本發(fā)明涉及一種軸系扭轉振動實驗裝置，特別是指一種軸系扭轉振動信號模擬實驗臺架系統(tǒng)及其應用。

背景技術：

扭轉振動是軸系常見的振動形式之一，其可能成為引發(fā)船舶發(fā)動機結構和動力裝置劇烈振動以及噪聲，甚至導致船舶推進系統(tǒng)破壞。

現(xiàn)有的扭轉振動模擬試驗裝置采用激振電機和萬向節(jié)模擬扭轉振動，如中國專利文獻cn104596714b中公開的扭轉振動模擬實驗裝置，其只針對現(xiàn)象進行了模擬，對于振動幅值以及振動頻率并不能較好的進行控制。

另一方面，基于脈沖計數(shù)法測量軸系扭轉振動的試驗儀器一般借助萬向節(jié)旋轉過程中扭轉二次激勵信號進行校準。萬向聯(lián)軸器在旋轉過程中，由于輸入軸和輸出軸之間存在折角，單萬向節(jié)主從動軸的瞬時角速度比是變化的。當輸入軸旋轉一圈，輸出軸同樣旋轉一圈，但輸出軸經歷先減速后加速的過程，從而引起輸出軸角速度和角加速度波動，在帶有萬向節(jié)的軸系穩(wěn)定運轉過程中會表現(xiàn)出扭轉振動2諧次振動特征，利用帶有萬向節(jié)軸系旋轉過程中這一特征來模擬軸系在旋轉過程中的扭轉振動現(xiàn)象。該方法的不足之處在于：對萬向軸旋轉過程中扭轉二次激勵目前研究還極為不成熟，且萬向節(jié)結構相對復雜，受加工水平的影響，其特征信號中還可能混雜其他未知頻率信號等，在不同轉動速度下的轉速波動角度以及角加速度特征目前并沒有比較精確的研究結果。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種能夠精確控制振動幅值和振動頻率的軸系扭轉振動信號模擬實驗臺架系統(tǒng)及其應用。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設計的軸系扭轉振動信號模擬實驗臺架系統(tǒng)，包括臺架底座、伺服電機、軸承、液壓振動執(zhí)行器、液壓伺服系統(tǒng)和中央控制系統(tǒng)；所述伺服電機、軸承分別固定安裝在臺架底座上；所述液壓振動執(zhí)行器包括連接軸、配油軸、軸上配油器和振動殼體；所述連接軸活動安裝在軸承內，其一端與伺服電機的輸出軸相連，另一端與配油軸固定相連；所述振動殼體軸向固定、周向可旋轉地設置在配油軸上；所述配油軸的前段可旋轉地套設在軸上配油器內，所述配油軸的外側設置有第一環(huán)形油道和第二環(huán)形油道，所述軸上配油器上設置有第一液壓油管和第二液壓油管；當配油軸旋轉時，所述第一環(huán)形油道始終與第一液壓油管相連通，所述第二環(huán)形油道始終與第二液壓油管相連通；所述配油軸的后段包括空心軸心和對稱設置在空心軸心兩側的第一油腔滑塊與第二油腔滑塊；所述振動殼體包括外殼體、內軸套以及設置在二者之間的兩個油腔分隔部；兩個所述油腔分隔部將外殼體和內軸套之間的環(huán)形空間分隔為相互對稱的第一活動腔與第二活動腔；所述振動殼體的內軸套可旋轉地套設在配油軸的空心軸心外；所述第一油腔滑塊插設在第一活動腔內，將第一活動腔分割成第一液壓油腔和第二液壓油腔；所述第二油腔滑塊插設在第二活動腔內，將第二活動腔分割成第三液壓油腔和第四液壓油腔；所述配油軸的內部設置有第一軸內油道、第二軸內油道、第三軸內油道和第四軸內油道；所述第一軸內油道的一端與第一環(huán)形油道相連通，另一端穿過第一油腔滑塊的一側與第一液壓油腔相連通；所述第二軸內油道的一端與第二環(huán)形油道相連通，另一端穿過第一油腔滑塊的一側與第二液壓油腔相連通；所述第三軸內油道的一端與第一環(huán)形油道相連通，另一端穿過第二油腔滑塊的一側與第三液壓油腔相連通；所述第四軸內油道的一端與第二環(huán)形油道相連通，另一端穿過第二油腔滑塊的一側與第四液壓油腔相連通；所述外殼體上設置有測振齒盤；所述振動殼體與配油軸之間設置有用于測量二者相對轉角的角位移傳感器；所述伺服電機、液壓伺服系統(tǒng)的控制信號，以及角位移傳感器的測量信號分別接入中央控制系統(tǒng)。

優(yōu)選地，所述空心軸心內固定設置有軸內傳感器支架，所述振動殼體的一端設置有軸外傳感器支架，所述角位移傳感器可相對活動的兩個部分分別固定設置在軸內傳感器支架和軸外傳感器支架上，

優(yōu)選地，所述液壓伺服系統(tǒng)包括液壓泵站和液壓伺服閥，所述液壓伺服閥的兩個液壓油進出口分別與所述第一液壓油管、所述第二液壓油管相連通。

優(yōu)選地，所述配油軸的軸肩處套設有軸向固定端蓋，所述外殼體可拆卸地連接在軸向固定端蓋上。

優(yōu)選地，該臺架系統(tǒng)還包括用于將產生的扭轉振動信號以電信號對外界輸出的振動信號輸出裝置，所述振動信號輸出裝置由光電編碼器和霍爾傳感器組成，所述光電編碼器的活動部分固定連接在所述振動殼體上；所述霍爾傳感器固定在所述臺架底座上，且其測量部分正對測振齒盤。

本發(fā)明同時提供了將前述軸系扭轉振動信號模擬實驗臺架系統(tǒng)用于模擬產生軸系扭轉振動的方法，包括如下步驟：

1)伺服電機驅動液壓振動執(zhí)行器整體按設定轉速運轉，實現(xiàn)對軸系運轉轉速的模擬；

2)控制液壓伺服系統(tǒng)對各液壓油腔進行充油與泄油，使得各液壓油腔的液壓油體積按照設定規(guī)律變化，從而驅動液壓振動執(zhí)行器的振動殼體相對于配油軸的運動按照所設定的振動波形變化，實現(xiàn)對軸系扭轉振動的精確模擬。

優(yōu)選地，步驟2)中，通過控制每個充油與泄油周期內充入和泄出的液壓油體積來實現(xiàn)對扭轉振動模擬扭轉幅值的控制，通過控制液壓油腔充油、泄油的頻率實現(xiàn)對扭轉振動模擬扭轉頻率的控制。

優(yōu)選地，步驟2)中，若需要模擬如下式所示正弦波形的扭轉振動：

n＝a·sin(2πf·t+φ)

式中，n為振動殼體相對于配油軸的轉動角度(單位：°)，a為振幅(單位：°)，f為頻率(單位：hz)，t為時間(單位：s)，φ為信號初始相位角(單位：°)；

則需控制液壓伺服系統(tǒng)向第一液壓油管充入的液壓油體積為：

式中，r1、r2和h分別為單個液壓油腔的內徑、外徑和沿軸向的厚度(單位：mm)。

優(yōu)選地，所述中央控制系統(tǒng)根據液壓伺服系統(tǒng)、伺服電機以及液壓振動執(zhí)行器的反饋數(shù)據對相關控制參數(shù)進行閉環(huán)控制，提高模擬精度。

優(yōu)選地，將該臺架系統(tǒng)所模擬的軸系扭轉振動信號通過振動信號輸出裝置以電信號形式輸出，作為對軸系扭振測試儀器進行標定的標準信號源；所述振動信號輸出裝置由光電編碼器和霍爾傳感器組成。

本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明通過液壓原理將軸系扭振信號分解為兩個獨立的參量傳遞至轉軸外部，在相對于轉軸靜止的狀態(tài)下對各參量進行精確控制，有效的解決了軸系以一定轉速運轉過程中的扭轉振動參數(shù)控制精度問題，為基于脈沖計數(shù)法測量軸系扭轉振動試驗儀器的標定提供了精確可控的的信號源，也為軸系扭轉振動的進一步研究提供了可靠和有效的試驗平臺。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所設計的軸系扭轉振動信號模擬實驗臺架系統(tǒng)的總體組成關系圖。

圖2為圖1中實驗臺架系統(tǒng)的臺架部分的立體結構示意圖。

圖3為圖2中液壓振動執(zhí)行器的立體結構示意圖。

圖4為圖3中液壓振動執(zhí)行器的分解結構示意圖。

圖5為圖3中液壓振動執(zhí)行器的沿軸線所在豎直面的剖視圖。

圖6為圖5中a-a向的剖視圖。

圖7為圖4中振動殼體的立體結構示意圖。

圖8、圖9分別為圖4中配油軸的前視和后視結構示意圖。

其中：臺架底座1、伺服電機2、軸承3、液壓振動執(zhí)行器4、連接軸5、配油軸6、第一環(huán)形油道6.1a、第二環(huán)形油道6.1b、第一油腔滑塊6.2a、第二油腔滑塊6.2b、第一軸內油道6.3a、第二軸內油道6.3b、第三軸內油道6.3c、第四軸內油道6.3d、空心軸心6.4、軸上配油器7、第一液壓油管7.1a、第二液壓油管7.1b、o型密封圈7.2、油管螺塞7.3、振動殼體8、第一活動腔8.1a、第二活動腔8.1b、第一液壓油腔8.2a、第二液壓油腔8.2b、第三液壓油腔8.2c、第四液壓油腔8.2d、外殼體8.3、內軸套8.4、油腔分隔部8.5、液壓伺服系統(tǒng)9、液壓泵站9.1、液壓伺服閥9.2、中央控制系統(tǒng)10、測振齒盤11、軸向固定端蓋12、角位移傳感器13、軸外傳感器支架14、軸內傳感器支架15、霍爾傳感器16、光電編碼器17、螺栓18

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

如圖1～9所示，本發(fā)明所設計的軸系扭轉振動信號模擬實驗臺架系統(tǒng)，包括臺架底座1、伺服電機2、軸承3、液壓振動執(zhí)行器4、液壓伺服系統(tǒng)9、中央控制系統(tǒng)10和振動信號輸出裝置。

伺服電機2、軸承3分別通過螺栓18固定安裝在臺架底座1上。

液壓振動執(zhí)行器4包括連接軸5、配油軸6、軸上配油器7和振動殼體8。連接軸5活動安裝在軸承3內，其一端與伺服電機2的輸出軸相連，另一端與配油軸6固定相連。

配油軸6的前段可旋轉地套設在軸上配油器7內，軸上配油器7通過支架(圖中未畫出)固定，并通過o型密封圈7.2密封，配油軸6可在軸上配油器7內旋轉。配油軸6的外側設置有相互平行的第一環(huán)形油道6.1a和第二環(huán)形油道6.1b，軸上配油器7的內側設置有與兩個環(huán)形油道一一相對的兩個環(huán)形凹槽(作用是增大環(huán)形油道的容積，減小油壓波動)，軸上配油器7上通過油管螺塞7.3固定連接有第一液壓油管7.1a和第二液壓油管7.1b，兩液壓油管的出口分別位于一個環(huán)形凹槽上。當配油軸6旋轉時，第一環(huán)形油道6.1a始終與第一液壓油管7.1a相連通，第二環(huán)形油道6.1b始終與第二液壓油管7.1b相連通。配油軸6的后段包括空心軸心6.4和對稱設置在空心軸心6.4兩側的第一油腔滑塊6.2a與第二油腔滑塊6.2b。

振動殼體8包括外殼體8.3、內軸套8.4以及設置在二者之間的兩個油腔分隔部8.5。配油軸6的軸肩處套設有軸向固定端蓋12，外殼體8.3通過螺栓18連接在軸向固定端蓋12上，軸向固定端蓋12與配油軸6有一定間隙使振動殼體8在配油軸6上軸向固定、周向可旋轉。

兩個環(huán)扇形的油腔分隔部8.5將外殼體8.3與內軸套8.4之間的環(huán)形空間分隔為相互對稱的第一活動腔8.1a和第二活動腔8.1b。振動殼體8的內軸套8.4可旋轉地套設在配油軸6的空心軸心6.4外。第一油腔滑塊6.2a插設在第一活動腔8.1a內，將第一活動腔8.1a分割成第一液壓油腔8.2a和第二液壓油腔8.2b。第二油腔滑塊6.2b插設在第二活動腔8.1b內，將第二活動腔8.1b分割成第三液壓油腔8.2c和第四液壓油腔8.2d。

配油軸6的內部設置有第一軸內油道6.3a、第二軸內油道6.3b、第三軸內油道6.3c和第四軸內油道6.3d。第一軸內油道6.3a的一端與第一環(huán)形油道6.1a相連通，另一端穿過第一油腔滑塊6.2a的一側與第一液壓油腔8.2a相連通。第二軸內油道6.3b的一端與第二環(huán)形油道6.1b相連通，另一端穿過第一油腔滑塊6.2a的一側與第二液壓油腔8.2b相連通。第三軸內油道6.3c的一端與第一環(huán)形油道6.1a相連通，另一端穿過第二油腔滑塊6.2b的一側與第三液壓油腔8.2c相連通。第四軸內油道6.3d的一端與第二環(huán)形油道6.1b相連通，另一端穿過第二油腔滑塊6.2b的一側與第四液壓油腔8.2d相連通。

外殼體8.3上設置有測振齒盤11。振動殼體8與配油軸6之間設置有用于測量二者相對轉角的角位移傳感器13?？招妮S心6.4內固定設置有軸內傳感器支架15，振動殼體8的一端設置有軸外傳感器支架14，角位移傳感器13可相對活動的兩個部分分別固定設置在軸內傳感器支架15和軸外傳感器支架14上。連接軸5、配油軸6、振動殼體8和角位移傳感器13同軸安裝。

液壓伺服系統(tǒng)9包括液壓泵站9.1和液壓伺服閥9.2，液壓伺服閥9.2的兩個液壓油進出口分別與第一液壓油管7.1a、第二液壓油管7.1b相連通。液壓泵站9.1為液壓振動執(zhí)行器4提供高效且穩(wěn)定的液壓動力源，同時其液壓伺服閥9.2件為對液壓振動執(zhí)行器4各液壓油腔充油與泄油過程的核心執(zhí)行機構。

振動信號輸出裝置由光電編碼器17和霍爾傳感器16組成，光電編碼器17的活動部分固定連接在振動殼體8的軸外傳感器支架14上。霍爾傳感器16固定在臺架底座1上，且其測量部分正對測振齒盤11。

伺服電機2、液壓伺服系統(tǒng)9的控制信號，以及角位移傳感器13的測量信號(采用無線通信方式)分別接入中央控制系統(tǒng)10，由中央控制系統(tǒng)10進行交互控制。中央控制系統(tǒng)10包括工控機，工控機上設置信號發(fā)生器及波形控制器、人機交互界面、參數(shù)及圖像顯示模塊和故障報警模塊。

前述軸系扭轉振動信號模擬實驗臺架系統(tǒng)用于模擬產生軸系扭轉振動，具體步驟如下：

1)根據實驗需要通過人機交互界面在中央控制系統(tǒng)10中設定基頻、振動頻率、振動幅值、信號波形等參數(shù)，中央控制系統(tǒng)10根據所設定參數(shù)分別控制伺服電機2以及液壓泵站9.1啟動運轉。

2)伺服電機2驅動液壓振動執(zhí)行器4整體按設定轉速運轉，實現(xiàn)對軸系運轉轉速的模擬，轉動過程中配油器保持靜止，液壓油可通過兩個環(huán)形油道傳遞至轉動的配油軸6內部的四個軸內油道中，再進入液壓振動執(zhí)行器4的四個液壓油腔內。

3)中央控制系統(tǒng)10讀取角位移傳感器13的初始角位移，獲取配油軸6與振動殼體8的初始相對位置，根據初始相對位置參數(shù)在液壓振動執(zhí)行器4靜態(tài)下對各液壓油腔進行液壓油補充，使得兩者初始相對位置處于合理狀態(tài)。初始相對位置處，四個液壓油腔為形狀、體積完全相同的扇環(huán)形。

4)中央控制系統(tǒng)10控制液壓伺服閥9.2的開閉時間，使得充入液壓振動執(zhí)行器4各液壓油腔的液壓油體積按照所設定振動波形相對應的規(guī)律變化，從而驅動液壓振動執(zhí)行器4的振動殼體8相對于配油軸6的運動按照所設定的振動波形變化。

5)中央控制系統(tǒng)10綜合角位移傳感器13反饋的的振動角位移數(shù)據、液壓泵站9.1反饋的液壓油壓力參數(shù)以及伺服電機2反饋的轉速參數(shù)，調整對各個部分的實時控制參數(shù)，提高整體控制精度以及模擬信號的穩(wěn)定性。

6)振動信號輸出系統(tǒng)由光電編碼器17和霍爾傳感器16共同組成，將所模擬的扭轉振動信號以電信號對外界輸出，作為對軸系扭振測試儀器進行標定的標準信號源。

7)各控制參數(shù)以及實時反饋參數(shù)均以圖表形式在工控機的顯示器上進行實時顯示，發(fā)生故障時工控機發(fā)出報警指令。

液壓油驅動振動殼體8旋轉的原理如下：

振動殼體8與配油軸6組合形成四個液壓油腔，其中第一液壓油腔8.2a與第三液壓油腔8.2c通過油道共同連接至第一液壓油管7.1a，第二液壓油腔8.2b與第四液壓油腔8.2d通過油道共同連接至第二液壓油管7.1b。

液壓泵站9.1所提供液壓油從第一液壓油管7.1a充入時，液壓油經第一環(huán)形油道6.1a進入第一軸內油道6.3a和第三軸內油道6.3c，再進入液壓振動執(zhí)行器4的第一液壓油腔8.2a和第三液壓油腔8.2c。第二液壓油腔8.2b和第四液壓油腔8.2d內的液壓油將分別沿第二軸內油道6.3b和第四軸內油道6.3d經第二環(huán)形油道6.1b進入第二液壓油管7.1b泄出。此時振動殼體8上部受向左的合力，下部受向右的合力，將發(fā)生相對于配油軸6逆時針方向(參照圖6方向)的旋轉運動。

液壓泵站9.1所提供液壓油從第二液壓油管7.1b充入時，液壓油經第二環(huán)形油道6.1b進入第二軸內油道6.3b和第四軸內油道6.3d，再進入液壓振動執(zhí)行器4的第二液壓油腔8.2b和第四液壓油腔8.2d。第一液壓油腔8.2a和第三液壓油腔8.2c內的液壓油將分別沿第一軸內油道6.3a和第三軸內油道6.3c經第一環(huán)形油道6.1a進入第一液壓油管7.1a泄出。此時振動殼體8上部受向右的合力，下部受向左的合力，將發(fā)生相對于配油軸6順時針方向(參照圖6方向)的旋轉運動。

以下以模擬正弦波形的扭轉振動信號為例對信號的精確控制進行說明。

取第一液壓油腔8.2a體積變化進行分析。

令油腔厚度h(單位：mm)，油腔內徑r1(單位：mm)，油腔外徑r2(單位：mm)，在工作時，振動殼體8相對于配油軸6轉動角度(即所模擬的振動角度)為n度，則該油腔的體積變化δv'(正值為增大，負值為減小)可用式1表示。

為使振動殼體8相對于配油軸6轉動角度n按式2以頻率為f(單位：hz)、振幅為a(單位：°)的正弦規(guī)律變化，

n＝asin(2πf·t+φ)(2)

將式2帶入式1中，可得，該油腔需要充入的液壓油體積(正值為充入，負值為泄出)的表達式為：

由于第一液壓油腔8.2a與第三液壓油腔8.2c、第二液壓油腔8.2b與第四液壓油腔8.2d分別同時進行進油或泄油動作，即，即第一液壓油管7.1a需要充入兩倍于δv'體積的液壓油，同時第二液壓油管7.1b需要泄出同樣體積的液壓油，即液壓伺服系統(tǒng)9需要通過第一液壓油管7.1a充入或卸出的液壓油體積δv(單位mm³)為：

按此規(guī)律，振動殼體8相對于配油軸6的轉動角度將按式2進行運動，從而實現(xiàn)對正弦波形的軸系扭振信號的模擬。根據設定的頻率f(單位：hz)、幅值a(單位：mm)，通過控制式4中頻率、幅值a參數(shù)控制充入液壓油體積的變化實現(xiàn)對振動角度的頻率和幅值的精確控制。