设计说明书-越野车油气悬架系统密封的试验装置设计

第4章越野车油气悬架系统密封的试验装置的总体设计
4.1总体布局
4.1.1结构方案的确定
1Hale Waihona Puke 结构设计部分①密封实验台具备进行常规的机械密封实验能力(包括平衡型和非平衡型机械密封实验)。
②设计加温，加压装置。
③设计压力及温度过载保护装置及压力调节系统。
2.测试系统设计部分
①具备温度测试、压力测试、泄漏测试等功能。
实验系统中的泵将储水腔中的介质升压后，经过泵体、管路和阀门进入稳压水腔，设计稳压水腔的目的是为了使介质在进入密封腔体时将压力稳定下来，然后才进入密封实验腔体，通过进出口两侧的截止阀门调节密封实验腔体的介质压力。介质在各腔体的进出口压力可以通过压力表读出。实验系统在储水腔上设计加热棒，并设置温度控制仪表。稳压水腔上安装安全阀，保证实验系统的安全操作静环端盖设计成静环盒、静环压盖。动环端面引出测量面，测量动环位移。轴上设计位移测试环，测量轴的位移。机械密封实验腔体上设计并安装相应的转矩转速测量仪、压力传感器、温度传感器、位移传感器、密封泄漏量测量装置。并适配相对应的接线端子板和数据采集卡，实现计算机数据采集。通过改变实验腔体中介质压力、温度，达到模拟各种不同工况下机械密封工作情况的目的，并通过实验台上测试系统测试出密封具体工作参数，完成机械密封实验。实验中由加压泵抽取水箱中的水，经过泵体、管路和阀门进入稳压水腔，然后进入密封实验腔体，最后通过压力溢流阀流回水箱，构成一个闭合水路循环系统。密封实验台的流程图如图2所示。
4.1.2布局方案的确定
图4.2
台座：安装被测模块、负载模块和安全防护装置的基础。石质或铸铁座体固定在钎入地下的螺栓上。台座留有冷却系统管路线槽和部分传感器位置，并安装防撞块、可拆卸的透明防护罩等。台座总长预计4米，安装1米左右长的直线导轨，导轨最高速度不小于15m/s。
被测模块：安放被测密封腔体。被测密封腔体的机械形式（平板式、套筒式，单边、双边等）不限，均可在试验台上进行测试评价并做到拆装方便。试验台适用的被测油气悬架系统，活塞行程最大达到800mm，且工作频率到10Hz，压力40MPa的密封使用条件。
②配置相应传感器和仪器，测量系统实验的转速和扭矩。
③适配接线端子板、数据采集卡，实现测试数据由模拟信号变为数字信号。
④编制密封实验数据采集系统，实现测试数据的计算机采集和显示。
3.实验台设计方案的确定
图4.1
实验台轴承对称安装在转轴的两侧，电机一侧轴的旋转用两个滚珠轴承组成的轴承箱做支撑，轴承座固定在焊接的刚性架上，另一侧使用滚动轴承做支撑，以保证各零件的同轴度。轴承箱上开设注油孔，使轴承箱内轴承得到充分润滑。密封实验腔体中间设计中间隔板，将介质和轴承的润滑系统隔离开，滚动轴承侧腔体开设进油口和出油口。
负载模块：以电机（对拖）为主要形式为测试提供力负载。根据被测悬挂系统大小不同和具体试验要求使用可更换容量的、伺服控制的负载电机，实现稳定、可编程、宽范围、与速度不耦合的推力负载。负载模块设计瞬态最大出力18000N，10m/s时最大出力10000牛顿。负载模块亦可提供机械方式的堵动或堵转。
传感器：电机位移传感器，分辨率1微米；
3.结构多样化：直线电机一般直接和被驱动部件连接，为适应不同的安装要求结构必须多样化；
4.控制数字化：直线电机的控制是直接驱动技术的一个难点，全数字控制技术是解决这一难点的有效方案。
2.3设计目标
以直线电机驱动在直驱伺服系统综合性能试验平台上对油气悬架系统进行密封性试验。考虑到在一般环境下悬架系统寿命较长，而较难测试出悬架系统的寿命，因此可以适当改变实验环境。比如给主储气室加温加载，大幅缩短悬架系统的寿命，换言之，就是尽快破坏油气悬架系统的密封性，再通过换算得出油气悬架系统的在一般环境下的寿命，也就达到了对悬架系统进行密封性试验的研究目的。
图5.2直线电机的形式
5.1.3直线电机的工作原理
直线电机不仅在结构上相当于是从旋转电机演变而来的，而且其工作原理也与旋转电机相似。遵循电机学的一些基本原理，下面以直线异步电机为例，从旋转电机的基本工作原理出发，引申出直线电机的基本工作原理。
图5.3旋转电机的旋转磁场
图5.3表示一台简单的二级旋转电机。图中绕组AX、BY、CZ为定子A、B、C、三相绕组。当在其中通入三相对称正弦电流后，便在气隙中产生了一个磁场，这个磁场可看成沿气隙周围呈正弦分布。电流随时间变化，磁场波幅就按A,B, C相序沿圆周旋转。电流变化一个周期，磁场转过一对极。这种磁场称为旋转磁场，其旋转速度称为同步速度（r/min），用s n表示，它与电流的频率f（Hz）成正比。
在直线电机应用方面，德国Ex-cell-O公司是世界上第一台直线电机驱动高速加工中心工作台的制造厂家。近年来，Ex-cell-O公司又推出了新的XHC241型和XHC341型高速加工中心新产品，其三坐标运动系统均采用直线电机驱动。XHC241型机床的最高运动速度为120m/min，加速度为14m/s2,定位精度0.003mm。XHC341型机床的规格较大，其最高运动速度也是120m/min，加速度为10m/s2,定位精度0.005mm。从1993年Ex-cell-O公司首次开发成功直线电机驱动高速机床以来，世界上许多厂商纷纷推出这类高速加工中心和其它数控机床。据统计，1997年采用直线电机的机床销量已达300台，近几年这个数字还在不断增长，专家预测，到2010年，世界上将有20%的数控机床的直线运动单元采用直线电机驱动，其应用和发展前景令人瞩目。虽然国内研究直线电机的单位不少，但将直线电机作为机床或加工中心直线运动单元研究的主要有3所大学：广东工业大学成立了“超高速加工与机床研究
室”，主要研究和开发“超高速电主轴”和“高速直线运动单元”。他们研究的是直线感应电机，开发了GD-3型直线电机高速数控直线运动单元,额定运动力为2kN，最高运动速度100m/min，定位精度0.004mm，行程为800mm。从90年代后期开始,沈阳工业大学对永磁直线同步电机进行研究,并制造了推力为100N的样机。他们研究的另一重点是电机的控制方式及伺服系统,并就此发表了多篇论文。清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所成功地研制了高频响直流直线电机,行程可达5mm,截止频率大于250Hz ,推力达几百牛顿,用于驱动中凸变活塞车床的横向刀架,在实际加工中获得了较好的应用效果。现在正在进行研究的是长行程永磁直线伺服单元,电机的额定推力为1500N ,最高速度60m/min ,空载最大加速度1g,行程600mm。应该看到,在国内,直线电机特别是高速直线运动单元中的直线伺服电机的研究还处于起步阶段,研究人员和经费明显不足,进展也比较慢,和国外的差距越来越大,加强研究已是迫在眉睫。为了打破国外的技术垄断,必须走技术跟踪和自主开发相结合的道路,加强基础和关键技术的研究。
力传感器，精度优于满量程1%，预备4套以用于不同量程范围：1000N、4000N、8000N、20000N；
温度传感器，埋设在电机线包附近，测量误差小于0.2度；
压强传感器，置于储油室内监测压强；
通用型数字示波器配高压探头等。
第5章电机及导轨的选用
5.1直线电机
5.1.1直线电机概述
直线电机主要是直线电动机，它是一种将电能直接转换成直线运动的机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置。它是20世纪下半叶电工领域出现的具有新原理、新理论的新技术。它所具有的突出优势，已越来越引起人们的重视，不久应用。
第3章越野车油气悬架系统密封的试验装置的功能设计
3.1主要功能
本试验装置主要功能是改变越野车油气悬架系统的外部条件以在较短时间内测试出该悬架系统密封性能的寿命。
3.2功能分析
在正常情况下使用油气悬挂系统，其寿命较长，性能好的可达10年及以上。故欲在正常条件下在实验台上测出悬挂系统的寿命不具可行性。本验台设计的目的主要就是提供较为恶劣的外部环境，如大载荷，高温等，并且通过建立适当的测试手段，完成机械密封变工况实验过程中所需试验数据的采集与分析，由此判断设计的机械密封是否具有规定的性能。
2.2发展趋势
目前直线电机直接驱动技术的发展呈现以下趋势：
1.部件模块化：包括初级、次级、控制器、反馈元件、导轨等部件模块化，用户可以根据需要（如推力、行程、精度、价格等）自由组合；
2.性能系列化：由于直接驱动，不像旋转电机那样可以通过减速器的减速比、丝杠螺距等环节调节性能，单一性能的直线电机应用范围比较窄，因此性能的系列化更丰富；
第2章文献综述
2.1国内外研究现状及成果
直驱伺服电机是近年发展起来的一种新型进给传动方式，在各类高速精密加工设备上具有广泛的应用前景。
目前国际市场的直线电机产品种类繁多，各有特色，美国的Kollmorgen、Anorad、Ingersoll公司，日本的三井精机、三菱、FANUC公司，德国的Siemens、Indramat公司等都推出了先进的直线伺服系统。Anorad公司在1988年就推出了无刷直流直线电机，并获得美国专利，他以永磁式直线电机为主，形成了不同结构不同功率的系列产品，广泛应用于各种领域。Siemens公司也推出1FN1、1FN3等大中型推力永磁直线同步电机，适合于加工中心进给系统的驱动。而国内直线电机的发展还处于实验室开发阶段，主要研究力量是大学和科研院所。国内一些公司和研究所也开始涉足机床的高速化工作。在第八届CIMT’03展览会上，北京机电高技术股份公司推出了我国第一台采用直线电机驱动的加工中心（VS1250立式加工中心），该机床采用了Siemens公司的1FN1型直线电机和840D数控系统，X、Y轴进给速度可达62m/min，加速度可达1g，主轴最高速15000r/min。
第1章前言
汽车悬架是汽车中弹性的连接车架与车轴的装置。它一般由弹性元件、导向机构、减震器等部件构成，主要任务是缓和由不平路面传给车架的冲击，以提高乘车的舒适性。而越野车是一种为越野而特别设计的汽车，出于对越野性能的需求，其悬架系统就显得尤为重要。为了满足人们对越野车不断增长的性能需求，人们需要在更好的试验装置及环境不断开发性能更为优秀的悬架系统。这也是本课题——越野车油气悬架系统密封的试验装置设计——研究的目的及意义所在。