工程技術(shù)中轉(zhuǎn)動慣量在線測量方法的研究

李靜瑜

摘 要：針對傳統(tǒng)物體轉(zhuǎn)動慣量測量方法對鼓輪慣量測試不適應(yīng)以及測量精度低的問題，引入鼓輪軸承損耗及鼓輪風(fēng)阻損耗檢測，利用動力學(xué)原理提出了一種系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的在線測量方法，并介紹了這種方法測量系統(tǒng)的組成及測量原理與測量步驟。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，用此方法得出的轉(zhuǎn)動慣量與鼓輪制造出廠測量值有很好的一致性，因此這種方法為回轉(zhuǎn)機(jī)械系統(tǒng)慣量測量的進(jìn)一步研究提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鼓輪；轉(zhuǎn)動慣量；鼓輪速度相關(guān)損耗；在線測量

引 言

轉(zhuǎn)動慣量是剛體轉(zhuǎn)動中慣性大小的量度，是物體質(zhì)量特性參數(shù)中的主要指標(biāo)。目前測量物體轉(zhuǎn)動慣量的方法很多，主要有：扭擺法、復(fù)擺法、單軸扭振法及落體觀察法。這些方法主要是基于扭擺原理測量物體的轉(zhuǎn)動慣量。這些試驗(yàn)方法對于回轉(zhuǎn)機(jī)械這類整機(jī)系統(tǒng)都有一定的局限性。如扭轉(zhuǎn)振動法、平行線懸掛法、落體觀察法只適合測小型不規(guī)則體，對于大型不規(guī)則體并不適用；幾何計(jì)算法是測量回轉(zhuǎn)機(jī)械傳動系統(tǒng)常用的方法，該方法首先計(jì)算或測量有關(guān)轉(zhuǎn)動部件的轉(zhuǎn)動慣量，然后利用疊加公式計(jì)算出整個(gè)鼓輪的轉(zhuǎn)動慣量，然而這種方法計(jì)算由于鼓輪加工誤差以及安裝存在誤差等因素影響，導(dǎo)致轉(zhuǎn)動慣量測量精度不高。

航空、兵器、船舶、鐵路、汽車生產(chǎn)等領(lǐng)域以鼓輪作為儲能設(shè)備的試驗(yàn)測試臺中，轉(zhuǎn)動慣量的準(zhǔn)確測量對于試驗(yàn)產(chǎn)品的測量精度顯得尤為重要。比如航空機(jī)輪剎車裝置動力試驗(yàn)臺、火炮轉(zhuǎn)臺伺服測試試驗(yàn)臺、船舶推進(jìn)系統(tǒng)陸上試驗(yàn)測試臺、動車剎車試驗(yàn)臺、汽車測功儀等。這些試驗(yàn)臺回轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動慣量的特點(diǎn)：轉(zhuǎn)動慣量大；試驗(yàn)臺的轉(zhuǎn)動慣量是鼓輪系轉(zhuǎn)動慣量，是一個(gè)組合慣量（即不僅包含鼓輪本身轉(zhuǎn)動慣量，還包含軸系上其他回轉(zhuǎn)體，如聯(lián)軸器、電機(jī)轉(zhuǎn)子、應(yīng)急剎車裝置等形成的附加慣量）。幾何計(jì)算法因?yàn)榍笆鲈蛟谟?jì)算這類鼓輪系轉(zhuǎn)動慣量時(shí)誤差較大，所以采用合適的方法準(zhǔn)確測量鼓輪系轉(zhuǎn)動慣量是科學(xué)研究及生產(chǎn)實(shí)踐的必要環(huán)節(jié)。

為此針對鼓輪系慣量測量，提出一種在鼓輪系安裝調(diào)試完成后，利用自身拖動控制系統(tǒng)對鼓輪系整個(gè)回轉(zhuǎn)慣量進(jìn)行測量的方法。

1 測試原理

在工程技術(shù)領(lǐng)域，例如：航空機(jī)輪、輪胎和剎車裝置動力試驗(yàn)臺是航空輪胎動態(tài)性能，機(jī)輪和剎車裝置剎車性能測試的專業(yè)試驗(yàn)設(shè)備，在剎車性能試驗(yàn)中，鼓輪系除了用以模擬機(jī)場跑道外還用于模擬飛機(jī)的著陸動能，該能量的精度極大影響著剎車試驗(yàn)性能品質(zhì)，根據(jù)旋轉(zhuǎn)體能量公式：[E=（12）Jω2]可知，由于高速旋轉(zhuǎn)下光電編碼器速度測試精度很高，誤差可以忽略不計(jì)，因而能量精度完全取決于鼓輪系慣量的測試精度，需要精確對鼓輪系轉(zhuǎn)動慣量進(jìn)行測試。

根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)等效動力學(xué)理論，鼓輪系回轉(zhuǎn)部分機(jī)械力學(xué)模型可等效為繞軸旋轉(zhuǎn)的質(zhì)量盤和軸支承結(jié)構(gòu)。在主軸上施加可控的加速力矩，測量該力矩作用下軸系旋轉(zhuǎn)角加速度即可通過計(jì)算間接測量鼓輪系轉(zhuǎn)動慣量。

按照上述思路，將所有軸系附加慣量集中到主鼓輪慣量中，記為[Jg，]那么所要測試的鼓輪系慣量，建立試驗(yàn)臺鼓輪系動力學(xué)測試模型。

選用高精度動態(tài)性能良好的動態(tài)力矩計(jì)以及分辨率足夠的光電編碼器，只要精確測量加速過程中主鼓輪風(fēng)阻損耗以及軸承摩擦損耗，就可以精確測量鼓輪系轉(zhuǎn)動慣量[Jg。]

2 測量方法與數(shù)據(jù)處理

利用試驗(yàn)臺電拖控制系統(tǒng)對鼓輪系回轉(zhuǎn)體慣量進(jìn)行在線測量。

2.1 鼓輪系速度相關(guān)損耗力矩測試

風(fēng)阻損耗與鼓輪形狀以及旋轉(zhuǎn)速度相關(guān)，當(dāng)鼓輪外型確定后轉(zhuǎn)速成為影響風(fēng)阻損耗的惟一因素。鼓輪在高速旋轉(zhuǎn)下風(fēng)阻損耗是十分嚴(yán)重的，風(fēng)阻損耗約與轉(zhuǎn)速立方成正比。鼓輪軸承損耗力矩為鼓輪自重引起的軸承摩擦力矩，在整個(gè)測試過程表現(xiàn)為一恒量，因此將兩項(xiàng)合并為鼓輪速度相關(guān)損耗力矩。

測試原理：利用鼓輪處于勻速旋轉(zhuǎn)時(shí)力矩計(jì)測量值（Ts）等于鼓輪速度相關(guān)損耗力矩的原理進(jìn)行測試，對測量結(jié)果通過開環(huán)觀測法進(jìn)行驗(yàn)證。

測試過程描述如下：

（1）通過反復(fù)調(diào)試，整定好驅(qū)動系統(tǒng)控制參數(shù)（包括速度控制器參數(shù)以及電流控制器參數(shù)）。

（2）在電機(jī)額定速度范圍內(nèi)（[nmin～nmax]）均勻細(xì)分速度，速度梯度等級為[Δn。]控制電機(jī)分別勻速運(yùn)轉(zhuǎn)在[nmin，][nmin+Δn，][nmin+2Δn，…，nmax，]在每個(gè)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)段運(yùn)轉(zhuǎn)一段時(shí)間后讀取力矩計(jì)測量值（在恒定速度下，該值為定值）并按照速度索引方式存儲在鼓輪損耗補(bǔ)償器中。

（3）在每個(gè)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)段測試完成后，使鼓輪損耗補(bǔ)償器模塊投入運(yùn)行，同時(shí)封鎖速度控制器，即速度環(huán)開環(huán)進(jìn)行驗(yàn)證，觀察電機(jī)速度保持情況（此時(shí)電機(jī)應(yīng)當(dāng)保持該轉(zhuǎn)速大約15 s左右），如有需要可以重新測試。

（4）對步驟（2）、（3）所測試并得到驗(yàn)證的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。將鼓輪速度相關(guān)損耗補(bǔ)償器中存儲的速度力矩?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合得到風(fēng)阻速度方程[Tfz=f（n）+Tfz0，]式中[f（n）]項(xiàng)即為電機(jī)鼓輪風(fēng)阻力矩[Tgfz，]常數(shù)項(xiàng)[Tfz0]即為鼓輪自重引起的軸承摩擦損耗力矩[Tzc0。]

利用擬合得到的風(fēng)阻―速度方程重新設(shè)計(jì)鼓輪損耗補(bǔ)償器程序，以便后面慣量測試時(shí)使用。

2.2 軸系加速度測量

軸系速度傳感器采用光電編碼器，分度值為360。PLC測速模塊采用西門子公司的FM3501，該模塊可以自動計(jì)算轉(zhuǎn)速信號。加速度信號是速度的微分，因?yàn)镕M350的閘門時(shí)間設(shè)定為50 ms，因此采用直接微分法計(jì)算角加速度誤差很大，經(jīng)過筆者試驗(yàn)，采用慣性濾波+三點(diǎn)微分法計(jì)算角加速度，精度較高。

2.3 鼓輪慣量測量

以不同角加速度[ε1…εn]進(jìn)行慣量測試試驗(yàn)，每個(gè)角加速度值[εi]上進(jìn)行多次測試試驗(yàn)求其平均值作為鼓輪系該加速度下的有效值。具體做法如下：

（1）打開鼓輪風(fēng)阻補(bǔ)償器模塊，以最小設(shè)計(jì)角加速度值[ε1]驅(qū)動電機(jī)帶動鼓輪從靜止?fàn)顟B(tài)加速（即鼓輪處于恒加速度控制），當(dāng)鼓輪速度經(jīng)過半基速時(shí)，采集并記錄當(dāng)時(shí)的力矩計(jì)讀數(shù)[Tsn=ne2]（此時(shí)力矩計(jì)讀數(shù)中包括了加在鼓輪上的加速力矩[Taω=ωn2、]風(fēng)阻補(bǔ)償力矩[Tfzbω=ωn2、]軸承摩擦損耗力矩[Tzcbω=ωn2]）。由于鼓輪速度相關(guān)損耗已經(jīng)測試并得到驗(yàn)證，根據(jù)風(fēng)阻？速度擬合方程可以計(jì)算出半基速下鼓輪損耗力矩，依據(jù)下式計(jì)算該加速度工況下的鼓輪慣量值：

[Taω=ωn2=Tsω=ωn2-Tfzbω=ωn2-Tzcbω=ωn2] （3）

[J11=Taω=ωn2ε1] （4）

（2）同樣方法再進(jìn)行二次試驗(yàn)，得到[ε1]試驗(yàn)工況下相應(yīng)的慣量值[J12，][J13，]從而求其均值得到該加速度工況下的慣量平均測試值[J1；]

[J1=J11+J12+J133] （5）

（3）重復(fù)步驟（1），（2）對[ε2…εn]等加速度工況分別測試，得到相應(yīng)的慣量值[J2…Jn；]

這樣在不同加速度下便可得到鼓輪慣量的序列值[J（εi），]最后對慣量序列值計(jì)算其代數(shù)平均值得到鼓輪慣量測量值。為了保證每個(gè)加速度下慣量值計(jì)算的準(zhǔn)確度，可以重復(fù)多次進(jìn)行測試。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

應(yīng)用以上方法對試驗(yàn)臺鼓輪系進(jìn)行轉(zhuǎn)動慣量測量試驗(yàn)。根據(jù)式（3）、式（4）、式（5）分別在不同加速度下多次測量讀數(shù)力矩值并取其平均值計(jì)算鼓輪轉(zhuǎn)動慣量。

顯然測試結(jié)果具有較高的精度，多次測量結(jié)果表明有很好的一致性，說明試驗(yàn)方法是合理可行的。

4 結(jié)論

（1）在此提出的回轉(zhuǎn)體傳動系統(tǒng)轉(zhuǎn)動慣量的在線測量方法是可行的，且被測系統(tǒng)具有一般性，因此這種測量方法在實(shí)際工程生產(chǎn)中具有普遍意義。

（2）本試驗(yàn)方法測試雖然復(fù)雜、測試周期長，但是測試結(jié)果精確，誤差較小，尤其適宜具有電慣量模擬控制應(yīng)用的鼓輪系慣量測試場合。

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