液力減速器內流場三維piv測試系統試驗裝置及方法

2023-10-28 08:05:07

專利名稱：液力減速器內流場三維piv測試系統試驗裝置及方法
技術領域：
本發明涉及一種液力減速器內流場三維Piv測試系統試驗裝置及方法。
背景技術：
液力減速器作為一種輔助制動裝置，已應用於大、中型車輛上。液力減速器主要由殼體、熱交換器、定子葉輪、動子葉輪、花鍵軸、控制器等部件組成。該裝置通過動子帶動液力旋轉並衝擊定子，此時定子也會通過液力產生反作用力作用於動子，從而阻礙轉子轉動，實現無接觸制動，是一種高端的緩速器產品。液力減速器內部流場是複雜的三維流動，由於三維流動理論尚不成熟，不能用來對液力減速器的內部流場進行精確的計算和分析。目前，國內外針對液力減速器性能研究主要是通過計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)數值仿真,對內流場進行研究。但目前使用CFD所進行的流場分析是在諸多簡化條件下進行的，所作的穩態假設僅僅反映了元件的靜態特性，數值模擬的模型還不夠完備，CFD分析仍然局限於正向驗證性質的數值模擬，沒能成熟應用到液力元件參數優化上。因此，直接針對三維流場的試驗分析具有重要的意義，流場測試和數值模擬相輔相成，因而需要設計一套用於液力減速器內流場三維特性測試的試驗裝置。

發明內容
針對液力減速器及PIV測試技術的特點，為了克服現有技術的不足，本發明旨在提供一種液力減速器內流場三維PIV測試系統試驗裝置及方法。一種液力減速器內流場三維PIV測試系統試驗裝置，它包括可視化液力減速器系統、水循環系統、PIV測試系統；可視化液力減速器系統包括順次相連的驅動電機、變速箱、氣動離合器、慣性飛輪箱、轉速扭矩傳感器、可視化試驗箱、液力減速器，所述的可視化試驗箱採用透明材料製成，具有安裝液力減速器可視化樣機的定輪、動輪、殼體的標準接口，適用水介質，制動器軸由軸承支撐，穿過液力減速器殼體與動輪連接；水循環系統包括順次相連的儲水箱、水泵、壓力指示器、減壓器、示蹤粒子投放器、流量計；Piv測試系統包括圓形導軌、第一 CCD相機、第二 CCD相機、計算機、雙脈衝雷射器、同步器，所述的雙脈衝雷射器所發光源為片光，安裝於圓形導軌上，第一 CCD相機安裝於可視化試驗箱頂部，向下拍攝，用於測量內流場弦面信息，第二 CCD相機安裝於圓形導軌上，可沿導軌轉動，保持第二 CCD相機的中心軸線與雙脈衝雷射器片光平面相垂直，用於測量內流場垂直於弦面的任意截面信肩、O一種所述的液力減速器內流場三維PIV測試系統試驗裝置的具體操作方法如下，在對內流場進行三維PIV測量時
O調節雙脈衝雷射器片光，使之平行於流場弦面，調整安裝於試驗箱頂部的第一 CCD相機，使之軸線垂直於弦面，當液力減速器進入制動工況，示蹤粒子隨水流進入減速器工作腔時，同步器控制所述雙脈衝雷射器與第一 CCD相機同步工作，雷射片光照亮流場，第一CCD相機對流場進行拍照記錄，利用計算機PIV分析軟體對所攝圖像進行處理，測量內流場瞬時速度場數據，獲取內流場弦面數據；
2)調節雙脈衝雷射器，使之產生的片光垂直於弦面，調整圓形導軌上的第二CXD相機使之中心軸線與雷射器片光平面垂直，雙脈衝雷射器與第二 CCD相機分別位於圓形導軌的兩處，雷射器片光垂直於弦面，第二 CCD相機軸線平行於翼坐標軸，與片光平面垂直，控制雙脈衝雷射器與第二 CCD相機同步工作，雷射片光照亮流場，第二 CCD相機對流場拍照記錄，測量當前截面流場信息；
3)調節雙脈衝雷射器沿圓形導軌轉過一定角度Θ，片光平面仍垂直於弦面，調整第二CCD相機沿圓形導軌相同方向轉過相同角度Θ，第二 CCD相機軸線與雷射器片光平面保持垂直，控制雙脈衝雷射器與第二 CCD相機同步工作，雷射片光照亮流場，第二 CCD相機對流場進行拍照記錄，測量內流場垂直於弦面的任意截面信息，所述的第二 CCD相機與雙脈衝雷射器底部均有滑輪，沿圓形導軌滾動，圓形導軌周身標有刻度，便於角度調節。本發明的有益效果是1、可·以對液力減速器實際制動工況下內流場全區域內任意截面進行三維PIV測量，獲得流速分布等數據，優化減速器液力元件設計。2、可以方便快速調節雷射器與CCD相機，使其片光平面與中心軸線始終保持垂直，保證所測圖像清晰準確。


圖1是液力減速器內流場三維PIV測試系統試驗裝置三維結構示意圖。圖2是外驅動系統結構示意圖。圖3是液力減速器剖面示意圖。圖4是水循環系統示意圖。圖5是液力減速器內流場空間示意圖。圖6是圓形導軌調節示意圖。圖中1-驅動電機，2-變速箱，3-氣動離合器，4-慣性飛輪箱，5-轉速扭矩傳感器，6-可視化試驗箱，7-可視化液力減速器，8-制動器軸，9-圓形導軌，10-1-第一 CXD相機、10-2-第二 CXD相機，11-計算機，12-雙脈衝雷射器，13-同步器，14-定輪，15-動輪，16-殼體，17-軸承，18-儲水箱，19-水泵，20-壓力指示器，21-減壓器，22-示蹤粒子投放器，23-流量計，Θ-雷射器片光平面與y軸線夾角。
具體實施例方式以下結合附圖和實施方式對本發明作進一步的描述。本發明採用粒子圖像測速技術(Particle Image Velocimetry,簡稱PIV)對可視化液力減速器進行三維流場測試，可以得到內流場流速分布。液力減速器內流場非常複雜，處於高度湍流狀態，PIV技術對流場無幹擾，可以獲得內流場的瞬時速度場，進行全場定量測量，因此對於流動的細微結構及其機理的研究具有重要的意義，是測量複雜流場的一種最先進的技術。通過PIV拍攝對液力減速器內流場進行研究，其結果可用於減速器內部液力元件的設計與優化。
一種液力減速器內流場三維PIV測試系統試驗裝置，它包括可視化液力減速器系統、水循環系統、PIV測試系統；可視化液力減速器系統包括順次相連的驅動電機1、變速箱
2、氣動離合器3、慣性飛輪箱4、轉速扭矩傳感器5、可視化試驗箱6、液力減速器7，所述的可視化試驗箱6採用透明材料製成，具有安裝液力減速器可視化樣機的定輪14、動輪15、殼體16的標準接口，適用水介質，制動器軸8由軸承17支撐，穿過液力減速器殼體16與動輪15連接；水循環系統包括順次相連的儲水箱18、水泵19、壓力指示器20、減壓器21、示蹤粒子投放器22、流量計23 ；PIV測試系統包括圓形導軌9、第一 CXD相機10_1、第二 CXD相機10-2、計算機11、雙脈衝雷射器12、同步器13，所述的雙脈衝雷射器12所發光源為片光，安裝於圓形導軌9上，第一 CCD相機10-1安裝於可視化試驗箱6頂部豎直向下拍攝，用於測量內流場弦面信息，第二 CCD相機10-2安裝於圓形導軌9上，並可調節使其沿導軌轉動，保持第二 CXD相機10-2的中心軸線與雙脈衝雷射器12片光平面相垂直，用於測量內流場垂直於弦面的任意截面信息。一種所述的液力減速器內流場三維PIV測試系統試驗裝置的具體操作方法如下，在對內流場進行三維PIV測量時
O調節雙脈衝雷射器12片光，使之平行於流場弦面，調整安裝於試驗箱頂部的第一CXD相機10-1，使之軸線垂直於弦面，當液力減速器進入制動工況，示蹤粒子隨水流進入減速器工作腔時，同步器13控制所述雙脈衝雷射器12與第一 CCD相機10-1同步工作，雷射片光照亮流場，第一 CCD相機10-1對流場進行拍照記錄，利用計算機PIV分析軟體對所攝圖像進行處理，測量內流場瞬時速度場數據，獲取內流場弦面數據；
2)調節雙脈衝雷射器12，使之產生的片光垂直於弦面，調整圓形導軌9上的第二CXD相機10-2使之中心軸線與雷射器片光平面垂直，雙脈衝雷射器12與第二 CXD相機10-2分別位於圓形導軌9的兩處，雷射器片光垂直於弦面，第二 CCD相機10-2軸線平行於翼坐標軸，與片光平面垂直，控制雙脈衝雷射器12與第二 CCD相機10-2同步工作，雷射片光照亮流場，第二 CCD相機10-2對流場拍照記錄，測量當前截面流場信息；
3)調節雙脈衝雷射器12沿 圓形導軌9轉過一定角度Θ，片光平面仍垂直於弦面，調整第二 CXD相機10-2沿圓形導軌9相同方向轉過相同角度Θ，第二 (XD相機10-2軸線與雷射器片光平面保持垂直，控制雙脈衝雷射器12與第二 CCD相機10-2同步工作，雷射片光照亮流場，第二 CCD相機10-2對流場進行拍照記錄，測量內流場垂直於弦面的任意截面信息。圖1是液力減速器內流場三維PIV測試系統試驗裝置三維結構示意圖，為顯示清晰，圖中未畫出水循環系統，可視化試驗箱6隻畫出一半箱體，可視化液力減速器7隻顯示定輪14。如圖2、圖3所示，驅動電機1、變速箱2、氣動離合器3、慣性飛輪箱4、轉速扭矩傳感器5、制動器軸8、可視化試驗箱6順次連接，驅動電機I作為動力源提供動力，氣動離合器3根據需要控制動力源與液力減速器系統結合或脫開，慣性飛輪箱4模擬負載慣量，制動器軸8 —端安裝轉速扭矩傳感器5，檢測液力減速器轉速轉矩信息，另一端穿過可視化試驗箱6及可液力減速器殼體16，通過軸承17支撐，與動輪15採用花鍵連接。試驗開始後，啟動驅動電機I，氣動離合器3接合，制動器軸8在驅動電機I作用下帶動液力減速器動輪15轉動，根據轉速扭矩傳感器5所測轉速、扭矩信息，可視化液力減速器7達到預定工況後，氣動離合器3脫開，可視化液力減速器7與外動力源分離，進入制動工況，由慣性飛輪箱4提供制動所需的負載慣量。圖4所示是試驗裝置水循環系統，為使所拍照片清晰，採用水介質替代油液；當可視化液力減速器7進入制動工況後，迅速啟動水泵19驅動儲水箱18中水介質在管路中流動，壓力指示器20、減壓器21、粒子投放器22、流量計23順次連接，控制水介質快速充入減速器工作腔內，同時粒子投放器22釋放示蹤粒子，示蹤粒子均勻散播，跟隨性、反光性良好且比重與水介質相當；當可視化液力減速器7結束制動後，水介質回流至儲水箱18中，完成循環過程。如圖5所示，在描述液力減速器內流場的流動時，為了分析和理解的方便，建立圖中所示的空間坐標系，yoz平面、xoy平面、xoz平面分別為流場弦面、翼面、節面,相應的X坐標、z坐標、y坐標分別為弦坐標、翼坐標、節坐標。在對內流場進行三維PIV測量時，具體方法如下
O調節雙脈衝雷射器12片光，使之平行於流場弦面，即yoz平面，調整第一 C⑶相機10-1，使其軸線垂直於弦面向下拍攝，當示蹤粒子進入可視化液力減速器7工作腔時，同步器13控制雙脈衝雷射器12與第一 CXD相機10-1同步工作，雷射片光照亮流場，第一 CXD相機10-1對流場拍照記錄，利用計算機PIV分析軟體對所攝圖像進行處理，測量內流場瞬時速度場數據，獲取內流場弦面數據；
2)調節雙脈衝雷射器12片光，使之垂直於弦面，調整第二CXD相機10-2，使其軸線與片光平面垂直，如圖6所示，雙脈衝雷射器12與第二 CXD相機10-2分別位於導軌A、B處，片光平面垂直於弦面yoz，第二 CXD相機10-2軸線平行於z軸，即與片光平面垂直，同步器13控制雙脈衝雷射器12與第二 CCD相機10-2同步工作，測量當前截面流場信息；
3)雙脈衝雷射器12片光平面仍垂直於弦面，如圖6所示，雙脈衝雷射器12沿圓形導軌9轉過任意Θ，到達A』處， 調整第二 CXD相機10-2沿圓形導軌9相同方向轉過相同角度Θ，到達B』處，第二 C⑶相機10-2軸線與雙脈衝雷射器12片光平面始終保持垂直，同步器13控制雙脈衝雷射器12與第二 CCD相機10-2同步工作，測量內流場垂直於弦面的任意截面信息。所述的第二 CCD相機10-2與雙脈衝雷射器12底部均有滑輪，沿圓形導軌9滾動，圓形導軌9周身標有刻度，便於角度調節。以上方法所測數據包含了液力減速器內流場全部區域。本裝置實際工作時根據預設工況調節液力減速器，進入制動工況後外動力源脫開，控制水循環系統向減速器工作腔充液及釋放示蹤粒子，PIV測試系統完成採集任務，各部分協同工作，獲取液力減速器內流場全區域三維信息，檢驗並優化液力減速器液力元件設計。
權利要求
1.一種液力減速器內流場三維PIV測試系統試驗裝置，其特徵在於，它包括可視化液力減速器系統、水循環系統、Piv測試系統；可視化液力減速器系統包括順次相連的驅動電機(I)、變速箱(2)、氣動離合器(3)、慣性飛輪箱(4)、轉速扭矩傳感器(5)、可視化試驗箱(6)、液力減速器(7)，所述的可視化試驗箱(6)採用透明材料製成，具有安裝液力減速器可視化樣機的定輪(14)、動輪(15)、殼體(16)的標準接口，適用水介質，制動器軸(8)由軸承(17)支撐，穿過液力減速器殼體(16)與動輪(15)連接；水循環系統包括順次相連的儲水箱(18)、水泵(19)、壓力指示器(20)、減壓器(21)、示蹤粒子投放器(22)、流量計(23);PIV測試系統包括圓形導軌(9)、第一 C⑶相機(10-1)、第二 C⑶相機(10-2)、計算機(11)、雙脈衝雷射器(12)、同步器(13)，所述的雙脈衝雷射器(12)所發光源為片光，安裝於圓形導軌(9)上，第一 CCD相機(10-1)安裝於可視化試驗箱(6)頂部，向下拍攝，用於測量內流場弦面信息，第二 CXD相機(10-2)安裝於圓形導軌(9)上，可沿導軌轉動，保持第二 CXD相機(10_2)的中心軸線與雙脈衝雷射器(12)片光平面相垂直，用於測量內流場垂直於弦面的任意截面信息。
2.一種如權利要求1所述的液力減速器內流場三維PIV測試系統試驗裝置的操作方法，其特徵在於，所述的PIV測試系統在對液力減速器內流場進行三維PIV測量時，具體操作方法如下 1)調節雙脈衝雷射器(12)片光，使之平行於流場弦面，調整安裝於試驗箱頂部的第一C⑶相機(10-1 )，使之軸線垂直於弦面，當液力減速器進入制動工況，示蹤粒子隨水流進入減速器工作腔時，同步器(13)控制所述雙脈衝雷射器(12)與第一 C⑶相機(10-1)同步工作，雷射片光照亮流場，第一 CCD相機(10-1)對流場進行拍照記錄，利用計算機PIV分析軟體對所攝圖像進行處理，測量內流場瞬時速度場數據，獲取內流場弦面數據； 2)調節雙脈衝雷射器(12)，使之產生的片光垂直於弦面，調整圓形導軌(9)上的第二C⑶相機(10-2)使之中心軸線與雷射器片光平面垂直，雙脈衝雷射器(12)與第二 C⑶相機(10-2)分別位於圓形導軌(9)的兩處，雷射器片光垂直於弦面，第二 C⑶相機(10-2)軸線平行於翼坐標軸，與片光平面垂直，控制雙脈衝雷射器(12)與第二 C⑶相機(10-2)同步工作，雷射片光照亮流場，第二 CCD相機(10-2)對流場拍照記錄，測量當前截面流場信息； 3)調節雙脈衝雷射器(12)沿圓形導軌(9)轉過一定角度Θ，片光平面仍垂直於弦面，調整第二 C⑶相機(10-2)沿圓形導軌(9)相同方向轉過相同角度Θ，第二 C⑶相機(10-2)軸線與雷射器片光平面保持垂直，控制雙脈衝雷射器(12)與第二 CXD相機(10-2)同步工作，雷射片光照亮流場，第二 CCD相機(10-2)對流場進行拍照記錄，測量內流場垂直於弦面的任意截面信息，所述的第二 CCD相機(10-2)與雙脈衝雷射器(12)底部均有滑輪，沿圓形導軌(9)滾動，圓形導軌(9)周身標有刻度，便於角度調節。
全文摘要
本發明公開了一種液力減速器內流場三維PIV測試系統試驗裝置及方法。包括驅動電機、變速箱、氣動離合器、飛輪箱、扭矩轉速傳感器、制動軸、可視化液力減速器、可視化試驗箱、圓形導軌、同步器、雙脈衝雷射器、CCD相機、儲水箱、水泵、壓力指示器、減壓器、粒子投放器、電磁流量計等；可視化試驗箱採用透明材料製成，適用水介質；制動軸由外驅動系統驅動，通過軸承支撐，穿過液力減速器殼體與減速器動輪連接；第一CCD相機安裝在可視化試驗箱頂部向下拍攝，第二CCD相機與雙脈衝雷射器安裝在圓形導軌上並可沿導軌任意轉動；圓形導軌與可視化試驗箱均固定在底座上。本發明能進行液力減速器內流場三維PIV測量，結構簡單緊湊、通用性強、易於控制。
文檔編號G01M10/00GK103048114SQ20121055366
公開日2013年4月17日 申請日期2012年12月19日 優先權日2012年12月19日
發明者周曉軍, 馮瑋, 魏燕定, 羅竹輝 申請人:浙江大學