電機可靠性試驗臺設(shè)計

PAGE7/NUMPAGES7電機可靠性試驗臺設(shè)計電機可靠性試驗臺設(shè)計

TheDesignoftheMotorReliabilityTest-bed

Abstract：ItmainlycontrolsthedynamometerforbrushlessDCmotorno-load,load,lockedrotortest.Sensorsandrelatedinstrumentationtodisplaythecurveofthemotorspeed,torque,powerandotherrelevantparameterstoanalyzethereliabilityofthemotor.

Keywords:BrushlessDCMotor，Reliability，Test-bed

目錄

第一章緒論(4)

1.1選題的目的和現(xiàn)實意義(4)

1.2國內(nèi)外關(guān)于可靠性的基本研究情況(5)

1.2.1國內(nèi)外有關(guān)可靠性標(biāo)準(zhǔn)概況(5)

1.3可靠性的相關(guān)理論(7)

1.3.1可靠性的基本概念(7)

1.3.2可靠性的要素(7)

第二章電機可靠性試驗臺的整體方案設(shè)計(8)

2.1電機可靠性試驗臺的工作原理(8)

2.1.1無刷直流電機加速壽命試驗的概念(8)

2.1.2加速壽命試驗的類型(8)

2.1.3電機可靠試驗臺的工作原理(9)

2.1.4電機可靠性試驗臺的基本功能(9)

2.2電機可靠性試驗臺整體方案(10)

2.2.1電機可靠性試驗臺的三種方案(10)

2.2.2電機可靠性試驗臺的最終選用(12)

2.3本章小結(jié)(12)

第三章電機可靠性試驗臺關(guān)鍵零部件的設(shè)計與計算(13)

3.1無刷直流電機的選擇(13)

3.1.1無刷直流電機的概念(13)

3.1.2直流無刷電機的選型：(13)

3.2測功機的選擇(15)

3.2.1測功機的分類(15)

3.2.2測功機型號的選擇(15)

3.3扭矩傳感器的選擇(18)

3.4本章小結(jié)(19)

第四章其他零部件的設(shè)計與計算(20)

4.1聯(lián)軸器的選型(20)

4.2鍵的選型(22)

4.2.1鍵的選擇(22)

4.3螺栓、螺母與墊片的選型(23)

4.4螺旋升降機的選型(23)

4.5電機可靠性試驗臺大平板桌的設(shè)計(24)

4.6扭矩傳感器輔助支撐設(shè)計(25)

4.7無刷直流電機的垂直擋板的設(shè)計(25)

4.8無刷直流電機過渡底板的設(shè)計(26)

4.9升降機架的設(shè)計(27)

4.10本章小結(jié)(27)

致謝(29)

第一章緒論

1.1選題的目的和現(xiàn)實意義

可靠性工程(ReliabilityEngineering)是一門涉及面十分廣泛的且新興的綜合性工程學(xué)科?？煽啃怨こ淌菫榱吮ＷC產(chǎn)品在設(shè)計、生產(chǎn)及使用過程中達到人們預(yù)定的可靠性指標(biāo)，應(yīng)該采取的技術(shù)及組織管理的措施。這是介于管理科學(xué)和技術(shù)之間的一門邊緣學(xué)科，可靠性作為一門工程學(xué)科，它有自己的體系、技術(shù)和方法。

可靠性問題的提出最初是在軍工領(lǐng)域時期，其后逐步形成完整的工程技術(shù)體系，并逐步應(yīng)用到民用產(chǎn)品中來。四十年代普遍被認(rèn)為是可靠性的萌芽時期。五十年代是可靠性逐漸興起和形成年代，為了解決軍用電子設(shè)備和復(fù)雜導(dǎo)彈系統(tǒng)的可靠性問題,美國國防部成立了一個由軍方、學(xué)術(shù)界和工業(yè)部門組成的電子設(shè)備可靠性咨詢組織（AGREE）。AGREE組織在《軍用電子設(shè)備可靠性》研究報告中提出了可靠性設(shè)計試驗、綜合管理的程序及方法,最終確定了美國可靠性工程的發(fā)展方向和目標(biāo),成為了可靠性發(fā)展的奠基文件,標(biāo)志著可靠性已經(jīng)成為一門獨立的學(xué)科,為可靠性工程發(fā)展邁出了一大步。

六十年代是可靠性工程全面發(fā)展的重要階段。AGREE組織提出的一整套可靠性設(shè)計、管理及試驗方法被美國國防部及國家航空航天局所接受，在新研制的裝備中得到了廣泛應(yīng)用并高速發(fā)展，形成了一整套較完善的可靠性設(shè)計、管理及試驗標(biāo)準(zhǔn)。七十年代是可靠性工程的成熟階段。在這一階段建立了一個集中統(tǒng)一的可靠性管理機構(gòu)，用來負責(zé)組織、協(xié)調(diào)國防部范圍內(nèi)的可靠性標(biāo)準(zhǔn)、政策、手冊以及重大的研究課題，制定了一整套比較較完善的方法與程序，同時加強了國防部與工業(yè)部門的交流合作。在這一階段主要強調(diào)的是可靠性工程的整體保證，加強元器件的控制，強調(diào)設(shè)計階段的熱設(shè)計和元器件降額使用，強調(diào)環(huán)境應(yīng)力篩選及綜合可靠性試驗。

從八十年代開始，可靠性一直向更深、廣的方向下發(fā)展。在技術(shù)上深入開展機械可靠性、軟件可靠性、微電子器件可靠性和光電器件可靠性的研究，全面推廣計算機輔助設(shè)計技術(shù)在可靠性領(lǐng)域中的應(yīng)用，采用模塊化、綜合化和可靠性高新技術(shù)來提高設(shè)計對象的可靠性，可靠性在世界上得以普遍應(yīng)用和發(fā)展。

到了九十年代，可靠性朝著綜合化、系統(tǒng)化、自動化和智能化的方向發(fā)展。綜合化是指統(tǒng)一的功能綜合設(shè)計，用以提高系統(tǒng)的信息整合利用和資源共享能力；系統(tǒng)化是指研究對象要能構(gòu)成一個有機體系，發(fā)揮單個對象不能發(fā)揮的整體機能；自動化是指設(shè)計對象具有功能的一定自動執(zhí)行能力，可提高產(chǎn)品在使用過程中的可靠性；智能化將計算技術(shù)引入，采用例如人工智能等先進技術(shù)，提高產(chǎn)品系統(tǒng)的可靠性和維修性。

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，可靠性在電子工業(yè)的發(fā)展中扮演著十分重要的角色。

首先是電子產(chǎn)品的復(fù)雜程度在不斷增加。人們最早使用的礦石收音機是非常簡單的，隨之先后出現(xiàn)了各種類型的收音機、錄音機、錄放相機、通訊機、雷達、制導(dǎo)系統(tǒng)、電子計算機以及宇航控制設(shè)備，復(fù)雜程度不斷地增長。電子設(shè)備復(fù)雜程度的顯著標(biāo)志是所需元器件數(shù)量的多少。而電子設(shè)備的可靠性決定于所用元器件的可靠性，因為電子設(shè)備中的任何一個元器件、任何一個焊點發(fā)生故障都將導(dǎo)致系統(tǒng)發(fā)生故障。一般說來，電子設(shè)備所用的元器件數(shù)量越多，其可靠性問題就越嚴(yán)重，為保證設(shè)備或系統(tǒng)能可靠地工作，對元器件可靠性的要求就非常高、非?？量獭?/p>

其次，電子設(shè)備的使用環(huán)境日益嚴(yán)酷，現(xiàn)已從實驗室到野外，從熱帶到寒帶，從陸地到深海，從高空到宇宙空間，經(jīng)受著不同的環(huán)境條件，除溫度、濕度影響外，海水、鹽霧、沖擊、振動、宇宙粒子、各種輻射等對電子元器件的影響，導(dǎo)致產(chǎn)品失效的可能性增大。

第三，電子設(shè)備的裝置密度不斷增加。從第一代電子管產(chǎn)品進入第二代晶體管，現(xiàn)已從小、中規(guī)模集成電路進入到大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，電子產(chǎn)品正朝小型化、微型化方向發(fā)展，其結(jié)果導(dǎo)致裝置密度的不斷增加，從而使內(nèi)部溫升增高，散熱條件惡化。而電子元器件將隨環(huán)境溫度的增高，降低其可靠性，因而元器件的可靠性引起人們的極大重視。

電機作為驅(qū)動控制元件，廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，一臺設(shè)備往往需要幾十臺、甚至數(shù)百臺的驅(qū)動電機和控制微電機，特別是微電機的用量更大。一旦電機發(fā)生故障，將導(dǎo)致設(shè)備、系統(tǒng)故障，在工業(yè)領(lǐng)域?qū)⒃斐删薮蠼?jīng)濟損失。因此，電機可靠性問題已經(jīng)成為現(xiàn)代技術(shù)領(lǐng)域的重大課題而引起國內(nèi)外的重視。

1.2國內(nèi)外關(guān)于可靠性的基本研究情況

電機是典型的機電一體化產(chǎn)品，它不但包括其它電機所具有的部件t如定子繞組、軸承等，而且還包括電子線路（控制器）。因此，它的可靠性研究內(nèi)容與其它電機既有區(qū)別，又有聯(lián)系。結(jié)合直流電機的特點，了解和吸收國內(nèi)外在電力系統(tǒng)和電子產(chǎn)品的可靠性方面取得的研究成果，有助于推進電機可靠性研究工作的進程。

1.2.1國內(nèi)外有關(guān)可靠性標(biāo)準(zhǔn)概況

標(biāo)準(zhǔn)化作為一種現(xiàn)代化管理的手段，已成為衡量一個國家科學(xué)管理、技術(shù)發(fā)展水平的尺度，它已廣泛地滲透到管理、經(jīng)濟、科學(xué)和工程技術(shù)的各個領(lǐng)域?？煽啃怨こ碳夹g(shù)和管理水平的發(fā)展自然也離不開“標(biāo)準(zhǔn)化”這一重要手段。在發(fā)達國家，尤其是美國，隨著可靠性工程和管理的發(fā)展，已經(jīng)逐步總結(jié)并建立了一整套有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)對提高產(chǎn)品性能，降低壽命周期費用起了重要作用。利用標(biāo)準(zhǔn)化方法，使可靠性工程領(lǐng)域的成功經(jīng)驗得到有效的總結(jié)和廣泛利用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對可靠性提出了更高的要

求，新的要求促使可靠性工程技術(shù)進一步發(fā)展，已經(jīng)制定的標(biāo)準(zhǔn)就需要不斷的修改、補充和完善，以適應(yīng)這種發(fā)展。

目前國際上影響較大，應(yīng)用范圍較廣的可靠性標(biāo)準(zhǔn)主要是美軍MIL標(biāo)準(zhǔn)系列和國際電工委員會發(fā)布的IEC櫟準(zhǔn)系列。MIL標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)系十分密切，許多IEC標(biāo)準(zhǔn)是在MIL標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上制定的。

(1)美國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)概況

美國是制定可靠性標(biāo)準(zhǔn)最早的國家，從50年代后期開始頒發(fā)有關(guān)可靠性標(biāo)準(zhǔn)，到60年代，美國的可靠性工程就開始進入了全面發(fā)展階段，這個階段也是美軍可靠性標(biāo)準(zhǔn)大量發(fā)布的時期。MIL-STD-785《系統(tǒng)與設(shè)備的可靠性大綱要求》、MIL-STD-781《可靠性試驗、指數(shù)分布》、MIL-HDBK-217《電子設(shè)備可靠性預(yù)計》等許多重要標(biāo)準(zhǔn)，都是在這個時期先后發(fā)布的。70年代后，隨著美國可靠性工程的深入發(fā)展，這些標(biāo)準(zhǔn)得到了進一步的修改和完善，并又頒發(fā)了許多新的標(biāo)準(zhǔn)。

由于美國軍用標(biāo)準(zhǔn)制定的比較早，也比較完整，因此，在美國國內(nèi)，不只軍用產(chǎn)品采用軍事標(biāo)準(zhǔn)，許多民用產(chǎn)品也使用美軍標(biāo)。在國際上，尤其是在軍事領(lǐng)域，一般也參考或執(zhí)行美軍標(biāo)；

(2)其他國家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的概況

除了MIL和IEC標(biāo)準(zhǔn)以外，原蘇聯(lián)的可靠性國家標(biāo)準(zhǔn)也有比較完整的體系，列出了rOCT27.001-81《工程中的可靠性》標(biāo)準(zhǔn)體系給出的分組情況。列出了其中部分標(biāo)準(zhǔn)項目的名稱。

英國的主要可靠性標(biāo)準(zhǔn)是BS5760《系統(tǒng)、設(shè)備和元件的可靠性》，標(biāo)準(zhǔn)主要由三部分組成：可靠性計劃管理指南、可靠性評定指南、可靠性實踐指南。

在日本，全國性的有關(guān)可靠性的標(biāo)準(zhǔn)較少，應(yīng)用的比較廣泛的有：日本工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JIS28115-1981《可靠性術(shù)語及定義》。產(chǎn)品的可靠性是企業(yè)競爭的主要目標(biāo)之一，因此日本的企業(yè)界有完整的標(biāo)準(zhǔn)體系用來保證產(chǎn)品的可靠性。

(3)我國有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的概況

我國的可靠性國家標(biāo)準(zhǔn)基本等同采用IEC標(biāo)準(zhǔn)，我國的軍用可靠性標(biāo)準(zhǔn)大多數(shù)是參照MIL標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合我國武器裝備的實際情況制定的。我國對可靠性研究起步較晚,20世紀(jì)80年代才得到較快的發(fā)展,機械行業(yè)相繼成立了可靠性研究的相關(guān)協(xié)會,各有關(guān)院所和高校也開展了機械產(chǎn)品的可靠性研究,制定了一批可靠性標(biāo)準(zhǔn),取得了較大的成果。但總的來看,理論研究多,實際運用少,與西方發(fā)達國家相比差距不小,有些成果尚不能完整地、成熟地應(yīng)用在不同的機械系統(tǒng)中。

1.3可靠性的相關(guān)理論

1.3.1可靠性的基本概念

可靠性的經(jīng)典定義：產(chǎn)品在規(guī)定條件下和規(guī)定時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。這個定義包含五個要素：

(1)可靠性的研究對象——產(chǎn)品：指作為單獨研究和分別試驗對象的任何元件、設(shè)備或系統(tǒng)，可以是零件、部件，也可以是由它們裝配而成的機器，或由許多機器組成的機組和成套設(shè)備，甚至還把人的作用也包括在內(nèi)。在具體使用“產(chǎn)品”這一詞時，其確切含義應(yīng)加以說明。例如汽車板簧、汽車發(fā)動機、汽車整車等。

(2)規(guī)定的條件：包括環(huán)境條件、維修條件、使用條件等。規(guī)定的條件不同，產(chǎn)品的可靠性也不同。

(3)規(guī)定時間：是可靠性區(qū)別于產(chǎn)品其他質(zhì)量屬性的重要特征，一般也可認(rèn)為可靠性是產(chǎn)品功能在時間上的穩(wěn)定程度。因此以數(shù)學(xué)形式表示的可靠性各特征量都是時間的函數(shù)。這里的時間概念不限于一般的年、月、日、分、秒，也可以是與時間成比例的次數(shù)、距離。例如應(yīng)力循環(huán)次數(shù)、汽車行駛里程。

(4)規(guī)定功能：道德要明確具體產(chǎn)品的功能是什么，怎樣才算是完成規(guī)定功能。產(chǎn)品喪失規(guī)定功能稱為失效，對可修復(fù)產(chǎn)品通常也稱為故障。怎樣才算是失效或故障，有時很容易判定，但更多情況則很難判定。

(5)能力：只是定性的理解是比較抽象的，為了衡量檢驗，后面將加以定量描述。產(chǎn)品的失效或故障均具有偶然性，一個產(chǎn)品在某段時間內(nèi)的工作情況并不很好地反映該產(chǎn)品可靠性的高低，而應(yīng)該觀察大量該種產(chǎn)品的工作情況并進行合理的處理后才能正確的反映該產(chǎn)品的可靠性，因此對能力的定量需用概率和數(shù)理統(tǒng)計的方法。

1.3.2可靠性的要素

可靠性包含了耐久性、可維修性、設(shè)計可靠性三大要素。耐久性：產(chǎn)品使用無故障性或使用壽命長就是耐久性?？删S修性：當(dāng)產(chǎn)品發(fā)生故障后，能夠很快很容易的通過維護或維修排除故障，就是可維修性。設(shè)計可靠性：這是決定產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵，由于人機系統(tǒng)的復(fù)雜性，以及人在操作中可能存在的差錯和操作使用環(huán)境的這種因素影響，發(fā)生錯誤的可能性依然存在，所以設(shè)計的時候必須充分考慮產(chǎn)品的易使用性和易操作性。

第二章電機可靠性試驗臺的整體方案設(shè)計

2.1電機可靠性試驗臺的工作原理

2.1.1無刷直流電機加速壽命試驗的概念

可靠性試驗的目的是測試產(chǎn)品在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的使用期內(nèi)完成規(guī)定的任務(wù)所能達到的可靠性指標(biāo)。在可靠性試驗中最重要、最基本的試驗就是壽命試驗，它是將測試產(chǎn)品置于規(guī)定的試驗條件下來評價產(chǎn)品的壽命特征。在試驗過程中，記錄每一個失效時間，通過對失效時間的分布規(guī)律的研究，作為可靠性設(shè)計和制定可靠性工藝、篩選規(guī)范和進一步改進產(chǎn)品可靠性的依據(jù)。

壽命試驗方法可分為正常應(yīng)力水平下的壽命試驗和加速壽命試驗這兩種方法。絕大多數(shù)壽命試驗方法采用的是加速壽命試驗方法，它是指在既不改變產(chǎn)品的失效機理，又不增加新失效因素的前提下，通過提高試驗應(yīng)力（可以是電壓、電流、功率、溫度、濕度和機械應(yīng)力等）加速產(chǎn)品的失效進程，再根據(jù)試驗結(jié)果，從而推算出測試產(chǎn)品在額定應(yīng)力條件下的壽命。加速壽命試驗?zāi)康木褪强s短試驗時間，節(jié)省人力物力，以便于快速評價出產(chǎn)品的可靠性水平。

由于無刷直流電機工作壽命較長，正常應(yīng)力水平下的壽命試驗通常需要許多年時間，這就需要投入巨大的人力物力資源，況且產(chǎn)品投放于市場的時間也會受到影響。因此，絕大多數(shù)壽命試驗通常采用的是加速壽命試驗。

2.1.2加速壽命試驗的類型

加速壽命試驗，按照施加應(yīng)力的方法的不同，通?？煞譃楹愣☉?yīng)力加速壽命試驗、步進應(yīng)力加速壽命試驗、序進應(yīng)力加速壽命試驗。

恒定應(yīng)力加速壽命試驗，是把一種在整個試驗中保持恒定不變的應(yīng)力施加在受試樣本上，各組壽命試驗的應(yīng)力都應(yīng)高于正常工作下的應(yīng)力，這樣可達到加速失效縮短試驗時間的目的。

步進應(yīng)力加速壽命試驗，是把一種隨時間分階段逐步增加的應(yīng)力施加在受試樣本上，直到樣品開始出現(xiàn)周期較短的試驗方法。

序進應(yīng)力加速壽命試驗，是把一種隨時間等加速增加的應(yīng)力到受試產(chǎn)品樣品上，直到樣品開始出現(xiàn)大量失效為止的試驗方法。

電機可靠性試驗臺對于無刷直流電機的試驗，通常采用恒定應(yīng)力加速壽命試驗，加載應(yīng)力在整個試驗過程中保持恒定。

2.1.3電機可靠試驗臺的工作原理

電機可靠性試驗臺的工作原理是由被測試無刷直流電機驅(qū)動測功機，測功機施加勵磁電流后，其內(nèi)外定子通過轉(zhuǎn)子對被測試無刷直流電機施加制動轉(zhuǎn)矩，同時測功機微偏扭矩傳感器產(chǎn)生微應(yīng)變，由扭矩傳感器把轉(zhuǎn)矩信號和轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)成相應(yīng)的電信號，由數(shù)字轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速顯示儀中的轉(zhuǎn)矩顯示器和轉(zhuǎn)速顯示器分別顯示測量值，并通過微電腦換算成輸出功率在顯示器上顯示。

扭轉(zhuǎn)傳感器是變截面的懸臂梁，貼有四片箔應(yīng)變片，構(gòu)成一個電橋，并有一片箔應(yīng)變片和兩只熱敏電阻對溫度和應(yīng)變系數(shù)誤差進行補償，有一個調(diào)零點位器調(diào)節(jié)，是電橋未加載是輸出為零。所有器件都在扭轉(zhuǎn)傳感器的電路板上，扭轉(zhuǎn)傳感器裝在外定子的軸承套上，用彈簧夾圈固定螺釘將其固定。

2.1.4電機可靠性試驗臺的基本功能

根據(jù)設(shè)計要求，通過分析測功機的工作狀況，我們擬定在該試驗臺上，完成空載試驗、加載試驗、堵轉(zhuǎn)試驗、溫升試驗四種類性能檢測。擬設(shè)計的試驗臺能夠?qū)崿F(xiàn)實現(xiàn)以下幾點基本功能：

1、測試項目：

（1）空載、負載、堵轉(zhuǎn)測試時對電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、輸出功率進行安全值的設(shè)定，可實現(xiàn)自動推出限制。

（2）自動加載與手動加載測試：

A負載測試加載速度可調(diào)：根據(jù)實際需要自行調(diào)節(jié)。

B測試加載增量可調(diào):可對初始加載量和增量進行設(shè)定。

（3）定點測試：可對電流、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、功率進行測試?？啥ㄒ粋€點不卸載；定多個點卸載。定點個數(shù)最多可以定5個點。定點數(shù)據(jù)可以設(shè)定。

（4）耐久測試：測試步驟12345；運行方式：空載、轉(zhuǎn)矩、輸入功率、輸出功率、不測可隨意設(shè)定；每個項目下的耐久值和誤差值可隨意設(shè)定；測試時間也可以隨意設(shè)定。

2、銘牌參數(shù)：

電機型號、額定功率、額定電壓、額定轉(zhuǎn)速參數(shù)作為報表進行整理和分析數(shù)據(jù)。

3、曲線坐標(biāo)：

（1）兩種模式，七條坐標(biāo)曲線。

（2）兩種模式：轉(zhuǎn)速模式、轉(zhuǎn)矩模式。兩種模式只是對數(shù)據(jù)分析的方式。