轴系扭转振动模拟试验台及其测试方法
【专利摘要】本发明公开了一种轴系扭转振动模拟试验台及其测试方法，模拟试验台包括转轴、扭振传感器、控制器、驱动装置和负载转矩发生装置，扭振传感器和负载转矩发生装置均安装在转轴上，将转轴用于模拟混合动力挖掘机动力系统的轴系；扭振传感器的数据输出端连接至控制器的数据输入端，驱动装置驱动转轴和负载转矩发生装置转动，负载转矩发生装置通过一皮带轮机构使转轴负载转矩发生变化，通过转轴在负载转矩下的扭转振动模拟混合动力挖掘机动力系统轴系的扭转振动；再通过扭振传感器获取转轴的扭转振动幅值，并将扭转振动幅值数据输入到控制器进行数据处理分析和测试。本发明操作简便、结构简单，能向轴系施加可调节、具有短时冲击特性负载转矩。
【专利说明】轴系扭转振动模拟试验台及其测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种扭转振动模拟试验台及测试方法，尤其涉及一种可特别适用于混合动力挖掘机的轴系扭转振动模拟试验台及测试方法。
【背景技术】
[0002]混合动力挖掘机在节约燃油消耗和减少污染物排放方面具有优势，是挖掘机的发展趋势之一。混合动力挖掘机的研制历时较短，许多关键技术还不成熟，因此混合动力挖掘机当前还处于研制和改进阶段。
[0003]混合动力挖掘机动力系统在引入ISG电动机后会在轴系广生扭转振动。试验结果表明，混合动力系统轴系的扭转振动容易引起轴系断裂等严重事故。因此，有必要对混合动力系统轴系的扭转振动现象展开深入研究。然而，考虑到现有混合动力挖掘机的动力系统结构紧凑、复杂，并不适于直接作为试验平台开展混合动力系统轴系扭转振动测试的相关研究。因此，有必要研制一种结构简单、成本低、测试结果准确的轴系扭转振动模拟试验台以用于开展混合动力挖掘机动力系统轴系扭转振动研究。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种操作简便、结构简单、能够模拟动力系统轴系的旋转运动、且能向轴系施加可调节、具有短时冲击特性负载转矩的轴系扭转振动模拟试验台，还相应提供一种操作简单、测试结果准确可靠、负载转矩大小可调的测试方法。
[0005]为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种轴系扭转振动模拟试验台，所述轴系扭转振动模拟试验台包括转轴、扭振传感器、控制器、驱动装置和负载转矩发生装置，所述扭振传感器和负载转矩发生装置均安装在转轴上，扭振传感器的数据输出端连接至控制器的数据输入端，所述驱动装置驱动转轴和负载转矩发生装置转动，所述负载转矩发生装置主要是通过一皮带轮机构使转轴负载转矩发生变化。
[0006]上述的轴系扭转振动模拟试验台中，优选的，所述负载转矩发生装置包括皮带轮和偏心带轮，负载转矩发生装置通过皮带轮安装在转轴上，皮带轮和偏心带轮之间通过传动带连接。该优选的轴系扭转振动模拟试验台特别适用于测试混合动力挖掘机动力系统的轴系扭转振动，混合动力挖掘机动力系统轴系的负载特性与一般机械存在差别，其负载具有周期性，周期为几秒到几十秒不等，负载还具有短时冲击特性，而该优选的皮带轮机构不仅结构非常简单、成本低廉、调节方便，而且可实现转轴短时冲击负载转矩的周期性变化。
[0007]更优选的，所述转轴最好为弹性轴，弹性轴的一端连接于皮带轮的圆心处，另一端连接所述驱动装置或连接至一轴承，且驱动装置通过弹性轴给负载转矩发生装置提供动力。另一种优选的方案是，弹性轴的一端连接于皮带轮的圆心处，另一端连接至一轴承，轴承固定于基座上，驱动装置通过负载转矩发生装置给弹性轴提供动力。优选弹性轴是希望在相同负载转矩下能产生更加显著的扭转振动，以便于分析负载变化带来的影响，并可以通过更换不同参数的弹性轴模拟不同刚度的混合动力系统轴系。
[0008]上述的轴系扭转振动模拟试验台中，优选的，所述扭振传感器包括扭振测试仪和获取转轴转速波动情况的编码器；所述编码器的输出端与扭振测试仪相连。更优选的，所述编码器与转轴同心安装，转轴每旋转I圈，编码器的输出脉冲数不少于60个，扭振测试仪的测试精度不小于0.001°。
[0009]上述的轴系扭转振动模拟试验台中，优选的，所述驱动装置为电动机，所述控制器的输出端连接至驱动装置的控制端，所述电动机是通过一联轴器与转轴或负载转矩发生装置相连接，所述控制器通过改变电动机的转速改变转轴负载转矩的施加频率。
[0010]作为一个总的技术构思，本发明还提供一种用上述轴系扭转振动模拟试验台对轴系扭转振动进行测试的方法，将所述轴系扭转振动模拟试验台用于测试混合动力挖掘机动力系统的轴系扭转振动，具体包括以下步骤:
将弹性轴用于模拟混合动力挖掘机动力系统的轴系；通过所述驱动装置驱动弹性轴转动；
使弹性轴的一端装设所述负载转矩发生装置；
通过弹性轴在所述负载转矩发生装置产生的外部载荷下的扭转振动模拟混合动力挖掘机动力系统轴系的扭转振动；
再通过所述扭振传感器获取弹性轴的扭转振动幅值，并将扭转振动幅值数据输入到所述控制器并进行数据处理分析和测试。
[0011]上述的测试方法中，优选的，所述负载转矩发生装置是通过一皮带轮机构使弹性轴负载转矩发生变化，该皮带轮机构是由装设于弹性轴一端的皮带轮带动，并通过传动带将转动传递到另一偏心带轮，在传动过程中基于偏心带轮的作用使偏心带轮与皮带轮之间的圆心距发生改变，改变了传动带的张力，进而引起弹性轴负载转矩的变化，从而实现弹性轴负载转矩的施加。
[0012]上述的测试方法中，优选的，所述扭振传感器是先通过编码器获取弹性轴转速的波动情况，进而通过扭振测试仪获得弹性轴的扭转振动幅值。
[0013]上述的测试方法中，优选的，通过所述控制器改变所述驱动装置的转速，通过改变所述驱动装置的转速改变弹性轴负载转矩的施加频率。
[0014]上述的测试方法中，优选的，通过调整所述偏心带轮安装时的偏心距改变弹性轴负载转矩的大小。
[0015]与现有技术相比，本发明的优点在于:
(1)本发明的轴系扭转振动模拟试验台结构简单、安装容易、操作方便，能向轴系施加可调节性负载转矩，可以很好地模拟混合动力挖掘机动力系统轴系的扭转振动，为后续开展混合动力挖掘机动力系统轴系扭转振动研究及性能测试提供可靠支撑；
(2)本发明优选的技术方案中，可以很好地调节和控制各种测试参数；本发明通过电动机驱动弹性轴模拟混合动力系统轴系的运动，通过控制电动机转速的变化可实现弹性轴负载转矩施加频率的调节；通过皮带轮和偏心带轮可实现弹性轴负载扭矩的周期性变化；通过调整偏心带轮安装时的偏心距可以改变弹性轴负载转矩的大小；
(3)本发明的负载转矩发生装置不仅结构简单、运行可靠，而且由于皮带轮机构与弹性轴之间为弹性接触，还能起到对施加负载的过保护作用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1为本发明实施例1中混合动力挖掘机动力系统轴系扭转振动模拟试验台的结构原理图。
[0017]图2为本发明实施例1中负载转矩发生装置在圆心距最近时的运动状态示意图。
[0018]图3为本发明实施例1中负载转矩发生装置在圆心距最远时的运动状态示意图。
[0019]图4为本发明实施例2中混合动力挖掘机动力系统轴系扭转振动模拟试验台的结构原理图。
[0020]图例说明
1、弹性轴；2、负载转矩发生装置；3、扭振传感器；4、控制器；5、驱动装置；6、编码器；
7、扭振测试仪；8、皮带轮；9、偏心带轮；10、传动带；11、联轴器；12、轴承；13、基座。
【具体实施方式】
[0021]为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
[0022]需要特别说明的是，当某一元件被描述为“固定于、固接于、连接于或连通于”另一元件上时，它可以是直接固定、固接、连接或连通在另一元件上，也可以是通过其他中间连接件间接固定、固接、连接或连通在另一元件上。
[0023]除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
[0024]除非另有特别说明，本发明中用到的各种材料、仪器和设备等均可通过市场购买得到或者可通过现有方法制备得到。
[0025]实施例1:
如图1?图3所示，一种本发明的用于测试混合动力挖掘机动力系统的轴系扭转振动模拟试验台，包括弹性轴1、负载转矩发生装置2、扭振传感器3、控制器4和驱动装置5。扭振传感器3和负载转矩发生装置2均安装在弹性轴I上，扭振传感器3的数据输出端连接至控制器4的数据输入端，控制器4的输出端连接至驱动装置5的控制端，驱动装置5驱动弹性轴I转动，负载转矩发生装置2主要是通过一皮带轮机构使弹性轴I负载转矩发生变化。本实施例的驱动装置5为电动机，该电动机是通过一联轴器11与弹性轴I相连接，控制器4通过改变电动机的转速改变弹性轴I负载转矩的施加频率。
[0026]如图1?图3所示，本实施例的负载转矩发生装置2包括皮带轮8和偏心带轮9，负载转矩发生装置2通过皮带轮8安装在弹性轴I上，皮带轮8和偏心带轮9之间通过传动带10连接。如图1所示，弹性轴I的一端连接于皮带轮8的圆心处，另一端连接驱动装置5，且驱动装置5通过弹性轴I给负载转矩发生装置2提供动力，使弹性轴I和负载转矩发生装置2的皮带轮8转动。
[0027]如图1所示，本实施例的扭振传感器3包括扭振测试仪7和获取弹性轴I转速波动情况的编码器6 ;编码器6的输出端与扭振测试仪7相连，扭振测试仪7的输出端与控制器4的输入端相连。编码器6安装在弹性轴I上且靠近连接驱动装置5的一端，编码器6与弹性轴I同心安装，弹性轴I每旋转I圈，编码器6的输出脉冲数不少于60个，扭振测试仪7的测试精度不小于0.001°，扭振测试仪7通过编码器6获取弹性轴I的扭转振动幅值并将其存入到控制器4中。
[0028]将本实施例的轴系扭转振动模拟试验台用于测试混合动力挖掘机动力系统的轴系扭转振动，本实施例的轴系扭转振动模拟试验台的工作方法及原理如下:
将弹性轴I用于模拟混合动力挖掘机动力系统的轴系；通过驱动装置5驱动弹性轴I转动；使弹性轴I的一端装设负载转矩发生装置2，负载转矩发生装置2是通过皮带轮机构使弹性轴I负载转矩发生变化，通过弹性轴I在负载转矩发生装置2产生的外部载荷下的扭转振动模拟混合动力挖掘机动力系统轴系的扭转振动；再通过扭振传感器3获取弹性轴I的扭转振动幅值，并将扭转振动幅值数据输入到控制器4并进行数据处理分析和测试。
[0029]本实施例中，负载转矩发生装置2通过皮带轮机构使弹性轴I负载转矩发生变化的工作机理为:模拟试验台工作时，控制器4控制驱动装置5的起动，驱动装置5通过联轴器11驱动弹性轴I转动，而负载转矩发生装置2包括皮带轮8和偏心带轮9，弹性轴I 一端连接在皮带轮8的圆心处，因此弹性轴I的转动则带动皮带轮8转动；由于皮带轮8和偏心带轮9之间通过传动带10连接，因此皮带轮8通过传动带10将转动传递到偏心带轮9 ；偏心带轮9可通过轴承固定在一基座；如图2和图3所示，Cl为皮带轮8的圆心，C2为偏心带轮9的圆心，C3为偏心带轮9的旋转中心，C1、C2和C3处于同一条直线上，C2和C3之间的距离为e，在传动过程中偏心带轮9的作用将使偏心带轮9与皮带轮8之间的圆心距发生改变，当运动到图2所示状态时，偏心带轮9与皮带轮8之间的圆心距最小，当运动到图3所示状态时，偏心带轮9与皮带轮8之间的圆心距最大，偏心带轮9在旋转一周的运动过程中，传动带10的长度将变化一次，施加在弹性轴I的负载转矩也将改变一次，当偏心带轮进行不断旋转时，则可实现对弹性轴I的负载转矩周期性施加。通过采用偏心带轮实现加载，能够实现短时冲击负载扭矩的施加。同时，通过改变偏心带轮的外部轮廓形状，可以实现不同形式的短时冲击负载扭矩的。
[0030]由于负载转矩的施加频率与电动机的转速相同，通过改变电动机的转速即可改变前述负载转矩的施加频率；而在安装偏心带轮9时，通过改变C2和C3之间的偏心距大小，则可改变弹性轴I负载转矩的大小。整个调节过程简单，方便。
[0031 ] 本实施例中，扭振传感器3获取弹性轴I的扭转振动幅值的具体原理是:扭振传感器3先通过编码器6获取弹性轴I转速的波动情况，进而通过扭振测试仪7获得弹性轴I的扭转振动幅值，扭振测试仪7获得的扭转振动测试数据可以存入控制器4中以备后续使用。
[0032]实施例2:
如图4所示，一种本发明的用于测试混合动力挖掘机动力系统的轴系扭转振动模拟试验台，包括弹性轴1、负载转矩发生装置2、扭振传感器3、控制器4和驱动装置5。扭振传感器3和负载转矩发生装置2均安装在弹性轴I上，扭振传感器3的数据输出端连接至控制器4的数据输入端，控制器4的输出端连接至驱动装置5的控制端，负载转矩发生装置2主要是通过一皮带轮机构使弹性轴I负载转矩发生变化。本实施例的驱动装置5为电动机，该电动机是通过一联轴器11与负载转矩发生装置2相连接，控制器4通过改变电动机的转速改变弹性轴I负载转矩的施加频率。
[0033]如图4所示，本实施例的负载转矩发生装置2包括皮带轮8和偏心带轮9，负载转矩发生装置2通过皮带轮8安装在弹性轴I上，皮带轮8和偏心带轮9之间通过传动带10连接。弹性轴I的一端连接于皮带轮8的圆心处，另一端装设在一轴承12上，轴承12固定于基座13上，且驱动装置5通过负载转矩发生装置2给弹性轴I提供动力，使弹性轴I和负载转矩发生装置2的皮带轮8转动。
[0034]如图4所示，本实施例的扭振传感器3包括扭振测试仪7和获取弹性轴I转速波动情况的编码器6 ;编码器6的输出端与扭振测试仪7相连，扭振测试仪7的输出端与控制器4的输入端相连。编码器6与弹性轴I同心安装，弹性轴I每旋转I圈，编码器6的输出脉冲数不少于60个，扭振测试仪7的测试精度不小于0.001°，扭振测试仪7通过编码器6获取弹性轴I的扭转振动幅值并将其存入到控制器4中。
[0035]将本实施例的轴系扭转振动模拟试验台用于测试混合动力挖掘机动力系统的轴系扭转振动，本实施例的轴系扭转振动模拟试验台的工作方法及原理如下:
将弹性轴I用于模拟混合动力挖掘机动力系统的轴系；通过驱动装置5驱动负载转矩发生装置2的偏心带轮9转动，偏心带轮9通过传动带10带动皮带轮8转动，由于弹性轴I的一端装设在皮带轮8上，因此皮带轮8又带动弹性轴I转动，负载转矩发生装置2是通过皮带轮机构使弹性轴I负载转矩发生周期性、短时冲击性变化，通过弹性轴I在负载转矩发生装置2产生的外部载荷下的扭转振动模拟混合动力挖掘机动力系统轴系的扭转振动；再通过扭振传感器3获取弹性轴I的扭转振动幅值，并将扭转振动幅值数据输入到控制器4并进行数据处理分析和测试。
[0036]本实施例中，负载转矩发生装置2通过皮带轮机构使弹性轴I负载转矩发生变化的工作机理与实施例1基本相同，具体可参见实施例1中的描述以及附图2和附图3。通过采用偏心带轮实现加载，能够实现短时冲击负载扭矩的施加。同时，通过改变偏心带轮的外部轮廓形状，可以实现不同形式的短时冲击负载扭矩的。由于负载转矩的施加频率与电动机的转速相同，通过改变电动机的转速即可改变前述负载转矩的施加频率；而在安装偏心带轮9时，通过改变C2和C3之间的偏心距大小，则可改变弹性轴I负载转矩的大小。整个调节过程简单，方便。
[0037]本实施例中，扭振传感器3获取弹性轴I的扭转振动幅值的具体原理与实施例1相同。
[0038]以上实施例的描述主要是为了进一步说明本发明的基本原理和主要特征，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种轴系扭转振动模拟试验台，其特征在于:所述轴系扭转振动模拟试验台包括转轴、扭振传感器(3)、控制器(4)、驱动装置(5)和负载转矩发生装置(2)，所述扭振传感器(3)和负载转矩发生装置(2)均安装在转轴上，扭振传感器(3)的数据输出端连接至控制器(4)的数据输入端，所述驱动装置(5)驱动转轴和负载转矩发生装置(2)转动，所述负载转矩发生装置(2)主要是通过一皮带轮机构使转轴负载转矩发生变化。
2.根据权利要求1所述的轴系扭转振动模拟试验台，其特征在于:所述负载转矩发生装置(2)包括皮带轮(8)和偏心带轮(9)，负载转矩发生装置(2)通过皮带轮(8)安装在转轴上，皮带轮(8)和偏心带轮(9)之间通过传动带(10)连接。
3.根据权利要求2所述的轴系扭转振动模拟试验台，其特征在于:所述转轴为弹性轴(1)，弹性轴(I)的一端连接于皮带轮(8)的圆心处；另一端连接所述驱动装置(5)，且驱动装置(5)通过弹性轴(I)给负载转矩发生装置(2)提供动力；或者， 弹性轴(I)的另一端连接至一轴承(12)，轴承(12)固定于基座(13)上，驱动装置(5)通过负载转矩发生装置(2)给弹性轴(I)提供动力。
4.根据权利要求1、2或3所述的轴系扭转振动模拟试验台，其特征在于:所述扭振传感器(3)包括扭振测试仪(7)和获取转轴转速波动情况的编码器(6);所述编码器(6)的输出端与扭振测试仪(7)相连。
5.根据权利要求4所述的轴系扭转振动模拟试验台，其特征在于:所述编码器(6)与转轴同心安装，转轴每旋转I圈，编码器(6)的输出脉冲数不少于60个，扭振测试仪(7)的测试精度不小于0.001°。
6.根据权利要求1、2或3所述的轴系扭转振动模拟试验台，其特征在于:所述驱动装置(5)为电动机，所述控制器(4)的输出端连接至驱动装置(5)的控制端，所述电动机是通过一联轴器(11)与转轴或负载转矩发生装置(2 )相连接，所述控制器(4 )通过改变驱动装置(5)的转速改变转轴负载转矩的施加频率。
7.一种用权利要求1?6中任一项所述轴系扭转振动模拟试验台对轴系扭转振动进行测试的方法，其特征在于:将所述轴系扭转振动模拟试验台用于测试混合动力挖掘机动力系统的轴系扭转振动，具体包括以下步骤: 将弹性轴(I)用于模拟混合动力挖掘机动力系统的轴系；通过所述驱动装置(5)驱动弹性轴(I)转动； 使弹性轴(I)的一端装设所述负载转矩发生装置(2)； 通过弹性轴(I)在所述负载转矩发生装置(2)产生的外部载荷下的扭转振动模拟混合动力挖掘机动力系统轴系的扭转振动； 再通过所述扭振传感器(3)获取弹性轴(I)的扭转振动幅值，并将扭转振动幅值数据输入到所述控制器(4)并进行数据处理分析和测试。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于:所述负载转矩发生装置(2)是通过一皮带轮机构使弹性轴(I)负载转矩发生变化，该皮带轮机构是由装设于弹性轴(I) 一端的皮带轮(8)带动，并通过传动带(10)将转动传递到另一偏心带轮(9)，在传动过程中偏心带轮(9)的作用使偏心带轮(9)与皮带轮(8)之间的圆心距发生改变，改变了传动带(10)的张力，进而引起弹性轴(I)负载转矩的变化，从而实现弹性轴(I)负载转矩的施加。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于:所述扭振传感器(3)是通过编码器(6 )获取弹性轴(I)转速的波动情况，进而通过扭振测试仪(7 )获得弹性轴(I)的扭转振动幅值。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于:通过所述控制器(4)改变所述驱动装置(5)的转速，通过改变所述驱动装置(5)的转速改变弹性轴(I)负载转矩的施加频率；通过调整所述偏心带轮(9)安装时的偏心距改变弹性轴(I)负载转矩的大小。
【文档编号】G01M7/02GK104165743SQ201410386138
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2014年8月7日 优先权日:2014年8月7日
【发明者】黄中华, 谢雅 申请人:湖南工程学院