專利名稱：液力減速器內(nèi)流場三維piv測試系統(tǒng)試驗裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種液力減速器內(nèi)流場三維Piv測試系統(tǒng)試驗裝置及方法。
背景技術(shù)：
液力減速器作為一種輔助制動裝置，已應(yīng)用于大、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(zhuǎn)并沖擊定子，此時定子也會通過液力產(chǎn)生反作用力作用于動子，從而阻礙轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)無接觸制動，是一種高端的緩速器產(chǎn)品。液力減速器內(nèi)部流場是復(fù)雜的三維流動，由于三維流動理論尚不成熟，不能用來對液力減速器的內(nèi)部流場進(jìn)行精確的計算和分析。目前，國內(nèi)外針對液力減速器性能研究主要是通過計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,簡稱CFD)數(shù)值仿真,對內(nèi)流場進(jìn)行研究。但目前使用CFD所進(jìn)行的流場分析是在諸多簡化條件下進(jìn)行的，所作的穩(wěn)態(tài)假設(shè)僅僅反映了元件的靜態(tài)特性，數(shù)值模擬的模型還不夠完備，CFD分析仍然局限于正向驗證性質(zhì)的數(shù)值模擬，沒能成熟應(yīng)用到液力元件參數(shù)優(yōu)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(shù)值模擬相輔相成，因而需要設(shè)計一套用于液力減速器內(nèi)流場三維特性測試的試驗裝置。

發(fā)明內(nèi)容
針對液力減速器及PIV測試技術(shù)的特點，為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明旨在提供一種液力減速器內(nèi)流場三維PIV測試系統(tǒng)試驗裝置及方法。一種液力減速器內(nèi)流場三維PIV測試系統(tǒng)試驗裝置，它包括可視化液力減速器系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、PIV測試系統(tǒng)；可視化液力減速器系統(tǒng)包括順次相連的驅(qū)動電機、變速箱、氣動離合器、慣性飛輪箱、轉(zhuǎn)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采用透明材料制成，具有安裝液力減速器可視化樣機的定輪、動輪、殼體的標(biāo)準(zhǔn)接口，適用水介質(zhì)，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(huán)系統(tǒng)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(tǒng)包括圓形導(dǎo)軌、第一 CCD相機、第二 CCD相機、計算機、雙脈沖激光器、同步器，所述的雙脈沖激光器所發(fā)光源為片光，安裝于圓形導(dǎo)軌上，第一 CCD相機安裝于可視化試驗箱頂部，向下拍攝，用于測量內(nèi)流場弦面信息，第二 CCD相機安裝于圓形導(dǎo)軌上，可沿導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動，保持第二 CCD相機的中心軸線與雙脈沖激光器片光平面相垂直，用于測量內(nèi)流場垂直于弦面的任意截面信肩、O一種所述的液力減速器內(nèi)流場三維PIV測試系統(tǒng)試驗裝置的具體操作方法如下，在對內(nèi)流場進(jìn)行三維PIV測量時
O調(diào)節(jié)雙脈沖激光器片光，使之平行于流場弦面，調(diào)整安裝于試驗箱頂部的第一 CCD相機，使之軸線垂直于弦面，當(dāng)液力減速器進(jìn)入制動工況，示蹤粒子隨水流進(jìn)入減速器工作腔時，同步器控制所述雙脈沖激光器與第一 CCD相機同步工作，激光片光照亮流場，第一CCD相機對流場進(jìn)行拍照記錄，利用計算機PIV分析軟件對所攝圖像進(jìn)行處理，測量內(nèi)流場瞬時速度場數(shù)據(jù)，獲取內(nèi)流場弦面數(shù)據(jù)；
2)調(diào)節(jié)雙脈沖激光器，使之產(chǎn)生的片光垂直于弦面，調(diào)整圓形導(dǎo)軌上的第二CXD相機使之中心軸線與激光器片光平面垂直，雙脈沖激光器與第二 CCD相機分別位于圓形導(dǎo)軌的兩處，激光器片光垂直于弦面，第二 CCD相機軸線平行于翼坐標(biāo)軸，與片光平面垂直，控制雙脈沖激光器與第二 CCD相機同步工作，激光片光照亮流場，第二 CCD相機對流場拍照記錄，測量當(dāng)前截面流場信息；
3)調(diào)節(jié)雙脈沖激光器沿圓形導(dǎo)軌轉(zhuǎn)過一定角度Θ，片光平面仍垂直于弦面，調(diào)整第二CCD相機沿圓形導(dǎo)軌相同方向轉(zhuǎn)過相同角度Θ，第二 CCD相機軸線與激光器片光平面保持垂直，控制雙脈沖激光器與第二 CCD相機同步工作，激光片光照亮流場，第二 CCD相機對流場進(jìn)行拍照記錄，測量內(nèi)流場垂直于弦面的任意截面信息，所述的第二 CCD相機與雙脈沖激光器底部均有滑輪，沿圓形導(dǎo)軌滾動，圓形導(dǎo)軌周身標(biāo)有刻度，便于角度調(diào)節(jié)。本發(fā)明的有益效果是1、可·以對液力減速器實際制動工況下內(nèi)流場全區(qū)域內(nèi)任意截面進(jìn)行三維PIV測量，獲得流速分布等數(shù)據(jù)，優(yōu)化減速器液力元件設(shè)計。2、可以方便快速調(diào)節(jié)激光器與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(zhǔn)確。


圖1是液力減速器內(nèi)流場三維PIV測試系統(tǒng)試驗裝置三維結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是外驅(qū)動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是液力減速器剖面示意圖。圖4是水循環(huán)系統(tǒng)示意圖。圖5是液力減速器內(nèi)流場空間示意圖。圖6是圓形導(dǎo)軌調(diào)節(jié)示意圖。圖中1-驅(qū)動電機，2-變速箱，3-氣動離合器，4-慣性飛輪箱，5-轉(zhuǎn)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(dǎo)軌，10-1-第一 CXD相機、10-2-第二 CXD相機，11-計算機，12-雙脈沖激光器，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-激光器片光平面與y軸線夾角。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和實施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。本發(fā)明采用粒子圖像測速技術(shù)(Particle Image Velocimetry,簡稱PIV)對可視化液力減速器進(jìn)行三維流場測試，可以得到內(nèi)流場流速分布。液力減速器內(nèi)流場非常復(fù)雜，處于高度湍流狀態(tài)，PIV技術(shù)對流場無干擾，可以獲得內(nèi)流場的瞬時速度場，進(jìn)行全場定量測量，因此對于流動的細(xì)微結(jié)構(gòu)及其機理的研究具有重要的意義，是測量復(fù)雜流場的一種最先進(jìn)的技術(shù)。通過PIV拍攝對液力減速器內(nèi)流場進(jìn)行研究，其結(jié)果可用于減速器內(nèi)部液力元件的設(shè)計與優(yōu)化。
一種液力減速器內(nèi)流場三維PIV測試系統(tǒng)試驗裝置，它包括可視化液力減速器系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、PIV測試系統(tǒng)；可視化液力減速器系統(tǒng)包括順次相連的驅(qū)動電機1、變速箱
2、氣動離合器3、慣性飛輪箱4、轉(zhuǎn)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采用透明材料制成，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(biāo)準(zhǔn)接口，適用水介質(zhì)，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(huán)系統(tǒng)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(tǒng)包括圓形導(dǎo)軌9、第一 CXD相機10_1、第二 CXD相機10-2、計算機11、雙脈沖激光器12、同步器13，所述的雙脈沖激光器12所發(fā)光源為片光，安裝于圓形導(dǎo)軌9上，第一 CCD相機10-1安裝于可視化試驗箱6頂部豎直向下拍攝，用于測量內(nèi)流場弦面信息，第二 CCD相機10-2安裝于圓形導(dǎo)軌9上，并可調(diào)節(jié)使其沿導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動，保持第二 CXD相機10-2的中心軸線與雙脈沖激光器12片光平面相垂直，用于測量內(nèi)流場垂直于弦面的任意截面信息。一種所述的液力減速器內(nèi)流場三維PIV測試系統(tǒng)試驗裝置的具體操作方法如下，在對內(nèi)流場進(jìn)行三維PIV測量時
O調(diào)節(jié)雙脈沖激光器12片光，使之平行于流場弦面，調(diào)整安裝于試驗箱頂部的第一CXD相機10-1，使之軸線垂直于弦面，當(dāng)液力減速器進(jìn)入制動工況，示蹤粒子隨水流進(jìn)入減速器工作腔時，同步器13控制所述雙脈沖激光器12與第一 CCD相機10-1同步工作，激光片光照亮流場，第一 CCD相機10-1對流場進(jìn)行拍照記錄，利用計算機PIV分析軟件對所攝圖像進(jìn)行處理，測量內(nèi)流場瞬時速度場數(shù)據(jù)，獲取內(nèi)流場弦面數(shù)據(jù)；
2)調(diào)節(jié)雙脈沖激光器12，使之產(chǎn)生的片光垂直于弦面，調(diào)整圓形導(dǎo)軌9上的第二CXD相機10-2使之中心軸線與激光器片光平面垂直，雙脈沖激光器12與第二 CXD相機10-2分別位于圓形導(dǎo)軌9的兩處，激光器片光垂直于弦面，第二 CCD相機10-2軸線平行于翼坐標(biāo)軸，與片光平面垂直，控制雙脈沖激光器12與第二 CCD相機10-2同步工作，激光片光照亮流場，第二 CCD相機10-2對流場拍照記錄，測量當(dāng)前截面流場信息；
3)調(diào)節(jié)雙脈沖激光器12沿 圓形導(dǎo)軌9轉(zhuǎn)過一定角度Θ，片光平面仍垂直于弦面，調(diào)整第二 CXD相機10-2沿圓形導(dǎo)軌9相同方向轉(zhuǎn)過相同角度Θ，第二 (XD相機10-2軸線與激光器片光平面保持垂直，控制雙脈沖激光器12與第二 CCD相機10-2同步工作，激光片光照亮流場，第二 CCD相機10-2對流場進(jìn)行拍照記錄，測量內(nèi)流場垂直于弦面的任意截面信息。圖1是液力減速器內(nèi)流場三維PIV測試系統(tǒng)試驗裝置三維結(jié)構(gòu)示意圖，為顯示清晰，圖中未畫出水循環(huán)系統(tǒng)，可視化試驗箱6只畫出一半箱體，可視化液力減速器7只顯示定輪14。如圖2、圖3所示，驅(qū)動電機1、變速箱2、氣動離合器3、慣性飛輪箱4、轉(zhuǎn)速扭矩傳感器5、制動器軸8、可視化試驗箱6順次連接，驅(qū)動電機I作為動力源提供動力，氣動離合器3根據(jù)需要控制動力源與液力減速器系統(tǒng)結(jié)合或脫開，慣性飛輪箱4模擬負(fù)載慣量，制動器軸8 —端安裝轉(zhuǎn)速扭矩傳感器5，檢測液力減速器轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)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采用花鍵連接。試驗開始后，啟動驅(qū)動電機I，氣動離合器3接合，制動器軸8在驅(qū)動電機I作用下帶動液力減速器動輪15轉(zhuǎn)動，根據(jù)轉(zhuǎn)速扭矩傳感器5所測轉(zhuǎn)速、扭矩信息，可視化液力減速器7達(dá)到預(yù)定工況后，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(jìn)入制動工況，由慣性飛輪箱4提供制動所需的負(fù)載慣量。圖4所示是試驗裝置水循環(huán)系統(tǒng)，為使所拍照片清晰，采用水介質(zhì)替代油液；當(dāng)可視化液力減速器7進(jìn)入制動工況后，迅速啟動水泵19驅(qū)動儲水箱18中水介質(zhì)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(zhì)快速充入減速器工作腔內(nèi)，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(zhì)相當(dāng)；當(dāng)可視化液力減速器7結(jié)束制動后，水介質(zhì)回流至儲水箱18中，完成循環(huán)過程。如圖5所示，在描述液力減速器內(nèi)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(biāo)系，yoz平面、xoy平面、xoz平面分別為流場弦面、翼面、節(jié)面,相應(yīng)的X坐標(biāo)、z坐標(biāo)、y坐標(biāo)分別為弦坐標(biāo)、翼坐標(biāo)、節(jié)坐標(biāo)。在對內(nèi)流場進(jìn)行三維PIV測量時，具體方法如下
O調(diào)節(jié)雙脈沖激光器12片光，使之平行于流場弦面，即yoz平面，調(diào)整第一 C⑶相機10-1，使其軸線垂直于弦面向下拍攝，當(dāng)示蹤粒子進(jìn)入可視化液力減速器7工作腔時，同步器13控制雙脈沖激光器12與第一 CXD相機10-1同步工作，激光片光照亮流場，第一 CXD相機10-1對流場拍照記錄，利用計算機PIV分析軟件對所攝圖像進(jìn)行處理，測量內(nèi)流場瞬時速度場數(shù)據(jù)，獲取內(nèi)流場弦面數(shù)據(jù)；
2)調(diào)節(jié)雙脈沖激光器12片光，使之垂直于弦面，調(diào)整第二CXD相機10-2，使其軸線與片光平面垂直，如圖6所示，雙脈沖激光器12與第二 CXD相機10-2分別位于導(dǎo)軌A、B處，片光平面垂直于弦面yoz，第二 CXD相機10-2軸線平行于z軸，即與片光平面垂直，同步器13控制雙脈沖激光器12與第二 CCD相機10-2同步工作，測量當(dāng)前截面流場信息；
3)雙脈沖激光器12片光平面仍垂直于弦面，如圖6所示，雙脈沖激光器12沿圓形導(dǎo)軌9轉(zhuǎn)過任意Θ，到達(dá)A’處， 調(diào)整第二 CXD相機10-2沿圓形導(dǎo)軌9相同方向轉(zhuǎn)過相同角度Θ，到達(dá)B’處，第二 C⑶相機10-2軸線與雙脈沖激光器12片光平面始終保持垂直，同步器13控制雙脈沖激光器12與第二 CCD相機10-2同步工作，測量內(nèi)流場垂直于弦面的任意截面信息。所述的第二 CCD相機10-2與雙脈沖激光器12底部均有滑輪，沿圓形導(dǎo)軌9滾動，圓形導(dǎo)軌9周身標(biāo)有刻度，便于角度調(diào)節(jié)。以上方法所測數(shù)據(jù)包含了液力減速器內(nèi)流場全部區(qū)域。本裝置實際工作時根據(jù)預(yù)設(shè)工況調(diào)節(jié)液力減速器，進(jìn)入制動工況后外動力源脫開，控制水循環(huán)系統(tǒng)向減速器工作腔充液及釋放示蹤粒子，PIV測試系統(tǒng)完成采集任務(wù)，各部分協(xié)同工作，獲取液力減速器內(nèi)流場全區(qū)域三維信息，檢驗并優(yōu)化液力減速器液力元件設(shè)計。
權(quán)利要求
1.一種液力減速器內(nèi)流場三維PIV測試系統(tǒng)試驗裝置，其特征在于，它包括可視化液力減速器系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、Piv測試系統(tǒng)；可視化液力減速器系統(tǒng)包括順次相連的驅(qū)動電機(I)、變速箱(2)、氣動離合器(3)、慣性飛輪箱(4)、轉(zhuǎn)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)采用透明材料制成，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(biāo)準(zhǔn)接口，適用水介質(zhì)，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(huán)系統(tǒng)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(tǒng)包括圓形導(dǎo)軌(9)、第一 C⑶相機(10-1)、第二 C⑶相機(10-2)、計算機(11)、雙脈沖激光器(12)、同步器(13)，所述的雙脈沖激光器(12)所發(fā)光源為片光，安裝于圓形導(dǎo)軌(9)上，第一 CCD相機(10-1)安裝于可視化試驗箱(6)頂部，向下拍攝，用于測量內(nèi)流場弦面信息，第二 CXD相機(10-2)安裝于圓形導(dǎo)軌(9)上，可沿導(dǎo)軌轉(zhuǎn)動，保持第二 CXD相機(10_2)的中心軸線與雙脈沖激光器(12)片光平面相垂直，用于測量內(nèi)流場垂直于弦面的任意截面信息。
2.一種如權(quán)利要求1所述的液力減速器內(nèi)流場三維PIV測試系統(tǒng)試驗裝置的操作方法，其特征在于，所述的PIV測試系統(tǒng)在對液力減速器內(nèi)流場進(jìn)行三維PIV測量時，具體操作方法如下 1)調(diào)節(jié)雙脈沖激光器(12)片光，使之平行于流場弦面，調(diào)整安裝于試驗箱頂部的第一C⑶相機(10-1 )，使之軸線垂直于弦面，當(dāng)液力減速器進(jìn)入制動工況，示蹤粒子隨水流進(jìn)入減速器工作腔時，同步器(13)控制所述雙脈沖激光器(12)與第一 C⑶相機(10-1)同步工作，激光片光照亮流場，第一 CCD相機(10-1)對流場進(jìn)行拍照記錄，利用計算機PIV分析軟件對所攝圖像進(jìn)行處理，測量內(nèi)流場瞬時速度場數(shù)據(jù)，獲取內(nèi)流場弦面數(shù)據(jù)； 2)調(diào)節(jié)雙脈沖激光器(12)，使之產(chǎn)生的片光垂直于弦面，調(diào)整圓形導(dǎo)軌(9)上的第二C⑶相機(10-2)使之中心軸線與激光器片光平面垂直，雙脈沖激光器(12)與第二 C⑶相機(10-2)分別位于圓形導(dǎo)軌(9)的兩處，激光器片光垂直于弦面，第二 C⑶相機(10-2)軸線平行于翼坐標(biāo)軸，與片光平面垂直，控制雙脈沖激光器(12)與第二 C⑶相機(10-2)同步工作，激光片光照亮流場，第二 CCD相機(10-2)對流場拍照記錄，測量當(dāng)前截面流場信息； 3)調(diào)節(jié)雙脈沖激光器(12)沿圓形導(dǎo)軌(9)轉(zhuǎn)過一定角度Θ，片光平面仍垂直于弦面，調(diào)整第二 C⑶相機(10-2)沿圓形導(dǎo)軌(9)相同方向轉(zhuǎn)過相同角度Θ，第二 C⑶相機(10-2)軸線與激光器片光平面保持垂直，控制雙脈沖激光器(12)與第二 CXD相機(10-2)同步工作，激光片光照亮流場，第二 CCD相機(10-2)對流場進(jìn)行拍照記錄，測量內(nèi)流場垂直于弦面的任意截面信息，所述的第二 CCD相機(10-2)與雙脈沖激光器(12)底部均有滑輪，沿圓形導(dǎo)軌(9)滾動，圓形導(dǎo)軌(9)周身標(biāo)有刻度，便于角度調(diào)節(jié)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種液力減速器內(nèi)流場三維PIV測試系統(tǒng)試驗裝置及方法。包括驅(qū)動電機、變速箱、氣動離合器、飛輪箱、扭矩轉(zhuǎn)速傳感器、制動軸、可視化液力減速器、可視化試驗箱、圓形導(dǎo)軌、同步器、雙脈沖激光器、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；可視化試驗箱采用透明材料制成，適用水介質(zhì)；制動軸由外驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)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相機與雙脈沖激光器安裝在圓形導(dǎo)軌上并可沿導(dǎo)軌任意轉(zhuǎn)動；圓形導(dǎo)軌與可視化試驗箱均固定在底座上。本發(fā)明能進(jìn)行液力減速器內(nèi)流場三維PIV測量，結(jié)構(gòu)簡單緊湊、通用性強、易于控制。
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(yōu)先權(quán)日2012年12月19日
發(fā)明者周曉軍, 馮瑋, 魏燕定, 羅竹輝 申請人:浙江大學(xué)