专利名称：液力减速器内流场三维piv测试系统试验装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种液力减速器内流场三维Piv测试系统试验装置及方法。
背景技术：
液力减速器作为一种辅助制动装置，已应用于大、中型车辆上。液力减速器主要由壳体、热交换器、定子叶轮、动子叶轮、花键轴、控制器等部件组成。该装置通过动子带动液力旋转并冲击定子，此时定子也会通过液力产生反作用力作用于动子，从而阻碍转子转动，实现无接触制动，是一种高端的缓速器产品。液力减速器内部流场是复杂的三维流动，由于三维流动理论尚不成熟，不能用来对液力减速器的内部流场进行精确的计算和分析。目前，国内外针对液力减速器性能研究主要是通过计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,简称CFD)数值仿真,对内流场进行研究。但目前使用CFD所进行的流场分析是在诸多简化条件下进行的，所作的稳态假设仅仅反映了元件的静态特性，数值模拟的模型还不够完备，CFD分析仍然局限于正向验证性质的数值模拟，没能成熟应用到液力元件参数优化上。因此，直接针对三维流场的试验分析具有重要的意义，流场测试和数值模拟相辅相成，因而需要设计一套用于液力减速器内流场三维特性测试的试验装置。
发明内容
针对液力减速器及PIV测试技术的特点，为了克服现有技术的不足，本发明旨在提供一种液力减速器内流场三维PIV测试系统试验装置及方法。一种液力减速器内流场三维PIV测试系统试验装置，它包括可视化液力减速器系统、水循环系统、PIV测试系统；可视化液力减速器系统包括顺次相连的驱动电机、变速箱、气动离合器、惯性飞轮箱、转速扭矩传感器、可视化试验箱、液力减速器，所述的可视化试验箱采用透明材料制成，具有安装液力减速器可视化样机的定轮、动轮、壳体的标准接口，适用水介质，制动器轴由轴承支撑，穿过液力减速器壳体与动轮连接；水循环系统包括顺次相连的储水箱、水泵、压力指示器、减压器、示踪粒子投放器、流量计；Piv测试系统包括圆形导轨、第一 CCD相机、第二 CCD相机、计算机、双脉冲激光器、同步器，所述的双脉冲激光器所发光源为片光，安装于圆形导轨上，第一 CCD相机安装于可视化试验箱顶部，向下拍摄，用于测量内流场弦面信息，第二 CCD相机安装于圆形导轨上，可沿导轨转动，保持第二 CCD相机的中心轴线与双脉冲激光器片光平面相垂直，用于测量内流场垂直于弦面的任意截面信肩、O一种所述的液力减速器内流场三维PIV测试系统试验装置的具体操作方法如下，在对内流场进行三维PIV测量时
O调节双脉冲激光器片光，使之平行于流场弦面，调整安装于试验箱顶部的第一 CCD相机，使之轴线垂直于弦面，当液力减速器进入制动工况，示踪粒子随水流进入减速器工作腔时，同步器控制所述双脉冲激光器与第一 CCD相机同步工作，激光片光照亮流场，第一CCD相机对流场进行拍照记录，利用计算机PIV分析软件对所摄图像进行处理，测量内流场瞬时速度场数据，获取内流场弦面数据；
2)调节双脉冲激光器，使之产生的片光垂直于弦面，调整圆形导轨上的第二CXD相机使之中心轴线与激光器片光平面垂直，双脉冲激光器与第二 CCD相机分别位于圆形导轨的两处，激光器片光垂直于弦面，第二 CCD相机轴线平行于翼坐标轴，与片光平面垂直，控制双脉冲激光器与第二 CCD相机同步工作，激光片光照亮流场，第二 CCD相机对流场拍照记录，测量当前截面流场信息；
3)调节双脉冲激光器沿圆形导轨转过一定角度Θ，片光平面仍垂直于弦面，调整第二CCD相机沿圆形导轨相同方向转过相同角度Θ，第二 CCD相机轴线与激光器片光平面保持垂直，控制双脉冲激光器与第二 CCD相机同步工作，激光片光照亮流场，第二 CCD相机对流场进行拍照记录，测量内流场垂直于弦面的任意截面信息，所述的第二 CCD相机与双脉冲激光器底部均有滑轮，沿圆形导轨滚动，圆形导轨周身标有刻度，便于角度调节。本发明的有益效果是1、可·以对液力减速器实际制动工况下内流场全区域内任意截面进行三维PIV测量，获得流速分布等数据，优化减速器液力元件设计。2、可以方便快速调节激光器与CCD相机，使其片光平面与中心轴线始终保持垂直，保证所测图像清晰准确。
图1是液力减速器内流场三维PIV测试系统试验装置三维结构示意图。图2是外驱动系统结构示意图。图3是液力减速器剖面示意图。图4是水循环系统示意图。图5是液力减速器内流场空间示意图。图6是圆形导轨调节示意图。图中1-驱动电机，2-变速箱，3-气动离合器，4-惯性飞轮箱，5-转速扭矩传感器，6-可视化试验箱，7-可视化液力减速器，8-制动器轴，9-圆形导轨，10-1-第一 CXD相机、10-2-第二 CXD相机，11-计算机，12-双脉冲激光器，13-同步器，14-定轮，15-动轮，16-壳体，17-轴承，18-储水箱，19-水泵，20-压力指示器，21-减压器，22-示踪粒子投放器，23-流量计，Θ-激光器片光平面与y轴线夹角。
具体实施例方式以下结合附图和实施方式对本发明作进一步的描述。本发明采用粒子图像测速技术(Particle Image Velocimetry,简称PIV)对可视化液力减速器进行三维流场测试，可以得到内流场流速分布。液力减速器内流场非常复杂，处于高度湍流状态，PIV技术对流场无干扰，可以获得内流场的瞬时速度场，进行全场定量测量，因此对于流动的细微结构及其机理的研究具有重要的意义，是测量复杂流场的一种最先进的技术。通过PIV拍摄对液力减速器内流场进行研究，其结果可用于减速器内部液力元件的设计与优化。
一种液力减速器内流场三维PIV测试系统试验装置，它包括可视化液力减速器系统、水循环系统、PIV测试系统；可视化液力减速器系统包括顺次相连的驱动电机1、变速箱
2、气动离合器3、惯性飞轮箱4、转速扭矩传感器5、可视化试验箱6、液力减速器7，所述的可视化试验箱6采用透明材料制成，具有安装液力减速器可视化样机的定轮14、动轮15、壳体16的标准接口，适用水介质，制动器轴8由轴承17支撑，穿过液力减速器壳体16与动轮15连接；水循环系统包括顺次相连的储水箱18、水泵19、压力指示器20、减压器21、示踪粒子投放器22、流量计23 ；PIV测试系统包括圆形导轨9、第一 CXD相机10_1、第二 CXD相机10-2、计算机11、双脉冲激光器12、同步器13，所述的双脉冲激光器12所发光源为片光，安装于圆形导轨9上，第一 CCD相机10-1安装于可视化试验箱6顶部竖直向下拍摄，用于测量内流场弦面信息，第二 CCD相机10-2安装于圆形导轨9上，并可调节使其沿导轨转动，保持第二 CXD相机10-2的中心轴线与双脉冲激光器12片光平面相垂直，用于测量内流场垂直于弦面的任意截面信息。一种所述的液力减速器内流场三维PIV测试系统试验装置的具体操作方法如下，在对内流场进行三维PIV测量时
O调节双脉冲激光器12片光，使之平行于流场弦面，调整安装于试验箱顶部的第一CXD相机10-1，使之轴线垂直于弦面，当液力减速器进入制动工况，示踪粒子随水流进入减速器工作腔时，同步器13控制所述双脉冲激光器12与第一 CCD相机10-1同步工作，激光片光照亮流场，第一 CCD相机10-1对流场进行拍照记录，利用计算机PIV分析软件对所摄图像进行处理，测量内流场瞬时速度场数据，获取内流场弦面数据；
2)调节双脉冲激光器12，使之产生的片光垂直于弦面，调整圆形导轨9上的第二CXD相机10-2使之中心轴线与激光器片光平面垂直，双脉冲激光器12与第二 CXD相机10-2分别位于圆形导轨9的两处，激光器片光垂直于弦面，第二 CCD相机10-2轴线平行于翼坐标轴，与片光平面垂直，控制双脉冲激光器12与第二 CCD相机10-2同步工作，激光片光照亮流场，第二 CCD相机10-2对流场拍照记录，测量当前截面流场信息；
3)调节双脉冲激光器12沿 圆形导轨9转过一定角度Θ，片光平面仍垂直于弦面，调整第二 CXD相机10-2沿圆形导轨9相同方向转过相同角度Θ，第二 (XD相机10-2轴线与激光器片光平面保持垂直，控制双脉冲激光器12与第二 CCD相机10-2同步工作，激光片光照亮流场，第二 CCD相机10-2对流场进行拍照记录，测量内流场垂直于弦面的任意截面信息。图1是液力减速器内流场三维PIV测试系统试验装置三维结构示意图，为显示清晰，图中未画出水循环系统，可视化试验箱6只画出一半箱体，可视化液力减速器7只显示定轮14。如图2、图3所示，驱动电机1、变速箱2、气动离合器3、惯性飞轮箱4、转速扭矩传感器5、制动器轴8、可视化试验箱6顺次连接，驱动电机I作为动力源提供动力，气动离合器3根据需要控制动力源与液力减速器系统结合或脱开，惯性飞轮箱4模拟负载惯量，制动器轴8 —端安装转速扭矩传感器5，检测液力减速器转速转矩信息，另一端穿过可视化试验箱6及可液力减速器壳体16，通过轴承17支撑，与动轮15采用花键连接。试验开始后，启动驱动电机I，气动离合器3接合，制动器轴8在驱动电机I作用下带动液力减速器动轮15转动，根据转速扭矩传感器5所测转速、扭矩信息，可视化液力减速器7达到预定工况后，气动离合器3脱开，可视化液力减速器7与外动力源分离，进入制动工况，由惯性飞轮箱4提供制动所需的负载惯量。图4所示是试验装置水循环系统，为使所拍照片清晰，采用水介质替代油液；当可视化液力减速器7进入制动工况后，迅速启动水泵19驱动储水箱18中水介质在管路中流动，压力指示器20、减压器21、粒子投放器22、流量计23顺次连接，控制水介质快速充入减速器工作腔内，同时粒子投放器22释放示踪粒子，示踪粒子均匀散播，跟随性、反光性良好且比重与水介质相当；当可视化液力减速器7结束制动后，水介质回流至储水箱18中，完成循环过程。如图5所示，在描述液力减速器内流场的流动时，为了分析和理解的方便，建立图中所示的空间坐标系，yoz平面、xoy平面、xoz平面分别为流场弦面、翼面、节面,相应的X坐标、z坐标、y坐标分别为弦坐标、翼坐标、节坐标。在对内流场进行三维PIV测量时，具体方法如下
O调节双脉冲激光器12片光，使之平行于流场弦面，即yoz平面，调整第一 C⑶相机10-1，使其轴线垂直于弦面向下拍摄，当示踪粒子进入可视化液力减速器7工作腔时，同步器13控制双脉冲激光器12与第一 CXD相机10-1同步工作，激光片光照亮流场，第一 CXD相机10-1对流场拍照记录，利用计算机PIV分析软件对所摄图像进行处理，测量内流场瞬时速度场数据，获取内流场弦面数据；
2)调节双脉冲激光器12片光，使之垂直于弦面，调整第二CXD相机10-2，使其轴线与片光平面垂直，如图6所示，双脉冲激光器12与第二 CXD相机10-2分别位于导轨A、B处，片光平面垂直于弦面yoz，第二 CXD相机10-2轴线平行于z轴，即与片光平面垂直，同步器13控制双脉冲激光器12与第二 CCD相机10-2同步工作，测量当前截面流场信息；
3)双脉冲激光器12片光平面仍垂直于弦面，如图6所示，双脉冲激光器12沿圆形导轨9转过任意Θ，到达A’处， 调整第二 CXD相机10-2沿圆形导轨9相同方向转过相同角度Θ，到达B’处，第二 C⑶相机10-2轴线与双脉冲激光器12片光平面始终保持垂直，同步器13控制双脉冲激光器12与第二 CCD相机10-2同步工作，测量内流场垂直于弦面的任意截面信息。所述的第二 CCD相机10-2与双脉冲激光器12底部均有滑轮，沿圆形导轨9滚动，圆形导轨9周身标有刻度，便于角度调节。以上方法所测数据包含了液力减速器内流场全部区域。本装置实际工作时根据预设工况调节液力减速器，进入制动工况后外动力源脱开，控制水循环系统向减速器工作腔充液及释放示踪粒子，PIV测试系统完成采集任务，各部分协同工作，获取液力减速器内流场全区域三维信息，检验并优化液力减速器液力元件设计。
权利要求
1.一种液力减速器内流场三维PIV测试系统试验装置，其特征在于，它包括可视化液力减速器系统、水循环系统、Piv测试系统；可视化液力减速器系统包括顺次相连的驱动电机(I)、变速箱(2)、气动离合器(3)、惯性飞轮箱(4)、转速扭矩传感器(5)、可视化试验箱(6)、液力减速器(7)，所述的可视化试验箱(6)采用透明材料制成，具有安装液力减速器可视化样机的定轮(14)、动轮(15)、壳体(16)的标准接口，适用水介质，制动器轴(8)由轴承(17)支撑，穿过液力减速器壳体(16)与动轮(15)连接；水循环系统包括顺次相连的储水箱(18)、水泵(19)、压力指示器(20)、减压器(21)、示踪粒子投放器(22)、流量计(23);PIV测试系统包括圆形导轨(9)、第一 C⑶相机(10-1)、第二 C⑶相机(10-2)、计算机(11)、双脉冲激光器(12)、同步器(13)，所述的双脉冲激光器(12)所发光源为片光，安装于圆形导轨(9)上，第一 CCD相机(10-1)安装于可视化试验箱(6)顶部，向下拍摄，用于测量内流场弦面信息，第二 CXD相机(10-2)安装于圆形导轨(9)上，可沿导轨转动，保持第二 CXD相机(10_2)的中心轴线与双脉冲激光器(12)片光平面相垂直，用于测量内流场垂直于弦面的任意截面信息。
2.一种如权利要求1所述的液力减速器内流场三维PIV测试系统试验装置的操作方法，其特征在于，所述的PIV测试系统在对液力减速器内流场进行三维PIV测量时，具体操作方法如下 1)调节双脉冲激光器(12)片光，使之平行于流场弦面，调整安装于试验箱顶部的第一C⑶相机(10-1 )，使之轴线垂直于弦面，当液力减速器进入制动工况，示踪粒子随水流进入减速器工作腔时，同步器(13)控制所述双脉冲激光器(12)与第一 C⑶相机(10-1)同步工作，激光片光照亮流场，第一 CCD相机(10-1)对流场进行拍照记录，利用计算机PIV分析软件对所摄图像进行处理，测量内流场瞬时速度场数据，获取内流场弦面数据； 2)调节双脉冲激光器(12)，使之产生的片光垂直于弦面，调整圆形导轨(9)上的第二C⑶相机(10-2)使之中心轴线与激光器片光平面垂直，双脉冲激光器(12)与第二 C⑶相机(10-2)分别位于圆形导轨(9)的两处，激光器片光垂直于弦面，第二 C⑶相机(10-2)轴线平行于翼坐标轴，与片光平面垂直，控制双脉冲激光器(12)与第二 C⑶相机(10-2)同步工作，激光片光照亮流场，第二 CCD相机(10-2)对流场拍照记录，测量当前截面流场信息； 3)调节双脉冲激光器(12)沿圆形导轨(9)转过一定角度Θ，片光平面仍垂直于弦面，调整第二 C⑶相机(10-2)沿圆形导轨(9)相同方向转过相同角度Θ，第二 C⑶相机(10-2)轴线与激光器片光平面保持垂直，控制双脉冲激光器(12)与第二 CXD相机(10-2)同步工作，激光片光照亮流场，第二 CCD相机(10-2)对流场进行拍照记录，测量内流场垂直于弦面的任意截面信息，所述的第二 CCD相机(10-2)与双脉冲激光器(12)底部均有滑轮，沿圆形导轨(9)滚动，圆形导轨(9)周身标有刻度，便于角度调节。
全文摘要
本发明公开了一种液力减速器内流场三维PIV测试系统试验装置及方法。包括驱动电机、变速箱、气动离合器、飞轮箱、扭矩转速传感器、制动轴、可视化液力减速器、可视化试验箱、圆形导轨、同步器、双脉冲激光器、CCD相机、储水箱、水泵、压力指示器、减压器、粒子投放器、电磁流量计等；可视化试验箱采用透明材料制成，适用水介质；制动轴由外驱动系统驱动，通过轴承支撑，穿过液力减速器壳体与减速器动轮连接；第一CCD相机安装在可视化试验箱顶部向下拍摄，第二CCD相机与双脉冲激光器安装在圆形导轨上并可沿导轨任意转动；圆形导轨与可视化试验箱均固定在底座上。本发明能进行液力减速器内流场三维PIV测量，结构简单紧凑、通用性强、易于控制。
文档编号G01M10/00GK103048114SQ20121055366
公开日2013年4月17日 申请日期2012年12月19日 优先权日2012年12月19日
发明者周晓军, 冯玮, 魏燕定, 罗竹辉 申请人:浙江大学