CN107764538B - 一种综合磁流变液制动系统试验台 - Google Patents
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Abstract
一种综合磁流变液制动系统试验台,属于磁流变液制动器试验设备技术领域。其特征是由驱动系统、模拟转动惯量飞轮组系统、制动器装夹滑移系统、数字图像采集系统、传感测试系统、电气控制系统及计算机数据集成系统联合组成4D‑DIC+PIV综合试验系统;调节飞轮组的等效转动惯量以达到与实际制动过程尽可能一致的测试原则;设定电动机输出转速和待测制动器的制动形式来动态模拟各制动工况;通过数字图像采集系统获取磁流变液的实时动态流场特性,同时传感测试系统包括温度、位移及扭矩传感器,并经数据传输接入计算机数据集成系统,对制动性能进行综合评价,实现多相流系统耦合与集成。本发明亦适用于实验教学、科学研究等领域。
Description
技术领域
本发明属于磁流变液制动器试验设备技术领域,具体涉及一种综合磁流变液制动系统试验台。
背景技术
随着机械装备制造技术的快速发展,对机械设备安全性也日益提高,其制动系统也在不断升级和改进。磁流变液作为新型智能材料中研究较为活跃的一支,能够响应外界施加磁场的变化,在液相与固相之间进行连续的可逆、可控转变,从而改变剪切力。磁流变液的出现为开发制动器新结构提供了极具价值的思路,其流变特性是磁流变液制动器设计的关键技术,可以替代现有的气体或液体驱动,能够减少制动系统机械传动的滞后时间,缩短制动距离,从而增加了设备运行安全性与可靠性,同时也可以简化制动系统结构,提高制动器灵敏度,减小装配和维护的难度,因此可以预见磁流变液制动器将成为高性能智能制动系统的主要发展方向之一。
在制动器设计初期,制动器无法进行路试,只能在专门的制动器试验台上对所设计的路试进行模拟试验,如王尧等在2010年《机械工程与自动化》期刊发表的题为《制动器试验台补偿能力分配问题的研究》论文中,涉及一种工业制动器试验台,采用飞轮组模拟路试的等效转动惯量,同时在制动过程中通过对电动机的电流控制,补偿由于机械惯量不足而缺少的能量,从而满足与实际制动过程尽可能一致的原则;近年来,已有的制动器试验台只是用于测量制动时间、速度、温度或力矩(或力)变化等制动特性参数,如专利号为201210295849.7的《高速轴制动器惯性试验台》、专利号为201310504212.9的《一种电动汽车制动惯性的模拟试验台及试验方法》、专利号为201310263870.3的《电惯量模拟通风盘式制动器试验台及电惯量模拟控制方法》、专利号为201511029938.7的《一种制动器动态试验系统及方法》等;这些公开文献针对以固体材料作为摩擦衬片的制动器,虽然一定程度上较真实地模拟或匹配实际制动过程中的能量变化情况,但无法为磁流变液制动器的进一步研究提供准确可靠的试验数据,更无法全面反映不同制动工况下对多相流耦合特性的影响等,这都不能对某一制动系统的制动特性给出全面客观的综合评价。
发明内容
本发明目的是提供一种综合磁流变液制动系统试验台,可有效地克服现有技术存在的缺点,适合于开展通用摩擦制动器及磁流变液制动器在不同制动工况下各种性能的实时动态测试,便于对制动性能及多相流耦合与集成进行研究。
本发明是这样实现的:如图1、2所示,其特征是包括有驱动系统Ⅰ、模拟转动惯量飞轮组系统Ⅱ、制动器装夹滑移系统Ⅲ、数字图像采集系统Ⅳ、传感测试系统Ⅴ、电气控制系统Ⅵ及计算机数据集成系统Ⅶ;所述驱动系统Ⅰ包括有交流变频电动机23及与电动机输出轴相连接的第一联轴器16'和安全制动器22;所述模拟转动惯量飞轮组系统Ⅱ包括有支承在左、右轴承座3、3'上的n个大小不等的飞轮盘构成的飞轮组4、带有间隔法兰盘5的中心轴21、轴套6、夹块20及液压加载推杆19,n为正整数;所述制动器装夹滑移系统Ⅲ安装在基座1右端,包括有制动器支承平台15及上、下直流电动机10、10',制动器支承平台15上安装有外壳透明的磁流变液制动器14,磁流变液制动器14内安装有接触式温度传感器9和位移传感器9';所述数字图像采集系统Ⅳ是指安装在基座1上与磁流变液制动器14相对照的双脉冲激光器11及在基座上可随机移动的3D高速摄像机12和LED背景光源13;所述传感测试系统Ⅴ是指包括扭矩传感器7、接触式温度传感器9和位移传感器9'及便携式非接触式环境温度传感器8;所述电气控制系统Ⅵ包括驱动系统控制器D、飞轮组系统控制器E、装夹滑移系统控制器F、传感测试系统控制器G、数字图像采集系统控制器H、驱动控制柜M0、手动电气控制台M及PLC电控柜N;所述计算机数据集成系统Ⅶ是指安装在电脑18里的可视化编程软件。
上述各系统的连接关系是:飞轮组4安装在设置有轴套6的中心轴21上,其左、右端分别支承在左、右轴承座3、3'上,其左端通过第一联轴器16'和安全制动器22与交流变频电动机23联接,右端通过离合器17、扭矩传感器7、第二联轴器16支承在第三轴承座3''上,并与磁流变液制动器14相联接;前述的交流变频电动机23、飞轮组4、扭矩传感器7及磁流变液制动器14均安装在同一轴线上,n个飞轮与中心轴21的配合为间隙配合;通过液压加载推杆19调节各夹块20来实现不同飞轮盘的组合以模拟路试的等效转动惯量,并配合电流控制方法补偿由于机械惯量不足而缺少的能量,以获得与实际制动过程尽可能一致的等效转动惯量。
上述各系统的控制关系是:驱动系统控制器D与交流变频电动机23及安全制动器22相连接;飞轮组系统控制器E与液压加载推杆19相连接;装夹滑移系统控制器F与上、下直流电动机10、10'相连接;传感测试系统控制器G通过数据传输线分别与扭矩传感器7、接触式温度传感器9和位移传感器9'相连接;并与便携式非接触式环境温度传感器8通过TDR3.0无线遥测数据采集器相连接;数字图像采集系统控制器H分别与3D高速摄像机12、LED背景光源13及双脉冲激光器11相连接;同时驱动系统控制器D、飞轮组系统控制器E、装夹滑移系统控制器F、传感测试系统控制器G、数字图像采集系统控制器H相联后分别通过驱动控制柜M0内部的继电器以互锁方式直接与手动电气控制台M相连接,手动电气控制台M通过PLC电控柜N与安装在电脑18中的计算机数据集成系统Ⅶ连接,从而实现多系统联合控制。
本发明优点及积极效果是:
(1)本发明综合磁流变液制动系统试验台,集成DIC+PIV数字图像处理技术、多系统可联合控制,操作方便,既可以对通用摩擦制动器的主要制动性能参数进行测试,又可以对磁流变液制动器获取磁流变液的实时动态流场特性,实现了多相流系统耦合与集成,可以动态控制整个试验台的运行情况,完成对制动性能的综合评价。
(2)本试验台的模拟转动惯量飞轮组系统可以有效地模拟路试的等效转动惯量,配合电流控制方法,补偿由于机械惯量不足而缺少的能量,实现与实际制动过程尽可能一致的测试原则。
(3)本试验台的数字图像采集系统配置有断电保护,能够在外界断电的情况下保证数据安全;3D高速摄像机的分辨率、帧率均可调节,且在满帧率为10000fps时,分辨率可达640×480,使得可以获取清晰的原始数字图像,便于数据后处理;同时该子系统共享性与拓展性较高,如可以进行任意透光性流体的流场分析以及拓展到破碎、筛分、碰撞或冲击过程的相关研究等。
(4)试验台配置有手动电气控制台和计算机数据集成系统,均设有安全急停控制措施,系统操作方便灵活,安全性高;同时计算机数据采集系统实现了补偿电流、磁场电流、转速、力矩、温度、示踪粒子位移场等参数的在线状态监测,便于开展结构优化、流变性能、流场特性、多相流物质流等测试与研究。
(5)本试验台各子系统联合组成的4D-DIC+PIV综合试验系统,属于典型的多学科交叉研究方法的具体应用,可以全方位地对通用摩擦制动器以及磁流变液制动器不同制动工况下各种性能的实时动态测试,有利于对制动器制动性能及多相流耦合与集成进行相关研究。既适合开展数字图像处理技术在机械工程方面的应用教学,也可满足制动器工业化测试的条件。
附图说明
图1为综合磁流变液制动系统试验台各系统总体布局示意图;
图2为本发明结构布局俯视图;
图3为磁流变液制动器温度和位移传感器布置示意图;
图4为图3中B部位移传感器安装孔放大图;
图5为图3中C部温度传感器安装孔放大图;
图中标号:Ⅰ-驱动系统,Ⅱ-模拟转动惯量飞轮组系统,Ⅲ-制动器装夹滑移系统,Ⅳ-数字图像采集系统,Ⅴ-传感测试系统,Ⅵ-电气控制系统,Ⅶ-计算机数据集成系统,1-基座,2-导向键,3、3'-左、右轴承座,3''-第三轴承座,4-飞轮组,5-法兰盘,6-轴套,7-扭矩传感器,8-非接触式温度传感器,9-温度,9'-位移传感器,10、10'-上、下直流电动机,11-双脉冲激光器,12-3D高速摄像机,13-LED背景光源,14-磁流变液制动器,15-制动器支承平台,16、16'联轴器,17-离合器,18-电脑,19-液压加载推杆,20-夹块,21-中心轴,22-安全制动器,23-交流变频电动机,*-代表同类大小不等的飞轮盘,#-代表同类大小不等的法兰盘,×-代表同类轴套,B-位移传感器安装孔,C-温度传感器安装孔,D-驱动系统控制器,E-飞轮组系统控制器,F-装夹滑移系统控制器,G-传感测试系统控制器,H-数字图像采集系统控制器,M0-驱动控制柜,M-手动电气控制台,N-PLC电控柜。
具体实施方式
如图1、2所示,将交流变频电动机23和安全制动器22组成的驱动系统Ⅰ连同其配有导向键2的底座安装在基座1上,飞轮组4安装在设置有轴套6的中心轴21上,其左右端分别支承在左、右轴承座3、3'上,其左端通过第一联轴器16'和安全制动器22与交流变频电动机23联接,右端通过离合器17、扭矩传感器7、第二联轴器16支承在第三轴承座3''上,并与磁流变液制动器14相联接;前述的交流变频电动机23、飞轮组4、扭矩传感器7及磁流变液制动器14均安装在同一轴线上,n个飞轮与中心轴21的配合为间隙配合;通过液压加载推杆19调节飞轮组4中不同飞轮盘的组合形式模拟路试的等效转动惯量,配合电流控制方法补偿由于机械惯量不足而缺少的能量,以获得与实际制动过程尽可能一致的等效转动惯量。
通过上、下直流电动机10、10'调节滑移系统制动器支承平台15的高度与位置参数安装磁流变液制动器14,并使其传动轴的中心线与第三轴承座3''连接轴中心线一致;将温度和位移传感器按照图3~5安装在磁流变制动器14的透明外壳上,且使用便携式非接触式温度传感器8实现对环境温度的测量;扭矩传感器7、接触式温度9或位移传感器9'及非接触式温度传感器8组成传感测试系统Ⅴ,3D高速摄像机12、LED背景光源13及双脉冲激光器11组成了集DIC+PIV数字图像处理技术于一体的数字图像采集系统(Ⅳ),实现对磁流变液的多维流场特性分析,所有原始数字图像采集数据与各传感器测试数据的传输分别通过传感测试系统控制器G、数字图像采集系统控制器H与手动电气控制台M内部的继电器和PLC电量转换模块相连,再经PLC模块联接到PLC电控柜N进行信号A/D转换,最后经通讯电缆联接到计算机数据集成系统Ⅶ;且通过计算机数据集成系统Ⅶ或手动电气控制台M可直接控制驱动控制柜M0,驱动控制柜M0内部的继电器以互锁方式联接控制着驱动系统控制器D,飞轮组系统控制器E,装夹滑移系统控制器F,传感测试系统控制器G,数字图像采集系统控制器H,从而实现多系统联合控制。
以文献邬思敏、孟文俊等在2016年《工程设计学报》期刊发表的题为《双线圈旁置式新型磁流变制动器的设计与优化》论文中的双线圈旁置式新型磁流变液制动器为例,它是由外壳、励磁线圈、磁流变液、制动盘、密封盖、密封、滚动轴承、传动轴、端盖、螺钉组成;其外壳与端盖采用透明材料制成,磁流变液的工作间隙为1mm,设定制动工况为单次制动,初始转速为ω s,制动结束条件为ω e。
磁流变液制动器的试验过程是这样实现的:首先分析路试条件,通过液压加载推杆19调节飞轮组4中不同飞轮盘的组合形式模拟路试的等效转动惯量,配合电流控制方法补偿由于机械惯量不足而缺少的能量,以获得与实际制动过程尽可能一致的等效转动惯量;其次,交流变频电动机23驱动整个系统使得磁流变液制动器传动轴转速满足初始条件为ω s,若机械惯量不足,则为ω s+Δω;再次,在磁流变液中放入示踪粒子,操作数字图像采集系统(Ⅳ),接通LED背景光源13,打开双脉冲激光器11及3D高速摄像机12;最后,断开交流变频电动机23,同时通电励磁线圈,使得磁流变液产生流变效应,进而开始对制动盘进行制动,当满足制动结束条件为ω e时,制动结束。在此期间,示踪粒子的原始数字图像及各传感器测试数据均实时动态传输到计算机数据集成系统Ⅶ。此次试验完成后,对于同一制动器,待其冷却到初始状态后,重新设定工况参数,并通过电气控制系统Ⅵ完成多次测试。
此外,对于其它新型磁流变制动器,在没有路试条件情况下,当电动机驱动整个系统使得传动轴转速满足初始条件时,若断开离合器17,同时通电励磁线圈,则可以实现紧急制动等工况的模拟试验,在此离合器17的作用是消除了不相干零部件转动惯量的影响。
补充说明;
以上内容仅为本发明的磁流变液制动器试验实例描述,对于本领域的普通技术人员,依据本发明的思想,在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处,本说明书内容不应理解为对本发明的限制,未经改进直接应用于其它场合的,均在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种综合磁流变液制动系统试验台,其特征在于它包括有驱动系统(Ⅰ)、模拟转动惯量飞轮组系统(Ⅱ)、制动器装夹滑移系统(Ⅲ)、数字图像采集系统(Ⅳ)、传感测试系统(Ⅴ)、电气控制系统(Ⅵ)及计算机数据集成系统(Ⅶ),
所述驱动系统(Ⅰ)包括有交流变频电动机(23)及与电动机输出轴相连接的第一联轴器(16′)和安全制动器(22);所述模拟转动惯量飞轮组系统(Ⅱ)包括有支承在左、右轴承座(3、3′)上的n个大小不等的飞轮盘构成的飞轮组(4)、带有间隔法兰盘(5)的中心轴(21)、轴套(6)、夹块(20)及液压加载推杆(19),n为正整数;所述制动器装夹滑移系统(Ⅲ)安装在基座(1)右端,包括有制动器支承平台(15)及上、下直流电动机(10、10′),制动器支承平台(15)上安装有外壳透明的磁流变液制动器(14),磁流变液制动器(14)内安装有接触式温度传感器(9)和位移传感器(9′);所述数字图像采集系统(Ⅳ)是指安装在基座(1)上与磁流变液制动器(14)相对照的双脉冲激光器(11)及在基座上可随机移动的3D高速摄像机(12)和LED背景光源(13);所述传感测试系统(Ⅴ)是指包括扭矩传感器(7)、接触式温度传感器(9)和位移传感器(9′)及便携式非接触式环境温度传感器(8);所述电气控制系统(Ⅵ)包括驱动系统控制器(D)、飞轮组系统控制器(E)、装夹滑移系统控制器(F)、传感测试系统控制器(G)、数字图像采集系统控制器(H)、驱动控制柜(M0)、手动电气控制台(M)及PLC电控柜(N);所述计算机数据集成系统(Ⅶ)是指安装在电脑(18)里的可视化编程软件;
上述各系统的连接关系是:飞轮组(4)安装在设置有轴套(6)的中心轴(21)上,其左右端分别支承在左、右轴承座(3、3′)上,其左端通过第一联轴器(16′)和安全制动器(22)与交流变频电动机(23)联接,右端通过离合器(17)、扭矩传感器(7)、第二联轴器(16)支承在第三轴承座(3″)上,并与磁流变液制动器(14)相联接;前述的交流变频电动机(23)、飞轮组(4)、扭矩传感器(7)及磁流变液制动器(14)均安装在同一轴线上,n个飞轮与中心轴(21)的配合为间隙配合;
上述各系统的控制关系是:驱动系统控制器(D)与交流变频电动机(23)及安全制动器(22)相连接,飞轮组系统控制器(E)与液压加载推杆(19)相连接;装夹滑移系统控制器(F)与上、下直流电动机(10、10′)相连接;传感测试系统控制器(G)通过数据传输线分别与扭矩传感器(7)、接触式温度传感器(9)和位移传感器(9′)相连接,并与便携式非接触式环境温度传感器(8)通过TDR3.0无线遥测数据采集器相连接,数字图像采集系统控制器(H)分别与3D高速摄像机(12)、LED背景光源(13)及双脉冲激光器(11)相连接;同时驱动系统控制器(D)、飞轮组系统控制器(E)、装夹滑移系统控制器(F)、传感测试系统控制器(G)、数字图像采集系统控制器(H)相联后分别通过驱动控制柜(M0)内部的继电器以互锁方式直接与手动电气控制台(M)相连接,手动电气控制台(M)通过PLC电控柜(N)与安装在电脑(18)中的计算机数据集成系统(Ⅶ)连接,从而实现多系统联合控制;
上述磁流变液制动器的试验过程是这样实现的:首先分析路试条件,通过液压加载推杆(19)调节飞轮组(4)中不同飞轮盘的组合形式模拟路试的等效转动惯量,配合电流控制方法补偿由于机械惯量不足而缺少的能量,以获得与实际制动过程尽可能一致的等效转动惯量;其次,交流变频电动机(23)驱动整个系统使得磁流变液制动器传动轴转速满足初始条件为ωs,若机械惯量不足,则为ωs+Δω;再次,在磁流变液中放入示踪粒子,操作数字图像采集系统(Ⅳ),接通LED背景光源(13),打开双脉冲激光器(11)及3D高速摄像机(12);最后,断开交流变频电动机(23),同时通电励磁线圈,使得磁流变液产生流变效应,进而开始对制动盘进行制动,当满足制动结束条件为ωe时,制动结束;在此期间,示踪粒子的原始数字图像及各传感器测试数据均实时动态传输到计算机数据集成系统(Ⅶ);此次试验完成后,对于同一制动器,待其冷却到初始状态后,重新设定工况参数,并通过电气控制系统(Ⅵ)完成多次测试。
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