CN104267617A - 一种动态负载模拟测试试验平台及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态负载模拟测试试验平台，第一扭矩传感器的一端通过第一联轴器连接至试验对象，另一端通过第二联轴器与所述轴的一端连接，轴的另一端通过第三联轴器与所述第二扭矩传感器的一端相连，第二扭矩传感器的另一端连接至所述磁粉制动器；第一轴承、角度传感器、滑环、飞轮、离合器和第二轴承顺次套装在所述轴上；飞轮轮面上均匀地安装有多个电动直线滑台。该平台在试验过程中能够对被试对象所受的惯性负载、扭矩负载进行实时测量，并按照预定的目标自动无级调节惯性负载和扭矩负载，试验过程由测控***闭环控制，故精度高。试验平台飞轮盘结构强度高，稳定性好，可靠性高。

Description

一种动态负载模拟测试试验平台及测试方法

技术领域

本发明属于力学实验技术领域，具体设计一种动态负载模拟测试试验平台及测试方法。

背景技术

负载模拟技术是指在实验室条件下，通过一定的技术手段模拟加载对象的负载力或力矩，是一种新兴的半实物仿真与试验技术。在新产品和新技术的研究与测试中，负载模拟技术克服了必须在实际环境中使用实际的加载对象进行研究的局限性，不仅可以节约试验成本、降低试验风险，而且一些在实际中无法实现的研究方案和***模型也可以通过半实物的负载模拟平台实现。尤其是在诸如航空航天、海洋工程等一些不易进行在线测试的领域，负载模拟技术就显得更加重要。

一个通用的负载模拟***通常需要能够模拟惯性负载及扭矩负载(包括摩擦负载、常值负载、可变负载等)。中国专利授权公告号为201220233572.0的专利公开了一种模拟负载实验装置，用于对电机和减速机进行测试，该模拟负载试验装置包括从动齿轮、主动齿轮、增速器、惯性轮、被试电机和减速机，该发明能同时模拟惯性负载及扭矩负载，但在试验过程中不能实时且无级调节所施加的负载值。在现有技术中为了实现在试验中调节惯性负载，一般采用改变飞轮盘的数量，通过拆装飞轮盘改变惯性负载，故每次调整惯性负载的操作都非常繁琐，为了简化调整过程，现有技术中也有一些优化。例如，中国专利授权公告号为201120176448.0的专利公开了一种转动惯量调节装置，该装置包括至少一组关节臂、运动块、电动机及主轴，通过电动机对主轴上关节臂及运动块的控制来实现对转动惯量的调节。该装置虽然能实现转动惯量的无级调节，但存在着在高速转动的情况下结构不稳定、关节臂容易折断等问题。中国专利授权公告号为201120198960.5的专利公开了一种扭矩负载模拟器，包括转轴、以及轴承套装在转轴上的摩擦片，通过人工收紧定位杆上的弹性件，改变摩擦片与转轴的摩擦力来产生不同的扭矩负载，该发明不能实现负载的实时调节，并且随着负载模拟器的使用，摩擦片会磨损。在同样收紧量的情况下，扭矩负载会发生改变，故负载模拟精度较低。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的不足，本发明的目的就是要提供一种能够精确模拟动态惯性负载及动态扭矩负载(包括摩擦负载、常值负载、可变负载等)的试验平台及测试方法。该平台在试验过程中能够对被试对象所受的惯性负载、扭矩负载进行实时测量，并按照预定的目标自动无级调节惯性负载和扭矩负载，试验过程由测控***闭环控制，故精度高。试验平台飞轮盘结构强度高，稳定性好，可靠性高。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种动态负载模拟测试试验平台，包括第一扭矩传感器、第一轴承、角度传感器、滑环、飞轮、离合器、第二轴承、第二扭矩传感器、磁粉制动器和测控***，所述第一扭矩传感器的一端通过第一联轴器连接至试验对象，另一端通过第二联轴器与所述轴的一端连接，所述轴的另一端通过第三联轴器与所述第二扭矩传感器的一端相连，所述第二扭矩传感器的另一端连接至所述磁粉制动器；

所述第一轴承、角度传感器、滑环、飞轮、离合器和第二轴承顺次套装在所述轴上；

所述飞轮轮面上均匀地安装有多个电动直线滑台，每对相互正对着的所述电动直线滑台关于飞轮的中心中心对称；所述电动直线滑台包括靠近飞轮中心设置的电机、滑块和配重块，所述配重块固定在所述滑块上，所述滑块的滑动动作由所述电机驱动；

所述测控***分别与第一扭矩传感器、第二扭矩传感器、角度传感器和磁粉制动器相连，通过滑环与电动直线滑台的电机相连。

优选的，所述多个电动直线滑台的质量中心和飞轮的中心重合。

优选的，所述飞轮中心位置开设的中心孔内装有第三轴承，所述第三轴承套在轴上；所述飞轮和离合器之间相对的端部分别布置有一对相啮合的牙；离合器上布置有锁紧螺钉，所述轴上沿远离所述飞轮的方向上依次布置有第一锁紧孔、第二锁紧孔及用于限位的第三挡圈；当所述飞轮与离合器啮合时，所述锁紧螺钉与所述第一锁紧孔对齐；当所述离合器抵靠在第三挡圈上时，所述飞轮与离合器脱开，所述锁紧螺钉与第二锁紧孔对齐。

优选的，关于飞轮中心对称安装的配重块的质量相同。

优选的，所述电动直线滑台为滚珠丝杠电动滑台，所述电机为伺服电机，其带动滚珠丝杠旋转，所述滚珠丝杠带动滑块移动。

优选的，所述飞轮还包括基盘，所述基盘上关于飞轮的中心中心对称地开设有孔洞，以减少所述基盘的转动惯量。

所述飞轮上的电动直线滑台的导线与轴上的滑环连接，保证电动直线滑台上电机的导线在旋转时不会缠绕在一起。滑环安装在轴上。

优选的，所述角度传感器选用圆磁栅。

优选的，所述第一联轴器、第二联轴及第三联轴器，选用单膜片联轴器。

优选的，所述轴承、轴承，选用深沟球轴承。

优选的，所述第三轴承选用滚针轴承。

作为一种改进方式，根据实际需要，飞轮上可布置2、4、6、8等偶数对电动直线滑台。

作为一种改进方式，基盘可以采用正多边形钢板或铝板，例如正方形，正六边形，正八边形等，中间可对称镂空以减少基盘的转动惯量。

作为一种改进方式，所述配重块可根据不同的试验更换不同质量的配重块。

本发明可以同时模拟动态惯性负载及动态扭矩负载(包括摩擦负载、常值负载、可变负载等)多种负载形式，也可以模拟其中任意一种负载。在模拟过程中，可实时测试被试对象的扭矩、转角、转速及角加速度，并对惯性负载及扭矩负载进行实时、精确的调节，提高了动态负载模拟精度。

一种动态负载模拟测试方法，包括以下步骤：

(a)测试***根据被测对象的特性，建立动态惯性负载J随时间t的函数J＝F_J(t)及动态扭矩负载T随时间t的函数T＝F_T(t)，函数可以是方程形式也可以是参数表形式。

(b)启动被试对象，测控***不断读取第一扭矩传感器的输出值T₁、第二扭矩传感器的输出值T₂和角度传感器的输出值θ。则在某一时刻t_i，磁粉制动器产生的扭矩负载T_i＝T₂，飞轮产生的惯性负载 $J_i=(T_1-T_2)/\frac{d^2\mathrm{\θ}}{{\mathrm{dt}}^2}.$

(c)将所测得的惯性负载J_i、扭矩负载T_i与步骤(a)中建立的关系函数对比，计算出t_i时刻惯性负载偏差e_Ji＝F_J(t_i)-J_i及扭矩负载偏差e_Ti＝F_T(t_i)-T_i，然后通过PID算法计算下一时刻电动直线滑台及磁粉制动器的输出值，并分别控制其动作。

(d)根据用户输入，判断是否停止实验，如果是则停止实验，否则返回执行步骤(b)。

对于上述方法，优选的，也可建立动态惯性负载J随转角θ的函数J＝F_J(θ)及动态扭矩负载T随转角θ的函数T＝F_T(θ)。

附图说明

图1为一种动态负载模拟测试试验平台的示意图。

图2为飞轮的示意图。

图3为飞轮组件局部放大图。

图4为负载模拟测试方法流程图。

图中，1-试验对象，2-第一联轴器，3-第一扭矩传感器，4-第二联轴器，5-第一轴承，6-角度传感器，7-滑环，8-飞轮，9-第三轴承，10-轴，11-离合器12-第二轴承，13-第三联轴器，14-第二扭矩传感器，15-磁粉制动器，16-测控***，8-1-电动直线滑台，8-2-配重块，8-3-基盘，17-端盖，18-锁紧螺钉，19-第一挡圈，20-第二挡圈，21-第三挡圈，22-支架。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本发明中所述的“和/或”的含义指的是各自单独存在或两者同时存在的情况均包括在内。

本发明中所述的“内、外”的含义指的是相对于设备本身而言，指向设备内部的方向为内，反之为外，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“左、右”的含义指的是阅读者正对附图时，阅读者的左边即为左，阅读者的右边即为右，而非对本发明的装置机构的特定限定。

本发明中所述的“连接”的含义可以是部件之间的直接连接也可以是部件间通过其它部件的间接连接。

如图1所示，本发明提供一种动态负载模拟测试试验平台，主要由第一扭矩传感器3、第一轴承5、角度传感器6、滑环7、飞轮8、离合器11、第二轴承12、第二扭矩传感器14，磁粉制动器15、测控***16组成。所述第一扭矩传感器3的一端通过第一联轴器2连接至试验对象1，另一端通过第二联轴器4与所述轴10的一端连接，所述轴10的另一端通过第三联轴器13与所述第二扭矩传感器14的一端相连，所述第二扭矩传感器14的另一端连接至所述磁粉制动器15；所述第一轴承5、角度传感器6、滑环7、飞轮8、离合器11和第二轴承12顺次套装在所述轴10上；如图2所示，所述飞轮8轮面上均匀地安装有多个电动直线滑台8-1，每对相互正对着的所述电动直线滑台8-1关于飞轮8的中心中心对称；所述电动直线滑台8-1包括靠近飞轮8中心设置的电机、滑块和配重块8-2，所述配重块8-2固定在所述滑块上，所述滑块的滑动动作由所述电机驱动；所述测控***16分别与第一扭矩传感器3、第二扭矩传感器14、角度传感器6和磁粉制动器15相连，通过滑环7与电动直线滑台8-1的电机相连。所述多个电动直线滑台8-1的质量中心和飞轮8的中心重合。

如图3所示，所述飞轮8中心位置开设的中心孔内装有第三轴承9，所述第三轴承9套在轴10上；所述飞轮8和离合器11之间相对的端部分别布置有一对相啮合的牙；离合器11上布置有锁紧螺钉18，所述轴10上沿远离所述飞轮8的方向上依次布置有第一锁紧孔、第二锁紧孔及用于限位的第三挡圈21；当所述飞轮8与离合器11啮合时，所述锁紧螺钉18与所述第一锁紧孔对齐；当所述离合器11抵靠在第三挡圈21上时，所述飞轮8与离合器11脱开，所述锁紧螺钉18与第二锁紧孔对齐。关于飞轮8中心对称安装的配重块的质量相同。所述电动直线滑台8-1为滚珠丝杠电动滑台，所述电机为伺服电机，其带动滚珠丝杠旋转，所述滚珠丝杠带动滑块移动。所述飞轮8还包括基盘8-3，所述基盘8-3上关于飞轮8的中心中心对称地开设有孔洞，以减少所述基盘8-3的转动惯量。

为了保证电动直线滑台8-1上电机上的导线在旋转时不会缠绕在一起，轴10上安装滑环7，滑环7止转片固定在支架上，滑环7法兰固定在端盖17上。导线连接滑环7转子边，在飞轮8旋转时，定子出线不随之转动。

具体的，在试验过程中，测控***16、第一扭矩传感器3、角度传感器6、第二扭矩传感器14、磁粉制动器15、电动直线滑台8-1构成闭环回路。

参阅图4，其是本发明负载模拟测试方法的模拟图。所述负载模拟测试方法具体包括如下步骤：

测试***根据被测对象的特性，建立动态惯性负载J随时间t的函数J＝F_J(t)及动态扭矩负载T随时间t的函数T＝F_T(t)，函数可以是方程形式也可以是参数表形式。

(b)启动被试对象1，测控***不断读取第一扭矩传感器3的输出值T₁、第二扭矩传感器14的输出值T₂和角度传感器6的输出值θ。则在某一时刻t_i，磁粉制动器15产生的扭矩负载T_i＝T₂，飞轮(8)产生的惯性负载

(c)将所测得的惯性负载J_i、扭矩负载T_i与步骤(a)中建立的关系函数对比，计算出t_i时刻惯性负载偏差e_Ji＝F_J(t_i)-J_i及扭矩负载偏差e_Ti＝F_T(t_i)-T_i，然后通过PID算法计算下一时刻电动直线滑台8-1的输出值，并分别控制其动作。第t_i时刻电动直线滑台8-1的输出值ΔF_Ji(t_i)由下式计算：

ΔF_Ji(t_i)＝k_Jp(e_Ji-e_Ji-1)+k_JIe_Ji+k_JD(e_Ji-2e_Ji-1+e_Ji-2)

e_Ji、e_Ji-1、e_Ji-2：分别是动态惯性负载输入与设定值之间的第t_i时刻、第t_i-1时刻、第t_i-2时刻采样偏差值；

k_JP：动态惯性负载的比例系数；

k_JI：动态惯性负载的积分系数；

k_JD：动态惯性负载的微分系数。

通过PID算法计算t_i时刻磁粉制动器15的输出值，并控制其动作。第t_i时刻磁粉制动器15的输出值F_Ti(t_i)由下式计算：

F_Ti(t_i)＝F_Ti-1(t_i-1)+k_Tp(e_Ti-e_Ti-1)+k_TIe_Ti+k_TD(e_Ti-2e_Ti-1+e_Ti-2)

F_Ti(t_i)：磁粉制动器第t_i时刻的输出值。

F_Ti-1(t_i-1)：磁粉制动器第t_i-1时刻的输出值。

e_Ti、e_Ti-1、e_Ti-2：分别是动态扭矩负载输入与设定值之间的第t_i时刻、第t_i-1时刻、第t_i-2时刻采样偏差值。

k_TP：动态扭矩负载的比例系数。

k_TI：动态扭矩负载的积分系数。

k_TD：动态扭矩负载的微分系数。

(d)根据用户输入，判断是否停止实验，如果是则停止实验，否则返回执行步骤(b)。

作为负载模拟测试方法的另一实施例，如下：

(a)也可建立动态惯性负载J随转角θ的函数J＝F_J(θ)及动态扭矩负载T随转角θ的函数T＝F_T(θ)。

(b)启动被试对象1，测控***不断读取第一扭矩传感器3的输出值T₁、第二扭矩传感器14的输出值T₂和角度传感器6的输出值θ。则在某一转角θ_i，磁粉制动器15产生的扭矩负载T_i＝T₂，飞轮8产生的惯性负载

(c)将所测得的惯性负载J_i、扭矩负载T_i与步骤(a)中建立的关系函数对比，计算出θ_i转角时惯性负载偏差e_Ji＝F_J(θ_i)-J_i及扭矩负载偏差e_Ti＝F_T(θ_i)-T_i，然后通过PID算法计算下一转角时电动直线滑台8-1及磁粉制动器15的输出值，并分别控制其动作。第θ_i转角时电动直线滑台8-1的输出值ΔF_Ji(θ_i)由下式计算：

ΔF_Ji(θ_i)＝k_Jp(e_Ji-e_Ji-1)+k_JIe_Ji+k_JD(e_Ji-2e_Ji-1+e_Ji-2)

e_Ji、e_Ji-1、e_Ji-2：分别是动态惯性负载输入与设定值之间的第θ_i转角、第θ_i-1转角、第θ_i-2转角采样偏差值。

k_JP：动态惯性负载的比例系数。

k_JI：动态惯性负载的积分系数。

k_JD：动态惯性负载的微分系数。

通过PID算法计算θ_i转角磁粉制动器15的输出值，并控制其动作。第θ_i转角磁粉制动器15的输出值F_Ti(θ_i)由下式计算：

F_Ti(θ_i)＝F_Ti-1(θ_i-1)+k_Tp(e_Ti-e_Ti-1)+k_TIe_Ti+k_TD(e_Ti-2e_Ti-1+e_Ti-2)

F_Ti(θ_i)：动态扭矩负载θ_i转角时的输出值。

F_Ti-1(θ_i-1)：动态扭矩负载θ_i-1转角时的输出值。

e_Ti、e_Ti-1、e_Ti-2：分别是动态扭矩负载输入与设定值之间的第θ_i转角、第θ_i-1转角、第θ_i-2转角采样偏差值。

k_TP：动态扭矩负载的比例系数。

k_TI：动态扭矩负载的积分系数。

k_TD：动态扭矩负载的微分系数。

(d)根据用户输入，判断是否停止实验，如果是则停止实验，否则返回执行步骤(b)。

本实施例中当轴10与飞轮8之间的离合器11分离时，飞轮8不随轴10转动。此时动态负载模拟测试实验平台只对被试对象1施加扭矩负载。

本实施例中当轴10与飞轮8之间的离合器11啮合，并调节磁粉制动器15制动力矩为零，此时动态负载模拟测试实验平台只对被试对象1施加惯性负载。

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种动态负载模拟测试试验平台，包括第一扭矩传感器(3)、第一轴承(5)、角度传感器(6)、滑环(7)、飞轮(8)、离合器(11)、第二轴承(12)、第二扭矩传感器(14)、磁粉制动器(15)和测控***(16)，其特征在于，所述第一扭矩传感器(3)的一端通过第一联轴器(2)连接至试验对象(1)，另一端通过第二联轴器(4)与所述轴(10)的一端连接，所述轴(10)的另一端通过第三联轴器(13)与所述第二扭矩传感器(14)的一端相连，所述第二扭矩传感器(14)的另一端连接至所述磁粉制动器(15)；

所述第一轴承(5)、角度传感器(6)、滑环(7)、飞轮(8)、离合器(11)和第二轴承(12)顺次套装在所述轴(10)上；

所述飞轮(8)轮面上均匀地安装有多个电动直线滑台(8-1)，每对相互正对着的所述电动直线滑台(8-1)关于飞轮(8)的中心中心对称；所述电动直线滑台(8-1)包括靠近飞轮(8)中心设置的电机、滑块和配重块(8-2)，所述配重块(8-2)固定在所述滑块上，所述滑块的滑动动作由所述电机驱动；

所述测控***(16)分别与第一扭矩传感器(3)、第二扭矩传感器(14)、角度传感器(6)和磁粉制动器(15)相连，通过滑环(7)与电动直线滑台(8-1)的电机相连。

2.根据权利要求1所述的一种动态负载模拟测试试验平台，其特征在于，所述多个电动直线滑台(8-1)的质量中心和飞轮(8)的中心重合。

3.根据权利要求2所述的一种动态负载模拟测试试验平台，其特征在于，所述飞轮(8)中心位置开设的中心孔内装有第三轴承(9)，所述第三轴承(9)套在轴(10)上；所述飞轮(8)和离合器(11)之间相对的端部分别布置有一对相啮合的牙；离合器(11)上布置有锁紧螺钉(18)，所述轴(10)上沿远离所述飞轮(8)的方向上依次布置有第一锁紧孔、第二锁紧孔及用于限位的第三挡圈(21)；当所述飞轮(8)与离合器(11)啮合时，所述锁紧螺钉(18)与所述第一锁紧孔对齐；当所述离合器(11)抵靠在第三挡圈(21)上时，所述飞轮(8)与离合器(11)脱开，所述锁紧螺钉(18)与第二锁紧孔对齐。

4.根据权利要求2所述的一种动态负载模拟测试试验平台，其特征在于，所述飞轮(8)中心对称安装的配重块的质量相同。

5.根据权利要求1所述的一种动态负载模拟测试试验平台，其特征在于，所述电动直线滑台(8-1)为滚珠丝杠电动滑台，所述电机为伺服电机，其带动滚珠丝杠旋转，所述滚珠丝杠带动滑块移动。

6.根据权利要求1所述的一种动态负载模拟测试试验平台，其特征在于，所述飞轮(8)还包括基盘(8-3)，所述基盘(8-3)上飞轮(8)的中心对称地开设有孔洞，以减少所述基盘(8-3)的转动惯量。

7.一种采用如权利要求1所述的动态负载模拟测试试验平台进行的动态负载模拟测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)、测试***(16)根据被测对象(1)的特性，建立动态惯性负载J随时间t的函数J＝F_J(t)及动态扭矩负载T随时间t的函数T＝F_T(t)，函数采用方程形式或参数表形式；

(b)、启动被试对象(1)，测控***(16)不断读取第一扭矩传感器(3)的输出值T₁、第二扭矩传感器(14)的输出值T₂和角度传感器(6)的输出值θ；则在时刻t_i，磁粉制动器(15)产生的扭矩负载T_i＝T₂，飞轮(8)产生的惯性负载

(c)、将所测得的惯性负载J_i、扭矩负载T_i与步骤(a)中建立的关系函数对比，计算出t_i时刻惯性负载偏差e_Ji＝F_J(t_i)-J_i及扭矩负载偏差e_Ti＝F_T(t_i)-T_i，然后通过PID算法计算下一时刻电动直线滑台(8-1)及磁粉制动器(15)的输出值，并分别控制电动直线滑台(8-1)和磁粉制动器(15)的动作；

(d)、根据用户输入，判断是否停止实验，如果是则停止实验，否则返回执行步骤(b)。

8.一种采用如权利要求1所述的动态负载模拟测试试验平台进行的动态负载模拟测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

(a)、测试***(16)根据被测对象(1)的特性，建立动态惯性负载J随转角θ的函数J＝F_J(θ)及动态扭矩负载T随转角θ的函数T＝F_T(θ)；

(b)、启动被试对象(1)，测控***不断读取第一扭矩传感器(3)的输出值T₁、第二扭矩传感器(14)的输出值T₂和角度传感器6的输出值θ；则在转角θ_i，磁粉制动器(15)产生的扭矩负载T_i＝T₂，飞轮8产生的惯性负载

(c)、将所测得的惯性负载J_i、扭矩负载T_i与步骤(a)中建立的关系函数对比，计算出θ_i时惯性负载偏差e_Ji＝F_J(θ_i)-J_i及扭矩负载偏差e_Ti＝F_T(θ_i)-T_i，然后通过PID算法计算下一转角电动直线滑台(8-1)及磁粉制动器(15)的输出值，并分别控制电动直线滑台(8-1)和磁粉制动器(15)的动作；

(d)、根据用户输入，判断是否停止实验，如果是则停止实验，否则返回执行步骤(b)。