复杂环境扭振测试系统及其测试方法

技术领域

本发明提供一种复杂环境扭振测试系统及其测试方法，属于扭振测量技术领域。

背景技术

直升机传动系统包括发动机、减速传动系统和旋翼等，其主要激励是旋翼的交变阻力距，即产生扭转振动，这种振动的破坏性很强，极易引起机械结构的疲劳和松散，尤其当振动频率接近于机械机构的固有频率时，破坏性将会更严重。因此对扭转振动进行测量具有重大的实际意义。传统扭振测量方法主要有两类，一是利用固定在轴表面的传感器获取与扭振相关的物理量如速度等经过处理后得到扭振信息，此种方法存在安装维护不便和信号传输困难的问题，特别是转速较高的情况下。另一类通过电磁感应光电脉冲法直接测量转轴平均转速，进而反映出扭振信息，但实时性差。激光多普勒测量技术较好的解决了这两个问题，但复杂环境下的扭转测量依旧困难，存在着系统结构和操作复杂等问题。本文设计的一种基于激光多普勒测位仪的扭振测试系统结构简单易操作，能够直接测量得到转轴的瞬时速度从而获取扭振信息。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种各种复杂环境下扭转振动的测量系统，此系统制作成本低，能较贴切的模拟各种复杂激励和随机干扰，提高测量效率和精度。

本发明为实现上述目的采用如下技术方案：复杂环境扭振测试系统，所述测试系统包括电机、水箱、水泵、齿码盘、卡槽、激光多普勒测位仪；其中，所述电机上连接有电机轴，所述电机轴贯穿水箱；在所述水箱内的电机轴上，设有若干个卡槽，所述卡槽内插入叶片挡板；所述齿码盘固定在电机轴穿过水箱后一侧的轴上，所述电机轴端点联轴器用来连接扭振系统上；

所述水泵通过管道连接在水箱下半部分，用于调节水压大小从而控制水流的喷射速度，以及控制水箱内的水位；所述激光多普勒测位仪用于采集电机轴扭转信息。

进一步的，所述水箱为透明亚克力材质制成，水箱内电机轴上有8个卡槽可根据需要插入叶片挡板，挡板通过插销固定。所述齿码盘周部设有齿形结构，齿等间距分布，一周共设有12齿。

进一步的，所述水泵上配置控制器，可调节水压大小从而控制水流的喷射速度，进水口位于箱体底部，喷口对准叶片挡板下缘，通过给水和排水控制箱体内水深从而调节外部随机干扰力和激励力的大小。

更进一步，所述叶片挡板为碳纤维材质，插入方式为一片插入或多片等间距插入，以产生不同频率的激励力。

进一步的，所述激光多普勒测位仪对准齿码盘，光路在齿码盘径向上，通过测量齿盘齿顶或齿根距离获取轴的扭转信息。

基于上述复杂环境扭振测试系统，本申请还提供其测试方法，所述测试方法包括以下步骤：

步骤一，系统安装：将电机轴穿过水箱，在电机轴外露端安装好齿码盘，轴端点套上联轴器，连接所测试的扭振系统；将叶片挡板插入到卡槽内；

步骤二，调整激光多普勒测位仪使其光线与轴方向垂直，打在齿码盘齿上；

步骤三，关闭出水口，安装水泵，进水口放水；

步骤四，根据需要在水箱内轴上安装叶片挡板，启动电机，打开水泵水流射入叶片尖端，调节水压大小获得不同的周期外界激励，或是放水淹没部分叶片，通过控制水深调节外部随机干扰力大小及激励力大小；

步骤五，通过激光多普勒测位仪来收集轴扭转信息。

进一步的，所述叶片挡板的安装包含两种情况：

只插入一片叶片挡板时，插入在卡槽上的任意位置；

插入多片叶片挡板时，所述叶片挡板分布在卡槽圆周方向等间隔分布。

进一步的，所述通过控制水深调节外部随机干扰力大小及激励力大小具体指：

当水箱内液位很浅，即没有淹没叶片挡板时，水泵关闭，没有外界激励，打开水泵， 水流冲击叶片挡板尖端，产生

扭振用角速度来描述，相邻两齿间平均角速度

式中，

更进一步的，所述调节水压大小获得不同的周期外界激励具体指：

当插入单个叶片挡板时，电机转速为

本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：系统结构简单直观，仅需水泵、水箱和挡板就能快速的组合出多种复杂的激励力，操作安全便捷，在能满足精度要求的前提下做到方便高效。

附图说明

为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对本发明中所需要使用的附图进行简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，可以根据这些附图获得其它附图。

图1是激光多普勒测位仪测量到齿码盘距离示意图；

图2是本发明基于激光多普勒测位仪的复杂环境扭振测试系统的结构示意图；

图3是箱内轴上卡槽插销结构和叶片挡板安装示意图；

图4是加入外部激励之前与之后的距离s随时间t变化的方波图；

图中，1-水箱、2-电机、3-联轴器、4-齿码盘、5-激光多普勒测位仪、6-水泵、7-水泵控制器、8-挡板、9-卡槽插销。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合说明书附图对本发明的实施方式做进一步地详细叙述。

实施例1

本实施例提供复杂环境扭振测试系统，该测试系统基于激光多普勒测位仪来实现测试功能，所述测试系统包括电机、水箱、水泵、齿码盘、卡槽、激光多普勒测位仪；其中，所述电机上连接有电机轴，所述电机轴贯穿水箱；在所述水箱内的电机轴上，设有若干个卡槽，所述卡槽内插入叶片挡板；所述齿码盘固定在电机轴穿过水箱后一侧的轴上，所述电机轴端点联轴器用来连接扭振系统上；

所述水泵通过管道连接在水箱下半部分，用于调节水压大小从而控制水流的喷射速度，以及控制水箱内的水位；所述激光多普勒测位仪用于采集电机轴扭转信息。

进一步的，所述水箱为透明亚克力材质制成，水箱内电机轴上有8个卡槽可根据需要插入叶片挡板，挡板通过插销固定。所述齿码盘周部设有齿形结构，齿等间距分布，一周共设有12齿。

进一步的，所述水泵上配置控制器，可调节水压大小从而控制水流的喷射速度，进水口位于箱体底部，喷口对准叶片挡板下缘，通过给水和排水控制箱体内水深从而调节外部随机干扰力和激励力的大小。

更进一步，所述叶片挡板为碳纤维材质，插入方式为一片插入或多片等间距插入，以产生不同频率的激励力。

进一步的，所述激光多普勒测位仪对准齿码盘，光路在齿码盘径向上，通过测量齿盘齿顶或齿根距离获取轴的扭转信息。

直升机在飞行时传动系统会受到旋翼的扭转激励，主要是旋翼转速的整数倍激励和随机干扰，一般来说阶数越高影响比重越小，起主导作用的是前几阶，故对此开发一种复杂环境下基于激光多普勒测试仪的扭转测试系统，系统由水箱1、电机2、联轴器3、齿码盘4、激光多普勒测位仪5、水泵6、水泵控制器7、挡板8、卡槽插销9构成。

所述电机2由电机机体和电机轴两大部分组成，电机机体在水箱1外侧，电机轴横贯水箱，在水箱部分有8个卡槽，可插入1片或等间距插入2片、3片、4片、6片叶片挡板。当需要插入单片时，可插入任意一个卡槽，当插入2片叶片挡板时，可插入任意对称两卡槽内；当插入3片挡板时可插入c、f和h号卡槽或者b、d和g号卡槽；当插入4片时应插入a、c、e和g号卡槽；6片时应插入b、c、d、f、g和h号卡槽。

所述联轴器3位于电机轴端部，用于连接电机轴和扭振系统。

所述水箱1作为试验系统的载体，为其他部件提供框架，当需要较大冲击力和较大随机干扰激励力时，从侧面进水口处注水至淹没g号位置叶片挡板的部分，同时通过和出水口排水的配合控制水深以控制对轴端的激励大小，需要注意的是箱内水深有限高，以免淹没叶片挡板太多在高速旋转状态下发生破坏。

本实施例提供的基于激光多普勒测位仪的复杂环境扭振测试系统，结构简单直观，仅需水泵、水箱和挡板就能快速的组合出多种复杂的激励力，操作安全便捷，在能满足精度要求的前提下做到方便高效。

实施例2

在上述测试系统的基础上，本实施例提供该测试系统用来的测试方法，所述测试方法包括以下步骤：

步骤一，系统安装：将电机轴穿过水箱，在电机轴外露端安装好齿码盘，轴端点套上联轴器，连接所测试的扭振系统；将叶片挡板插入到卡槽内；

步骤二，调整激光多普勒测位仪使其光线与轴方向垂直，打在齿码盘齿上；

步骤三，关闭出水口，安装水泵，进水口放水；

步骤四，根据需要在水箱内轴上安装叶片挡板，启动电机，打开水泵水流射入叶片尖端，调节水压大小获得不同的周期外界激励，或是放水淹没部分叶片，通过控制水深调节外部随机干扰力大小及激励力大小；

步骤五，通过激光多普勒测位仪来收集轴扭转信息。

所述外界激励有以下几种类型：

1. 当关闭水泵，调节水深，则可以调节外部随机干扰力的大小以及激励力的大小。

2. 打开水泵水流直接射入叶片挡板尖端，调节水泵水压大小，可以获得不同的周期外界激励。

3. 当水很浅，即没有淹没叶片挡板时，水泵关闭，没有外界激励，打开水泵，水流 冲击叶片挡板尖端，产生

所述叶片挡板的安装包含两种情况：

只插入一片叶片挡板时，插入在卡槽上的任意位置；

插入多片叶片挡板时，所述叶片挡板分布在卡槽圆周方向等间隔分布。

所述电机在箱体内轴装有卡槽，用以插入叶片挡板，通过插销与轴固定，电机轴每 转一圈，叶片挡板到箱底就会受水流冲击一次，当水深的时候，淹没叶片部分较多，则冲击 力越大，溅起的水花也大，外部随机干扰增强。通过改变插入箱内轴上叶片挡板数量可以得 到不同频率的外界周期激励，当插入单个叶片挡板时，电机转速为

所述电机轴有8个卡槽，分别为0°、30°、90°、150°、180°、210°、270°、330°方向。可插入单片或等间距插入2、3、4、6片叶片挡板。

所述水泵置于水箱底部正前方面，进水口连接水箱底部，喷水口对准叶片挡板尖端，水泵工作时吸入箱底的水喷射到迎面旋转而来叶片挡板上，对转轴产生一个与转速和叶片挡板数相关的外部周期激励，通过调节水泵水压可调节外部激励力的大小。

扭振可以用角速度来描述，相邻两齿间平均角速度（

式中，

所述水泵6放置在水箱正前方，水泵进水口连接箱底，工作时抽出箱底的水迎面喷射到g号位置叶片挡板尖端，通过所述水泵控制器7调节水泵水压从而调节传递到轴上的激励力大小。

如图4所示，将激光多普勒测位仪到齿码盘的距离s和时间t关系制成方波图，当激 光打在齿底处时距离为

扭振的测量关键是从原始信号即波形图提取信号周期和计算瞬时转速。可通过高 频计数法求出第i个齿转过的信号周期

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本申请实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。