CN102721535B - 一种直线运动电磁加载装置 - Google Patents

Abstract

本发明的直线运动电磁加载装置，包括连杆机构、磁粉加载器部分和电气控制部分，连杆机构中的直线滚动导套中穿有加载头，加载头的一端连接有单向拉压力传感器；加载头另一端通过连杆、螺纹套筒与曲柄销连接；磁粉加载器部分包括在定子的内腔设置有循环冷却水通道，转子与定子之间的间隙中设置有磁粉，定子壳体内圆表面设有加载线圈，转子与主轴及圆盘连接；圆盘通过梯形滑块设有曲柄销；电气控制部分包括加载控制器及工控机。本发明的装置，能够实现含有直线运动输出构件的机械系统及其原动机性能分析、试验加载，并用恒定的加载电流获得变化的加载力，用较小的加载电流获得较大的加载力。

Description

一种直线运动电磁加载装置

技术领域

本发明属于机电设备系统性能检测与试验技术领域，用于含有直线运动输出构件的机械系统及其原动机性能分析与试验，具体涉及一种直线运动电磁加载装置。

背景技术

随着科学技术的快速发展以及市场竞争的日益加剧，对机电产品性能与可靠性的要求不断提高，模拟加载技术作为对机械系统原动机和传动执行机构性能测试与可靠性试验的重要手段，在机电产品开发中的地位日趋重要。目前对输出构件为回转运动的机电系统进行模拟加载的技术已比较成熟，例如电涡流测功机、直流测功机、交流测功机、磁粉加载器等。输出构件为直线运动的机械设备在工业实际中有广泛应用，例如冲压拉伸设备、锻造设备、电力设备中的开关操动机构等，直接对其输出运动构件进行模拟加载，可以比较真实地模拟设备的工况，对于测试分析其传动执行系统和原动机的性能十分必要。但目前尚缺少此类技术和设备。磁粉加载器利用电磁效应下的磁粉来传递转矩，激励电流和传递转矩基本呈线性关系，具有响应速度快、结构简单、无冲击振动、实时可控性好等优点，作为加载和离合装置已有比较广泛的应用。但磁粉加载器只能对回转运动构件进行加载。

发明内容

本发明的目的是提供一种直线运动电磁加载装置，解决了现有技术中磁粉加载器只能对回转运动构件进行加载，而对输出构件为直线运动的机械设备难以模拟加载的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种直线运动电磁加载装置，包括机械部分和电气控制部分，机械部分又包括连杆机构和磁粉加载器部分，

其中的连杆机构结构是，包括直线滚动导套，直线滚动导套中穿有加载头，加载头的一端依次连接有单向拉压力传感器；加载头另一端与左半连杆铰接，左半连杆与螺纹套筒一端螺纹套接，螺纹套筒另一端与右半连杆螺纹套接，右半连杆另一端与磁粉加载器中的曲柄销铰接，

其中的磁粉加载器部分结构是，包括在定子的内腔设置有循环冷却水通道，循环冷却水设置有入口和出口；定子外圆套装设置有转子，转子与定子之间的间隙中设置有磁粉；转子外圆套装设置有定子壳体，定子壳体内圆表面设置有加载线圈，加载线圈及磁粉的周围共同设置有一道隔磁环；转子与主轴同轴连接，主轴端头圆周上套装有圆盘；圆盘沿直径方向另一边加工有导轨，在该导轨内配合安装有梯形滑块，梯形滑块上设置有轴向的曲柄销，梯形滑块沿径向设置有曲柄滑块调节丝母，曲柄滑块调节丝母中穿有丝杆，

电气控制部分结构是，加载控制器依次与PWM功率放大器及加载线圈连接，单向拉压力传感器依次通过前置滤波放大器、A/D转换器与加载控制器连接，加载控制器还与工控机连接。

本发明的有益效果是，有效地解决了含有直线运动输出构件的机械系统及其原动机性能分析、试验中加载困难的问题，具有响应速度快，结构简单，成本低，可控性好等优点，且可用恒定的加载电流获得变化的加载力，用较小的加载电流获得较大的加载力。

附图说明

图1为本发明装置的整体结构示意图；

图2为本发明装置的磁粉加载器部分的截面结构示意图；

图3为图1中的Ⅰ-Ⅰ截面示意图；

图4为本发明装置的电器部分控制原理示意图；

图5为本发明装置中作用在曲柄上的力矩M与作用在加载头上的力F的放大系数随角度θ的变化曲线图。

图中，1.定子，2.转子，3.定子壳体，4.加载线圈，5.隔磁环，6.磁粉，7.轴承套筒，8.主轴，9.圆锥滚子轴承，10.圆盘，11.螺栓，12.调整配重片，13.螺母，14.主轴锁紧螺母，15.丝杆，16.曲柄销，17.曲柄滑块调节丝母，18.刻度盘，19.曲柄滑块，20.压紧螺母，21.防松垫片，22.右半连杆，23.右锁紧螺母，24.螺纹套筒，25.左锁紧螺母，26.加载头，27.滚动直线导套，28.单向拉压力传感器，29.直线输出构件，30.被加载机构，31.原动机，32.工作台，33.前置滤波放大器，34.A/D转换器，35.工控机，36.加载控制器，37.PWM功率放大器，38.左半连杆，39.弹簧卡圈。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明装置的结构是，包括机械部分和电气控制部分，机械部分又包括连杆机构和磁粉加载器部分，连杆机构中的直线滚动导套27和磁粉加载器主轴8的轴心设置在工作台32同一高度线上，

其中的连杆机构结构是，包括直线滚动导套27，直线滚动导套27中穿有加载头26，加载头26的一端依次连接有单向拉压力传感器28、直线输出构件29、被加载机构30、原动机31；加载头26另一端与左半连杆38铰接，左半连杆38与螺纹套筒24螺纹套接，左半连杆38与螺纹套筒24套接处设置有左锁紧螺母25，螺纹套筒24与右半连杆22螺纹套接，螺纹套筒24与右半连杆2螺纹套接处设置有右锁紧螺母23，右半连杆22另一端与磁粉加载器中的曲柄销16铰接，加载头26能够在直线滚动导套27内往复运动，构成一个曲柄滑块机构，其中的左半连杆38与右半连杆22组成一个完整的连杆，该连杆的长度可调节，以适应不同加载行程的需要，其调节原理是，螺纹套筒24左端通过左旋螺纹与左半连杆38配合套接，螺纹套筒24右端通过右旋螺纹与右半连杆22配合套接。

连杆调整的具体实施步骤是，分别松开左、右锁紧螺母（23、25），向一个方向转动螺纹套筒24可使连杆向两端同时伸长，向另外一个方向（反方向）转动螺纹套筒24可使连杆同时向内缩短，将连杆调整到所期望的长度后，再用左、右锁紧螺母（23、25）加以锁紧。

其中的磁粉加载器部分结构是，包括在定子1的内腔设置有循环冷却水通道，循环冷却水设置有入口e和出口f；定子1外圆套装设置有转子2，转子2与定子1之间的间隙中设置有磁粉6；转子2外圆套装设置有定子壳体3，定子壳体3内圆表面设置有加载线圈4，加载线圈4设置有两个接线端（g、h），加载线圈4及磁粉6的周围共同设置有一道隔磁环5；转子2与主轴8同轴连接，主轴8通过一对圆锥滚子轴承9和轴承套筒7支撑在工作台32上，设置在圆锥滚子轴承9侧面的弹簧卡圈39用于限制圆锥滚子轴承9外圈的运动，主轴8端头圆周上通过花键套装有圆盘10，主轴8的端头通过螺母14将圆盘10压紧并对轴承9进行预紧；

参照图2、图3，圆盘10作为曲柄，圆盘10沿直径方向一边设置有配重槽，在圆盘10与梯形滑块19对称的方向上安装有平衡用螺栓11，螺栓11上安装有调整配重片12，调整配重片12通过螺母13与螺栓11紧固连接；圆盘10沿直径方向另一边加工有梯形截面的导轨，在该导轨内配合安装有梯形滑块19，梯形滑块19上设置有轴向的曲柄销16，梯形滑块19沿径向设置有曲柄滑块调节丝母17，曲柄滑块调节丝母17中穿有丝杆15。梯形滑块19通过压紧螺母20和防松垫片21与圆盘10紧固连接。

丝杆15通过和曲柄滑块调节丝母17的螺纹连接，可使梯形滑块19在其导轨内沿径向移动，调节曲柄销16的回转半径，实现对磁粉加载器的加载力矩与加载头26上加载力的关系进行调整。具体实施时，先松开梯形滑块19的压紧螺母20，通过与丝杆15固结的刻度盘18的转动，使滑块19（带动曲柄销16）精确地移动到所期望的径向位置，然后再用压紧螺母将滑块19压紧在导轨上。

本发明装置工作时，当磁粉加载器的加载线圈4中通入激励电流时，所产生的磁通使定子、转子间隙中的磁粉6磁化并呈链状与定子、转子的表面相连接，当转子转动时剪切磁粉链的剪力和定转子表面之间的摩擦力的合力构成了加载力矩，该加载力矩与所施加的激励电流成正比；作用在磁粉加载器转子2上的加载力矩经由主轴8、圆盘10、梯形滑块19、曲柄销16、连杆传递到作直线运动的加载头26，形成直线加载力，该加载力通过单向拉压力传感器28作用在被加载机构30的直线输出构件29上，对被加载机构30及其原动机31进行加载；加载过程中，在磁粉加载器定子、转子间隙之间由机械能转化而成的热量由在磁粉加载器定子内部循环的冷却水带走。

在磁粉加载器中与激励电流成正比的加载力矩经由本直线运动电磁加载装置转化成为了直线加载力。本装置还具有用恒定的加载电流获得变化的加载力，用较小的加载电流获得较大加载力的特点，其具体原理如下：

对于图1所示的曲柄滑块机构，其梯形滑块19的位移s与角度θ、之间具有如下关系

其中r、l分别为曲柄和连杆的长度，另外角度θ与之间有如下关系

其中无量纲量

λ＝r/l    （3）

据式（2）将展开为角度θ的级数

设计时，取λ≤0.25，则上式中含λ⁴及其更高幂次的项均可忽略不计，于是

将式（5）代入（1）得

$s=r\cos \mathrm{\θ}+l-\frac{1}{2}l{\mathrm{\λ}}^2{\sin }^2\mathrm{\θ}---\left(6\right)$

另一方面，设磁粉加载器产生的加载力矩为M，相应地在加载头26处产生的加载力为F，则由机械原理可知，M与F之间有如下关系

$F=M\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{ds}}---\left(7\right)$

其中， $\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{ds}}=f\left(\mathrm{\θ}\right)/r---\left(8\right)$

$f\left(\mathrm{\θ}\right)=1/(\sin \mathrm{\θ}+\frac{1}{2}\mathrm{\λ}\sin 2\mathrm{\θ})---\left(9\right)$

函数f(θ)与其自变量θ之间的变化关系如图5所示，可以看出当θ角从8°变化到90°时，f(θ)由7.2单调降到1，当θ角从90°变化到172°时，f(θ)由1单调上升到7.2。磁粉加载器中加载力矩与加载电流之间成线性关系，当加载电流恒定，加载力矩也恒定，但由式（7）、（8）、（9）可以看出，当加载力矩M恒定时在加载头26处产生的是变化的加载力，这说明本直线运动电磁加载装置具有在恒定的加载电流下获得变化的加载力的特点；另一方面，由图5可以看出，在θ角处于[8°，60°]或者[120°，172°]范围内，函数f(θ)的值均大于1，参考公式（7）、（8）、（9）可以看出，本直线运动电磁加载装置能将较小的电磁加载力矩放大为较大的加载力，从而具有降低加载电流，减小系统发热的优点，放大系数值取决于加载时θ角的数值，具体实施时，根据所要加载的力是从大变化到小、基本不变化、从小变化到大三种情况，分别选择θ角为：[8°，60°]，[60°，120°]，或[120°，172°]即可。

参照图1、图2、图4，本发明的电气控制部分结构是，加载控制器36依次与PWM功率放大器37及加载线圈4连接，单向拉压力传感器28依次通过前置滤波放大器33、A/D转换器34与加载控制器36连接，加载控制器36还与工控机35连接。

本发明的直线运动电磁加载装置的能量和信号传递路径为：磁粉加载器的加载线圈4受到输入激励电流的作用产生电磁加载力矩，该力矩通过圆盘10、连杆、加载头26转化为直线加载力，该直线加载力经由单向拉压力传感器28感知后，经由前置滤波放大器33、A/D转换器34进入加载控制器36，该直线加载力的实测信号与来自上位工控机35的给定加载力的信号的偏差值，在加载控制器36中经过运算、调解、补偿后形成控制信号，该控制信号经整流与PWM功率放大器37放大后进入磁粉加载器的直流励磁加载线圈4中，形成一个闭环控制系统。具体实施时，根据加载头26的行程，加载力的大小和变化规律，调整右半连杆22的长度和曲柄销16的径向半径，选择对应加载行程时θ角变化范围，使在加载电流为常数情况下作用在加载头上的加载力尽可能接近所期望的变化规律，从而使作为控制器输入的偏差信号的绝对值尽可能小，以减轻控制电流的波动量。具体建立该闭环控制系统的数学模型时，将磁粉加载器作为一阶惯性环节处理，采用PI控制算法进行控制。在控制回路中，为保证输入和输出信号的稳定及抗干扰能力，在A/D与D/A的输出端均有隔离电路。上位的工控机35可生成人机交互操作界面，以及输入加载量设定值及其它参数，并可对来自单向拉压力传感器28的实时加载力信号进行显示、滤波、存储等，以供后续分析之用。

本发明装置将磁粉加载器在激励电流作用下产生的加载力矩能转化为直线加载力，是通过由作为曲柄的圆盘10、连杆，和作为滑块的加载头26构成的曲柄滑块机构实现的。该曲柄滑块机构在作较高速度的往复运动时，其惯性力将会导致该系统产生振动。为了保证系统工作平稳，本装置对曲柄滑块机构进行了惯性力平衡，其原理如下：

见图1，显示的a、b、c、d铰点，应用机构动力学中的质量替代法，将右半连杆22的质量用集中于动铰点b、c处的两个集中质量替代，将圆盘10的质量用集中于定铰点o和动铰点c处的两个集中质量替代，经此替代后该曲柄滑块机构可以认为只存在两个分别位于铰点b和铰点c处的集中质量m_b和m_c。铰点c处的回转质量m_c产生的惯性力F_IC可以通过在点d处加平衡质量的方法来平衡：

$m_{d_1}=\frac{r}{r^{\′}}{m}_c---\left(10\right)$

铰点b处往复移动质量产生的一阶惯性力为

$F_{\mathrm{Ib}}=m_{b}r{\stackrel{\·}{\mathrm{\θ}}}^2\cos \mathrm{\θ}---\left(11\right)$

在d处可再增加一平衡质量用它来部分地平衡m_b产生的惯性力，这样，加于d点的平衡质量可按下式来计算

$m_d=m_{d_1}+m_{d_2}=\frac{r}{r^{\′}}(m_c+{\mathrm{km}}_b)---\left(12\right)$

k一般可取为1/3～2/3。

具体实施时，根据实际加载工况的需要，调整曲柄长度r和连杆长度l到所需要的值，根据公式（12）计算出所需添加的平衡质量，然后松开圆盘10上的平衡用质量片压紧螺母13，调整平衡用质量圆片的个数，使其总质量接近计算出的所需添加的平衡质量，再将压紧螺母13锁紧即可。

本装置中约束加载头作直线运动的滚动直线导套27内装有直线运动球轴承或滚子轴承，从而加载头26与滚动直线导套27之间的相对运动为滚动，连杆与加载头和曲柄的铰接处，也均装有滚动轴承。在作加载头、连杆、以及圆盘系统的机械结构设计时，要求在满足强度、刚度要求前提下，尽可能减小结构质量。采取上述措施后，可有效地提高该受控直线运动加载系统响应的快速性和准确性。

本发明的有益效果是，将磁粉加载器与连杆机构有机结合，实现了对直线运动构件的电磁模拟加载，并且具有用恒定的加载电流获得变化的加载力、用较小的加载电流获得较大加载力、适宜于复杂载荷的模拟与减小系统发热的特点；加载装置结构简单，可靠性高，便于安装使用，解决了含有直线运动输出构件的机械系统及其原动机性能分析试验中加载困难的问题。

Claims (3)

1.一种直线运动电磁加载装置，其特征在于：包括机械部分和电气控制部分，机械部分又包括连杆机构和磁粉加载器部分，

其中的连杆机构结构是，包括直线滚动导套（27），直线滚动导套（27）中穿有加载头（26），加载头（26）的一端依次连接有单向拉压力传感器（28）、直线输出构件（29）、被加载机构（30）及原动机（31）；加载头（26）另一端与左半连杆（38）铰接，左半连杆（38）与螺纹套筒（24）一端螺纹套接，螺纹套筒（24）另一端与右半连杆（22）螺纹套接，右半连杆（22）另一端与磁粉加载器中的曲柄销（16）铰接，

其中的磁粉加载器部分结构是，包括在定子（1）的内腔设置有循环冷却水通道，循环冷却水设置有入口和出口；定子（1）外圆套装设置有转子（2），转子（2）与定子（1）之间的间隙中设置有磁粉（6）；转子（2）外圆套装设置有定子壳体（3），定子壳体（3）内圆表面设置有加载线圈（4），加载线圈（4）及磁粉（6）的周围共同设置有一道隔磁环（5）；转子（2）与主轴（8）同轴连接，主轴（8）端头圆周上套装有圆盘（10），

圆盘（10）沿直径方向一边设置有配重槽，该配重槽中通过螺栓（11）安装有调整配重片（12），圆盘（10）沿直径方向另一边加工有导轨，在该导轨内配合安装有梯形滑块（19），梯形滑块（19）上设置有轴向的曲柄销（16），梯形滑块（19）沿径向设置有曲柄滑块调节丝母（17），曲柄滑块调节丝母（17）中穿有丝杆（15）；

电气控制部分结构是，加载控制器（36）依次与PWM功率放大器（37）及加载线圈（4）连接，单向拉压力传感器（28）依次通过前置滤波放大器（33）、A/D转换器（34）与加载控制器（36）连接，加载控制器（36）还与工控机（35）连接。

2.根据权利要求1所述的直线运动电磁加载装置，其特征在于：所述的主轴（8）通过圆锥滚子轴承（9）和轴承套筒（7）支撑在工作台（32）上。

3.根据权利要求1所述的直线运动电磁加载装置，其特征在于，所述的加载头（26）与滚动直线导套（27）之间通过直线运动球轴承或滚子轴承连接。