CN113884227B - 一种异型薄板推力测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种异型薄板推力测试方法，包括等效件仿真分析、等效件加工、应变片粘贴、推力测试系统设计、标定和推力测试等。本发明采用测试等效件推力的方法，获得异型薄板工况推力情况，能够解决综合传动装置内部异型薄板零件仿真设计和优化的边界条件和仿真模型校验的数据缺失问题，实现密闭、高温环境下高速旋转的异型薄板推力测试，对综合传动装置异型薄板及其他零部件的设计和优化具有重要意义。本发明具有推广价值，适用于所有异型薄板的测试，也适用于密闭、高温环境下高速旋转零件的应力、推力、压力等参数的测试。

Description

一种异型薄板推力测试方法

技术领域

本发明属于试验测试技术领域，具体涉及一种适用于综合传动装置的异型薄板推力测试方法。

背景技术

综合传动装置机电液融合一体，机械零件受力分析对部件的设计和优化至关重要，受力分析的边界条件和分析模型的校验需要实际测试数据进行支撑。异型薄板在综合传动装置内部常作为顶板使用，其推力参数是设计的关键参数，需要开展实际测试以获取工作中受到的推力数据，从而获得不同工况下推力变化性能，为仿真设计和计算提供真实的边界条件，由此存在对异型薄板推力进行测试的需求。然而，异型薄板零件往往在综合传动装置内部看不见摸不到，不规则的外形结构也给传感器的安装和标定造成困难，导致实测推力数据缺失，造成相关零件结构和部件性能仿真、设计和优化缺少依据，设计和实际制作的部件性能差别大。此外，由于测试温度环境在90-130℃，高温环境也会限制常规传感器和器件的应用。异型薄板高速旋转，也会限制常规有线测试系统的应用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提出一种异型薄板推力测试方法，以解决无法准确测试综合传动装置内部异型薄板零件所受推力的技术问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种异型薄板推力测试方法，由等效件替代异型薄板零件接受油缸推力，测试等效件受到的推力等效于测试异型薄板零件所受的推力；该推力测试方法包括如下步骤：

S1.等效件仿真分析

使用模拟装配和运动仿真工具设计等效件，等效件能够替代异型薄板零件在综合传动装置内的作用，等效件在综合传动装置内部的功能、性能、与其他零件的输入/输出接口和油缸推力受力面均与异型薄板零件一致，并确保在装配与整机试验中不会产生干涉问题；

等效件上设计有安装传感及推力测试系统的测试空间，利用仿真分析软件在等效件的受力面上施加推力，分析等效件径向应变和推力之间的函数关系，使得等效件满足测试空间内等效件径向应变与所受推力为线性关系的设计要求；仿真分析时测点选择同一推力下应变最大位置，位于等效件的测试空间且为非推力作用面；

利用仿真分析软件对等效件离心力进行仿真分析，要求等效件离心力在形变方向造成的径向应变值小于推力造成的径向应变值至少3个数量级，并由此确定应变片在等效件上的粘贴位置和粘贴方向；

S2.等效件加工

依据仿真分析结果加工等效件，要求等效件材料均匀且与异型薄板零件一致，材料特性参数已知；

S3.应变片粘贴

依据仿真分析结果，以等效件的应变最大位置点及应力方向作为应变片粘贴位置和粘贴方向，在等效件的每个位置点的正反两处各粘贴一个应变片，正反两个应变片构成惠斯通全桥的相邻桥臂，每两个位置点的四个应变片组成一组惠斯通全桥；

S4.推力测试系统设计

推力测试系统由遥测系统和采集存储器组成；其中，遥测系统用于将旋转的等效件上的应变信息转换成电量，并将电量传输至安装在综合传动装置外部的采集存储器；遥测系统由前端旋转模块和后端固定模块组成，前端旋转模块具有微型结构，半嵌入等效件附近零件与等效件同步运动，通过线缆将应变片的应变信息传输至前端旋转模块；前端旋转模块对惠斯通全桥供电的同时接收应变片输出的应变信息并转换成微电压，将微电压调制成高频信号后进行发射；后端固定模块安装在等效件附近的固定零件上，接收前端旋转模块发射的高频信号，对高频信号解调成常规电量并引出综合传动装置，传输至采集存储器；

S5.标定

获得等效件所受推力与输出电量之间的函数关系，修正推力测试系统；

S6.推力测试

将等效件、推力测试系统安装到综合传动装置内部开展工况推力试验；试验过程获得等效件的时间—推力值曲线，即为油缸输出的时间—推力曲线，当油缸推力作用于等效件时，推力测试系统实时显示和存储当前推力值，认为此值是油缸施加的推力，即异型薄板零件所受推力。

进一步地，惠斯通全桥相邻桥臂的应变片所处温度一致，应变片热输出相同。

进一步地，步骤S5.标定的方法为：使用标定工装将等效件安装到推力施加设备，标定工装由底板和顶板组成，底板用于将等效件固定在推力施加设备上；顶板用于将推力均匀施加于等效件的受力作用面上；底板和顶板将等效件夹在中间，并用多个螺钉固定；通过底板上的定位凸台将标定工装和推力施加设备进行定位和固定；推力施加设备的推力作用在顶板上，由顶板向等效件施加推力；从采集存储器读取对应的电量值，形成推力与电量之间的函数关系以修正测试系统。

进一步地，步骤S5中，对等效件进行4次加载，将第1次加载位置设为0°，在要测量的推力全量程选择若干等间隔推力值，由小到大逐点向等效件施加推力，记录推力施加设备的推力值和推力测试系统显示的电量值；由大到小逐点向等效件施加标准推力，记录推力施加设备的推力值和推力测试系统的电量值；重复由小到大施加推力和由大到小施加推力步骤3次，获得3组数据；将等效件和标定工装以轴向为中心分别旋转90°、180°和270°后，重复开展第2、3、4次加载，每个角度进行3次加载，每次加载均记录推力值和推力测试系统电量示值，总共得到12组推力—电量值试验数据。

进一步地，步骤S5中，对标定得到的试验数据进行处理，以修正推力测试系统示值：

(1)确认数据的有效性：将同一推力值作用下获得的12个电量值进行标准差计算，每个推力值对应的电量值标准差与推力满量程的比不大于推力测试要求的精度，认为数据有效；

(2)数据的剔除和补充：若计算的标准差大于推力测试要求的精度，则对每一组数进行方差计算，剔除方差最大的一组数，用新的实验数据填补，重复步骤(1)直至符合要求；

(3)修正曲线的计算：对同一推力作用的12个电量值进行均值计算，每一个推力值对应一个电量均值，用最小二乘法进行线性拟合，获得推力—电量函数表达式及其线性度、灵敏度、滞后和重复性指标；

(4)将推力—电量函数表达式输入推力测试系统的数据修正模块，数据修正模块将实时采集到的电量依据推力—电量函数表达式实时转换成推力，以对测试结果进行修正。

进一步地，步骤S5中，进行测试误差校准，方法为：将推力—电量函数输入推力测试系统作为推力修正函数，此时推力测试系统推力示值为推力物理量；以轴向为中心旋转一个安装角度，推力施加设备分别施加多个推力值，分别记录推力施加设备和推力测试系统的推力示值，获得若干组测试数据；按照以下公式计算推力测试系统测试精度：

推力测试系统测试精度＝(推力测试系统推力示值-推力施加设备推力示值)/推力满量程×100％

计算得到若干精度值，以其中最大值作为推力测试精度。

(三)有益效果

本发明提出一种异型薄板推力测试方法，包括等效件仿真分析、等效件加工、应变片粘贴、推力测试系统设计、标定和推力测试等。本发明采用测试等效件推力的方法，获得异型薄板工况推力情况，能够解决综合传动装置内部异型薄板零件仿真设计和优化的边界条件和仿真模型校验的数据缺失问题，实现密闭、高温环境下高速旋转的异型薄板推力测试，对综合传动装置异型薄板及其他零部件的设计和优化具有重要意义。本发明具有推广价值，适用于所有异型薄板的测试，也适用于密闭、高温环境下高速旋转零件的应力、推力、压力等参数的测试。

附图说明

图1为本发明实施例中等效件上应变片布置方案示意图；

图2为本发明实施例中等效件上应变片组桥方式示意图；

图3为本发明实施例中标定工装结构示意图；

图4为本发明实施例中标定工装使用方法示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

异型薄板零件所受推力由综合传动装置内油缸施加，其推力一定，本实施例提出一种异型薄板推力测试方法，由等效件替代异型薄板零件接受油缸推力，测试等效件受到的推力等效于测试异型薄板零件所受的推力。该推力测试方法具体包括如下步骤：

S1.等效件仿真分析

使用模拟装配和运动仿真工具设计替代异型薄板零件的等效件，要求该等效件能够替代异型薄板零件在综合传动装置内的作用，等效件在综合传动装置内部的功能、性能、与其他零件的输入/输出接口和油缸推力受力面均与异型薄板零件一致，并确保在装配与整机试验中不会产生干涉等问题。

等效件上设计有安装传感及推力测试系统的测试空间，利用仿真分析软件在等效件的受力面上施加推力，分析等效件径向应变和推力之间的函数关系，使得等效件满足测试空间内等效件径向应变与所受推力为线性关系的设计要求。仿真分析时测点选择同一推力下应变最大位置，位于等效件的测试空间且为非推力作用面，在此空间粘贴应变片和引线时不会在等效件工作时受损。

等效件高速旋转时自身会产生形变，使得离心力也产生径向应变，或将导致推力和离心力二者产生的径向应变叠加而无法分离，造成测试误差。因此，利用仿真分析软件对等效件离心力进行仿真分析，要求等效件离心力在形变方向造成的径向应变值远小于推力造成的径向应变值(至少小3个数量级)，并由此确定等效件的测点位置，即应变片在等效件上的粘贴位置和粘贴方向。

S2.等效件加工

依据仿真分析结果加工等效件，要求等效件材料均匀且与异型薄板零件一致，材料特性参数已知。

S3.应变片粘贴

依据仿真分析结果，以等效件的应变最大位置点及应力方向作为应变片粘贴位置和粘贴方向，在等效件的每个位置点的正反两处各粘贴一个应变片，在推力作用下两个应变片一个受拉，一个受压。正反两个应变片构成惠斯通全桥的相邻桥臂，每两个位置点的四个应变片组成一组惠斯通全桥。

本实施例中，在等效件的受力平面周向均匀分布R1-R8共8片单向应变片，布置方式如图1所示。其中，R1、R3、R5和R7粘贴于等效件正面，在推力作用下产生正向拉伸形变，R2、R4、R6和R8粘贴于等效件反面，在推力作用下产生反向压缩形变，每个位置点正反两处的两个应变片构成相邻桥臂。R1～R4组合成一组应变惠斯通全桥，R5～R8组合成另外一组应变惠斯通全桥，如图2所示。惠斯通全桥相邻桥臂的应变片距离很近，保证温度一致，应变片热输出相同。惠斯通全桥的相邻桥臂相减，使得温度影响互相抵消，可以忽略不计，能够实现高温补偿功能。两组惠斯通全桥输出信号经过推力测试系统的加法器进行均值后，能够进一步降低离心力影响及温度影响，增加推力测试系统抗干扰能力。

S4.推力测试系统设计

推力测试系统由遥测系统和采集存储器组成。其中，遥测系统用于将旋转的等效件上的应变信息转换成电量(电压、电流、高频脉冲等)，并将电量传输至安装在综合传动装置外部的采集存储器。

遥测系统由前端旋转模块和后端固定模块组成。前端旋转模块具有微型结构。由于等效件太薄，无法实现前端旋转模块的半嵌入安装。所以将前端旋转模块半嵌入等效件附近零件与等效件同步运动，通过线缆将应变片的应变信息传输至前端旋转模块。前端旋转模块对惠斯通全桥供电的同时接收应变片输出的应变信息并转换成微电压，将微电压调制成高频信号后进行发射。后端固定模块安装在等效件附近的固定零件上，接收前端旋转模块发射的高频信号，对高频信号解调成常规电量并引出综合传动装置，传输至采集存储器。

S5.标定

标定用于获得推力与电量之间的函数关系，依据该函数关系将电量实时转换成推力。本实施例中标定的具体方法为：

使用标定工装将等效件安装到推力施加设备，标定工装由底板1和顶板2组成，其结构如图3所示。底板1用于将等效件3固定在推力施加设备上；顶板2用于将推力均匀施加于等效件3的受力作用面上。底板1和顶板2将等效件3夹在中间，并用多个螺钉4固定，如图4所示。通过底板1上的定位凸台5将标定工装和推力施加设备进行定位和固定。推力施加设备的推力作用在顶板2上，由顶板2向等效件3施加推力。

标定工装连接推力施加设备和等效件，使用推力施加设备模拟油缸向等效件施加一组稳定无波动的已知推力，推力施加设备的推力施加面转换成与油缸相同的作用面，将推力均匀施加到等效件的受力作用面。从采集存储器读取一组对应的电量值，形成推力与电量之间的函数关系以修正测试系统，提高测试精确度。

由推力施加设备为等效件施加标准推力，由推力测试系统采集并显示电量值。要求推力施加设备施加推力的精度和稳定度应高于推力测试系统测试精度2个等级。

标定过程：对图4所示的等效件进行4次加载，将第1次加载位置设为0°，在要测量的推力全量程(测量范围)选择若干等间隔推力值，由小到大逐点向等效件施加推力(进程)，记录推力施加设备的推力值和推力测试系统显示的电量值；由大到小逐点向等效件施加标准推力(回程)，记录推力施加设备的推力值和推力测试系统的电量值；重复进程、回程步骤3次，获得3组数据。将等效件和标定工装以轴向为中心分别旋转90°、180°和270°后，重复开展第2、3、4次加载，每个角度进行3次加载，每次加载均记录推力值和推力测试系统电量示值，总共得到12组推力—电量值试验数据。

推力测试系统的修正：对标定得到的试验数据进行处理，处理结果用于修正推力测试系统示值，达到消除加工、装配、操作等带来的系统误差和随机误差，提高测试精确度的目的。

(1)确认数据的有效性。将同一推力值作用下获得的12个电量值进行标准差计算，每个推力值对应的电量值标准差与推力满量程的比不大于推力测试要求的精度，认为数据有效。

(2)数据的剔除和补充。若计算的标准差大于推力测试要求的精度，则对每一组数进行方差计算，剔除方差最大的一组数，用新的实验数据填补，重复步骤(1)直至符合要求。

(3)修正曲线的计算。对同一推力作用的12个电量值进行均值计算，每一个推力值对应一个电量均值，用最小二乘法进行线性拟合，获得推力—电量函数表达式及其特性指标：线性度、灵敏度、滞后和重复性等。

(4)将推力—电量函数表达式输入推力测试系统的数据修正模块，数据修正模块将实时采集到的电量依据推力—电量函数表达式实时转换成推力，以对测试结果进行修正。

测试误差校准：将推力—电量函数输入推力测试系统作为推力修正函数，此时推力测试系统推力示值为推力物理量。以轴向为中心旋转一个安装角度，推力施加设备分别施加5个推力值，分别记录推力施加设备和推力测试系统的推力示值，获得若干组测试数据。

按照以下公式计算推力测试系统测试精度：

推力测试系统测试精度＝(推力测试系统推力示值-推力施加设备推力示值)/推力满量程×100％

计算得到若干精度值，其中最大值作为本次推力测试精度。

S6.推力测试

确定推力测试精确度后，将等效件、推力测试系统等安装到综合传动装置内部开展工况推力试验。试验过程获得等效件的时间—推力值曲线，即为油缸输出的时间—推力曲线，当油缸推力作用于等效件时，推力测试系统实时显示和存储当前推力值，认为此值是油缸施加的推力，即异型薄板零件所受推力，由此实现异型薄板推力测试。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种异型薄板推力测试方法，其特征在于，由等效件替代异型薄板零件接受油缸推力，测试等效件受到的推力等效于测试异型薄板零件所受的推力；所述推力测试方法包括如下步骤：

S1.等效件仿真分析

使用模拟装配和运动仿真工具设计等效件，所述等效件能够替代异型薄板零件在综合传动装置内的作用，等效件在综合传动装置内部的功能、性能、与其他零件的输入/输出接口和油缸推力受力面均与异型薄板零件一致，并确保在装配与整机试验中不会产生干涉问题；

等效件上设计有安装传感及推力测试系统的测试空间，利用仿真分析软件在等效件的受力面上施加推力，分析等效件径向应变和推力之间的函数关系，使得等效件满足测试空间内等效件径向应变与所受推力为线性关系的设计要求；仿真分析时测点选择同一推力下应变最大位置，位于等效件的测试空间且为非推力作用面；

利用仿真分析软件对等效件离心力进行仿真分析，要求等效件离心力在形变方向造成的径向应变值小于推力造成的径向应变值至少3个数量级，并由此确定应变片在等效件上的粘贴位置和粘贴方向；

S2.等效件加工

依据仿真分析结果加工等效件，要求等效件材料均匀且与异型薄板零件一致，材料特性参数已知；

S3.应变片粘贴

依据仿真分析结果，以等效件的应变最大位置点及应力方向作为应变片粘贴位置和粘贴方向，在等效件的每个位置点的正反两处各粘贴一个应变片，正反两个应变片构成惠斯通全桥的相邻桥臂，每两个位置点的四个应变片组成一组惠斯通全桥；

S4.推力测试系统设计

推力测试系统由遥测系统和采集存储器组成；其中，遥测系统用于将旋转的等效件上的应变信息转换成电量，并将电量传输至安装在综合传动装置外部的采集存储器；遥测系统由前端旋转模块和后端固定模块组成，前端旋转模块具有微型结构，半嵌入等效件附近零件与等效件同步运动，通过线缆将应变片的应变信息传输至前端旋转模块；前端旋转模块对惠斯通全桥供电的同时接收应变片输出的应变信息并转换成微电压，将微电压调制成高频信号后进行发射；后端固定模块安装在等效件附近的固定零件上，接收前端旋转模块发射的高频信号，对高频信号解调成常规电量并引出综合传动装置，传输至采集存储器；

S5.标定

获得等效件所受推力与输出电量之间的函数关系，修正推力测试系统；

S6.推力测试

将等效件、推力测试系统安装到综合传动装置内部开展工况推力试验；试验过程获得等效件的时间—推力值曲线，即为油缸输出的时间—推力曲线，当油缸推力作用于等效件时，推力测试系统实时显示和存储当前推力值，认为此值是油缸施加的推力，即异型薄板零件所受推力。

2.如权利要求1所述的推力测试方法，其特征在于，惠斯通全桥相邻桥臂的应变片所处温度一致，应变片热输出相同。

3.如权利要求1所述的推力测试方法，其特征在于，步骤S5.标定的方法为：使用标定工装将等效件安装到推力施加设备，标定工装由底板和顶板组成，底板用于将等效件固定在推力施加设备上；顶板用于将推力均匀施加于等效件的受力作用面上；底板和顶板将等效件夹在中间，并用多个螺钉固定；通过底板上的定位凸台将标定工装和推力施加设备进行定位和固定；推力施加设备的推力作用在顶板上，由顶板向等效件施加推力；从采集存储器读取对应的电量值，形成推力与电量之间的函数关系以修正测试系统。

4.如权利要求3所述的推力测试方法，其特征在于，步骤S5中，对等效件进行4次加载，将第1次加载位置设为0°，在要测量的推力全量程选择若干等间隔推力值，由小到大逐点向等效件施加推力，记录推力施加设备的推力值和推力测试系统显示的电量值；由大到小逐点向等效件施加标准推力，记录推力施加设备的推力值和推力测试系统的电量值；重复由小到大施加推力和由大到小施加推力步骤3次，获得3组数据；将等效件和标定工装以轴向为中心分别旋转90°、180°和270°后，重复开展第2、3、4次加载，每个角度进行3次加载，每次加载均记录推力值和推力测试系统电量示值，总共得到12组推力—电量值试验数据。

5.如权利要求4所述的推力测试方法，其特征在于，步骤S5中，对标定得到的试验数据进行处理，以修正推力测试系统示值：

(1)确认数据的有效性：将同一推力值作用下获得的12个电量值进行标准差计算，每个推力值对应的电量值标准差与推力满量程的比不大于推力测试要求的精度，认为数据有效；

(2)数据的剔除和补充：若计算的标准差大于推力测试要求的精度，则对每一组数进行方差计算，剔除方差最大的一组数，用新的实验数据填补，重复步骤(1)直至符合要求；

(3)修正曲线的计算：对同一推力作用的12个电量值进行均值计算，每一个推力值对应一个电量均值，用最小二乘法进行线性拟合，获得推力—电量函数表达式及其线性度、灵敏度、滞后和重复性指标；

(4)将推力—电量函数表达式输入推力测试系统的数据修正模块，数据修正模块将实时采集到的电量依据推力—电量函数表达式实时转换成推力，以对测试结果进行修正。

6.如权利要求4所述的推力测试方法，其特征在于，步骤S5中，进行测试误差校准，方法为：将推力—电量函数输入推力测试系统作为推力修正函数，此时推力测试系统推力示值为推力物理量；以轴向为中心旋转一个安装角度，推力施加设备分别施加多个推力值，分别记录推力施加设备和推力测试系统的推力示值，获得若干组测试数据；按照以下公式计算推力测试系统测试精度：

推力测试系统测试精度＝(推力测试系统推力示值-推力施加设备推力示值)/推力满量程×100％

计算得到若干精度值，以其中最大值作为推力测试精度。