CN104155608B - 一种转动负载模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转动负载模拟装置，距转轴R的圆周上均匀分布4根导杆，关于转轴对称的2根导杆上安装质量相等的重块，由4根导杆上重块的质量总和来模拟相对于转轴的转动惯量，调节对称导杆上重块组合质心间的距离来获得动不平衡情况下的惯性积；通过控制磁粉制动器的激励电流来模拟轴系的摩擦力矩。本发明无复杂控制系统，结构简单，惯性特性和摩擦力矩调整方便，模拟准确性高，通用性较好。

Description

一种转动负载模拟装置

技术领域

本发明涉及电机和伺服机构试验技术领域，特别涉及一种负载特性可调节的转动负载模拟装置。

背景技术

电机和伺服机构在实际应用中所带的负载是复杂多变的，并且考虑到实际生产过程无法对其在真实负载下进行测试，因此，提供一种能对实际应用中机械负载进行模拟的系统是必须的。

当前机械负载的模拟主要有惯量盘、电动模拟、电液模拟三种方式：惯量盘的制造成本高、惯量模拟准确性差、无法通过调节来适应不同电机或伺服机构的测试要求；电动模拟就是利用电机电能-机械能的转换特性，通过电控转矩的方式为测试电机或伺服机构加载，以电动模型为基础，根据速度变化和实际负载机械特性得到加载力矩，并快速补偿速度变化引起的负载电机反电动势，不仅需要实时计算，还需要复杂的控制系统，准确性则取决于控制的精度；电液模拟由驱动和加载两部分组成，电控元件为液压缸，它比电动模拟有更宽的工作频率和更大的输出力矩，但也存在惯性负载、摩擦负载模拟不佳的缺点。此外，电动模拟和电液模拟无法实现机械负载动不平衡特性的模拟。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种转动负载模拟装置。本发明通过以下技术方案实现：

一种转动负载模拟装置，包括：基座(1)、磁粉制动器(2)、安装座(3)、接插件板(4)、旋转变压器转子(5)、旋转变压器定子(6)、联轴器(7)、压盖(8)、深沟球轴承(9)、输出转轴(10)、输入转轴(11)、角接触轴承对(12)、内隔圈(13)、外隔圈(14)、外压圈(15)、内压圈(16)、轮盘(17)、支撑板(18)、导杆(19)、重块(20)；

其中，基座(1)为U形结构，一端为输出端，另一端为输入端，两端对外侧面均有同轴的阶梯状通孔，由外向内直径逐渐变小，输出端依次为4个：安装座安装孔、旋转变压器定子安装孔、深沟球轴承安装孔、挡肩，输入端依次为3个：安装定位孔、角接触轴承安装孔、挡肩；安装定位孔用于待测电机或伺服机构固定部分的安装定位，安装定位孔的对外端面有螺纹孔；深沟球轴承(9)安装于基座(1)的深沟球轴承安装孔，由压盖(8)压紧外套圈止动，压盖(8)固定于基座(1)的旋转变压器定子安装孔底端平面；角接触轴承对(12)为背靠背或面对面安装的两个角接触轴承，安装于基座(1)的角接触轴承安装孔内，其间由内隔圈(13)、外隔圈(14)隔开，内隔圈(13)和外隔圈(14)的轴向宽度差决定轴向预紧力，用外压圈(15)压紧最外侧角接触轴承的外套圈止动；

安装座(3)为管状结构，一端有用于定位的外圆柱面和外法兰盘，外圆柱面与基座(1)的安装座安装孔配合，外法兰盘固定于基座(1)输出端最外侧端面，安装座(3)的另一端沿径向有矩形凸起，凸起部分中心开有矩形通孔，该部分顶端面安装接插件板(4)，接插件板(4)上安装磁粉制动器(2)和旋转变压器定子(6)的引线接插件；

旋转变压器定子(6)前端外圆柱套入基座(1)的旋转变压器定子安装孔，由外法兰固定于安装座安装孔底端平面；

输出转轴(10)为中空的阶梯轴，分为轴肩、深沟球轴承安装段、定位段，深沟球轴承安装段套入深沟球轴承(9)内套圈的内孔，轴肩端面距轴承最近内套圈端面的距离为1mm，旋转变压器转子(5)由内法兰盘内孔与输出转轴(10)定位段外圆定位后固定于深沟球轴承安装段的端平面，联轴器(7)外圆柱面与定位段内孔定位后固定于内孔底的端平面，联轴器(7)另一端内孔形状与磁粉制动器(2)输出轴的截面相同，二者套入后即可防止周向转动；

输入转轴(11)为中空的阶梯轴，分为轴肩、角接触轴承安装段、定位段，角接触轴承安装段套入角接触轴承对(12)内套圈的内孔，由内压圈(16)压紧最外侧角接触轴承的内套圈至轴肩端面与最近内套圈端面贴紧，定位段内孔用于待测电机或伺服机构转动部分的安装定位，定位段底部端面有安装通孔；

轮盘(17)由内外环和4根均匀分布的辐条构成，辐条所在径向方向上有4个等直径的均布圆孔，圆孔周边有安装螺纹孔，两个轮盘(17)的中心圆孔分别与输出转轴(10)、输入转轴(11)的轴肩圆柱套合，由中心圆孔底部的法兰盘固定在轴肩端面上；

支撑板(18)垂直于长边的两个端面分别与两个轮盘(17)相连，其最外侧表面垂直于各辐条所在径向；

导杆(19)为一端带法兰盘的光杆，光杆外圆与轮盘(17)径向方向的4个均布圆孔为小间隙配合，4根导杆(19)分别穿过轮盘(17)上的4个圆孔，导杆(19)上穿入一定数量的重块(20)后再插入另一轮盘(17)对应的圆孔内，用沉头螺钉固定导杆(19)的法兰盘至轮盘(17)；

重块(20)截面为正方形，中心通孔与导杆(19)光杆外圆间隙配合，且一个侧面与支撑板(18)表面接触，同一导杆(19)上相邻重块(20)间贴紧后从重块(20)侧面旋入紧定螺钉以顶住导杆(19)；关于转轴轴线对称的两个导杆(19)上的重块(20)数量相等。

本发明有如下有益效果：

1)模拟时分为独立的负载惯量特性模拟和摩擦力矩模拟两个部分，降低了对复杂控制系统的要求，调整方便，模拟准确性高；

2)能实现动不平衡负载情况的模拟，适用范围更广。

附图说明

图1所示的是本发明的正视图；

图2所示的是本发明的侧视图；

图3所示的是本发明图1中I部分的放大图；

图4所示的是本发明图1中II部分的放大图；

符号说明：1.基座，2.磁粉制动器，3.安装座，4.接插件板，5.旋转变压器转子，6.旋转变压器定子，7.联轴器，8.压盖，9.深沟球轴承，10.输出转轴，11.输入转轴，12.角接触轴承对，13.内隔圈，14.外隔圈，15.外压圈，16.内压圈，17.轮盘，18.支撑板，19.导杆，20.重块。

具体实施方式

以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。

如图1至图4所示，本发明提供的一种转动负载模拟装置包括：基座1、磁粉制动器2、安装座3、接插件板4、旋转变压器转子5、旋转变压器定子6、联轴器7、压盖8、深沟球轴承9、输出转轴10、输入转轴11、角接触轴承对12、内隔圈13、外隔圈14、外压圈15、内压圈16、轮盘17、支撑板18、导杆19、重块20。

所述的基座1为U形结构，两端对外侧面均有阶梯状通孔，由外向内直径逐渐变小，输出端依次为4段：安装座安装孔、旋转变压器定子安装孔、深沟球轴承安装孔、挡肩，输入端依次为3段：安装定位孔、角接触轴承安装孔、挡肩，所有安装孔均同轴，安装定位孔用于待测电机或伺服机构固定部分的安装定位，其对外端面有螺纹孔；所述的深沟球轴承9安装于基座1的深沟球轴承安装孔，由压盖8压紧外套圈止动，压盖8固定于基座1的旋转变压器定子安装孔底端平面；所述的角接触轴承对12为背靠背或面对面安装的两个角接触轴承，安装于基座1的角接触轴承安装孔内，其间由内隔圈13、外隔圈14隔开，内隔圈13和外隔圈14的轴向宽度差决定轴向预紧力，用外压圈15压紧最外侧角接触轴承的外套圈止动；

所述的安装座3为管状结构，一端有用于定位的外圆柱面和外法兰盘，外圆柱面与基座1的安装座安装孔配合，外法兰盘固定于基座1输出端最外侧端面，安装座3的另一端沿径向有矩形凸起，凸起部分中心开有矩形通孔，该部分顶端面安装接插件板4，接插件板4上安装磁粉制动器2和旋转变压器定子6的引线接插件；

所述的旋转变压器定子6前端外圆柱套入基座1的旋转变压器定子安装孔，由外法兰固定于安装座安装孔底端平面；

所述的输出转轴10为中空的阶梯轴，分为轴肩、深沟球轴承安装段、定位段，深沟球轴承安装段套入深沟球轴承9内套圈的内孔，轴肩端面距轴承最近内套圈端面的距离为1mm，旋转变压器转子5由内法兰盘内孔与输出转轴10定位段外圆定位后固定于深沟球轴承安装段的端平面，联轴器7外圆柱面与定位段内孔定位后固定于内孔底的端平面，联轴器7另一端内孔形状与磁粉制动器2输出轴的截面相同，二者套入后即可防止周向转动；

所述的输入转轴11为中空的阶梯轴，分为轴肩、角接触轴承安装段、定位段，角接触轴承安装段套入角接触轴承对12内套圈的内孔，由内压圈16压紧最外侧角接触轴承的内套圈至轴肩端面与最近内套圈端面贴紧，定位段内孔用于待测电机或伺服机构转动部分的安装定位，定位段底部端面有安装通孔；

所述的轮盘17由内外环和4根均匀分布的辐条构成，辐条所在径向方向上有4个等直径的均布圆孔，圆孔周边有安装螺纹孔，两个轮盘17的中心圆孔分别与输出转轴10、输入转轴11的轴肩圆柱套合，由中心孔底部的法兰盘固定在轴肩端面上；

所述的支撑板18垂直于长边的两个端面分别与两个轮盘17相连，其最外侧表面垂直于各辐条所在径向；

所述的导杆19为一端带法兰盘的光杆，光杆外圆与轮盘17径向方向的4个均布圆孔为小间隙配合，4根导杆19分别穿过轮盘17上的4个圆孔，待导杆19上穿入一定数量的重块20后再插入另一轮盘17对应的圆孔内，用沉头螺钉固定导杆19的法兰盘至轮盘17；

所述的重块20截面为正方形，中心通孔与导杆19光杆外圆间隙配合，且一个侧面与支撑板18表面接触，待同一导杆19上相邻重块20间贴紧后从重块20侧面旋入紧定螺钉以顶住导杆19；关于转轴轴线对称的两个导杆19上的重块(20)数量相等。

本发明的完整工作流程如下：

I.模拟装置无重块20时转动部分的转动惯量为I₀，轴系本身的摩擦力矩为M₀，重块20的质量为m，对于中心圆孔轴线的转动惯量为I_m，待模拟负载对于转轴的转动惯量为I₁(I₁＞I₀+4I_m+4mR²)，与转轴相关的惯性积分别为I₂和I₃，摩擦力矩为M₁(M₁＞M₀)。两组对称导杆19上重块20的数量分别为n₁和n₂，n₁块重块20组成的重块组合的质心距另一n₁块重块20组成的重块组合的质心轴向距离为L₁，n₂块重块20组成的重块组合的质心距另一n₂块重块20组成的重块组合的质心轴向距离为L₂，其按下式选取：

n₁+n₂＝n (1)

其中，n为最接近的整数，R为导杆19轴线与转动轴线的间距；

II.旋出导杆19法兰上的螺钉，向外拔出导杆19至光杆顶端脱离轮盘17边缘圆孔，套入n₁块重块20后重新将导杆19光杆顶部插入轮盘17边缘圆孔，利用法兰盘重新固定导杆19至轮盘17，移动n₁块重块20贴紧一侧的轮盘17且重块20间相互贴紧，从该组重块20的侧面旋入紧定螺钉顶住导杆19；在对称导杆19上用相同方法套入n₁块重块20，重块20间保持贴紧状态，调整这组重块20的轴向位置使对称导杆19上两重块组合的质心间轴向距离为L₁；

III.按照步骤II方法在另一组对称导杆19上分别套入n₂块重块20，并在调整这两组重块组合的质心轴向距离为L₂后固定所有重块20；

IV.磁粉制动器2激励电流i与制动转矩M间的线性关系为M＝k·i，设定磁粉制动器2的激励电流为(M₁-M₀)/k。

基座1为U形铸件，其两端对外侧面上的阶梯孔轴线距其底板上表面的高度为350mm，两端内侧面间轴向距离为490mm；深沟球轴承9型号为61909，角接触轴承对12内角接触轴承型号为71910C，均采用油润滑；轮盘17材质为2A12铝合金，厚度为8mm，中心孔的深度为4mm，最大外径为辐条宽度30mm，边缘用于安装导杆19的4个均布圆孔为距中心孔轴线245mm，两轮盘17间的距离为465mm，其中角接触轴承对12安装侧的轮盘17与基座1该端内侧面间距离为6mm；支撑板18为465mm×30mm×10mm的长方体，垂直于长边的两端面有螺纹孔以与两侧轮盘17相连，支撑板18垂直于径向方向的对外侧面距转轴轴线215mm；导杆19总长为483.5mm，法兰盘厚度3.5mm，光杆段外径法兰盘上开有沉头螺钉孔，用于与轮盘17固定，安装时从角接触轴承对12安装侧轮盘17穿入直至光杆顶端插入另一轮盘17的对应孔内；重块20的材质为45钢，截面为60mm×60mm正方形，厚10mm，中心孔4个侧面均有M5螺纹孔。磁粉制动器2选用苏州德斯特自动化设备有限公司产ZKG20YN型磁粉制动器，其额定转矩为2Nm，额定电流0.5A，最高转速1800rpm。

装置转动部分为磁粉制动器2内转动部分、旋转变压器转子5、输出转轴10、输入转轴11、内隔圈13、内压圈16、轮盘17、支撑板18、导杆19、重块20以及深沟球轴承9和角接触轴承对12内转动、滚动部分。经三维模型测算，不计磁粉制动器2内转动部分、深沟球轴承9和角接触轴承对12内转动(和滚动)部分以及重块20时的转动惯量为2.8×105kg·mm2；重块20质量0.23kg，相对于中心孔轴线的转动惯量为76kg·mm2；磁粉制动器2不通电时整个轴系的摩擦力矩为0.02Nm。

某待模拟负载的惯量特性：转动惯量为5.8×105kg·mm2，惯性积为3.6×103kg·mm2和4.5×103kg·mm2；摩擦力矩特性：轴系摩擦力矩为0.05Nm。则两组对称导杆19上的重块20数量分别为n₁和n₂：

取n₁为5,，同时n₂为6。

首先，在一组对称导杆19上分别穿入5块重块20，5块重块20组成的重块组合的质心处在第3块重块20轴向对称面上，调整两组重块组合的质心间距L₁直至测量值为：

接着，在另一组对称导杆19上分别穿入6块重块20，6块重块20组成的重块组合的质心处在第3块重块和第4块重块20的贴合面，调整两组重块组合的质心间距L₂直至测量值为：

最后，调整并保持磁粉制动器2的激励电流i为

本发明将转动负载的模拟分为惯性特性模拟和摩擦力矩模拟：距转轴R的圆周上均匀分布4根导杆，关于转轴对称的2根导杆上安装质量相等的重块，由4根导杆上重块的质量总和来模拟相对于转轴的转动惯量，调节对称导杆上重块组合质心间的距离来获得动不平衡情况下的惯性积；通过控制磁粉制动器的激励电流来模拟轴系的摩擦力矩。本发明无复杂控制系统，结构简单，惯性特性和摩擦力矩调整方便，模拟准确性高，通用性较好。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (1)

1.一种转动负载模拟装置，其特征在于，包括：基座(1)、磁粉制动器(2)、安装座(3)、接插件板(4)、旋转变压器转子(5)、旋转变压器定子(6)、联轴器(7)、压盖(8)、深沟球轴承(9)、输出转轴(10)、输入转轴(11)、角接触轴承对(12)、内隔圈(13)、外隔圈(14)、外压圈(15)、内压圈(16)、轮盘(17)、支撑板(18)、导杆(19)、重块(20)；

其中，所述基座(1)为U形结构，一端为输出端，另一端为输入端，两端对外侧面均有同轴的阶梯状通孔，由外向内直径逐渐变小，输出端依次为4个：安装座安装孔、旋转变压器定子安装孔、深沟球轴承安装孔、挡肩，输入端依次为3个：安装定位孔、角接触轴承安装孔、挡肩；所述安装定位孔用于待测电机或伺服机构固定部分的安装定位，所述安装定位孔的对外端面有螺纹孔；所述深沟球轴承(9)安装于基座(1)的深沟球轴承安装孔，由压盖(8)压紧外套圈止动，压盖(8)固定于基座(1)的旋转变压器定子安装孔底端平面；所述角接触轴承对(12)为背靠背或面对面安装的两个角接触轴承，安装于基座(1)的角接触轴承安装孔内，其间由内隔圈(13)、外隔圈(14)隔开，内隔圈(13)和外隔圈(14)的轴向宽度差决定轴向预紧力，用外压圈(15)压紧最外侧角接触轴承的外套圈止动；

所述安装座(3)为管状结构，一端有用于定位的外圆柱面和外法兰盘，外圆柱面与基座(1)的安装座安装孔配合，外法兰盘固定于基座(1)输出端最外侧端面，安装座(3)的另一端沿径向有矩形凸起，凸起部分中心开有矩形通孔，该部分顶端面安装接插件板(4)，接插件板(4)上安装磁粉制动器(2)和旋转变压器定子(6)的引线接插件；

所述旋转变压器定子(6)前端外圆柱套入基座(1)的旋转变压器定子安装孔，由外法兰固定于安装座安装孔底端平面；

所述输出转轴(10)为中空的阶梯轴，分为轴肩、深沟球轴承安装段、定位段，深沟球轴承安装段套入深沟球轴承(9)内套圈的内孔，轴肩端面距轴承最近内套圈端面的距离为1mm，旋转变压器转子(5)由内法兰盘内孔与输出转轴(10)定位段外圆定位后固定于深沟球轴承安装段的端平面，联轴器(7)外圆柱面与定位段内孔定位后固定于内孔底的端平面，联轴器(7)另一端内孔形状与磁粉制动器(2)输出轴的截面相同，二者套入后即可防止周向转动；

所述输入转轴(11)为中空的阶梯轴，分为轴肩、角接触轴承安装段、定位段，角接触轴承安装段套入角接触轴承对(12)内套圈的内孔，由内压圈(16)压紧最外侧角接触轴承的内套圈至轴肩端面与最近内套圈端面贴紧，定位段内孔用于待测电机或伺服机构转动部分的安装定位，定位段底部端面有安装通孔；

所述轮盘(17)由内外环和4根均匀分布的辐条构成，辐条所在径向方向上有4个等直径的均布圆孔，圆孔周边有安装螺纹孔，两个轮盘(17)的中心圆孔分别与输出转轴(10)、输入转轴(11)的轴肩圆柱套合，由中心圆孔底部的法兰盘固定在轴肩端面上；

所述支撑板(18)垂直于长边的两个端面分别与两个轮盘(17)相连，其最外侧表面垂直于各辐条所在径向；

所述导杆(19)为一端带法兰盘的光杆，光杆外圆与轮盘(17)径向方向的4个均布圆孔为小间隙配合，4根导杆(19)分别穿过轮盘(17)上的4个圆孔，导杆(19)上穿入一定数量的重块(20)后再插入另一轮盘(17)对应的圆孔内，用沉头螺钉固定导杆(19)的法兰盘至轮盘(17)；

所述重块(20)截面为正方形，中心通孔与导杆(19)光杆外圆间隙配合，且一个侧面与支撑板(18)表面接触，同一导杆(19)上相邻重块(20)间贴紧后从重块(20)侧面旋入紧定螺钉以顶住导杆(19)；关于转轴轴线对称的两个导杆(19)上的重块(20)数量相等。