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实验系统及设备介绍

时间:2016/6/6 20:32:35

实验系统及设备介绍

研究高速列车制动系统传热实验台

要模拟制动盘随车轴或车轮沿钢轨的运动,需要有一个非常长的轨道然而,实验室的空间是有限的。为了建立制动盘的运动模型,本实验将轨道设计成圆形的如图1.1所示,实验台实物图如图1.2

本实验台主部件包括:电动机,固定平台、圆形轨道、旋转臂、联轴器、霍尔传感器、滚动轮和电机变频控制器。实验过程中还需要一些测量设备:电感测微仪、坐标平台、精密电子天平等。

实验台主要参数如下:

表1.1实验台设计的主要参数

电机转速         电机功率       模拟地面桶圈直径    实验台总外形尺寸

(r/min)         (kW)             (mm)              (mm)

02900           7.5                 760        1200×1028×1190

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1.1 实验台总体图    

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1.2  制动实验台

1.1  固定平台

固定平台在整个实验系统中至关重要,实验小轮在电动机的驱动下做高速旋转运动,此时转臂两端滚动轮转动惯性很大,如若固定平台没有足够的强度和稳定性,轻则导致整个试验台大幅度的震动和摇摆,重则发生意外,故要想使本实验平稳而又安全地进行,固定平台的设计必须要满足足够的强度和刚度。为了满足实验台的强度要求,固定平台台面选用厚度为8 mm的钢板,支撑部分选用40×40×3.5 mm的空心方钢。

1.2 主轴

本实验台主轴的材料为45钢,调质处理。查表可得:σb=650 MPaσs=360 MPaσ-1=270 MPaτ-1=155 MP。其中:σb抗拉强度,σs屈服点,σ-1弯曲疲劳极限,τ-1扭转疲劳极限。

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1.3 主轴的结构

1.3 联轴器

联轴器将电动机驱动轴与试验台主轴连接在一起,以便传递运动与转矩。其主要分为刚性联轴器和挠性联轴器。联轴器电机端半联轴器的轴孔径为38 mm,轴孔长度82 mm。输入端的轴孔径为35 mm,轴孔长度为60 mm。其型号为:Gy5(GB/T 5843-2003)

1.4 电机及变频器

根据试验台的运行工况以及试验台的运行要求,本实验台选取Y132S2-2型电动机,其额定功率是7.5 kW。在实验过程中,铸萘小轮的转速是通过改变电机的转速来实现的,电机转速由变频控制器调节。变频器的型号为:ALPHA6000,它的可调频范围是:0~400 Hz

1.5旋转臂

旋转臂是整个实验台最主要的部分,旋转臂为对称结构,中心转轴与电机驱动轴联接,两端安装滚动轮和试件,试件分为测试制动盘表面传热特性的试件和测试制动盘内部传热特性的试件两种。旋转臂及试件装配分别如图所示。旋转臂主要由驱动臂、滚动轮、实验试件和霍尔传感器四部分组成。实验时,滚动轮带动模拟制动盘沿圆形轨道上转动,模拟制动盘距离地面有一定的高度H

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1.4 铸萘实验试件的安装示意图

二 摩擦磨损实验机系统

摩擦磨损实验机系统结构示意如图2.1所示。实物见图2.2。摩擦形式采用的是销盘式结构,该实验机主要包括以下几大部分:1、动力装置;2、数据采集装置;3、加热装置;4隔热保温装置;5、测温及控温装置;6、载荷加载机构;7、电磁干扰屏蔽装置。

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1-砝码;2-加载机构;3-摩擦销;4-电感应加热线圈;5-摩擦盘;6-隔热保温装置;7-热电偶;8-摩擦盘底座;9-三角皮带;10-平衡配重

2.1实验系统示意图

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2.2实验机实物图

2.1 动力装置

动力装置由三相异步电动机和变频调速器组成,摩擦盘旋转由三相异步电动机通过皮带轮带动,电机选用Y160M1-2型三相异步电动机,额定功率:11 KW,额定转速2930 r/min,经过皮带轮增速后摩擦盘转速可达5860 r/min。变频调速器采用的是青岛科润技术有限公司生产的ACD320-4T11LB矢量型变频器,额定功率:11 KW,利用其可以实现电机的无极调速及正反转。

2.2数据采集装置

采集装置由扭矩仪和转矩转速测量板卡组成,均采用北京三晶集团生产的扭矩仪及对应的数据采集板卡,扭矩仪型号为JN338型,扭矩仪量程为200 N·M,精度:0.04%F·S,即0.08N·M。转矩转速测量板卡型号为JN338-C型,可实时采集转矩和转速信号,输出频率值到电脑,再将采集到的频率值带入公式中计算便可得转矩和转速。采集周期为1ms-2000ms

2.3加热系统

研究在不同温度下轮轨材料的滑动摩擦性能,这就涉及到高温下轮轨材料摩擦性能的研究,则需要在原实验平台上加装高温实验部分,从有关数值研究结果来看,实际工况下轮轨滑动摩擦下滑动接触面温度可达900℃以上,因此高温实验部分加热温度需要达到900℃以上。对于高温环境的获得,常用的加热方式是箱式电加热炉,但是加热炉需要很厚的保温壁,同时其升温速度比较慢,加之考虑到实际情况,即实验台可用空间有限,认为在其上加装电加热炉的方法不可行,因此考虑采用其他加热方式。高频感应加热进行热处理是近些年来应用比较广的一种快速便捷的热处理加热方式,与其他加热方式相比,具有很多优点。

2.4隔热保温系统

因为实验的温度比较高,考虑到高温对摩擦机其他部分的影响,需做好隔热保温工作,主要从两方面考虑,一方面是材料,另一方面是结构设计。(1)材料方面:所选材料一方面需要导热系数小,可以起到保温作用,另一方面还需要在高温工况下依然保持很好的材料性能,即要耐高温。2)结构设计方面:合理的结构设计对于隔热保温也是很重要的一部分,经过多次设计,最终高温实验部分的结构简图如图2.3所示。

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1-底座1;2-底座2;3-云母隔热板;4-310S不锈钢底座;5-金云母隔热板;6-固定压板;7-摩擦销;8-电感应加热线圈;9-摩擦盘;10-云母隔热板11-上保护罩;12-云母隔热板;13-云母隔热板;14-摩擦盘上底座;15-接线柱;16-摩擦盘下底座;17-310不锈钢摩擦盘底座;18-耐高温云母夹具;19-云母隔热板;20-云母隔热板;21-自制夹紧螺栓;22-下保护罩;23-摩擦机主轴底座

图2.3试验高温部分结构示意图

2.5测温及控温装置

本实验的研究目标是获取温度对轮轨材料滑动摩擦系数及磨损的影响,因此,如何准确的获得摩擦副的温度并对实验温度进行控制成为实验的关键。根据温度传感器的使用方式,常用的温度测量方法主要有两种:接触式测温与非接触式测温两类。受所搭建实验台结构的限制,实验台可利用空间有限,以及温度获取准确度的要求,经综合考虑后选择用热电偶进行测温。

2.6载荷加载机构

载荷使用标准砝码通过加载机构进行加载,详见图2.4和图2.5。加载机构原理很简单,如同杆秤,当未加载砝码时,整个机构处于平衡状态,当将砝码放到加载台后,在摩擦接触面上就会产生载荷。砝码采用的是标准砝码,见图3.8。其一组标准砝码中配有10g砝码1个,20g砝码2个,50g砝码1个,100g砝码1个,200g砝码2个,500g砝码1个,1Kg砝码1个,2Kg砝码2个,5Kg砝码1个。将这些砝码进行不同的组合可以获得不同的载荷。因此可得到本摩擦磨损试验台理论上可进行最小载荷1N,最大载荷1110N的摩擦磨损实验。


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                            图2.4 加载砝码                       

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图2.5 摩擦机电器控制柜

三 车辆声学实验台

本实验类比建筑隔声构件的隔声实验方法及要求,研究高速列车车箱体的隔声性能。实验过程按照《声学-建筑和建筑构件隔声测量 3部分:建筑构件空气声隔声的实验室测量》(GB/T1988.3-2005)的标准进行。本实验选用丹麦B&K公司推出的世界上首个噪声、振动分析系统——PULSE系统,可以进行多通道、实时、FFTCPBOverall总极值分析等[33]。它由软件和硬件两个部分组成,实验硬件设备如图3.1所示。

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3.1 实验设备

3.1 PULSE软件系统介绍

PULSE软件部分包括7700型平台软件和它的应用软件,与PULSE平台上的其他应用软件相结合,可满足使用者在数据记录与管理、机械故障诊断、声品质、声学材料测试、电声测试等方面的很多要求。本实验在测量时主要使用7770型平台软件中的7771CPB分析。PULSE系统发出音频信号后经音频放大器放大,再通过扬声器转换成声波进入到声源室内,声源室和接收室内的四个传声器接收到声压信号再转变成电压信号,输入到PULSE系统,系统经过计算后得出所需值,最后将所需值经过数据处理之后即得到试件的隔声量值。

3.2 传声器

传声器在噪声测量系统中是很重要的一个部件,其结构独立。一般用的传声器有电容式和磁电式两种,传声器对声学测量的准确性和精密度影响很大,属于精密仪器,在噪声测量中发挥重要作用。本实验要求选用的传声器性能稳定,灵敏度高,频响特性佳,故选用的是电容式传声器。如图3.2所示为本实验使用的丹麦B&K公司生产的电容式传声器,其型号为4942-A-021

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3.2 电容传声器

3.3 数据采集前端

数据采集仪选用了丹麦B&K公司生产的3560-B型五通道数据采集仪,输入输出控制模块为7537型。3560-B型数据采集前端由一到两个镍氢电池供电或是10-32V直流电源供电,也可以是由3560B型所提供的100-240V的交流电流到直流电源/ZG-0429蓄电池供电,如图3.4所示为该数据采集前端实物图。

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3.4  数据采集仪

该数据采集前端属于无声运行,在外界温度低于35C时风扇静止,高于此温度时,通过转变PULSE软件中的风扇控制使其开始工作。此前端由电源开关和系统开关,当电源开关在off时必须打开系统开关才可以工作。其连接方式为在输入通道接传声器,输出通道接功率放大器,网线端口与电脑主机相连。输入通道的信号输入由PULSE软件控制,对于每个输入通道都是指示灯显示其状态(绿灯为正常工作,红灯为过载)。输出通道输出高质量的正弦纯音信号,频率变动范围在0.1Hz25.6Hz,最大输出电压为5Vrms,输出由PULSE软件控制。

3.4 声源及功率放大器

通常情况在测量时采用直接辐射式纸盆扬声器,纸盆口径大的低频效应好,但电声转换效率低,测量时需要有较高的高频响应。本实验所用的12面体无指向性声源亦为丹麦B&K公司生产的。该声源在每一面上都装有一个扬声器并均做相同的振动,可将其看成是个点声源,向各个方向发出同样大小和频率的声音,目的是使得声源室内的声压能够尽可能的扩散均匀,如图3.5所示。

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3.5 声源

本实验选用的功率放大器为丹麦B&K公司生产的2734型,如图3.6所示。该型号的功率放大器自带声频信号混响器,可将输入的信号和内部产生的噪声信号结合而不需要选择输入信号。我们可通过滑动开关来控制输入灵敏度 ,通过旋转把手来控制增益的衰减。灵敏度和衰减都会影响增益,但是一个低的灵敏度会允许一个较高的输入水平而衰减受控于最大输入水准不变的最佳阶次。最后,信号的输入通过功率放大器驱动扬声器、显示仪监控信号变动、缓冲模块控制曲线输出三个阶次来完成实验室内景图如图3.7所示。

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3.6 功率放大器

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3.7 实验室实景图

钢轨表面传热性能实验台

实验系统总装如图4.1所示。该实验系统包括动力系统、控制系统、测试系统以辅助系统。动力系统就是电机。控制系统包括SPD直流电源和ALPHA6000系列变频器,SPD直流电源用来控制和调节其对测试段轨道的加热量,ALPHA6000系列变频器用来控制和调节模拟轮转速。测试系统由数据采集器、速度传感器以及智能测速仪构成。辅助系统包括集流环计算机等实验时通过调节电机来达到改变转臂速度的目的继而由传动比求得模拟轮的转速,同时,用霍尔速度传感器监测模拟的转速。通过控制系统的调节来改变电机的转速和实验段的加热功率,从而测得不同转速下轨道表面温度的变化值。

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4.1 实验总装图

实验台的工作原理如图4.2所示,用均匀布置在测试段轨道表面的15根铜—康铜热电偶来测量其表面的温度。通过Keithley数据采集器采集所需数据,并对实验测得的各项数据进行整理分析和计算,从而获得测试段钢轨表面的对流换热系数h

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4.2 实验台工作原理

4.1 模拟车轮

基于对实验台结构合理优化的设计,实验中选取模拟轮的直径分别为44 mm54 mm64 mm74 mm。如图4.1所示为直径D=44 mm的模拟轮,图中Ф5 mm×3 mm的孔用于安装一个具有一定磁场强度的磁钢。

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4.1 直径D=44 mm模拟车轮

4.2测试段轨道组成

测试轨道段的结构如图4.2所示。测试轨道段的主要目的是使轨道表面的温度和周边的环境温度有一定的差值,保证能够获得轨道表面的对流换热系数。测试段轨道内的通孔装有螺旋电阻丝,实验时,经调节电阻丝的加热电流继而改变加热功率(最大加热功率为30 W),为防止所加的热量从其他方向扩散,用绝热保温材料将除测试段轨道两端头的其他各个表面进行包裹,达到保持良好的绝热的效果,让热量仅沿着轨道径向方向传递至测试段轨道的外表面。测试段轨道表面布置有如图所示的15个温度测点,用来测量测试段轨道表面的温度。

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4.2 测试段轨道及其加热图(单位:mm

实验时测试轨道段安装位置如图4.3所示

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4.3 测试段轨道及安装位置图 (单位:mm)

4.4所示为测试段轨道外部截面图(模拟轨道是根据实际轨道按0.05的比例来设计的)。

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4.4 测试段道的截面图(单位:mm)

依据式l=nπR1/180(式中R1=360 mm是圆周轨道的半径)求得测试段轨道的弧长为l1=160 mm,测试段轨道的外截面周长为l2=19 mm,所以测试段轨道的表面积A=l1×l2=160 mm×19 mm=0.00304 m2。实验时模拟轮和模拟圆周轨道的组装如图4.5所示。

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4.5 模拟轮与模拟轨道组装图

五 相变冷却实验台

相变冷却实验台由四部分组成,分别为主体试件、制冷剂供给系统、风冷系统及数据测量系统,如图5.1所示。

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5.1 实验台组成图

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5.2 实验台实物图

相变冷却实验基于热平衡原理,是一个实现稳定工况的闭式循环系统。热源提供工质沸腾所需的热量,冷却风提供冷却沸腾工质所需的制冷量。其工作原理为主体试件由蒸发器和冷凝器两部分组成,在蒸发器中制冷剂受到外界提供的热量达到其沸点后沸腾,沸腾产生的热蒸汽上升到冷凝器中,冷凝器被安装在风洞内部,热蒸汽受到风冷作用后凝结为液体,在其自身重力的作用下流回到蒸发器中,完成一次制冷剂由气态变为液态的相变冷却过程。

5.1 主体试件

主体试件是实验台的核心部分,如图5.3所示,该部分主要由加热块(即:被冷却的器件IGBT)、冷却基板(简称冷板,相当于集热板,吸收加热块的热量)、沸腾池、圆管散热器等组成。主体试件中冷板与发热元件直接接触,系统散热能力因此增强。

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5.3 主体试件

(a)结构图             (b)实物图

5.2制冷剂供给系统

制冷供给系统为主体试件提供实验所用制冷剂,它包括制冷剂、制冷剂储液罐、制冷剂输送管道、真空泵、压力表及安全阀。

5.3风冷系统

主体试件的圆管散热器部分安置于由风机提供风流量的风道中,强迫风与圆管散热器进行对流换热,实验中,通过改变变频器的频率来调节电机的转速,转速改变可以相应改变风道中气流速度。风道截面采用矩形结构,直段长度为1900 mm,整体风道通过支架固定在水平地面上。风道组成,如图5.4所示。

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5.4 实验测量原理图

5.4测量系统

为了得到相变冷却系统冷板的最高温度,在主体试件的冷却基板下表面安装热电偶,用来测量冷板温度分布情况,在顶腔内装有热电偶测量顶腔温度,在风道试验段进出口通道处安装电阻网,用于测量进出口风温,并用笛形管来测量矩形通道内的速度分布,如图5.5所示。

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                            (a)结构示意图                                

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 (b)实物图

5.5 热电偶测试点排列(共36

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