CN112881223A - 一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台，该测试平台包括：动力系统、机械加载系统、电源系统、测试系统、控制保护系统和摩擦副；动力系统包括高速三相异步电机，高速三相异步电机的输出轴通过联轴器与所述摩擦副连接，用以将高速三相异步电机的扭矩输出给所述摩擦副；机械加载系统用以对所述摩擦副进行机械加载；所述测试系统用以对所述摩擦副滑动电接触过程中各参数的在线测试；所述控制保护系统用以对全系统进行协同控制，确保试验机的电加载和机械加载可同时作用于所述摩擦副。本发明实现了超大载流密度、超大接触压力、高速条件下的摩擦磨损试验，可模拟实际电磁发射直线电机设备的电接触特性和摩擦磨损特性。

Description

一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台
技术领域
本申请涉及电磁发射技术领域，具体涉及一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台。
背景技术
电磁轨道发射器电枢在动态发射过程中强大的电磁排斥力，会转化为枢轨摩擦热和电枢融化能量，电枢在动态发射过程中处于边磨损边扩张状态。因此，一体化弹丸集成前，必须对电枢材料进行及时、频繁的磨损性能测试，以保证发射过程安全性。导轨作为发射装置的关键重要组件，在寿命试验过程中及时采取措施或研制新型导轨材料、电枢材料来提高导轨寿命是提高发射装置寿命的重要工作。电枢、轨道作为电磁力的载体工作于电磁、结构、热、相变强耦合的复杂环境，目前试验中发现多次连续发射后轨道会存在磨损现象。对于材料磨损问题，宏观的动力学控制方程、材料失效模型已经不再适用，尤其是对于电磁轨道炮带来的超大载流条件下磨损问题，必须开展等效模拟实验平台开展电枢、轨道材料摩擦磨损特性研究。
电磁轨道发射器实际工作过程中，电流密度达109A/m2级、线速度达1000m/s级、接触压力达100MPa级；由于实际系统测试条件受限，传统试验机指标、工作形式与实际存在巨大差异，且超大载流、速度等极端条件下载流磨损基础问题存在理论无法揭示的盲区。而新型导轨、电枢材料的磨损性能评估，材料覆层、烧蚀等复杂现象分析，亟待开展超大载流、超大接触压力、高速摩擦磨损测试系统研制。
发明内容
为了解决上述问题，本申请实施例提供了一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台。本申请提供的测试平台能够适用于电流密度达109A/m2级以上的超大载流、线速度达1000m/s级以上的高速、接触压力达100MPa级的超大接触压力条件下的摩擦磨损特性测试，满足电磁轨道发射器的极端条件测试需求。
第一方面，本申请实施例提供了一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台，所述测试平台包括：动力系统、机械加载系统、电源系统、测试系统、控制保护系统和摩擦副；所述动力系统包括高速三相异步电机，所述高速三相异步电机的输出轴通过联轴器与所述摩擦副连接，用以将所述高速三相异步电机的扭矩输出给所述摩擦副；所述机械加载系统用以对所述摩擦副进行机械加载；所述电源系统通过电缆和电极对所述摩擦副进行供电；所述测试系统用以对所述摩擦副滑动电接触过程中各参数的在线测试；所述控制保护系统用以对全系统进行协同控制，确保试验机的电加载和机械加载可同时作用于所述摩擦副。
具体的，动力系统提供摩擦副相对运动的能量，克服摩擦副之间的摩擦阻力，并带动摩擦副高速旋转，采用输出扭矩11N·m、转速达20000rpm的三相异步电机，电机输出轴通过联轴器与摩擦盘轴向刚性连接，并采用变频器、编码器来实现矢量闭环控制，摩擦副转速精度可达±0.02％。通过高效将电机扭矩输出给摩擦副，大大提升了系统动平衡指标。在工作过程中，将通过水冷机组对电机进行冷却。
其中，摩擦副、电缆、电极将结合实际工况，采用有限元设计理论，通过多轮结构设计优化、有限元计算迭代，突破国际限制，设计出了截面积小、重量轻、满足实际需求的电缆和电极，在电缆截面积500mm2的条件下，3s、15kA工作条件下电缆最大升温小于65℃。按国标要求电缆截面积需要2500mm2，大大压缩了加载系统结构设计空间，提高了摩擦力测试精度。
优选的，所述测试平台通过盘双侧对称销布置，对所述高速三相异步电机转轴的上、下侧分别设置有上销、下销，所述上销与所述电源系统中电源的正极连接，所述下销与所述电源的负极连接，使得高速三相异步电机的电加载和机械加载系统的机械加载这两套加载系统同时加载，以此实现了真实模拟电磁轨道发射器磨损形式。
优选的，所述机械加载系统通过砝码杠杆加载方式施加作用力，并采用伺服电机通过凸轮瞬时加载方式对加载过程进行控制。
具体的，机械加载系统对摩擦副进行机械加载，由杠杆系统、上/下试样加载机构、快速加/卸载控制机构等组成，采用1：4砝码杠杆加载方式来施加作用力，峰值加载力可达2000N，可实现摩擦副接触压力达50MPa，并采用伺服电机对加载过程进行控制，系统控制精度可达μm级，峰值加载力响应时间小于50ms。
优选的，所述电源系统内部采用多模块并联输出，通过电流控制型脉宽调制器基于PID闭环控制算法来按照反馈电流调节脉宽，用以控制输出电流波形。
具体的，直流电源系统对摩擦副进行通流，直流电源系统前级采用高频滤波电路以及整流滤波为直流电压路后，通过大功率IGBT半导体器件作为开关器件，经高频降压后整流并联输出，输出电流范围0-16kA，可将摩擦副电流密度加载至108A/m2，主要包括整流滤波电路、全桥变换脉宽逆变调制电路、高频脉冲降压变压器、高频整流滤波电路，并采用电流控制型脉宽调制器，按照反馈电流调节脉宽，运用PID闭环控制算法，确保达到满足设计指标的输出电流波形，电流上升沿时间小于0.1s，稳定时间可从10ms-3s灵活调节。其中，PID闭环控制算法，即比例积分微分闭环控制算法，将根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，其算法简单、鲁棒性好和可靠性高。
优选的，所述参数包括接触压降、摩擦系统、磨损位移、加载力、电机转速。
优选的，所述摩擦副对应区域通过压电式力传感器测量试验过程中的摩擦力。
优选的，所述控制保护系统还用以在试验机工作过程中发生故障时通过下位机对所述动力系统、机械加载系统、电源系统进行自动保护。
本发明的有益效果为：1.可展开超大载流密度、超大接触压力、高速条件下的摩擦磨损试验，可模拟实际电磁发射直线电机设备的电接触特性和摩擦磨损特性。
2.有效解决超大载流、超大接触压力、高速条件下摩擦磨损测试难题，解决了机械加载10ms级响应、加载系统同步性、机械加载与电加载同步、精确摩擦系数测试方案等难题，可推动电磁轨道发射器领域在极端条件下材料磨损机制研究、载流润滑效应研究、滑动电接触性能研究等。
3.在信息流控制下，全系统可实现输出电流0-16kA、加载力0-2000N、电机转速100-20000rpm、工作时间10ms-3s条件下的能量输出，可将摩擦副电流密度加载至108A/m2、接触压力加载至50MPa、线速度至160m/s，机械加载可在50ms、电加载可在100ms时间内同步触发达到峰值，两套加载系统同步性可达5ms。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台的系统组成控制拓扑举例示意图；
图2为本申请实施例提供的一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台的直流电源的系统原理及控制保护拓扑结构举例示意图；
图3为本申请实施例提供的一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台的控制流程举例示意图；
图4为本申请实施例提供的一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台的结构举例示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
在下述介绍中，术语“第一”、“第二”仅为用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。下述介绍提供了本发明的多个实施例，不同实施例之间可以替换或者合并组合，因此本发明也可认为包含所记载的相同和/或不同实施例的所有可能组合。因而，如果一个实施例包含特征A、B、C，另一个实施例包含特征B、D，那么本发明也应视为包括含有A、B、C、D的一个或多个所有其他可能的组合的实施例，尽管该实施例可能并未在以下内容中有明确的文字记载。
下面的描述提供了示例，并且不对权利要求书中阐述的范围、适用性或示例进行限制。可以在不脱离本发明内容的范围的情况下，对描述的元素的功能和布置做出改变。各个示例可以适当省略、替代或添加各种过程或组件。例如所描述的方法可以以所描述的顺序不同的顺序来执行，并且可以添加、省略或组合各种步骤。此外，可以将关于一些示例描述的特征组合到其他示例中。
参见图1，图1为本申请实施例提供的一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台的系统组成控制拓扑举例示意图，所述测试平台包括：动力系统、机械加载系统、电源系统、测试系统、控制保护系统和摩擦副；所述动力系统包括高速三相异步电机，所述高速三相异步电机的输出轴通过联轴器与所述摩擦副连接，用以将所述高速三相异步电机的扭矩输出给所述摩擦副；所述机械加载系统用以对所述摩擦副进行机械加载；所述电源系统通过电缆和电极对所述摩擦副进行供电；所述测试系统用以对所述摩擦副滑动电接触过程中各参数的在线测试；所述控制保护系统用以对全系统进行协同控制，确保试验机的电加载和机械加载可同时作用于所述摩擦副。
具体的，动力系统中动力装置带动摩擦副运动；机械加载系统中加载装置在测试过程中施加加载力，同时通流；测试系统采集工作中的摩擦力，控制和保护平台系统实现整个过程的协同控制。电源系统可以由馈电装置、电流发生器、脉冲电源组成，电流发生器和脉冲电源分别与馈电装置电连接，以使馈电装置进行供电。除加载装置进行加载力、摩擦力等测视力外，还设有加温装置来进行摩擦副温度等参数的测试。
在一种可实施方式中，所述测试平台通过盘双侧对称销布置，对所述高速三相异步电机转轴的上、下侧分别设置有上销、下销，所述上销与所述电源系统中电源的正极连接，所述下销与所述电源的负极连接，用以采用两套加载系统同时加载。
在一种可实施方式中，所述机械加载系统通过砝码杠杆加载方式施加作用力，并采用伺服电机通过凸轮瞬时加载方式对加载过程进行控制。
在一种可实施方式中，所述电源系统内部采用多模块并联输出，通过电流控制型脉宽调制器基于PID闭环控制算法来按照反馈电流调节脉宽，用以控制输出电流波形。
在一种可实施方式中，所述参数包括接触压降、摩擦系统、磨损位移、加载力、电机转速。
在一种可实施方式中，所述摩擦副对应区域通过压电式力传感器测量试验过程中的摩擦力。
在一种可实施方式中，所述控制保护系统还用以在试验机工作过程中发生故障时通过下位机对所述动力系统、机械加载系统、电源系统进行自动保护。
如图2所示，图2为本申请实施例提供的一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台的直流脉冲电源的系统原理及控制保护拓扑结构举例示意图。电流发生器共有：一路模拟量输出(内部)，用于控制输出电流；两路模拟量输入(内部)，用于测量输出电流；两路开关量输入(外部)，用于测量开关辅助接点或保护接点状态；八路开关输出量(内部)，用于控制输出单元；八路开关输入量(内部)，用于监测各路节点信号。其具有过流速断保护、过流超时保护等保护控制电路。
具体而言，交流输入至电源内后，分别经过辅助电路、整流及滤波电路，整流及滤波电路分别与辅助电路、全桥变换电路、过压欠压电路电连接，全桥变换电路分别与过流滤波、温度传感器、高频脉冲变压器电连接，高频脉冲变压器与高频整流电路电连接，高频整流电路分别与温度传感器、稳压-限压电路电连接并对外进行输出，辅助电路分别与保护控制电路、PWM控制电路、稳压-限压电路、稳流-限流电路电连接，过流滤波、过压欠压电路、温度传感器均与保护控制电路连接，保护控制电路、稳流-限流电路、稳压-限压电路均与PWM控制电路电连接，PWM控制电路通过隔离驱动与全桥变换电路电连接。
如图3所示，测试平台系统的具体工作原理为：
(1)系统启动：首先打开设备总电源、启动控制计算机、打开电流发生器电源。
(2)系统检查：检查加载力传感器、位移、温度等传感器是否正常。
(3)电机启动：启动电机，同时检测电机转速；
(4)加载系统启动：转速达到设定值，启动快速加载系统自动加载，同时检测加载力数值；
(4)电源系统启动：根据电源达到峰值时间(200ms)，采用定时器延时启动200ms，同时检测电流值，电流与加载力同时达到预定值；
(5)在线测试：达到预定工况后，设定工作时间1ms～3s，检测加载力、摩擦力、磨损位移、摩擦副温度、压降、电流等参数，出现异常时最先停止电流发生器，然后卸载加载力，停止电机；其中摩擦力通过在摩擦副区域采用压电式力传感器直接测量试验过程中的摩擦力，相比传统测量方式精度更高。
(6)停机：实验时间到达设定值时，软件首先停止电流发生器，然后卸载试验载荷，最后停止主轴电机。
(7)关机：关机时先关闭电流发生器电源，然后关闭控制计算机，最后关闭设备总电源。
如图4所示，测试平台主机的系统组成主要包括试验平台底座1、杠杆支座2、高速电机9、杠杆加载系统3、加载控制机构8、摩擦副4、砝码7、伺服电机10，砝码7通过挂钩6与杠杆加载系统3连接。用于测试的试样5置于高速电机9上方，其与摩擦副4接触，摩擦副4可以由上下两个销与设置在两个销之间的盘所构成的销盘组成。杠杆支座2与杠杆加载系统3连接，加载控制结构8一端与杠杆加载系统3连接，高速电机9设置于伺服电机10上方。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。

Claims (7)

1.一种电磁轨道发射器用滑动接触和摩擦磨损特性测试平台，其特征在于，所述测试平台包括：动力系统、机械加载系统、电源系统、测试系统、控制保护系统和摩擦副；所述动力系统包括高速三相异步电机，所述高速三相异步电机的输出轴通过联轴器与所述摩擦副连接，用以将所述高速三相异步电机的扭矩输出给所述摩擦副；所述机械加载系统用以对所述摩擦副进行机械加载；所述电源系统通过电缆和电极对所述摩擦副进行供电；所述测试系统用以对所述摩擦副滑动电接触过程中各参数的在线测试；所述控制保护系统用以对全系统进行协同控制，确保试验机的电加载和机械加载可同时作用于所述摩擦副。
2.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，所述测试平台通过盘双侧对称销布置，对所述高速三相异步电机转轴的上、下侧分别设置有上销、下销，所述上销与所述电源系统中电源的正极连接，所述下销与所述电源的负极连接，用以采用两套加载系统同时加载。
3.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，所述机械加载系统通过砝码杠杆加载方式施加作用力，并采用伺服电机通过凸轮瞬时加载方式对加载过程进行控制。
4.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，所述电源系统内部采用多模块并联输出，通过电流控制型脉宽调制器基于PID闭环控制算法来按照反馈电流调节脉宽，用以控制输出电流波形。
5.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，所述参数包括接触压降、摩擦系统、磨损位移、加载力、电机转速。
6.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，所述摩擦副对应区域通过压电式力传感器测量试验过程中的摩擦力。
7.根据权利要求1所述的测试平台，其特征在于，所述控制保护系统还用以在试验机工作过程中发生故障时通过下位机对所述动力系统、机械加载系统、电源系统进行自动保护。
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