軸系扭轉振動模擬試驗臺及其測試方法
【專利摘要】本發明公開了一種軸系扭轉振動模擬試驗臺及其測試方法，模擬試驗臺包括轉軸、扭振傳感器、控制器、驅動裝置和負載轉矩發生裝置，扭振傳感器和負載轉矩發生裝置均安裝在轉軸上，將轉軸用于模擬混合動力挖掘機動力系統的軸系；扭振傳感器的數據輸出端連接至控制器的數據輸入端，驅動裝置驅動轉軸和負載轉矩發生裝置轉動，負載轉矩發生裝置通過一皮帶輪機構使轉軸負載轉矩發生變化，通過轉軸在負載轉矩下的扭轉振動模擬混合動力挖掘機動力系統軸系的扭轉振動；再通過扭振傳感器獲取轉軸的扭轉振動幅值，并將扭轉振動幅值數據輸入到控制器進行數據處理分析和測試。本發明操作簡便、結構簡單，能向軸系施加可調節、具有短時沖擊特性負載轉矩。
【專利說明】軸系扭轉振動模擬試驗臺及其測試方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種扭轉振動模擬試驗臺及測試方法，尤其涉及一種可特別適用于混合動力挖掘機的軸系扭轉振動模擬試驗臺及測試方法。
【背景技術】
[0002]混合動力挖掘機在節約燃油消耗和減少污染物排放方面具有優勢，是挖掘機的發展趨勢之一。混合動力挖掘機的研制歷時較短，許多關鍵技術還不成熟，因此混合動力挖掘機當前還處于研制和改進階段。
[0003]混合動力挖掘機動力系統在引入ISG電動機后會在軸系廣生扭轉振動。試驗結果表明，混合動力系統軸系的扭轉振動容易引起軸系斷裂等嚴重事故。因此，有必要對混合動力系統軸系的扭轉振動現象展開深入研究。然而，考慮到現有混合動力挖掘機的動力系統結構緊湊、復雜，并不適于直接作為試驗平臺開展混合動力系統軸系扭轉振動測試的相關研究。因此，有必要研制一種結構簡單、成本低、測試結果準確的軸系扭轉振動模擬試驗臺以用于開展混合動力挖掘機動力系統軸系扭轉振動研究。
【發明內容】
[0004]本發明要解決的技術問題是克服現有技術的不足，提供一種操作簡便、結構簡單、能夠模擬動力系統軸系的旋轉運動、且能向軸系施加可調節、具有短時沖擊特性負載轉矩的軸系扭轉振動模擬試驗臺，還相應提供一種操作簡單、測試結果準確可靠、負載轉矩大小可調的測試方法。
[0005]為解決上述技術問題，本發明提出的技術方案為一種軸系扭轉振動模擬試驗臺，所述軸系扭轉振動模擬試驗臺包括轉軸、扭振傳感器、控制器、驅動裝置和負載轉矩發生裝置，所述扭振傳感器和負載轉矩發生裝置均安裝在轉軸上，扭振傳感器的數據輸出端連接至控制器的數據輸入端，所述驅動裝置驅動轉軸和負載轉矩發生裝置轉動，所述負載轉矩發生裝置主要是通過一皮帶輪機構使轉軸負載轉矩發生變化。
[0006]上述的軸系扭轉振動模擬試驗臺中，優選的，所述負載轉矩發生裝置包括皮帶輪和偏心帶輪，負載轉矩發生裝置通過皮帶輪安裝在轉軸上，皮帶輪和偏心帶輪之間通過傳動帶連接。該優選的軸系扭轉振動模擬試驗臺特別適用于測試混合動力挖掘機動力系統的軸系扭轉振動，混合動力挖掘機動力系統軸系的負載特性與一般機械存在差別，其負載具有周期性，周期為幾秒到幾十秒不等，負載還具有短時沖擊特性，而該優選的皮帶輪機構不僅結構非常簡單、成本低廉、調節方便，而且可實現轉軸短時沖擊負載轉矩的周期性變化。
[0007]更優選的，所述轉軸最好為彈性軸，彈性軸的一端連接于皮帶輪的圓心處，另一端連接所述驅動裝置或連接至一軸承，且驅動裝置通過彈性軸給負載轉矩發生裝置提供動力。另一種優選的方案是，彈性軸的一端連接于皮帶輪的圓心處，另一端連接至一軸承，軸承固定于基座上，驅動裝置通過負載轉矩發生裝置給彈性軸提供動力。優選彈性軸是希望在相同負載轉矩下能產生更加顯著的扭轉振動，以便于分析負載變化帶來的影響，并可以通過更換不同參數的彈性軸模擬不同剛度的混合動力系統軸系。
[0008]上述的軸系扭轉振動模擬試驗臺中，優選的，所述扭振傳感器包括扭振測試儀和獲取轉軸轉速波動情況的編碼器；所述編碼器的輸出端與扭振測試儀相連。更優選的，所述編碼器與轉軸同心安裝，轉軸每旋轉I圈，編碼器的輸出脈沖數不少于60個，扭振測試儀的測試精度不小于0.001°。
[0009]上述的軸系扭轉振動模擬試驗臺中，優選的，所述驅動裝置為電動機，所述控制器的輸出端連接至驅動裝置的控制端，所述電動機是通過一聯軸器與轉軸或負載轉矩發生裝置相連接，所述控制器通過改變電動機的轉速改變轉軸負載轉矩的施加頻率。
[0010]作為一個總的技術構思，本發明還提供一種用上述軸系扭轉振動模擬試驗臺對軸系扭轉振動進行測試的方法，將所述軸系扭轉振動模擬試驗臺用于測試混合動力挖掘機動力系統的軸系扭轉振動，具體包括以下步驟:
將彈性軸用于模擬混合動力挖掘機動力系統的軸系；通過所述驅動裝置驅動彈性軸轉動；
使彈性軸的一端裝設所述負載轉矩發生裝置；
通過彈性軸在所述負載轉矩發生裝置產生的外部載荷下的扭轉振動模擬混合動力挖掘機動力系統軸系的扭轉振動；
再通過所述扭振傳感器獲取彈性軸的扭轉振動幅值，并將扭轉振動幅值數據輸入到所述控制器并進行數據處理分析和測試。
[0011]上述的測試方法中，優選的，所述負載轉矩發生裝置是通過一皮帶輪機構使彈性軸負載轉矩發生變化，該皮帶輪機構是由裝設于彈性軸一端的皮帶輪帶動，并通過傳動帶將轉動傳遞到另一偏心帶輪，在傳動過程中基于偏心帶輪的作用使偏心帶輪與皮帶輪之間的圓心距發生改變，改變了傳動帶的張力，進而引起彈性軸負載轉矩的變化，從而實現彈性軸負載轉矩的施加。
[0012]上述的測試方法中，優選的，所述扭振傳感器是先通過編碼器獲取彈性軸轉速的波動情況，進而通過扭振測試儀獲得彈性軸的扭轉振動幅值。
[0013]上述的測試方法中，優選的，通過所述控制器改變所述驅動裝置的轉速，通過改變所述驅動裝置的轉速改變彈性軸負載轉矩的施加頻率。
[0014]上述的測試方法中，優選的，通過調整所述偏心帶輪安裝時的偏心距改變彈性軸負載轉矩的大小。
[0015]與現有技術相比，本發明的優點在于:
(1)本發明的軸系扭轉振動模擬試驗臺結構簡單、安裝容易、操作方便，能向軸系施加可調節性負載轉矩，可以很好地模擬混合動力挖掘機動力系統軸系的扭轉振動，為后續開展混合動力挖掘機動力系統軸系扭轉振動研究及性能測試提供可靠支撐；
(2)本發明優選的技術方案中，可以很好地調節和控制各種測試參數；本發明通過電動機驅動彈性軸模擬混合動力系統軸系的運動，通過控制電動機轉速的變化可實現彈性軸負載轉矩施加頻率的調節；通過皮帶輪和偏心帶輪可實現彈性軸負載扭矩的周期性變化；通過調整偏心帶輪安裝時的偏心距可以改變彈性軸負載轉矩的大小；
(3)本發明的負載轉矩發生裝置不僅結構簡單、運行可靠，而且由于皮帶輪機構與彈性軸之間為彈性接觸，還能起到對施加負載的過保護作用。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1為本發明實施例1中混合動力挖掘機動力系統軸系扭轉振動模擬試驗臺的結構原理圖。
[0017]圖2為本發明實施例1中負載轉矩發生裝置在圓心距最近時的運動狀態示意圖。
[0018]圖3為本發明實施例1中負載轉矩發生裝置在圓心距最遠時的運動狀態示意圖。
[0019]圖4為本發明實施例2中混合動力挖掘機動力系統軸系扭轉振動模擬試驗臺的結構原理圖。
[0020]圖例說明
1、彈性軸；2、負載轉矩發生裝置；3、扭振傳感器；4、控制器；5、驅動裝置；6、編碼器；
7、扭振測試儀；8、皮帶輪；9、偏心帶輪；10、傳動帶；11、聯軸器；12、軸承；13、基座。
【具體實施方式】
[0021]為了便于理解本發明，下文將結合說明書附圖和較佳的實施例對本發明作更全面、細致地描述，但本發明的保護范圍并不限于以下具體的實施例。
[0022]需要特別說明的是，當某一元件被描述為“固定于、固接于、連接于或連通于”另一元件上時，它可以是直接固定、固接、連接或連通在另一元件上，也可以是通過其他中間連接件間接固定、固接、連接或連通在另一元件上。
[0023]除非另有定義，下文中所使用的所有專業術語與本領域技術人員通常理解的含義相同。本文中所使用的專業術語只是為了描述具體實施例的目的，并不是旨在限制本發明的保護范圍。
[0024]除非另有特別說明，本發明中用到的各種材料、儀器和設備等均可通過市場購買得到或者可通過現有方法制備得到。
[0025]實施例1:
如圖1?圖3所示，一種本發明的用于測試混合動力挖掘機動力系統的軸系扭轉振動模擬試驗臺，包括彈性軸1、負載轉矩發生裝置2、扭振傳感器3、控制器4和驅動裝置5。扭振傳感器3和負載轉矩發生裝置2均安裝在彈性軸I上，扭振傳感器3的數據輸出端連接至控制器4的數據輸入端，控制器4的輸出端連接至驅動裝置5的控制端，驅動裝置5驅動彈性軸I轉動，負載轉矩發生裝置2主要是通過一皮帶輪機構使彈性軸I負載轉矩發生變化。本實施例的驅動裝置5為電動機，該電動機是通過一聯軸器11與彈性軸I相連接，控制器4通過改變電動機的轉速改變彈性軸I負載轉矩的施加頻率。
[0026]如圖1?圖3所示，本實施例的負載轉矩發生裝置2包括皮帶輪8和偏心帶輪9，負載轉矩發生裝置2通過皮帶輪8安裝在彈性軸I上，皮帶輪8和偏心帶輪9之間通過傳動帶10連接。如圖1所示，彈性軸I的一端連接于皮帶輪8的圓心處，另一端連接驅動裝置5，且驅動裝置5通過彈性軸I給負載轉矩發生裝置2提供動力，使彈性軸I和負載轉矩發生裝置2的皮帶輪8轉動。
[0027]如圖1所示，本實施例的扭振傳感器3包括扭振測試儀7和獲取彈性軸I轉速波動情況的編碼器6 ;編碼器6的輸出端與扭振測試儀7相連，扭振測試儀7的輸出端與控制器4的輸入端相連。編碼器6安裝在彈性軸I上且靠近連接驅動裝置5的一端，編碼器6與彈性軸I同心安裝，彈性軸I每旋轉I圈，編碼器6的輸出脈沖數不少于60個，扭振測試儀7的測試精度不小于0.001°，扭振測試儀7通過編碼器6獲取彈性軸I的扭轉振動幅值并將其存入到控制器4中。
[0028]將本實施例的軸系扭轉振動模擬試驗臺用于測試混合動力挖掘機動力系統的軸系扭轉振動，本實施例的軸系扭轉振動模擬試驗臺的工作方法及原理如下:
將彈性軸I用于模擬混合動力挖掘機動力系統的軸系；通過驅動裝置5驅動彈性軸I轉動；使彈性軸I的一端裝設負載轉矩發生裝置2，負載轉矩發生裝置2是通過皮帶輪機構使彈性軸I負載轉矩發生變化，通過彈性軸I在負載轉矩發生裝置2產生的外部載荷下的扭轉振動模擬混合動力挖掘機動力系統軸系的扭轉振動；再通過扭振傳感器3獲取彈性軸I的扭轉振動幅值，并將扭轉振動幅值數據輸入到控制器4并進行數據處理分析和測試。
[0029]本實施例中，負載轉矩發生裝置2通過皮帶輪機構使彈性軸I負載轉矩發生變化的工作機理為:模擬試驗臺工作時，控制器4控制驅動裝置5的起動，驅動裝置5通過聯軸器11驅動彈性軸I轉動，而負載轉矩發生裝置2包括皮帶輪8和偏心帶輪9，彈性軸I 一端連接在皮帶輪8的圓心處，因此彈性軸I的轉動則帶動皮帶輪8轉動；由于皮帶輪8和偏心帶輪9之間通過傳動帶10連接，因此皮帶輪8通過傳動帶10將轉動傳遞到偏心帶輪9 ；偏心帶輪9可通過軸承固定在一基座；如圖2和圖3所示，Cl為皮帶輪8的圓心，C2為偏心帶輪9的圓心，C3為偏心帶輪9的旋轉中心，C1、C2和C3處于同一條直線上，C2和C3之間的距離為e，在傳動過程中偏心帶輪9的作用將使偏心帶輪9與皮帶輪8之間的圓心距發生改變，當運動到圖2所示狀態時，偏心帶輪9與皮帶輪8之間的圓心距最小，當運動到圖3所示狀態時，偏心帶輪9與皮帶輪8之間的圓心距最大，偏心帶輪9在旋轉一周的運動過程中，傳動帶10的長度將變化一次，施加在彈性軸I的負載轉矩也將改變一次，當偏心帶輪進行不斷旋轉時，則可實現對彈性軸I的負載轉矩周期性施加。通過采用偏心帶輪實現加載，能夠實現短時沖擊負載扭矩的施加。同時，通過改變偏心帶輪的外部輪廓形狀，可以實現不同形式的短時沖擊負載扭矩的。
[0030]由于負載轉矩的施加頻率與電動機的轉速相同，通過改變電動機的轉速即可改變前述負載轉矩的施加頻率；而在安裝偏心帶輪9時，通過改變C2和C3之間的偏心距大小，則可改變彈性軸I負載轉矩的大小。整個調節過程簡單，方便。
[0031 ] 本實施例中，扭振傳感器3獲取彈性軸I的扭轉振動幅值的具體原理是:扭振傳感器3先通過編碼器6獲取彈性軸I轉速的波動情況，進而通過扭振測試儀7獲得彈性軸I的扭轉振動幅值，扭振測試儀7獲得的扭轉振動測試數據可以存入控制器4中以備后續使用。
[0032]實施例2:
如圖4所示，一種本發明的用于測試混合動力挖掘機動力系統的軸系扭轉振動模擬試驗臺，包括彈性軸1、負載轉矩發生裝置2、扭振傳感器3、控制器4和驅動裝置5。扭振傳感器3和負載轉矩發生裝置2均安裝在彈性軸I上，扭振傳感器3的數據輸出端連接至控制器4的數據輸入端，控制器4的輸出端連接至驅動裝置5的控制端，負載轉矩發生裝置2主要是通過一皮帶輪機構使彈性軸I負載轉矩發生變化。本實施例的驅動裝置5為電動機，該電動機是通過一聯軸器11與負載轉矩發生裝置2相連接，控制器4通過改變電動機的轉速改變彈性軸I負載轉矩的施加頻率。
[0033]如圖4所示，本實施例的負載轉矩發生裝置2包括皮帶輪8和偏心帶輪9，負載轉矩發生裝置2通過皮帶輪8安裝在彈性軸I上，皮帶輪8和偏心帶輪9之間通過傳動帶10連接。彈性軸I的一端連接于皮帶輪8的圓心處，另一端裝設在一軸承12上，軸承12固定于基座13上，且驅動裝置5通過負載轉矩發生裝置2給彈性軸I提供動力，使彈性軸I和負載轉矩發生裝置2的皮帶輪8轉動。
[0034]如圖4所示，本實施例的扭振傳感器3包括扭振測試儀7和獲取彈性軸I轉速波動情況的編碼器6 ;編碼器6的輸出端與扭振測試儀7相連，扭振測試儀7的輸出端與控制器4的輸入端相連。編碼器6與彈性軸I同心安裝，彈性軸I每旋轉I圈，編碼器6的輸出脈沖數不少于60個，扭振測試儀7的測試精度不小于0.001°，扭振測試儀7通過編碼器6獲取彈性軸I的扭轉振動幅值并將其存入到控制器4中。
[0035]將本實施例的軸系扭轉振動模擬試驗臺用于測試混合動力挖掘機動力系統的軸系扭轉振動，本實施例的軸系扭轉振動模擬試驗臺的工作方法及原理如下:
將彈性軸I用于模擬混合動力挖掘機動力系統的軸系；通過驅動裝置5驅動負載轉矩發生裝置2的偏心帶輪9轉動，偏心帶輪9通過傳動帶10帶動皮帶輪8轉動，由于彈性軸I的一端裝設在皮帶輪8上，因此皮帶輪8又帶動彈性軸I轉動，負載轉矩發生裝置2是通過皮帶輪機構使彈性軸I負載轉矩發生周期性、短時沖擊性變化，通過彈性軸I在負載轉矩發生裝置2產生的外部載荷下的扭轉振動模擬混合動力挖掘機動力系統軸系的扭轉振動；再通過扭振傳感器3獲取彈性軸I的扭轉振動幅值，并將扭轉振動幅值數據輸入到控制器4并進行數據處理分析和測試。
[0036]本實施例中，負載轉矩發生裝置2通過皮帶輪機構使彈性軸I負載轉矩發生變化的工作機理與實施例1基本相同，具體可參見實施例1中的描述以及附圖2和附圖3。通過采用偏心帶輪實現加載，能夠實現短時沖擊負載扭矩的施加。同時，通過改變偏心帶輪的外部輪廓形狀，可以實現不同形式的短時沖擊負載扭矩的。由于負載轉矩的施加頻率與電動機的轉速相同，通過改變電動機的轉速即可改變前述負載轉矩的施加頻率；而在安裝偏心帶輪9時，通過改變C2和C3之間的偏心距大小，則可改變彈性軸I負載轉矩的大小。整個調節過程簡單，方便。
[0037]本實施例中，扭振傳感器3獲取彈性軸I的扭轉振動幅值的具體原理與實施例1相同。
[0038]以上實施例的描述主要是為了進一步說明本發明的基本原理和主要特征，本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明范圍內，本發明要求保護范圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
【權利要求】
1.一種軸系扭轉振動模擬試驗臺，其特征在于:所述軸系扭轉振動模擬試驗臺包括轉軸、扭振傳感器(3)、控制器(4)、驅動裝置(5)和負載轉矩發生裝置(2)，所述扭振傳感器(3)和負載轉矩發生裝置(2)均安裝在轉軸上，扭振傳感器(3)的數據輸出端連接至控制器(4)的數據輸入端，所述驅動裝置(5)驅動轉軸和負載轉矩發生裝置(2)轉動，所述負載轉矩發生裝置(2)主要是通過一皮帶輪機構使轉軸負載轉矩發生變化。
2.根據權利要求1所述的軸系扭轉振動模擬試驗臺，其特征在于:所述負載轉矩發生裝置(2)包括皮帶輪(8)和偏心帶輪(9)，負載轉矩發生裝置(2)通過皮帶輪(8)安裝在轉軸上，皮帶輪(8)和偏心帶輪(9)之間通過傳動帶(10)連接。
3.根據權利要求2所述的軸系扭轉振動模擬試驗臺，其特征在于:所述轉軸為彈性軸(1)，彈性軸(I)的一端連接于皮帶輪(8)的圓心處；另一端連接所述驅動裝置(5)，且驅動裝置(5)通過彈性軸(I)給負載轉矩發生裝置(2)提供動力；或者， 彈性軸(I)的另一端連接至一軸承(12)，軸承(12)固定于基座(13)上，驅動裝置(5)通過負載轉矩發生裝置(2)給彈性軸(I)提供動力。
4.根據權利要求1、2或3所述的軸系扭轉振動模擬試驗臺，其特征在于:所述扭振傳感器(3)包括扭振測試儀(7)和獲取轉軸轉速波動情況的編碼器(6);所述編碼器(6)的輸出端與扭振測試儀(7)相連。
5.根據權利要求4所述的軸系扭轉振動模擬試驗臺，其特征在于:所述編碼器(6)與轉軸同心安裝，轉軸每旋轉I圈，編碼器(6)的輸出脈沖數不少于60個，扭振測試儀(7)的測試精度不小于0.001°。
6.根據權利要求1、2或3所述的軸系扭轉振動模擬試驗臺，其特征在于:所述驅動裝置(5)為電動機，所述控制器(4)的輸出端連接至驅動裝置(5)的控制端，所述電動機是通過一聯軸器(11)與轉軸或負載轉矩發生裝置(2 )相連接，所述控制器(4 )通過改變驅動裝置(5)的轉速改變轉軸負載轉矩的施加頻率。
7.一種用權利要求1?6中任一項所述軸系扭轉振動模擬試驗臺對軸系扭轉振動進行測試的方法，其特征在于:將所述軸系扭轉振動模擬試驗臺用于測試混合動力挖掘機動力系統的軸系扭轉振動，具體包括以下步驟: 將彈性軸(I)用于模擬混合動力挖掘機動力系統的軸系；通過所述驅動裝置(5)驅動彈性軸(I)轉動； 使彈性軸(I)的一端裝設所述負載轉矩發生裝置(2)； 通過彈性軸(I)在所述負載轉矩發生裝置(2)產生的外部載荷下的扭轉振動模擬混合動力挖掘機動力系統軸系的扭轉振動； 再通過所述扭振傳感器(3)獲取彈性軸(I)的扭轉振動幅值，并將扭轉振動幅值數據輸入到所述控制器(4)并進行數據處理分析和測試。
8.根據權利要求7所述的方法，其特征在于:所述負載轉矩發生裝置(2)是通過一皮帶輪機構使彈性軸(I)負載轉矩發生變化，該皮帶輪機構是由裝設于彈性軸(I) 一端的皮帶輪(8)帶動，并通過傳動帶(10)將轉動傳遞到另一偏心帶輪(9)，在傳動過程中偏心帶輪(9)的作用使偏心帶輪(9)與皮帶輪(8)之間的圓心距發生改變，改變了傳動帶(10)的張力，進而引起彈性軸(I)負載轉矩的變化，從而實現彈性軸(I)負載轉矩的施加。
9.根據權利要求7或8所述的方法，其特征在于:所述扭振傳感器(3)是通過編碼器(6 )獲取彈性軸(I)轉速的波動情況，進而通過扭振測試儀(7 )獲得彈性軸(I)的扭轉振動幅值。
10.根據權利要求8所述的方法，其特征在于:通過所述控制器(4)改變所述驅動裝置(5)的轉速，通過改變所述驅動裝置(5)的轉速改變彈性軸(I)負載轉矩的施加頻率；通過調整所述偏心帶輪(9)安裝時的偏心距改變彈性軸(I)負載轉矩的大小。
【文檔編號】G01M7/02GK104165743SQ201410386138
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月7日 優先權日:2014年8月7日
【發明者】黃中華, 謝雅 申請人:湖南工程學院