CN114061974A - 一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台 - Google Patents

一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，包括机架、驱动模块、惯性载荷模块、刹车制动模块和控制系统。本发明是由伺服电机启动后带动带轮系旋转，通过电磁离合器的分离与吸合控制传动轴的旋转，传动轴将动能传递到惯量飞轮，旋转刹车片在惯量飞轮的带动下旋转，电动推杆通过轴向进给运动带动进给刹车片压紧并摩擦旋转刹车片，直至刹车片停止相对运动完成一次刹车制动模拟实验，实验过程中由动态扭矩传感器、温度传感器和压力传感器实时采集相应数据并输入到控制系统中。实验台可以为建立刹车片可靠性数字孪生体提供物理实体和实时数据。

Description

一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台
(一)技术领域
本发明涉及质量与可靠性领域，具体为一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台。
(二)背景技术
刹车片是刹车制动系统中最关键的安全零件，在实际运行工作中面临着十分复杂的工况，具有强非线性和强不可测干扰的特点，难以针对刹车片进行精确的系统建模。而现有提出的有关刹车片磨损机理的物理模型也大都进行了理想化处理，模型泛化能力差，难以在实际的设备健康管理中直接应用。
数字孪生技术通过综合利用物理模型、传感器数据、历史运行数据等信息，在虚拟空间中完成对实体装备全生命周期的数字映射，具有动态进化的技术特点。将数字孪生技术应用到刹车片的健康状态感知中，利用其动态进化的特点可以提高刹车片磨损物理模型的泛化能力，进而提高刹车片可靠性相关指标预测的准确度，有效指导各种复杂装备刹车片的维修更换策略。
数字孪生的三大基本组成是物理空间的实体、数字空间的虚拟体及物理空间和数字空间之间的数据和信息交互接口，因此设计搭建以刹车片摩擦制动为核心功能的刹车制动实验台是构建刹车片可靠性数字孪生的必要前提。但是市场上常见的刹车制动实验台结构复杂，且实验装置集成一体化程度高，难以针对可靠性数字孪生的特点布置相应的传感器，不便于操作，难以满足实验需求。因此，本发明提供一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台。
(三)发明内容
针对上述问题，本发明提供一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，通过在实验台各个组成模块布置传感器，实时地采集制动实验过程中的工况数据，并传输到上位机软件储存，为构建刹车片可靠性数字孪生提供物理实体和数据信息。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，包括机架、驱动模块、惯性载荷模块、刹车制动模块和控制系统。所述机架设置有底板、侧板和安装面板，所述底板设置有四个福马轮，所述侧板后侧设置有带锁双开门，所述安装面板安装在机架上方，所述驱动模块包括伺服电机、带轮系、电磁离合器、轴承、传动轴及防护罩，所述带轮系由主动带轮、从动带轮和V带组成，所述主动带轮与伺服电机连接，所述从动带轮安装在电磁离合器上，所述主动带轮和从动带轮通过V带连接，所述电磁离合器线圈座通过法兰与机架连接，所述电磁离合器电极板通过键槽与带轮系的从动带轮连接，所述传动轴与电磁离合器通过键定位和轴孔配合连接，所述传动轴另一端设置有惯性载荷模块，所述惯性载荷模块包括轴承、传动轴、惯量飞轮、联轴器、动态扭矩传感器、刹车片安装法兰及旋转刹车片，所述旋转刹车片通过环型压边和销钉安装在惯性载荷模块的刹车片安装法兰面上，所述轴承通过轴承安装板固定位置和高度，所述惯量飞轮共有四个，安装在传动轴上与驱动模块连接，所述动态扭矩传感器采用侧面安装的方式安装在动态扭矩传感器安装面板，所述动态扭矩传感器一端通过联轴器与传动轴连接，另一端通过联轴器与刹车片安装法兰连接，所述刹车制动模块包括刹车片安装法兰、进给刹车片、温度传感器、刹车导向机构、压力传感器、弹力控制器、电动推杆及刹车片防护罩，所述轴向进给刹车片通过环型压边和销钉安装在刹车制动模块的刹车片安装法兰上，所述温度传感器共有三颗，采用螺钉安装方式均匀安装在轴向进给刹车片背面，所述刹车导向机构包括刹车导向轴承安装板和导向柱，所述刹车导向轴承安装板通过螺栓安装在安装面板上，所述刹车导向机构设置有三根导向柱，所述导向柱通过螺栓安装在刹车导向轴承安装面板上，所述导向机构右侧连接有压力传感器，所述压力传感器右侧连接有弹力控制器，所述弹簧控制器包括直线导轨、滑动轴承、压力弹簧和轴向压杆，所述直线导轨通过螺栓安装在安装面板上，所述轴向压杆右侧连接有电动推杆，所述刹车片防护罩通过销钉安装在安装面板上，所述控制系统包括手动控制板、硬件控制系统及上位机软件，所述手动控制板安装在安装面板上并设置有按钮，所述硬件控制系统包括控制电路、驱动器及可编程逻辑控制器，所述上位机软件用于数据的显示及储存。
优选的，所述实验台采用手自一体控制设计，通过手动开关及自动化程序完成相关实验控制。
优选的，所述电磁离合器选用动摩擦扭矩20Nm的法兰安装式电磁离合器。
优选的，所述伺服电机的型号为MHMF082L1A1。
优选的，所述传动轴材料采用45#钢。
优选的，所述惯量飞轮采用不锈钢材质，四个惯量飞轮的惯量分别设计为0.2Kg·m2、0.1Kg·m2、0.05Kg·m2、0.025Kg·m2。
优选的，所述动态扭矩传感器的量程选用0-100Nm。
优选的，所述温度传感器选用K型热电偶，测温范围为0-300℃，传感器本体采用不锈钢制作螺钉安装型。
优选的，所述压力传感器采用轮辐式压力传感器，传感器表面采用优质合金钢镀镍处理。
优选的，所述压力弹簧选用外径30mm，内径15mm的矩形弹簧，弹簧最大弹力1187N。
优选的，所述电动推杆选用铝合金材质，最大推力为1000N。
优选的，所述刹车片采用环型盘式刹车片。
优选的，所述可编程逻辑控制器选用SIMATIC S7-1200小型可编程控制器。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本实验台可以在模拟刹车制动的实验过程中，通过各个模块布置的传感器实时采集并上传刹车制动实验的环境参数和刹车片的工况参数，满足构建刹车片可靠性数字孪生的物理实体需求。
(四)附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的机架结构示意图；
图3为本发明的驱动模块结构示意图；
图4为本发明的惯性载荷模块结构示意图；
图5为本发明的刹车制动模块结构示意图；
图6为本发明的控制系统组成示意图；
图中，1-机架，2-驱动模块，3-惯性载荷模块，4-刹车制动模块，5-控制系统，6-底板，7-福马轮，8-侧板，9-安装面板，10-带锁双开门，11-伺服电机，12-主动带轮，13-从动带轮，14-V带，15-电磁离合器，16-轴承，17-传动轴，18-防护罩，19-惯量飞轮，20-联轴器，21-动态扭矩传感器，22-刹车片安装法兰，23-旋转刹车片，24-进给刹车片，25-温度传感器，26-刹车导向机构，27-压力传感器，28-导向柱，29-刹车导向轴承安装板，30-弹力控制器，31-滑动轴承，32-压力弹簧，33-直线导轨，34-轴向压杆，35-电动推杆，36-刹车片防护罩，37-手动控制板，38-硬件控制系统，39-上位机软件，40-驱动器，41-可编程逻辑控制器。
(五)具体实施方式
下面将结合实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：
一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，包括机架1、驱动模块2、惯性载荷模块3、刹车制动模块4和控制系统5。所述机架设置有底板6、侧板8和安装面板9，所述底板6设置有四个福马轮7，所述侧板8后侧设置有带锁双开门10，所述安装面板9安装在机架1上方，所述驱动模块2包括伺服电机11、带轮系、电磁离合器15、轴承16、传动轴17及防护罩18，所述带轮系由主动带轮12、从动带轮13和V带14组成，所述主动带轮12与伺服电机11连接，所述从动带轮13安装在电磁离合器15上，所述主动带轮12和从动带轮13通过V带14连接，所述电磁离合器15线圈座通过法兰与机架1连接，所述电磁离合器15电极板通过键槽与带轮系的从动带轮13连接，所述传动轴17与电磁离合器15通过键定位和轴孔配合连接，所述传动轴17另一端设置有惯性载荷模块3，所述惯性载荷模块3包括轴承16、传动轴17、惯量飞轮19、联轴器20、动态扭矩传感器21、刹车片安装法兰22及旋转刹车片23，所述旋转刹车片23通过环型压边和销钉安装在刹车片安装法兰面22上，所述惯量飞轮19共有四个，安装在传动轴17上与驱动模块2连接，所述动态扭矩传感器21采用侧面安装的方式安装在动态扭矩传感器安装面板上，所述动态扭矩传感器21一端通过联轴器20与传动轴17连接，另一端通过联轴器20与刹车片安装法兰22连接，所述刹车制动模块4包括刹车片安装法兰22、进给刹车片24、温度传感器25、刹车导向机构26、压力传感器27、弹力控制器30、电动推杆35及刹车片防护罩36，所述轴向进给刹车片24通过环型压边和销钉安装在刹车片安装法兰22上，所述温度传感器25共有三颗，采用螺钉安装方式均匀安装在进给刹车片24背面，所述刹车导向机构26包括刹车导向导向柱28和轴承安装板29，所述刹车导向轴承安装板29通过螺栓安装在安装面板9上，所述刹车导向机构26设置有三根导向柱28，所述导向柱28通过螺栓安装在刹车导向轴承安装面板29上，所述刹车导向机构26右侧连接有压力传感器27，所述压力传感器27右侧连接有弹力控制器30，所述弹簧控制器30包括滑动轴承31、压力弹簧32、直线导轨33和轴向压杆34，所述直线导轨33通过螺栓安装在安装面板9上，所述轴向压杆34右侧连接有电动推杆35，所述刹车片防护罩36通过销钉安装在安装面板9上，所述控制系统5包括手动控制板37、硬件控制系统38及上位机软件39，所述手动控制板39安装在安装面板9上并设置有按钮，所述硬件控制系统38包括控制电路、驱动器40及可编程逻辑控制器41，所述上位机软件39用于数据的显示及储存。
优选的，所述实验台采用手自一体控制设计，通过手动开关及自动化程序完成相关实验控制。
优选的，所述电磁离合器15选用动摩擦扭矩20Nm的法兰安装式电磁离合器。
优选的，所述伺服电机11的型号为MHMF082L1A1。
优选的，所述传动轴17材料采用45#钢。
优选的，所述惯量飞轮19采用不锈钢材质，四个惯量飞轮的惯量分别设计为0.2Kg·m2、0.1Kg·m2、0.05Kg·m2、0.025Kg·m2。
优选的，所述动态扭矩传感器21的量程选用0-100Nm。
优选的，所述温度传感器25选用K型热电偶，测温范围为0-300℃，传感器本体采用不锈钢制作螺钉安装型。
优选的，所述压力传感器27采用轮辐式压力传感器，传感器表面采用优质合金钢镀镍处理。
优选的，所述压力弹簧32选用外径30mm，内径15mm的矩形弹簧，弹簧最大弹力1187N。
优选的，所述电动推杆35选用铝合金材质，最大推力为1000N。
优选的，所述旋转刹车片23和进给刹车片24采用环型盘式刹车片。
优选的，所述可编程逻辑控制器41选用SIMATIC S7-1200小型可编程控制器。
工作原理：首先在实验台断电状态下将旋转刹车片23和进给刹车片24安装至刹车片安装法兰22上，实验台通过电线接通外部电源，由外部电源向实验台提供能量，由驱动模块2为整个实验台提供动力，驱动模块2由伺服电机11带动主动带轮12转动，并通过V带14带动从动带轮13转动，从动带轮13安装在电磁离合器15上，通过控制电磁离合器15的分离和吸合，从而控制传动轴17的转动状态。传动轴17将动能传递给惯量飞轮19，惯量飞轮19加速到一定转速后脱离驱动模块2并将惯性转速传递到动态扭矩传感器21上，动态扭矩传感器21实时采集传动轴17的扭矩和转速输入并储存在上位机软件39，同时带动惯性载荷模块3的刹车片安装法兰22转动，进而带动旋转刹车片23转动。通过刹车制动模块4的电动推杆35作轴向进给运动带动进给刹车片24作轴向进给运动，压紧并摩擦旋转刹车片23直至停止，完成模拟刹车片刹车制动的过程。通过调节弹力控制器30的压缩量调节轴向压力，并通过压力传感器27将轴向压力数据实时采集并储存在上位机软件39，刹车片磨损过程中产生的热量通过安装在进给刹车片24背面的温度传感器25实时测量采集并并储存在上位机软件39，为构建可靠性数字孪生体提供实时数据。

Claims (13)

1.一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：包括机架(1)、驱动模块(2)、惯性载荷模块(3)、刹车制动模块(4)和控制系统(5)。所述机架设置有底板(6)、侧板(8)和安装面板(9)，所述底板(6)设置有四个福马轮(7)，所述侧板(8)后侧设置有带锁双开门(10)，所述安装面板(9)安装在机架(1)上方，所述驱动模块(2)包括伺服电机(11)、带轮系、电磁离合器(15)、轴承(16)、传动轴(17)及防护罩(18)，所述带轮系由主动带轮(12)、从动带轮(13)和V带(14)组成，所述主动带轮(12)与伺服电机(11)连接，所述从动带轮(13)安装在电磁离合器(15)上，所述主动带轮(12)和从动带轮(13)通过V带(14)连接，所述电磁离合器(15)线圈座通过法兰与机架(1)连接，所述电磁离合器(15)电极板通过键槽与带轮系的从动带轮(13)连接，所述传动轴(17)与电磁离合器(15)通过键定位和轴孔配合连接，所述传动轴(17)另一端设置有惯性载荷模块(3)，所述惯性载荷模块(3)包括轴承(16)、传动轴(17)、惯量飞轮(19)、联轴器(20)、动态扭矩传感器(21)、刹车片安装法兰(22)及旋转刹车片(23)，所述旋转刹车片23)通过环型压边和销钉安装在刹车片安装法兰面(22)上，所述惯量飞轮(19)共有四个，安装在传动轴(17)上与驱动模块(2)连接，所述动态扭矩传感器(21)采用侧面安装的方式安装在动态扭矩传感器安装面板上，所述动态扭矩传感器(21)一端通过联轴器(20)与传动轴(17)连接，另一端通过联轴器(20)与刹车片安装法兰(22)连接，所述刹车制动模块(4)包括刹车片安装法兰(22)、进给刹车片(24)、温度传感器(25)、刹车导向机构(26)、压力传感器(27)、弹力控制器(30)、电动推杆(35)及刹车片防护罩(36)，所述轴向进给刹车片(24)通过环型压边和销钉安装在刹车片安装法兰(22)上，所述温度传感器(25)共有三颗，采用螺钉安装方式均匀安装在进给刹车片(24)背面，所述刹车导向机构(26)包括刹车导向导向柱(28)和轴承安装板(29)，所述刹车导向轴承安装板(29)通过螺栓安装在安装面板(9)上，所述刹车导向机构(26)设置有三根导向柱(28)，所述导向柱(28)通过螺栓安装在刹车导向轴承安装面板(29)上，所述刹车导向机构(26)右侧连接有压力传感器(27)，所述压力传感器(27)右侧连接有弹力控制器(30)，所述弹簧控制器(30)包括滑动轴承(31)、压力弹簧(32)、直线导轨(33)和轴向压杆(34)，所述直线导轨(33)通过螺栓安装在安装面板(9)上，所述轴向压杆(34)右侧连接有电动推杆(35)，所述刹车片防护罩(36)通过销钉安装在安装面板(9)上，所述控制系统(5)包括手动控制板(37)、硬件控制系统(38)及上位机软件(39)，所述手动控制板(39)安装在安装面板(9)上并设置有按钮，所述硬件控制系统(38)包括控制电路、驱动器(40)及可编程逻辑控制器(41)，所述上位机软件(39)用于数据的显示及储存。
2.根据权利要求1所述的一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：所述实验台采用手自一体控制设计，通过手动开关及自动化程序完成相关实验控制。
3.根据权利要求1所述的一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：所述电磁离合器(15)选用动摩擦扭矩20Nm的法兰安装式电磁离合器。
4.根据权利要求1所述的一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：所述伺服电机(11)的型号为MHMF082L1A1。
5.根据权利要求1所述的一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：所述传动轴(17)材料采用45#钢。
6.根据权利要求1所述的一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：所述惯量飞(19)采用不锈钢材质，四个惯量飞轮的惯量分别设计为0.2Kg·m2、0.1Kg·m2、0.05Kg·m2、0.025Kg·m2。
7.根据权利要求1所述的一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：所述动态扭矩传感器(21)的量程选用0-100Nm。
8.根据权利要求1所述的一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：所述温度传感器(25)选用K型热电偶，测温范围为0-300℃，传感器本体采用不锈钢制作螺钉安装型。
9.根据权利要求1所述的一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：所述压力传感器(27)采用轮辐式压力传感器，传感器表面采用优质合金钢镀镍处理。
10.根据权利要求1所述的一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：所述压力弹簧(32)选用外径30mm，内径15mm的矩形弹簧，弹簧最大弹力1187N。
11.根据权利要求1所述的一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：所述电动推杆(35)选用铝合金材质，最大推力为1000N。
12.根据权利要求1所述的一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：所述旋转刹车片(23)和进给刹车片(24)采用环型盘式刹车片。
13.根据权利要求1所述的一种面向可靠性数字孪生的刹车制动实验台，其特征在于：所述可编程逻辑控制器(41)选用SIMATIC S7-1200小型可编程控制器。
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