CN208091459U - 一种高维强参数激励非线性陀螺系统实验测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高维强参数激励非线性陀螺系统实验测量装置，由驱动电机及其固定装置、安装传动机构及其轴承架构成主体，针对长轴、薄盘类零件在不同位置安装所需连接器和传感器并模拟真实工作所受载荷。测量过程中，驱动电机到传动轴之间的机构经安装调整后保持固定，针对不同直径的长轴和薄盘，采用相应的接头进行安装。长轴振动测量时，其所受轴向力由轴向安装电磁铁产生，由力传感器进行测量，初始变形作用力由径向安装电磁铁产生，振动由位移传感器进行测量。薄盘振动测量时，由电磁铁产生空间固定滑块载荷，由位移传感器和声音传感器进行振动测量。本装置具有结构简单、便于控制、成本较低、功能强大等特点。

Description

一种高维强参数激励非线性陀螺系统实验测量装置

技术领域

本实用新型涉及高维强参数激励非线性陀螺系统振动响应测量技术领域，特别是涉及针对柔性转轴和薄圆盘机械转子在不同转速陀螺效应、参数激励和外激励等情况下的振动响应测量。

背景技术

作为工程基础共性问题，机械转子、输流管道和MEMS陀螺仪等的非线性参变振动均可归结为高维强参数激励非线性陀螺系统动力学问题。它们的振动往往是非线性的，在一定条件下可能产生参变振动乃至动态失稳。对于机械转子系统和输流管道，必须设法减小参变振动，避免动态失稳；MEMS陀螺仪则采用简谐电压激励促使系统产生参变振动乃至动态失稳，以实现较小能耗换取较大振幅，从而大幅度提高系统的分辨率和灵敏度。因此，对高维强参数激励非线性陀螺系统进行振动响应测量具有极大的市场应用价值。

鉴于实际问题的复杂性，可对系统进行适当的降维，但模型的真实性也会降低。同时，参数激励非线性陀螺系统中的参数激励项、阻尼项往往是以较大幅度变化的非线性强项。目前，参数激励陀螺系统的相关领域研究存在着系统维数偏低，非线性研究集中于参数激励项、阻尼项，非线性项为小参数弱项，缺乏陀螺效应和阻尼效应对系统影响的研究，以及高维强参数激励和非线性陀螺系统动力学理论与实验相结合的研究严重缺乏等问题。因此，对于高维强参数激励非线性陀螺系统进行振动响应测量具有重要的理论研究价值。

综上所述，针对以上情况对高速旋转柔性转轴和薄圆盘机械转子作为陀螺系统的两个实例，调节其驱动转速、参数激励和外激励频率及振幅，测量其振动响应，为理论研究提供实验观察和数据校验支持，具有重大的理论研究和市场应用价值。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种高维强参数非线性陀螺系统实验测量装置，测量其在不同系统驱动转速、参数激励和外激励频率及振幅下的稳态响应和动态稳定性。对于柔性转轴，测量其在不同初始变形、恒定转速和周期波动转速、恒定轴向力和周期波动轴向力作用及其相互耦合等情况下的自由振动响应和电磁铁简谐激励响应；对于薄圆盘，测量其在不同初始变形、恒定转速和周期波动转速，有无空间固定滑块载荷系统作用及其相互耦合的情况下的自由振动响应和电磁铁简谐激振响应。柔性转轴所受的轴向力、初始变形所受力和薄圆盘所受的空间固定滑块载荷均由电磁铁产生的电磁力进行模拟。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：

将装置中从电机到传动轴的驱动部分进行固定，仅通过改变待测元件与传动部分的连接方式以及改变所使用传感器的类型以及传感器的安装位置来更换柔性转轴和薄圆盘的测量模式，通过改变激励发生装置的安装位置来改变待测元件所受激励的位置。对于柔性转轴和薄圆盘分别设置了不同的连接结构以完成对其的安装，由测量部分对待测工件的振动、位移等必要参数进行测量。在柔性转轴的测量中，由电磁铁施加模拟轴向力，并由力传感器测出其轴向力大小。同样由电磁铁产生的磁激励去模拟柔性转轴所受的初始变形和薄圆盘所受的空间固定滑块载荷。

所述驱动部分由驱动电机(10)经位电机座(11)由螺栓(12)固定在基板(1)上。为提高电机座的稳定性，在电机座上增设肋板。此结构简单可靠，便于安装操作。

所述安装传动机构(8)主要由传动轴(35)、轴承(32)、轴承挡圈(34)、轴承座(33)和圆螺母(36)组成，整个机构经轴承架(9)固定在基板(1) 上。通过传动轴的尾端与电机轴固定，将运动和动力传入；通过传动轴的前端的两组螺纹孔固定待测工件，将运动和动力传出。

所述待测元件安装部分主要包含φ4长轴、φ6长轴和薄圆盘三种安装模式。φ4长轴(7)直接安装在传动机构(8)上，并由无头螺钉(31)紧固，φ4长轴(7)另一端装有永磁体，与Ⅱ号电磁铁(19)产生的磁力用以模拟轴向力。φ6长轴(13)安装在安装φ6长轴传动机构(14)上，将长轴与传动轴由钢接头(38)相连，长轴连接端由无头螺钉(37)固定，传动轴连接端由螺钉(39) 固定，φ6长轴(7)另一端装有永磁体，与Ⅱ号电磁铁(19)产生的磁力用以模拟轴向力。薄圆盘工件(18)经垫片(42)调整距离后由端盖(40)和螺钉 (41)进行固定到铝接头(44)上，并在铝接头(44)和传动轴(35)之间安装隔热套(46)，再由螺钉(45)固定在传动轴上，组成薄圆盘传动组件(18)。

所述测量部分包含柔性转轴和薄圆盘两种测量模式。柔性转轴测量装置包含轴用位移传感器(5)和力传感器(24)。轴用位移传感器(5)安装在传感器安装架(6)上，并由螺栓安装在基板(1)上；力传感器集成与模拟轴向力产生机构(2)中；基板(1)上均匀地沿主轴线分布了各种安装孔，以适应长轴的不同长度，并可采集转动过程中转轴各位置的位移大小。薄圆盘测量装置包含盘用位移传感器(16)和声音传感器(17)。这两种传感器集中安装在支架(15)，并由螺栓(12)将支架(15)固定在基板(1)上，以便于采集薄圆盘的位移大小和振动声音信号。

所述模拟轴向力产生机构(2)主要包含Ⅱ号电磁铁(19)、导向轴(21)、直线轴承(22)、力传感器(24)和电磁铁座(29)。Ⅱ号电磁铁(19)由螺纹连接安装在导向轴(21)上，并由螺母(20)进行固定。Ⅱ号电磁铁(19)外围装有翅片用以散热。导向轴(21)安装在直线轴承(22)上，另一端安装力传感器(24)。直线轴承(22)由螺栓(23)固定在电磁铁座(29)上。力传感器(24)由螺栓(26)安装在Z型支架(27)上并经螺母(25)进行固定，测量电磁铁所受的力，即为长轴所受轴向力的反作用力。Z型支架(27)由螺栓(28) 和螺母(30)安装固定在电磁铁座(29)上。

所述施加转轴初始变形的Ⅰ号电磁铁(4)经电磁铁支架(3)由螺栓(12) 固定在基板(1)上。Ⅰ号电磁铁(4)外围装有翅片用以散热。该电磁铁也用来模拟薄圆盘实验中的滑块载荷。

本实用新型的优势在于：能够真实模拟柔性转轴在实际工作中的初始变形、转速变化、轴向力变化的影响和薄盘在实际工作中的转速变化、空间固定滑块载荷作用变化的影响，并仅通过更换与传动轴连接的连接件及少量传感器即可更换两种测量模式，便于操作。能够对不同直径、长度的转轴和不同厚度的薄盘进行振动响应的测量。整个装置具有结构简单，操作简便，成本较低等的优点。

附图说明

图1为φ4长轴振动测量装置结构示意图。

图2为φ6长轴振动测量装置结构示意图

图3为薄盘振动测量装置结构示意图。

图4为模拟轴向力产生机构爆炸图。

图5为φ4长轴零件安装传动机构结构图。

图6为φ6长轴零件安装传动机构结构图。

图7为薄盘零件安装传动机构结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进一步说明。

参照图1、2和3，本装置为一个多功能振动测量装置，可通过更换较少的零件或位置来匹配长轴的直径和长度变化以及薄盘的厚度变化。其固定不变的组成部分有：基板(1)、安装传动机构(8)、轴承架(9)、驱动电机(10)和电机座(11)。装配时，将驱动电机(10)通过螺栓螺母固定在电机座(11)上，用螺栓(12)将电机座固定在基板(1)上，完成电机的安装。再将深沟球轴承 (32)安装在轴承座(33)上，由孔用弹性挡圈(34)进行固定，将传动轴(35) 安装在轴承(32)上，轴一侧由轴环进行固定，另一侧安装圆螺母(36)固定并防松。将安装好的传动机构安装在轴承架(9)上，将电机轴套入传动轴(35) 内，再由垫圈进行调平后由螺钉(12)固定在基板(1)上，由无头螺钉(31) 将传动轴(35)与电机(10)进行固定连接，完成传动机构的装配。至此，完成测量中固定部分的安装。通过更换钢接头(38)和铝接头(44)实现测量元件类型的更换。

参照图1和5，φ4长轴零件振动测量安装时，将φ4长轴(7)插入传动轴 (35)孔内，由无头螺钉(31)进行固定。轴用位移传感器(5)由螺纹连接固定在位移传感器支架(6)上后，由螺栓(12)固定在基板(1)上。Ⅰ号电磁铁(4)经螺钉固定在电磁铁支架(3)上后，由螺栓(12)固定在基板(1)上。将装配好的磁激励发生机构(2)由螺栓(12)固定在基板(1)上。至此，完成φ4长轴零件振动测量装置的安装。

参照图4，将直线轴承(22)由螺栓(23)固定在电磁铁座(29)上，将Ⅱ号电磁铁(19)由螺栓连接安装在导向轴(21)上，并由螺母(20)进行固定，并将导向轴(21)插入直线轴承(22)，另一端安装力传感器(24)。力传感器 (24)由螺栓(26)安装在Z型支架(27)上并经螺母(25)进行固定。Z型支架(27)由螺栓(28)和螺母(30)安装固定在电磁铁座(29)上，完成磁激励发生装置的安装。

参照图2和6，安装φ6长轴零件振动测量装置时，将φ6长轴(13)装入钢接头(38)，由无头螺钉(37)进行固定后安装到传动轴(35)上，并由螺钉 (39)进行固定。至此，完成φ6长轴零件振动测量装置的安装。

参照图3和7，将待测薄盘(18)经垫圈(42)进行位置调整后装在铝接头 (44)上，由端盖(40)和螺钉(41)进行固定。将铝接头(44)套上传动轴 (35)，两者之间用隔热套(46)隔离，并由螺钉(45)进行固定。至此，完成薄盘传动组件(14)的安装。将盘用位移传感器(16)和声音传感器(17)由螺纹连接上传感器支架(15)并由螺栓(12)固定在基板(1)上，Ⅰ号电磁铁 (4)经螺钉固定在电磁铁支架(3)上后，由螺栓(12)固定在基板(1)上。至此，完成盘用振动测量装置的安装。

参照图1、2和3，各支架的安装位置均由待测零件的位置经测量后调整确定。

上述实例只为说明本实用新型的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的科研人员和工程技术人员能够了解本实用新型的内容并据此实施，并不能以此限制本实用新型的保护范围。凡根据本实用新型精神所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种高维强参数激励非线性陀螺系统实验测量装置，其特征在于：选用柔性转轴和薄圆盘机械转子作为实例进行测量，仅通过改变待测元件的装夹方式和测量装置来完成测量元件类型的更换；由驱动电机(10)及电机座(11)、安装传动机构(8)及其轴承架(9)构成主体，针对不同类型非线性陀螺系统进行局部组件的调整；测量φ4长轴(7)时，由模拟轴向力产生机构(2)产生轴向力强参数激励，由Ⅰ号电磁铁(4)产生初始变形作用力，由轴用位移传感器(5)测量φ4长轴(7)的振动位移；测量φ6长轴(13)时，磁激励发生和振动测量方法同上；测量薄盘(18)时，由Ⅰ号电磁铁(4)模拟空间固定滑块载荷作用强参数激励，由盘用位移传感器(16)测量其振动位移，由声音传感器(17)测量其振动波形；以此来实现测量元件类型不同的转换。

2.根据权利要求1所述的高维强参数激励非线性陀螺系统实验测量装置，其特征在于：传动轴(31)上设计有φ4孔可供φ4长轴(7)直接安装，并设有两组螺纹孔供钢接头(38)和铝接头(44)进行安装；钢接头(38)用于φ6长轴(13)的安装，铝接头(44)用于测量薄盘(18)的安装，对该装置的测量范围进行扩充。

3.根据权利要求1所述的高维强参数激励非线性陀螺系统实验测量装置，其特征在于：基板(1)上设计有多组传感器架安装孔，以适应不同长度的轴进行不同位置的振动测量。

4.根据权利要求1所述的高维强参数激励非线性陀螺系统实验测量装置，其特征在于：φ4长轴(7)和φ6长轴(13)非连接端装有永磁体，与Ⅱ号电磁铁(19)产生磁力以模拟轴向力强参数激励；由模拟轴向力产生机构(2)中力传感器(24)测得Ⅱ号电磁铁(19)收到的反作用力来计算得到长轴受到的轴向力的大小。