CN103245479B - 磁浮式冲击试验平台 - Google Patents
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Abstract
一种磁浮式冲击试验平台，该平台包含基础，安装在基础内的轨道、制动系统、电气设备和控制设备，安装在轨道内的直线电机，以及移动小车和设置在移动小车上的试验部件。移动小车为磁浮式移动小车，利用永磁体排斥力悬浮。轨道两侧内部镶嵌有永磁体。本发明以简单的机电技术支撑着应用在航空、航天、汽车、轨道交通车辆技术领域中不可缺少的冲击试验设备技术，节省了以往的该类试验的巨大花费，弥补了以往试验装置测量数据不准确的缺陷，并且可以实现相同部件重复试验，构成了完整的创新。
Description
技术领域
本发明涉及一种磁浮式冲击试验平台，类属于机械性能检测技术领域，附属于航空、航天、汽车、轨道交通车辆技术领域。
背景技术
近年来，随着国际航空市场的激烈竞争越演越烈，展开商用飞机制造的技术研发不仅是为了弥补航空技术落后的急需，也是为了摸索大型航空飞行器制造技术的发展道路。航天技术的发展是为了提高人类对宇宙空间的认知，同时确定了掌握该项技术的国家或地区的战略性地位。汽车增多成为城市空气污染源，但事实是汽车工业的发展使人们的生活方式发生了改变，今年来新能源汽车的技术给人们带来了环境焕然一新的希望。轨道交通的发展使城市交通成为网络化和快捷的工具，也加快了人们的生活节奏。
然而，上述提到的技术领域的发展离不开检测技术，特别是冲击试验设备都以独特的功能被工程师们使用，往往很落后，满足不了研发新产品的步伐。较早时期使用的蒸汽动力冲击试验平台，曾经为美国海军提供了航空母舰上飞机弹射技术，还有钢丝绳与高速卷扬机配置的冲击试验平台为汽车行工业提供了一种价廉物美的试验手段。曾经有人尝试过利用摩擦轮产生动力，驱动试验部件达到一定速度撞击障碍物的冲击试验装置，然而每次试验的花费巨大，工程师们不得不慎重考虑如何实施这类冲击试验。日本、德国、美国等工业技术先进国家曾对汽车、轨道交通车辆、飞机部件做过一些破坏性的冲击试验，但最终的结局都是因为摩擦阻力不稳定而试验结果不可信。如何解决这个问题，成为全球范围内技术开发人员的关注重点。
到目前为止，许多专利申请都涉及到该项技术，如：JP3-289303描述了一种利用直线电机牵引的磁浮式搬运装置；US5165347介绍了一种利用摩擦轮驱动磁浮物体运行的装置；美国军方申请US5253591描述了新型磁浮列车的原理；麻省理工学院申请US5388527竖立式电动悬浮的磁浮列车原理；弗罗里达美国磁浮技术公司申请US5605100描述了另外一种磁浮列车的原理；西南交通大学申请CN1408593A描述了超导磁浮列车的原理；以及西门子申请US6286434描述的一种新型设计的磁浮列车结构等，都展示了许多人关注着该技术领域的发展。然而成为实际工程应用的磁浮交通系统是德国的常导电磁悬浮技术，并在上海实现了安全载客运行十年之久。
人类发明的磁浮交通技术，特别是直线电机牵引技术，以及建成的高速磁浮示范线确实是一个亮点。这为工程技术人员提供了一个如何实现非接触高速运行与紧急制动的方法，也启示着人们应采用什么方式可以做到非破坏性的冲击试验，如何实现无摩擦力(或者摩擦力可控)影响，以及较大冲击力的方法。
发明内容
本发明提供的一种磁浮式冲击试验平台，以简单的机电技术支撑着应用在航空、航天、汽车、轨道交通车辆技术领域中不可缺少的冲击试验设备技术，节省了以往的该类试验的巨大花费，弥补了以往试验装置测量数据不准确的缺陷，并且可以实现相同部件重复试验，构成了完整的创新。
为了达到上述目的，本发明提供一种磁浮式冲击试验平台，该平台包含基础，安装在基础内的轨道、制动系统、电气设备和控制设备，安装在轨道内的直线电机，以及移动小车和设置在移动小车上的试验部件。
所述的基础为混凝土或钢结构。
所述的试验部件是航空部件、航天部件、飞机结构、座椅、汽车部件、轨道交通车辆部件或车体结构。
所述的移动小车为磁浮式移动小车，利用永磁体排斥力悬浮。
所述的轨道两侧内部镶嵌有永磁体。
所述的磁浮式移动小车包含上表面钢板，在上表面钢板的底面利用横向加强筋结构，在对称位置上焊接带有冷却孔的制动闸片，然后在中间部位焊接直线电机感应板连接结构，在与轨道对应的部分设有防倾翻结构，并在该防倾翻结构的内侧面上安装耐磨滑块，在磁浮式移动小车的两侧底面固定安装永磁体。
所述的耐磨滑块为碳纤维复合材料。
所述的永磁体为NdFeB条形永磁体。
该移动小车还包含安装在移动小车两侧的滚动轴承轮，该滚轮运行在U型轨道结构中，作为移动小车的支撑。
所述的移动小车的上部结构板为镂空状。
滚轮内安装两排锥辊滚动轴承，利用轴承轴、滚动轴承挡圈固定螺钉、滚动轴承挡圈、以及滚轮轴螺母固定。
滚轮的混动面选择光钢材面，或尼龙材料面，或硬橡胶面。
所述的直线电机分段布置在磁浮式冲击试验平台的中间部位的基础内。
所述的直线电机包含定子部分和直线电机感应板。
所述的直线电机感应板与移动小车采用接触连接，或者采用直接将直线电机感应板安装在移动小车的底部。
所述的定子部分包含安装在焊接结构内的定子铁芯和直线电机绕组，为双面定子绕组布置。
所述的焊接结构包含直线电机支架上导轨、直线电机支架下导轨、直线电机支架地面钢板和直线电机支架竖支撑结构。
所述的直线电机感应板包含感应板内钢板，在感应板内钢板上下各设置了上横向支撑板和下横向支撑板，在上横向支撑板上安装上横向支撑轮，对应运行在直线电机支架上导轨上，在下横向支撑板上安装下横向支撑轮，对应运行在直线电机支架下导轨上，在直线电机感应板底部竖向安装竖向支撑轮，对应运行在直线电机支架地面钢板上。
在直线电机感应板的外表面，对应定子铁芯的方向贴上铝板，在铝板上开挖长条孔。
上横向支撑轮和下横向支撑轮固定在上横向支撑板和下横向支撑板与感应板内钢板上留出的圆弧孔内；上横向支撑轮和下横向支撑轮采用了单轴承与上下两片支撑轮固定板的结构，包含机械连接的支撑轮轴、支撑轮轴承、支撑轮固定板、支撑轮轴承轴固定螺母、支撑轮套和支撑轮轴承止挡。
在上横向支撑板上螺栓固定连接结构件，该连接结构件再接触移动小车。
所述的制动系统包含外框架和设置在外框架内的两块单片制动闸板，形成对称的布置。
所述的外框架为钢结构焊接结构，该外框架包含焊接成一体的楔形锁紧结构板、框架和多槽润滑板。
每片单片制动闸板的安装结构板内安装若干制动电磁铁，在面对小车制动闸片的面上安装前摩擦板结构，其上设置有若干条安装摩擦制动块的槽，以安装若干块摩擦制动块，在安装结构板的背面分别按钢结构外框架上楔形锁紧结构板的对应位置上安装楔形块，该楔形块的接触面角度为7—15度。
所述的摩擦制动块为非铁磁性耐磨材料，含有石墨成分。
所述的电气设备包含：牵引降压变压器用来调节外接10kV的电源，变频器，制动降压变压器，制动整流器，准备起动段电机绕组及绕组开关，低功率直线电机绕组开关，沿轨道长度的低功率直线电机绕组及绕组开关，制动系统绕组及绕组开关，缓冲段绕组及绕组开关，以及连接电力电缆与电缆接头部件。
所述的控制设备包含：中央控制计算机，上层CAN总线，驱动系统控制，制动系统控制，驱动系统控制CAN总线，制动系统控制总线，直线电机绕组开关控制，电机驱动DCU控制；牵引整流器控制，开关柜控制，牵引逆变器控制，制动整流/斩波控制，制动整流器控制，以及连接控制电缆。
本发明利用磁浮交通技术的直线电机牵引动力使被测部件在较短距离内达到较高的运行速度，然后在很短的时间内紧急制动迫使被测部件停止运行，产生超过15g*m的冲击力。本发明以简单的机电技术支撑着应用在航空、航天、汽车、轨道交通车辆技术领域中不可缺少的冲击试验设备技术，节省了以往的该类试验的巨大花费，弥补了以往试验装置测量数据不准确的缺陷，并且可以实现相同部件重复试验，构成了完整的创新。
附图说明
图1是本发明提供的磁浮式冲击试验平台的结构示意图；
图2是钢结构基础的磁浮式冲击试验平台的结构示意图；
图3是移动小车的结构示意图；
图4是移动小车的侧视图；
图5是利用Ansoft软件对磁浮式冲击试验平台的悬浮能力的仿真结果；
图6是采用滚动轴承轮的移动小车的剖视图；
图7是采用滚动轴承轮的移动小车的结构示意图；
图8是滚动轴承轮的剖视图；
图9是直线电机定子的结构示意图；
图10是直线电机次级感应板的结构示意图；
图11是直线电机的连接结构件的示意图；
图12和图13是制动系统的结构示意图；
图14是单片制动板的结构示意图；
图15是磁浮式冲击试验平台的剖视图；
图16是永磁体安装结构图；
图17是磁浮式冲击试验平台配置图；
图18是磁浮式冲击试验平台的运动示意图；
图19是磁浮式冲击试验平台电气配置示意图；
图20是磁浮式冲击试验平台的控制拓扑图。
具体实施方式
以下根据图1～图20，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供的一种磁浮式冲击试验平台，该平台包含基础6，安装在基础6内的轨道5、制动系统4、电气设备和控制设备，安装在轨道5内的直线电机3，以及移动小车2和设置在移动小车2上的试验部件1。
所述的基础6为混凝土或钢结构。
所述的试验部件1是航空部件、航天部件、飞机结构、座椅、汽车部件、轨道交通车辆部件或车体结构。
所述的移动小车2为磁浮式移动小车2，利用永磁体排斥力悬浮，轨道5内镶嵌有永磁体，利用直线电机3将磁浮式移动小车2与试验部件1(飞机)在短距离(100m)内达到一定速度，经匀速滑行后在很短时间(100ms)内紧急制动产生超过15g*m的冲击载荷，满足航空部件的冲击试验条件。
如图2所示，采用分体框架钢结构的基础6。
如图3和图4所示，所述的磁浮式移动小车2的主体是一个钢材焊接结构，该磁浮式移动小车2包含上表面钢板15，在上表面钢板15的底面利用横向加强筋结构14，在对称位置上焊接带有冷却孔9的制动闸片8，用来将移动小车2与试验部件1在制动系统4中很短的时间内制动，然后在中间部位焊接直线电机感应板连接结构11，在与轨道5对应的部分设有防倾翻结构10，用来钩住轨道5的内边，并在该防倾翻结构10的内侧面上利用螺钉安装碳纤维复合材料制作的耐磨滑块12，在磁浮式移动小车2的两侧底面采用螺钉固定安装NdFeB条形永磁体13，与轨道5两侧的永磁体相对应，产生相互排斥的力18(如图5所示)，将移动小车2与试验部件1悬浮脱离轨道接触。
如图5所示，利用Ansoft仿真软件计算四块50*100*10的NdFeB条形永磁体13，沿运动方向留出间隔20mm，在各永磁体13的背面设置20mm钢板的情况下(磁浮式移动小车2上镶嵌永磁体钢板16，轨道5上镶嵌永磁体钢板17)，产生的悬浮力18(排斥力)为：
F(x)＝-55.228N；F(y)＝-3.2646N；F(z)＝1230.8N；Mag(F)Total＝1232N；
显示出竖向悬浮力(排斥力)18总和为2.5吨时，需要21对永磁体(约2.5m长度布置)方能基本满足要求；此时，
横向不稳定力19＝3.2646N*21＝68.6N很小，可以控制；
纵向磁阻力20＝55.228N*21＝1159.8N，也可以由直线电机3克服。
如果固定在移动小车2上的试验部件1很重，则可以选择滚动轴承轮22作为移动小车2的支撑，还可以直接将直线电机感应板24安装在移动小车2的底部。
如图6所示，当试验部件1较重时，条形永磁体13满足不了悬浮状态时，可以利用滚动轴承轮22作为移动小车2的支撑，因为滚动轴承29的滚动摩擦力是恒定的，因此对冲击力计算可以减掉。
如图7所示，移动小车2的上部结构板23为镂空状，以减轻自重。滚轮22安装在移动小车2两侧，滚轮22运行在U型轨道结构21中，保证不会发生脱轨情况。其他结构部件安装在混凝土基础6内，还可以将直线电机感应板24直接焊接在移动小车2底面，以简化结构。
如图8所示，在滚轮22内安装两排锥辊滚动轴承29，利用轴承轴28、滚动轴承挡圈固定螺钉27、滚动轴承挡圈26、以及滚轮轴螺母25固定，滚轮22的混动面可以选择光钢材面、尼龙材料面、硬橡胶面等，但应满足摩擦力恒定的原则。
在磁浮式冲击试验平台的中部沿轨道5长度设置了直线电机3，作为移动小车2与试验部件1在限定的加速度的条件下，在较短距离(约100m)达到试验所要求速度的设备。为了模块化安装需求，将直线电机分段设计，采用钢结构框架支撑与安装。
如图9所示，低功率直线电机3选择了模块化分段模式，将定子铁芯301与直线电机绕组30安装在焊接结构内，再分段布置在磁浮式冲击试验平台的中间部位的基础6内。
所述的焊接结构包含直线电机支架上导轨31、直线电机支架下导轨32、直线电机支架地面钢板33和直线电机支架竖支撑结构34。
该低功率直线电机3为双面定子绕组布置，可以提高电机牵引效率，保证移动小车2与试验部件1在短距离内达到冲击试验速度。
所述直线电机感应板24为移动式结构，在横向的上下各设置了导向轮装置，竖向也设置了支撑轮装置，维持直线电机感应板24与直线电机的初级(定子铁芯301)具有固定的间隙。
如图10和图11所示，为了维持直线电机感应板24在双边直线电机的初级(定子铁芯301)中具有恒定的间隙，采用螺栓连接的方式在感应板内钢板37上下各设置了上横向支撑板35和下横向支撑板39，在上横向支撑板35上安装上横向支撑轮36，对应运行在直线电机支架上导轨31上，在下横向支撑板39上安装下横向支撑轮41，对应运行在直线电机支架下导轨32上，在直线电机感应板底部竖向安装竖向支撑轮40，对应运行在直线电机支架地面钢板33上。在直线电机感应板24的外表面，对应定子铁芯301的方向贴上铝板38，按照电机截距要求在铝板38上开挖长条孔作为减轻重量和散热，便可以平顺地维持直线电机感应板在电机定子间的恒定间隙和高速运行条件。
如图7所示，上横向支撑轮36和下横向支撑轮41固定在上横向支撑板35和下横向支撑板39与感应板内钢板37上留出的圆弧孔内。上横向支撑轮36和下横向支撑轮41采用了单轴承47与上下两片支撑轮固定板42的结构，包含机械连接的支撑轮轴45、支撑轮轴承47、支撑轮固定板42、支撑轮轴承轴固定螺母43、支撑轮套44和支撑轮轴承止挡46。
直线电机感应板24与移动小车2的接触连接采用非固定方式，在上横向支撑板35上螺栓固定连接结构件48，该连接结构件48再接触移动小车2的中部结构件11，按牵引力传递大大小可以适当调整该接结构件48的安装数量。
如图12、图13和图14所示，制动系统4采取利用楔形锁紧增加摩擦正压力的机构。在对应移动小车底面安装的闸片8位置，在基础6内安装制动装置4，以平衡制动力对移动小车2与试验部件1的影响。
如图13所示，选择钢结构焊接结构，将楔形锁紧结构板50、框架51和多槽润滑板52焊接成一体，组成制动系统外框架，在外框架的中间安装两块单片制动闸板49，形成对称的布置。
如图14所示，每片单片制动闸板49的安装结构板55内安装有十二组制动电磁铁58，在面对小车制动闸片8的面上安装前摩擦板结构56，其上设置有四条安装摩擦制动块的槽57，以螺栓固定的方式安装多块摩擦制动块(为非铁磁性耐磨材料，含有石墨成分)，在安装结构板55的背面分别按钢结构外框架上楔形锁紧结构板50的对应位置上安装楔形块54，作为增加正压力的锁紧装置，该楔形块的接触面角度应设为7—15度，低于7度的角度可能会造成锁死现象，使得移动小车2再返回起动无法进行。
制动系统4为两套与移动小车2上制动闸片8对应的制动电磁铁58和前摩擦板结构56，在前摩擦板结构56的背面设有楔形锁紧结构板50和楔形块54，当移动小车2驶入制动系统4中，制动系统4在可控电磁电流作用下吸附移动小车2底部的制动闸片8并产生摩擦制动力，随着摩擦力的增大，锁紧装置增添了巨大的正压力，最终使移动小车2与试验部件1在很短时间内停止运动，产生超过15g的冲击载荷。
如图15所示，是磁浮式冲击试验平台的截面示意图，各部分设备的安装空间位置是经过充分协调和受力计算的结果。直线电机感应板24始终运行在中心线上，因此不会对移动小车2和试验部件1产生横向力的干扰，而安装在移动小车2底面的制动闸片8采取了精确定位的措施，在最大程度上降低了不平衡的影响，在移动小车2驶入制动系统4时，制动闸板49中间留出了冗余间隙。只有制动电磁铁58在制动电流的作用下吸取制动闸片8时，才有可能产生摩擦力。有了摩擦力才有可能带动单片制动闸板49纵向移动，有楔形锁紧装置增加正压力形成锁紧，迫使移动小车2与试验部件1停止运动。
如图16所示，条形永磁体13在确定合适的磁极方向后用螺钉固定。碳纤维复合材料的耐磨滑块12的安装空间应兼顾到倾翻与横向干扰的因素，同样选择螺栓固定方式安装。
如图17和图18所示，本发明提供的磁浮式冲击试验平台运行控制方式如下：移动小车和试验部件59在准备起动段66按加速曲线71运行，进入0.3g加速段67按运行曲线60加速，在低功率直线电机63的牵引下达到冲击试验要求的速度，经过匀速滑行段68按运行曲线61进入紧急减速段69按照预先设计的减速曲线62制动，直到停止运动。随后移动小车和试验部件59进入缓冲保护段70，按照缓冲减速与小车返回起动段曲线72加速，均速按小车返回段运行曲线73返回。
如图19所示，电气设备包含：牵引降压变压器75用来调节外接10kV的电源74，变频器76、77、78(包括整流电路和逆变器，预充电器)，制动降压变压器79，制动整流器80，准备起动段电机绕组81及绕组开关82，低功率直线电机绕组开关83，沿轨道长度的低功率直线电机绕组84及绕组开关85，制动系统绕组86及绕组开关87，缓冲段绕组89及绕组开关88，以及连接电力电缆与电缆接头部件。
如图20所示，控制设备包含：中央控制计算机90，上层CAN总线91，驱动系统控制92，制动系统控制93，驱动系统控制CAN总线94，制动系统控制总线95，直线电机绕组(定子)开关控制96，电机驱动DCU(DirectControlUnit直接控制单元)控制97；牵引整流器控制98，开关柜控制99，牵引逆变器控制100，制动整流/斩波控制101，制动整流器控制102，以及连接控制电缆等设备。
这些电力牵引设备与控制设备配置会因不同的运行方式各异。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种磁浮式冲击试验平台，其特征在于，该平台包含基础(6)，安装在基础(6)内的轨道(5)、制动系统(4)、电气设备和控制设备，安装在轨道(5)内的直线电机(3)，以及移动小车(2)和设置在移动小车(2)上的试验部件(1)；
所述的移动小车(2)包含上表面钢板(15)，在上表面钢板(15)的底面利用横向加强筋结构(14)，在对称位置上焊接带有冷却孔(9)的制动闸片(8)，然后在中间部位焊接直线电机感应板连接结构(11)，在与轨道(5)对应的部分设有防倾翻结构(10)，并在该防倾翻结构(10)的内侧面上安装耐磨滑块(12)，在移动小车(2)的两侧底面固定安装永磁体(13)。
2.如权利要求1所述的磁浮式冲击试验平台，其特征在于，所述的轨道(5)两侧内部镶嵌有永磁体。
3.如权利要求1所述的磁浮式冲击试验平台，其特征在于，所述的移动小车(2)还包含安装在移动小车(2)两侧的滚动轴承轮(22)，该滚动轴承轮(22)运行在U型轨道结构(21)中，作为移动小车(2)的支撑。
4.如权利要求1所述的磁浮式冲击试验平台，其特征在于，所述的直线电机(3)分段布置在磁浮式冲击试验平台的中间部位的基础(6)内。
5.如权利要求1所述的磁浮式冲击试验平台，其特征在于，直线电机感应板(24)包含感应板内钢板(37)，在感应板内钢板(37)上下各设置了上横向支撑板(35)和下横向支撑板(39)，在上横向支撑板(35)上安装上横向支撑轮(36)，对应运行在直线电机支架上导轨(31)上，在下横向支撑板(39)上安装下横向支撑轮(41)，对应运行在直线电机支架下导轨(32)上，在直线电机感应板底部竖向安装竖向支撑轮(40)，对应运行在直线电机支架地面钢板(33)上。
6.如权利要求1所述的磁浮式冲击试验平台，其特征在于，所述的制动系统(4)包含外框架和设置在外框架内的两块单片制动闸板(49)，形成对称的布置。
7.如权利要求6所述的磁浮式冲击试验平台，其特征在于，每片单片制动闸板(49)的安装结构板(55)内安装若干制动电磁铁(58)，在面对小车制动闸片(8)的面上安装前摩擦板结构(56)，其上设置有若干条安装摩擦制动块的槽(57)，以安装若干块摩擦制动块，在安装结构板(55)的背面分别按钢结构外框架上楔形锁紧结构板(50)的对应位置上安装楔形块(54)，该楔形块的接触面角度为7—15度。
8.如权利要求1-4中任意一个所述的磁浮式冲击试验平台，其特征在于，所述的电气设备包含：牵引降压变压器(75)用来调节外接10kV的电源(74)，三个变频器，制动降压变压器(79)，制动整流器(80)，准备起动段电机绕组(81)及绕组开关(82)，低功率直线电机绕组开关(83)，沿轨道长度的低功率直线电机绕组(84)及绕组开关(85)，制动系统绕组(86)及绕组开关(87)，缓冲段绕组(89)及绕组开关(88)，以及连接电力电缆与电缆接头部件。
9.如权利要求1-4中任意一个所述的磁浮式冲击试验平台，其特征在于，所述的控制设备包含：中央控制计算机(90)，上层CAN总线(91)，驱动系统控制(92)，制动系统控制(93)，驱动系统控制CAN总线(94)，制动系统控制总线(95)，直线电机绕组开关控制(96)，电机驱动DCU控制(97)；牵引整流器控制(98)，开关柜控制(99)，牵引逆变器控制(100)，制动整流/斩波控制(101)，制动整流器控制(102)，以及连接控制电缆。
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