權(quán)利要求】
1. 一種旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，其特征在于包括滑移齒輪機構(gòu)、槽輪機構(gòu)、三聯(lián)滑移齒 輪機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)，以及由蝸輪蝸桿與內(nèi)嚙合不完全齒輪構(gòu)成的組合機構(gòu)；各個機構(gòu)相 互獨立，可通過各機構(gòu)端部的齒輪與動力齒輪構(gòu)成齒輪副來獲得動力。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，其特征在于所述滑移齒輪機構(gòu)，其 通過滑移齒輪機構(gòu)使交流電機上的齒輪分別與三個故障模擬模塊的輸入端齒輪嚙合，并為 它們提供動力；所述三個故障模擬模塊分別是齒輪故障模擬模塊、軸系故障模擬模塊、軸承 故障模擬模塊。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，其特征在于所述槽輪機構(gòu)，其通過 三種故障軸承與正常軸承的切換，模擬出三種類型的軸承故障，這樣就可以避免故障軸承 更換時的拆裝困難問題；軸承的典型故障有內(nèi)圈點蝕、外圈點蝕、保持架損壞。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，其特征在于所述三聯(lián)滑移齒輪機 構(gòu)，包括一個正常齒輪、一個點蝕齒輪和一個齒面磨損齒輪，通過撥叉控制三聯(lián)滑移齒輪移 動可使該撥叉在三聯(lián)滑移齒輪軸上左右滑移，分別與另一根軸上的正常齒輪、點蝕齒輪、齒 面磨損齒輪嚙合。
5. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，其特征在于所述三聯(lián)滑移齒輪機 構(gòu)，其通過三種齒輪工況的模擬來避免齒輪的頻繁拆卸，所述三種齒輪工況分別是：一對正 常齒輪哨合、一對點蝕齒輪哨合、一對齒面磨損齒輪哨合。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，其特征在于所述由蝸輪蝸桿與內(nèi)嚙 合不完全齒輪構(gòu)成的組合機構(gòu)，以及絲杠螺母機構(gòu)，來模擬軸系典型故障，以此避免了零件 的拆裝工作；所述典型故障包括角度不對中、動靜不平衡。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的旋轉(zhuǎn)機械故障模擬平臺，其特征在于所述絲杠螺母機構(gòu)，其 結(jié)合螺栓螺母這一小部件實現(xiàn)了靜不平衡的模擬，調(diào)節(jié)圓盤安裝孔上螺栓螺母的滑動，從 而改變軸上旋轉(zhuǎn)圓盤平衡質(zhì)量來模擬轉(zhuǎn)子的質(zhì)量偏心；并且，使用兩個旋轉(zhuǎn)圓盤模擬它們 之間距離不同的動不平衡，通過絲桿螺母機構(gòu)調(diào)節(jié)兩旋轉(zhuǎn)圓盤之間的距離，模擬多種間距 下的動不平衡。
【文檔編號】G09B25/02GK104318851SQ201410627748
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】黃繼雄, 丁甜田, 張俊杰, 郭宏, 樊盛 申請人:武漢理工大學