[工学]基于变频加载的制动器测试系统研究.doc
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1、摘 要制动器是使机器在很短时间内停止运转、减低或调整机器的运转速度的安全保证设备,其性能至关重要,而完善的性能测试体系和良好的测试设备是保证产品安全质量的前提和基础。目前,制动器广泛使用的测试设备大多是由完成单个测量功能的多台独立的仪器组成,存在,设备的购置费用较高,并且各仪器之间难以实现数据共享,数据的统一处理和保持比较困难,自动化程度不高,升级换代困难。虚拟仪器技术的出现为上述问题的解决提供了新的思路和技术手段,以及变频技术等现代控制器的出现为高性能和低成本的自动测试系统开发成为可能。基于虚拟仪器和变频技术的制动器试验系统,用于综合测定和分析制动器的性能质量,用以替代传统的制动器测试平台。
2、本课题提出以美国NI公司的图形化编程软件LabVIEW为核心,组建测试系统,完成数据的实时采集、处理、显示和记录,进行制动器性能分析。提出采用变频器模拟大范围功率加载,具有自动化加载、模拟制动器实际运行工况,构建的基于虚拟仪器和变频技术的试验平台(包括变频调速驱动子系统、控制子系统和测试子系统),可实现制动器(包括鼓式和盘式制动器)性能测试和测试过程中运行状态的自动控制。分析了制动器试验系统的原理、组成、功能及特点,并对方案的主体部分硬件和软件进行了设计开发。硬件模块包括:信号采集模块、数据采集卡、信号调理模块、变频控制模块以及PC机等。软件部分包括:参数设置与保存;数据采集、处理与分析;测量
3、结果读取与输出等模块。建立的制动器试验系统可测试多种型号的制动器,每种有多个测试项目,能对测试结果进行分析与输出;操作界面友好,操作简单;成本低廉;测试效率高;能进行数据的实时分析与处理。试验系统能更好的模拟制动器实际使用情况和环境条件,更真实的反映制动器的性能,能提高制动器研发水平,缩短制动器开发周期,对制动器设备及其应用系统的安全运行、以及制动技术的提升起到积极的促进作用,试验证明系统功能完善,可以应用盘式制动器、鼓式制动器等的试验,最大制动力矩到30000N.m,是目前国内最大制动力矩测试平台。关键词:制动器;虚拟仪器;LabVIEW;变频;试验和控制。AbstractThe brake
4、 is a safety assurance equipment to stop the machine in a very short period of time, reduce or adjust the machines operating speed. So, beakes performance is critical. Perfect performance test system and test equipment are premise and foundation of products safety quality. Brake test system beening
5、widely adopted is mostly composed by multiple instruments that complete only one single measurement. In that test system, equipments cost high, each instrument is difficult to share data, data processing and maintenance are difficult, degree of automation is not high, upgrade is difficult. Virtual i
6、nstrument technology with modern controller such as inverter technology provided new ideas and technique to solve the above problem,and made it possible to development high performance and low-cost automatic test system. Brake test system based on virtual instrument and the inverter technology, as a
7、n alternative to traditional brake test platform, was used to measure and analyze integratedly the performance of brake. This subject used the U.S. NI graphical programming software-LabVIEW as the core component to construct test system which could complete real-time data acquisition, processing, di
8、splay and recording, and adopted inverter to simulate a wide range of power load, which can load automatically and simulate brakes actual operating conditions. The test platform based on virtual instrument and invert technology consisted of VVVF drive subsystem, control subsystem and test subsystems
9、 can test brakes performance and can automatically control running status in test process. We analyzed the principle, composition, functions and features of brakes test system, and design the main part of the program - hardware and software. Hardware module included signal acquisition module, data a
10、cquisition cards, signal adjusting module, inverter control module and PC. The software component included parameter setting and preservation, data acquisition, processing and analysis, measurement result read and output, error handling, etc. This brakes test system can be established to test multip
11、le test items of multi-type brakes and can analyze and output test results. It is characterized by friendly interface, simple operation, low cost, high test efficiency and capable of real-time data analysis and processing. The brakes test system can better simulate actual usage status and environmen
12、tal conditions, and more realistically reflect the performance of brakes, it can help to improve research and development level on brake, shorten the brake development cycle and play a positive role in safety operation of brake equipment and upgrade of braking technolog. Expetiment dedicated that th
13、e test system had perfect funtion, its maximum braking torque reached to 30000NM, and can be applied in disc brakes test, drum brake stest, etc . It is currently the maximum braking torque test platform in China.Keywords: brakes; virtual instrument; LabVIEW; frequency; test and control目 录摘 要1Abstrac
14、t2目 录41第一章绪论61.1制动器性能测试国内外研究现状61.1.1制动器结构与工作原理61.1.2传统的制动器试验台51.1.3制动器磨损61.1.4 测试方法71.2 现代测试方法综述81.2.1虚拟仪器技术的实现81.2.2虚拟仪器技术优势91.3现代控制加载变频技术91.4课题研究的目的和意义91.3.1论文的意义91.3.2论文研究内容10第二章 制动器试验台方案设计112.1制动器试验台主要性能指标112.1.1试验台设计性能指标112.1.2试验台实现原理112.2制动器性能测试方案122.2.1 制动器制动力矩测试方案122.2.2 测试方案比较132.3 动力加载方案15
15、2.4 试验台结构方案152.5 其他问题162.6 试验系统总体方案172.7本章小结17第三章 基于变频器的加载控制系统研究173.1交流电动机183.2变频器选型设计183.2.1变频调速的特性193.2.2变频器调速的基本原理193.2.3变频器启动控制方式193.2.4变频器的容量203.3变频器控制系统研制213.3.1 控制柜动力线路设计213.3.2 变频器闭环控制设计233.3.3 控制柜控制线路设计243.4 变频器运行设置253.5本章小结27第四章 基于Labview虚拟制动器虚拟测控系统研制274.1 虚拟仪器测试技术274.1.1虚拟测试技术概念274.2.2 虚拟
16、仪器的结构组成284.23虚拟仪器的软件构成294.24虚拟仪器软件开发工具304.25 LabVIEW编程语言304.3 制动器测试系统硬件设计与选型314.3.1 传感器选型设计314.3.2数据采集板344.3.3信号调理电路设计354.4 测试系统结构364.5数据采集卡的安装与配置384.5.1.数据采集设备的安装与检验384.5.2 数据采集设备的I/O配置394.5.3 数据采集设备的通道配置394.6 总结40第五章 试验台安装与编程调试405.1 试验操作过程405.1.1试验流程415.1.2 试验测试精度435.1.3 自动测试流程445.2 试验台主控电路455.3 试
17、验台软件编程475.3.1 主程序485.3.2 测试程序485.3.2 数据读取程序495.3.3数据处理:505.4 实际测试53第六章 结论与建议556.1总结556.2展望56参 考 文 献56致 谢581第一章绪论制动器是动力传动装置中的安全保证设备之一,其性能的优劣直接关系到设备和人员的安全。制动器试验系统用来测试制动器的性能,模拟制动器实际工况中遇到的复杂运行工况,并对在此工况下制动器的静态性能、动态性能进行大量数据采集与处理,进一步判断制动器的性能,做为判断是否应用于传动装置安全制动的依据。目前,国内使用的测试系统大多由完成单个测量功能的多台独立的仪器组成,存在设备购置费用较高
18、,各仪器之间难以实现数据共享,自动化程度低,数据处理方法简单问题。随着现代微电子技术、电力传动技术和计算机软件技术的发展,出现了模拟制动器实际运行工况的变频器技术和自动数据处理的虚拟仪器技术,为测试系统的组建提供了新的思路和方法,使得高自动化、高性能的测试系统开发成为可能。1.1制动器性能测试国内外研究现状1.1.1制动器结构与工作原理制动器主要用来控制动力传动机械设备的运行速度在规定时间内达到稳定在一段范围内或使其停止,是煤矿、港口皮带运输等大型运输设备、车辆、爬行机器和许多固定设备安全工作的重要装置。制动器有摩擦式、液力式和电磁式等几种形式:电磁式制动器具有滞后作用小、易于连接且接头可靠等
19、优点,但存在成本高因此仅应用于一部分重型汽车上,做车轮制动器或缓速器;液力式制动器通常只用作缓速器;目前广泛使用的仍为摩擦式制动器。摩擦制动器具有结构紧凑、安装简单、工作可靠的优点,广泛地应用在各种机械设备中,其工作原理是利用摩擦副相对运动时接触表面所产生的摩擦阻力来调节相对运动速度或来停止运动。摩擦制动器一般分为盘式制动器和鼓式制动器两种形式,盘式制动器示意图如图1-1所示,鼓式制动器示意图如图1-2所示。图1-1盘式制动器示意图图 1-2鼓式制动器示意图盘式制动器一般采用浮动钳盘式结构,固定环节元件为横跨制动盘两侧的制动钳,制动钳上有制动轮缸、活塞和摩擦垫块。摩擦垫块通过导向件悬装在制动钳
20、上,可轴向移动。在制动过程中,制动钳内活塞移动,使摩擦垫块压向与制动轮一起旋转的制动盘,产生摩擦制动力矩使制动轮减速直至停车。制动盘有的采用整体通风式铸铁圆盘,也有采用两面为铸铁中间为通风间隙材料的复合式圆盘。制动钳内侧有一个轮缸,钳体为一整体铸件,制动时,轮缸活塞在制动液压作用下向外运动,推动与活塞接触一侧的内制动衬片紧压制动盘,由于制动盘不能作轴向移功,液压进一步上升时,制动钳体将在制动盘所受液压的反作用力作用下沿导向定位销向内移动,推动外制动衬片紧压制动盘,此时制动盘因两面受阻产生制动作用。鼓式制动器工作原理基本相似,它是靠轮式缸活塞推动制动蹄片与制动鼓产生摩擦,来实现制动。盘式制动器和
21、鼓式制动器在结构上的最大区别在于:鼓式制动器摩擦副中的旋转元件为制动鼓,摩擦工作表面为圆柱面;盘式制动器摩擦副中的旋转元件是以端面工作的金属圆盘(又称制动盘)。盘式制动器热稳定性、频响特性以及抗衰减性能较鼓式制动器好,可靠性和安全性也高,因而得到广泛应用;但是盘式制动器存在效能低,无法完全防止尘污和锈蚀。1.1.2传统的制动器试验台根据实际科研项目技术要求,本论文所研究的试验系统是在制动器试验台上进行的,因此首先分析一般传统的制动器试验台结构特点,基于该试验台进行研制建立自动化水平较高的测试系统。图1-3为制动器试验台主体原理图 1.直流电动机,2.安全制动器,3.飞轮盘加载组,4.轴承座,5
22、.联轴器,6.转速、转矩传感器,7.轴承座,8.待测制动器,9.滑动底座,10.微调操作台图1)传统的制动器试验台传统的试验系统主要由直流电动机、安全制动器、飞轮盘加载组、轴承座、联轴器、转速传感器、转矩传感器、联轴器、鼓(盘)式制动器安装座、待测制动器、滑动底座和微调操作台等组成1。2)试验台测试工作原理试验台的工作原理主要是根据制动器的运转时间率JC(%),飞轮矩GD2(kgm2)的大小和电动机转速n(rmin-1),调整试验台与之相匹配,然后依据制动能量相等法则模拟制动器的运行状况。由测试系统控制2的可调速直流电动机1,通过联接和传动装置驱动加载(惯性)飞轮盘组3及被测制动轮(盘)8旋转
23、运行,当制动器在工作循环中反复制动时,通过非接触式红外线测温仪,扭矩传感器,磁电式测速传感器和测速发电机等输出被测信号,通过测试系统分别经整形、放大、检波、滤波以及A/D转换后,由通用计算机进行数据采集与处理3。3) 试验台主要功能实现鼓式制动器及盘式制动器的性能测试,可对起重运输机械、工程机械、矿山机械、建筑机械和车辆等机构的制动器进行多项参数性能测试及科学试验研究。根据不同制动器的型式,选择相应的安装座,用电动滑台(滑动底座调节装置)进行位置调整。多级加载,可模拟制动器的实际载荷,采用不同的飞轮组合,进行多级加载。制动频次调整,根据实际工况需要,制动频次可进行设定。更换惯性飞轮盘采用液压操
24、作,省力、方便。可通过直流调速系统进行调速,当被测制动器的制动力矩很大时,可以适当将制动初速度调整,尽量减少惯性矩的大小。可测量制动器故障率、制动力矩、制动鼓(盘)温升、制动时间、制动鼓(盘)转速、制动衬垫摩擦系数以及这些参数在制动过程中的变化曲线。4)传统试验系统的测试系统传统的制动器试验系统中5主要包含的传感器有:扭矩传感器、测速传感器及温度传感器。除上述主体外还包括可控硅整流器,(YD-15型)动态电阻应变仪,试验台控制柜以及(SC16)型光线记录示波器。其中,可控硅整流器的功能主要是将380V的交流电通过整流变成直流电,从而实现对直流电动机进行无级变速。(YD-15型)动态电阻应变仪可
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- 关 键 词:
- 工学 基于 变频 加载 制动器 测试 系统 研究
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