（机械电子工程专业论文）人工模拟降雨系统机构仿真及分析研究.pdf

北京交通大学硕士学位论文 中文摘要 中文摘要 人工模拟降雨系统是在进行水土流失规律试验研究和土壤侵蚀试验研究，及 编制开发建设项目水土保持方案时必备的试验设备，其各项性能指标直接影响 着试验研究的可信度。本文对目前制约槽式人工模拟降雨系统运行品质的“卡 死”、“打滑”的摆频故障机理，以及传动系统的核心部件可控式超越离合 器的运动学与动力学机理进行了深入的分析与研究，并设计了旨在对降雨系统进 行全面测试与研究的综合试验与虚拟仿真平台，将理论研究、实测手段及仿真方 法三者有机结合，相互补充，为进一步深入地研究和改善降雨系统运行品质打下 了良好的基础。本文的主要内容如下： 1 、综述了人工模拟降雨系统的国内外的研究现状及发展趋势，介绍了槽式人 工模拟降雨系统的发展历程、工作原理及亟待解决的一些问题。 2 、以摆频控制装置的受力分析为基础，详细阐述了发生“打滑”、“卡死” 故障的原因及影响因素，并建立了摆频控制装置的仿真模型，分析和提炼出引起 故障的关键因素，并据此对摆频控制装置进行优化设计。 3 、设计了旨在对传动系统进行综合性能测试、故障诊断以及仿真分析验证的 硬件平台，此平台主要包括扭矩测试装置、拨爪力测试装置以及摆频故障监测装 置。 4 、采用联合仿真方法，分别在a d a m s 、a m e s i m 及m a t l a b s i m u l i n k 环境下，建立和整合了人工模拟降雨系统的传动系统和液压系统模型，并利用各 仿真工具之间的交互接口实现了降雨系统控制、机械及液压的联合仿真，形成了 降雨系统的虚拟仿真模型。所建立的模型具有很好的可拓展性，综合考虑了仿真 精度与仿真效率之间的关系，既发挥各仿真工具的专业优势，提高了仿真的准确 性与精度，同时也最大限度地缩短仿真时间。 5 、分别对可控超越离合器在接合过程、接合状态、楔合过程及楔合状态下的 运动学与动力学机理进行了分析，并着重阐述了在脱离状态下超越离合器形成脉 动载荷的机理，并建立了超越离合器的仿真模型，对滚柱与外圈及拨爪间的相互 作用扭矩及法向力进行了仿真，并且分析了滚柱个数对脉动载荷的影响，为改进 超越离合器性能提供了依据。 关键词：人工模拟降雨系统；摆频控制装置；传动系统；综合试验台；联合 仿真；超越离合器 北京交通大学硕士学位论文 a b s t r a c t = = = = = ! i i = m ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! = = = = ! = 竺= ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! = ! ! = = ! = ! ! = ! = ! ! ! ! ! ! = ! ! = ! = a b s t r a c t r a i n f a l ls i m u l a t i o ns y s t e m ( r s s ) i sn e c e s s a r yt e s t i n ge q u i p m e n ti nt h ee x p e r - i m e n t a ls t u d yo ns o l la n dw a t e re r o s i o na n dt h ep r e p a r a t i o no fs o l la n dw a t e rc o n - s e r v a t i o np r o g r a m so fd e v e l o p m e n ta n dc o n s t r u c t i o np r o j e c t s i t sp e r f o r m a n c eh a s d i r e c ti m p a c to nt h ec r e d i b i h t yo ft h ep i l o tt r i a l i at h i sp a p e r ，f a i l u r em e c h a n i s m o ft h e ”s t o p p a g e ”a n d s l i p p e r y o fo s c i l l a t i n gf r e q u e n c yc o n t r o ld e v i c e ( o f c d ) i nt r o u g h - t y p er a i n f a l ls i m u l a t i o ns y s t e m ( t r s s ) h a v eb e e nd e e p l ya n a l y z e d f u r - t h e r m o r e ，t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sm e c h a n i s mo nc o n t r o l l a b l eo v e r r u n n i n g c l u t c h ( c o c ) ，w h i c hw a st h ec o r ep a r to ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mi nt r s s ，h a v e b e e nc a r d e do u ti nd e p t h c o m p r e h e n s i v et e s t i n gp l a t f o r m ( c t p ) a n dv i r t u a l s i m u l a t i o nm o d e l ( v s m ) ，a i m e da ti n t e g r a t e dt e s t i n ga n ds i m u l a t i n go i lt r s s ，h a v e b e e nd e s i g n e d t h e o r e t i c a la p p r o a c h ，m e a s u r e dt o o l sa n ds i m u l a t i o na l g o r i t h mh a v e b e e ni n t e g r a t e dt o g e t h e ra n dc o m p l e m e n t e de a c ho t h e r i tl a i dag o o df o u n d a t i o n f o ro p t i m a ld e s i g no ft r s s t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h ep a p e ra r e ： 1 t h ef o r e i g na n dd e m o c r a t i cd e v e l o p m e n ts t a t u sa n dt r e n d so fr s sh a v e b e e ns u m m a r i z e d t h ed e v e l o p m e n tc o u r s ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft r s sh a v e b e e ni n t r o d u c e d t h ek e yp r o b l e m st ob es e t t l e di nt r s sh a v eb e e nd e s c r i b e d 2 b a s e do ns t r e s sa n a l y s i so fo f c d ，t h ec a u s e sa n di n f l u e n c i n gf a c t o r so ft h e s t o p p a g e a n d s l i p p e r y ”h a v eb e e ne x p l a i n e d b yu s i n gt h ee s t a b l m h e do f c d m o d e li na d a m s ，t h ed e c i s i v ef a c t o r sh a v eb e e ne x t r a c t e d a c c o r d i n gt ot h ee x - t r a c t e df a c t o r s ，o f c dh a sb e e ni m p r o v e d 3 t h ec t po ft h et r a n s m i s s i o ns y s t e mh a sb e e nd e s i g n e d ，w h i c hi n c l u d e s t o r q u et e s t i n gd e v i c e ( t t d ) ，s w i t c h - p a w lf o r c et e s t i n gd e v i c e ( s f t d ) a n df r e - q u e n c yf a u l tm o n i t o r i n gd e v i c e ( f f m d ) t h i sp l a t f o r ma i m e da tc o m p r e h e n s i v e p e r f o r m a n c et e s t i n g ，f a u l td i a g n o s i sa n d s i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o no nt r a n s m i s s i o ns y s - t e m 4 b yu s i n ga d a m s ，a m e s i ma n dm a t l a b s i m u l i n k ，t h et r a n s m i s s i o na n d h y d r a u l i cs y s t e mm o d e lo ft r s sh a sb e e ne s t a b l i s h e dr e s p e c t i v e l y j o i n ts i m u l a t i o n o ft r s sh a sb e e nr e a l i z e db yu s i n gi n t e r a c t i v ei n t e r f a c eb e t w e e nt h es i m u l a t i o n p l a t f o r m s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i m u l a t i o na c c u r a c ya n de f f i c i e n c yh a sb e e n e v a l u a t e d t h i sm o d e ln o to n l yp l a yt h ep r o f e s s i o n a la d v a n t a g eo ft h e s es i m u l a t i o n s o r w a r e ，b u ta l s os h o r t e nt h es i m u l a t i o nt i m et ot h em a x i m u m e x t e n t 5 t h ek i n e m a t i c sa n dd y n a m i c sm e c h a n i s mo fc o ci nt h ee v e n to fr e l e a s i n g - l v - c o u r s e ，r e l e a s i n gs t a t e ，e n g a g i n gc o u r s ea n de n g a g i n gs t a t eh a v eb e e nd e p i c t e ds e p - a r a t e l y t h ef o r m a t i o nm e c h a n i s m o ft h ep u l s a t i n gl o a dd u r i n gr e l e a s i n gs t a t eh a s b e e ne x p l a i n e de m p h a t i c a l l y t h et o r q u ea n dn o r m a lf o r c eb e t w e e nr o l l e r ，o u t - r i n g a n ds w i t c h - p a w lh a v eb e e nm o d e l e d t h ei n f l u e n c eo fr o l l e rn u m b e ro np u l s a t i n g l o a dh a sb e e ns i m u l a t e d i tp r o v i d e dad i r e c t i o nf o rt h eo p t i m i z a t i o no fc o c k e y w o r d s ：r a i n f a l ls i m u l a t i o ns y s t e m ；o s c i h a t i n gf r e q u e n c yc o n t r o ls y s t e m ； t r a n s m i s s i o ns y s t e m ；c o m p r e h e n s i v et e s t i n gp l a t f o r m ；j o i n ts i m u l a t i o n ；o v e r r u n - n i n gc l u t c h 插图f 1 录 插图目录 1 1 槽式人工模拟降雨系统的应用4 1 2 槽式人工模拟降雨系统结构图 5 1 3 内星轮与弹簧的疲劳失效6 2 1 摆频控制装置结构图8 2 2 电磁铁安装角的确定1 0 2 3 铁芯受力分析图( 电磁铁得电) 1 1 2 4 棘爪受力分析图( 电磁铁得电) 1 3 2 5 铁芯受力分析图( 电磁铁失电) 1 4 2 6 棘爪受力分析图( 电磁铁失电) 1 6 2 7 不同功率电磁铁驱动的棘爪位移对比1 8 2 8 不n m b ：【o ，5 n m 的棘爪转角对比2 0 2 - 9 不同m b ；( o 0 4 ，0 0 6 ) n m 的棘爪转伯对比2 0 2 1 0m b 。= l o n m m 时，不同 f o ，l l n m m h 驹棘爪转角对比2 2 2 1 1 舰。= 6 5 n m m 时，不同七绒f o ，1 n m m l 拘棘爪转角对比2 2 2 1 2m b ：= 1 0 n m m 时，不n f t h o 【o ，2 0 1 n 的棘爪转角对比2 3 2 1 3m b ：= 1 0 n m m 时，不同只加 1 0 ，1 5 n 的棘爪转角对比2 4 2 1 4m b ：= 6 5 n m m 时，不同r h 0 1 0 ，2 0 n 的棘爪转角对比2 5 2 1 5 舰。= 1 0 n m m 时，不同他【o ，0 9 】的棘爪转角对比2 6 2 1 6 ：= 6 5 n m m 时，不同如【o ，0 9 1 的棘爪转角对比2 6 2 1 7 摆频控制装置改进前后对比2 7 3 1 传动系统综合试验台的构成3 0 3 _ 2 扭矩测量装置设计图3 2 3 - 3 扭矩测量装置实物图3 3 孓4 扭矩与电流的标定关系3 3 3 - 5 测量得到的扭矩曲线3 4 3 - 6 拨爪力测量装置设计图3 5 3 - 7 拨爪力测量流程3 6 3 - 8 霍尔传感器安装位置对比3 7 3 - 9 采集得到的摆频曲线3 8 北京交通大学硕士学位论文 3 1 0 数据分析报告3 9 垂1 联合仿真数据交换与调用4 2 4 2 联合仿真模型数据流4 3 4 3 驱动机构简化实体模型4 7 垂4 执行机构简化实体模型4 8 垂5a d a m s 中机械系统模型4 9 垂6 电磁力样条曲线5 1 4 - 7 内星轮角位移仿真结果5 1 垂8 预紧弹簧扭矩仿真结果5 2 4 9 离合器输入扭矩仿真结果5 2 4 - 1 0 负载机构简图5 3 4 - 1 1 负载机构s i m u l i n k 模型5 6 4 - 1 2s i m u l i n k 模型仿真结果5 6 4 - 1 3 液压系统模型5 7 4 - 1 4 不同主管道压力下喷头出水流速曲线5 8 4 - 1 5 不同主管道压力下喷头出水流量曲线5 8 量1 可控滚柱式超越离合器结构6 0 5 - 2 超越离合器实体模型6 2 5 - 3 超越离合器物理模型6 3 5 - 4 滚柱的宏观运动轨迹6 4 5 - 5 滚柱的微观运动轨迹6 5 5 6 滚柱与外圈间扭矩曲线6 6 5 7 滚柱与拨爪间扭矩曲线6 6 5 8 滚柱与外幽间法向力曲线6 7 5 9 滚柱与拨爪间法向力曲线6 8 5 - 1 03 r c 、5 r c 、7 r c 及9 r c 预紧弹簧变形曲线6 9 5 - 1 12 r c 、4 r c 、6 r c 、8 r c 及1 0 r c 预紧弹簧变形曲线一7 0 5 - 1 22 r c 、4 r c 及8 r c 的弹簧形变与弹簧力对比7 1 5 ，1 33 r c 、5 r c 、7 r c 及9 r c 的弹簧形变与弹簧力对比7 l 5 1 43 r c 与派生6 r c 的弹簧形变与弹簧力对比7 2 5 1 55 r c 与派生1 0 r c 的弹簧彤变与弹簧力对比7 2 表格开录 表格目录 2 1 如变化时的仿真参数1 9 2 - 2 尬：变化时的仿真参数1 9 2 3 l l 变化时的仿真参数2 1 2 4r o 变化时的仿真参数2 3 2 - 5 纯变化时的仿真参数2 5 4 1 机械系统运动副关系4 9 5 - 1 超越离合器运动副关系6 2 北京交通大学硕士学位论文 独创怍声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 无呜签字日期扣7 年鹏日 7 9 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借测。同意学校向国 家有关部i - j 或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 每鸸 导师签名： 痴免 签字日期：a 。口7 年6 月】弓日签字日期：扣哆年6 月2 日 致谢 本论文的工作是在我的导师李平康教授的悉心指导下完成的，李平康教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 李平康及杜秀霞老师对我的关心和指导。李乎康教授悉心指导我们完成了实验室 的科研工作，在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助，在此向李平康老 师表示衷心的谢意。李平康教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意 见，在此表示衷心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，国俊峰、金涛涛、赵立策、姜岸、杨敏等同 学对我论文中的相关研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 此外，特别感谢北京师范大学刘宝元教授、刘和平博士，校实习工厂孔老师以及 长江科学院水保所的张平仓教授等在人工模拟降雨系统制造、安装及调试过程中 的积极配合和帮助。也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。谨以此文献给他们来表达我最诚挚的谢意。 第一章绪论 第一章绪论 土壤侵蚀规律研究、水土保持措施效益分析与评价、土壤侵蚀预报模型的建 立等都依赖于大量科学数据的观测、积累和分析，室内模拟和径流小区为上述数 据的获取提供了技术平台。然而，依靠天然降雨收集相关数据具有很大的局限 性，特别是在我国北方降水比较稀少的广大地区，由于降水少，年内能产生径流 的暴雨不多，而产生径流的小区多为地表植被覆盖比较差的标准小区和坡耕地小 区。产流小区类型比较单一，严重影响了数据的实用性，制约着水土保持科研的 快速发展【1 】。 利用人工模拟降雨，可以进行各种下垫面土壤侵蚀规律研究，亦可解决设站 观测几十年一遇的大暴雨问题，从而大大缩短了试验研究周期【2 】，已成为室内与 野外试验的重要技术手段，可加速土壤侵蚀、降雨产流及入渗等试验，避免自然 因素的影响，在既定时间内迅速获得试验所需数据，顺利完成研究目标 a l 。 在进行水土流失规律试验研究和土壤侵蚀试验研究，及编制开发建设项目水 土保持方案时，模拟降雨装置是必备的试验设备。其各项性能指标直接影响着试 验研究的可信度，因而，为了满足不同的研究需要，模拟降雨装置也在不断更 新。 1 1 人工模拟降雨系统的国内外发展动态 1 1 1 国外人工模拟降雨系统的发展动态 从2 0 世纪3 0 年代开始，美国就广泛采用人工模拟降雨研究不同作物、土壤和 农业管理条件下的土壤人渗、坡面产流和土壤侵蚀【4 j 【5 j 。前苏联、日本、加拿大 等国家研究也比较早。 ( 1 ) 1 9 5 8 年m e y e r 和m c c u n e 研制了槽式人工模拟降雨机【6 】随后被广泛应用 于美国u s d a 及其它与土壤侵蚀相关的科学研究工作，特别在美国国家土壤侵蚀 实验室相关实验中得到了广泛的使用。 ( 2 ) 1 9 7 9 年f o s t e r 等人对m e y e r - m c c u n e 的槽式人工模拟降雨机做了部分改 进【7 】，改进以后的模拟降雨机性能更好，运行更为稳定，是美国普渡大学国家土 壤侵蚀实验室装备的主要人工降雨设施。 ( 3 ) 2 0 世纪9 0 年代s c o t t 和n o r t o n 对槽式入_ t 模拟降雨机做了一定的改进， 用p v c 管替代了原槽式降雨机的回水水槽，增加了可加长的降雨机支架【8 】，降低 了降雨机的重量，但增加了降雨机安装的难度，水j 玉调节和降雨机调试的难度都 相应增加。 北京交通大学硕士学位论文 ( 4 ) 前苏联的布雷京曾设计了一种用细喷孔群代替喷嘴的装置来研究土壤中 的径流f 9 】，但当时研制的这种降雨器降雨面积较小，降雨高度也没能达到雨滴终 点速度的要求。 ( 5 ) 日本大起理化株式会( 1 0 1 研制的针式降雨装置原理是通过施加外在振动 给针头获得降雨，调节流量控制雨强，随着针头的数目增加，其降雨面积扩大， 可达1 1 m 2 ，落差达至l j 2 m ，降雨强度范围为5 5 0 m m h 。此类降雨装置只适合 用于降雨强度范围小，降雨面积较大的模拟降雨实验使用。 1 1 2 国内人工模拟降雨系统的分类与发展动态 我国在2 0 世纪6 0 年代 1 1 j 开始相继研制出不同性能的人工模拟降雨装置。经过 几十年的发展，人工模拟降雨技术有了很大的发展，降雨机的类型多种多样，根 据不同的分类标准可以划分为不同的类型。 ( 1 ) 根据降雨形成的方式可以将人工模拟降雨机分为喷咀式和针管式2 种类 型： ( 1 1 ) 喷咀式人工模拟降雨机是从喷咀或喷孔中把水喷射至空中，受空气阻 力作用的影响，水流破碎形成不同大小的雨滴，降落至地表，其产生的雨滴有大 有小，与天然降雨的雨滴比较相似。刘素嫒等人研制的s b - - y z c p 人工模拟降雨 装置即为典型的喷咀式降雨机【l 1 。陈文亮等研制的s r 型多喷头、多单元组合式的 间歇降雨装置也属于喷咀式模拟降雨机 1 3 】。国内常采用的侧喷式降雨机也属于喷 咀式降雨机【1 4 1 。侧喷式模拟降雨机可通过更换孔板直径和调整水流压力米改变降 雨强度，因而无法实现不同雨强的连续变换，同时该装置喷出的水流到一定高度 后以自由落体的形式降落，因而需要较大的降雨高度( 如中国科学院水土保持研 究所人工模拟降雨大厅的侧喷式降雨喷头高度为1 6 m ) ，才能保证较小雨滴达到 终点速度，这给野外安装带来了诸多不便，同时降雨时受风的影响很大，一般在 早晚时分比较适合做模拟降雨实验。喷咀式模拟降雨机水流破碎成雨滴的方式有 直流和旋转流两类，公园内的喷泉是直流喷咀器的最好范例，而日本的f 型喷头 为典型的旋转式喷咀器，水流旋转着流出喷头。喷咀式的水流破碎方式分为有碎 流板和无碎流板两种。而有碎流板者又有部分碎流和全面碎流之区别。本文介绍 的槽式人工模拟降雨机采用无碎流板的喷咀，其碎流过程通过喷咀内光滑的弧形 凹陷来实现。 ( 1 2 ) 针管式模拟降雨机是水流流过众多针头或细管形成雨滴。由于针头或 细管的直径是均匀的，所以产牛的雨滴直径也是均匀的。高小梅等人在研究核素 迁移过程中所使用的降雨装置即为典型的针管式模拟降雨机【5 1 。由于针管式降雨 机所产生的雨滴是均匀的，与天然降雨的雨滴分布相差甚远，所以一般在土壤侵 蚀、水土保持相关研究中使用较少。 2 第一章绪论 ( 2 ) 根据水流喷射的角度，可以把人工模拟降雨机分为侧喷式和下喷 式2 种。常用的侧喷式人工模拟降雨器就是侧喷式的典型，水流经碎流板遮挡以后 呈一定角度向上喷射，到最大高度后呈自由落体运动降落地表，水滴的运动轨迹 大致呈抛物线形式。因为是自由落体运动，所以需要的高度就比较高。为了降低 降雨机的高度，很多降雨机采用了下喷的形式产生降雨，由于水滴离开降雨器时 有一定的初速度，所以比较容易达到终点速度，相应地降低了降雨机的高度，本 文介绍的槽式降雨机即为下喷式降雨机。 ( 3 ) 根据控制降雨强度的方式，可以将人工模拟降雨机分为转臂式、转盘式 和摆动式3 种。转臂式降雨机由很多安装有多个喷头的旋转臂组成，通过调整旋转 臂转动的速度可以实现降雨强度的控制。转盘式与转臂式比较类似，但降雨是通 过旋转盘的开口处降落到地表。摆动式是通过调整喷头摆动的频率来控制降雨强 度的一种降雨机，本文介绍的槽式降雨机即为这种类型。 1 2 槽式人工模拟降雨系统的发展 从2 0 0 4 年开始，北京师范大学和北京交通大学在美国槽式降雨机的基础上， 进行二次研发，分别为北京师范大学房山实验基地和中国科学院成都山地灾害研 究所研制了1 0 套和4 套槽式人工模拟降雨系统i l6 】( 见图1 1 ) ，经使用证明该降雨 机具有优良的工作性能，能够在降雨面积、雨强控制和降雨均匀度等技术指标同 时满足实验要求，可以克服原有实验装置降雨强度的调节范围小、精度低、降雨 均匀性差和喷头摆动角度不可调整等不足。 2 0 0 4 年，北京交通大学对降雨系统进行传动系统和液压系统的优化设计分 析，使用m a t l a b s i m m e c h a n i c s 对曲柄摇杆机构进行了初步的仿真研究【1 7 】【1 8 】。 通过建立机构仿真模型，改变其参量快捷地对不同的设计参数下机构的运行轨迹 进行比较，有效地辅助了曲柄摇杆机构的设计。2 0 0 6 年，针对降雨系统机械装置 进行了优化设计和新增功能的设计【1 9 】，具体包括：对离合器中电磁铁的选择进 行了理论分析和实验验证；尝试性地研究了利用电磁阀的开闭配合喷头的摆动形 成模拟降雨的新方法；针对原有喷头的喷射缺陷，提出将扇形喷头改为弧线型喷 头，经实验证明此类喷头水流的喷射角度及喷水轨迹更加适合人工模拟降雨实 验的要求。2 0 0 7 年，在m a t l a b s i m m e c h a n i c s 与a m e s i m 进行对比研究的基础 上，提出了使用a m e s i m 进行仿真研究的诸多优势f 2 0 】。为解决人工模拟降雨系统 的常见故障，如负载阻力大、运行噪声大及喷头摆轴易断裂等，在对传动系统进 行理论分析的基础上，使用a m e s i m 对降雨系统进行了运动学和动力学性能进行 了仿真研究。通过对传动系统仿真，发现了导致机构运行阻力和噪声较大的原 因，并提m 采用柔性更强的导杆滑块机构替代原机构的设想。 3 些皇查堡奎茎些圭耋堡篁圣 闱1 - 1 梧式人工模拟砰雨系统帅应用 f i , 口r e1 一la p p l i c a t h ) no f t h e u m p t y p er a i n f a l ls i m u l a t i o ns y s t e m 1 3 槽式人工模拟降雨系统的结构及工作原理 作为一种模拟天然降雨的试验设备，槽式人工降甫系统主要是通过实现几个 喷头的同时摆动来模拟降南的，在该装置中，驱动箱的机械传动系统在控制箱的 控制信号作用下，实现了不f n j 频率喷头的摆动，从而模拟了各种降雨强度。楷式 人工模拟降雨系统由控制系统、传动系统和液压系统兰大部分组成其结构见 图1 - 2 所示。以下对三太系统工作原理进行简要介绍： ( i ) 控制系统是降雨系统的重要组成部分，它控制着传动系统、液胜系统的 运转。台柠制器可控制两个降雨机。控制器通过 孛制信号对喷头摆动频率( 5 种频 宰) 和摆动方式( 2 种方式) 进行控制，从耐实现对降雨强度的控制j ，目。降雨系 统提供1 0 种小同的降雨强度。 ( 2 ) 机械传动系统是 扫y y j 6 0 n 单相屯容运转异步电动机作为动力源，通过 链传动裟霄将动力传递给超越离台器，在控制信号的作用下离台器实现了喷头的 摆动或停止，当用人长连杆把多个喽头摆动总成连接起来构成半行四边形机构时 就实现了多个喷义的同步摆动。当控制器向电磁铁发送高皂平时，棘爪抬筵，离 台器脱离，前后动力的切断电动机中转、喷头4 i 摆动；反之则，棘爪回落， 离合器接含，前后动力传递电动机和喷头同步转动。 ( 3 ) 液压彖统包括降雨机液压系统和地面液压系统。降雨机液压系统山水 第一章绪论 1 控制器2 电动机3 链传动装置4 超越离合器5 曲柄6 连杆7 喷头8 摇杆9 供水支管 1 0 大长连杆1 1 供水母管1 2 防溅纱网1 3 水槽1 4 降雨隔罩1 5 降雨机水箱水泵1 6 浮球开 关1 7 降雨机水箱1 8 二级水箱水泵1 9 ，二级水箱2 0 电源2 1 一级水箱2 2 一级水箱水泵 图1 2 槽式人工模拟降雨系统结构图 f i g u r e1 - 2s t r u c t u r eo ft h et r o u g h - t y p er a i n f a l ls i m u l a t i o ns y s t e m 槽、水箱、上水母管、浮球阀、潜水泵及压力表等组成。水槽是降雨机的母体， 用于承载喷头摆动装置，同时也作为多余水流刨水箱的回路，其长度由喷头个数 决定。上水母管的供水口与喷头摆动装置的进水口以软管相连，实现了对喷头喷 射用水的供应。每个喷头摆动装置正下方均配备一个降雨出口( 在水槽底部) ， 出口四周设有呈4 5 。的降雨隔板，喷洒在出口内的降雨降落到地表，而喷洒到出 口外的水流经水槽流刚供水箱。供水箱固定于水槽一端，用于存储水源。浮球阀 位于供水箱内，直接与上水软管相连，控制供水箱内水位，当水位达到一定高度 后，浮球阀关闭停止供水，当水位下降后浮球阀重新打开为水箱补水。潜水泵置 于水箱底部，通过软管直接与上水母管相连，上水母管上有若干个出水管和压力 表，出水管直接与降雨喷头连接。地面供水系统包括两级水箱、两级水泵及分水 装置，可同时为多台降雨机供水，为了防止供水压力过大，损坏水箱内的浮球 阀，地面供水部分采用回水装置，让部分多余的水流回地面的两级水箱。 5 ! ! 星兰兰查茎些圭兰堡篁圣 14 槽式人工模拟降雨系统运行品质的主要影响因素 工程实践证明，目前影响槽式人工模拟降雨系统运行品质的主要崮幕有以下 几个方而： i ) 摆顿控制装置工作不稳定。具体来讲，是当电磁铁掉电后，棘爪不能稳定 卡住拨爪使超越离台器脱离( 即打滑) 或当电磁铁得电后，耱爪小能及时抬起 使超越离台器接合( 即卡死) ，两者均会导致喷头摆频失控，降低了人工降雨雨 强精确度。此影响因紧自降雨系统研发以来始终来得到妥善的解决。此前，曾 尝试通过改变棘爪与拨爪间的接触角及棘爪结构等多种方式加以解决，但由于撵 作难度人工作费时及调整不灵活等原因无法根本有效地解决问题。因此应在 对摇频控制装置进行深入受力分析的基础上提炼出引起打滑( 或卡死) 的主要 因桑，并据此优化撂额控制装置以求从根本上解决问题。 2 ) 超越离合器的使用寿命短。经过对失效后离台器的观察初步认定其主要 失效形式为外圈、内星轮和弹簧的疲劳失效( 参见i 笙| 1 - 3 ) 。通过查制资料和试验 证叫离台器的疲劳失效极有可能是接台一脱离两卷过渡时产生的冲击力，以及 脱离状态下零件问( 主要指外圈，滚柱及内星轮阃的作川力) 的周期性脉动载荷 所引起的。因此，应以深入分析冲击力与周期性脉动载荷产生帆理为前提。分析 出影响冲击力及脉动载荷幅度与频率的主要因素，从而为忧化设计超越离台器， 提高离合器使用寿命奠定理论基础。 嘲1 - 3 内旱轮弹赣的疲劳失效 f i g u r e l - 3f a t i g u ef a i l l eo f t h es t a r - w h e e la n ds p r i n g 此外，运j - 噪声大、液压系统高位供水不稳定等也是制约降雨系统运行品质 的瓶颈。由于时间有6 艮，本文仅对前两项影响冈索进行分析、优化研究节十其 他影响因豢将在以后的工作中加以研究和讨论。 15 本文的主要工作 木文详细阐述r 闻内外人工模拟降雨系统的拉展现状及趋辨，幽绕人丁模拟 一6 - 第一章绪论 降雨系统运行品质优化进行了相关研究。对人工模拟降雨系统的核心部件摆 频控制系统和可控超越离合器进行了详细的运动学与动力学分析，并据此分别建 立了两者的可视化仿真模型，通过对仿真结果的分析确定了影响系统性能的关键 因素，并以此为依据进行优化设计。同时，以传动系统为核心，建立了传动系统 综合试验台及其虚拟仿真模型，将仿真结果与理论计算及测量结果进行对比研 究，验证了虚拟平台模拟实际系统的可行性与正确性。本文的研究成果主要体现 在以下几个方面： 1 、以摆频控制装置的受力分析为基础，详细阐述了发生“打滑”、“卡死” 故障的原因及影响因素，并建立了摆频控制装置的仿真模型，分析和提炼出引起 故障的关键因素，并据此对摆频控制装置进行优化设计。 2 、设计了旨在对传动系统进行综合性能测试、故障诊断以及仿真分析验证的 硬件平台，此平台主要包括扭矩测试装置、拨爪力测试装置以及摆频故障监测装 置。 3 、采用联合仿真方法，分别在a d a m s 、a m e s i m 及m a t l a b s i m u l i n k 环境下，建立和整合了人工模拟降雨系统的传动系统和液压系统模型，并利用各 仿真工具之间的交互接口实现了降雨系统控制、机械及液压的联合仿真，形成了 降雨系统的虚拟仿真模型。所建立的模型具有很好的可拓展性，综合考虑了仿真 精度与仿真效率之间的关系，既发挥各仿真工具的专业优势，提高了仿真的准确 性与精度，同时也最大限度地缩短仿真时间。 4 、分别对可控超越离合器在接合过程、接合状态、楔合过程及楔合状态下的 运动学与动力学机理进行了分析，并着重阐述了在脱离状态下超越离合器形成脉 动载荷的机理，并建立了超越离合器的仿真模型，对滚柱与外圈及拨爪间的相互 作用扭矩及法向力进行了仿真，并且分析了滚柱个数对脉动载荷的影响，为改进 超越离合器性能提供了依据。 7 一 些塞奎堡奎兰竺圭茎些篁圣 第二章摆频控制装置故障机理研究 及机构优化 21 摆频控制装置的组成及工作原理 摆频控制装置是连接人工模拟降雨机控制系统和机械传动系统的纽带，对控 制系统和传动系统的正常运行起着至关重要的作j 。此驶置由电碰铁( 1 ) 、铁芯 ( 2 ) 、支架( 3 ) 、压簧( 4 ) 、棘爪( 6 ) 、棘爪轴( 7 ) 、销轴( 8 ) 组成，其 结构如图2 - 1 所示。 图2 1 攉频撺制装簧结构圈 f i g u r c2 - 1s t r u c t l l r co ft h eo “：i l l a t i n gf r e q u e n c yc o l l l r o l * f x l u i l ) m e n t 电磁铁线嘲和棘爪轴被幽定庄支架1 i ，压簧的作用是在电磁铁抻电后使铁芯 迅速稳定地必落到拨爪( 5 ) 上精轴连接铁芯与棘爪，随着铁芯沿线圈内滑道e r 移动，棘爪绕棘爪轴转动。控制脉冲信号扳档位和摆动方式的设置控制电磁铁 的得失电托= i j 棘爪抬起( 或【日落) ，超越离合器接合( 城脱离) ，从而实现了 传动系统按一定频率周期性运转术端的喷头呈周期性摆动 第_ 章摆频控制装胃故障机理研究及机构优化 2 2 摆频控制装置故障描述及既往改进方案研究 2 2 1 故障描述 在人工模拟降雨系统的故障中，摆频控制装置故障是制约降雨系统运行品质 的核心因素之一，它对降雨强度和均匀性等一系列降雨指标均有着显著的干扰。 此装置常见的故障有两种： 1 ) 棘爪卡死：电磁铁得电后，铁芯不能有效拉动棘爪抬升，超越离合器保持 脱离而无法接合，传动系统不能带动喷头摆动形成有效的降雨； 2 ) 棘爪打滑：电磁铁失电后，棘爪在重力、弹簧力的作用下回落至与拨爪相 接触，当拨爪齿碰到棘爪头部时，两者之间产生滑动而脱离开，棘爪弹起，超越 离合器持续接合而无法脱离，传动系统前后动力未被切断，继续带动喷头摆动。 在既往的研究中，曾经对有可能引起故障的环节进行过多次改进，如改进离 合器结构、拨爪外轮廓以及棘爪结构等等，但都收效甚微，没有从根本上解决问 题。因此，深入研究两种故障机理，从而解决问题成为了首要任务。 2 2 2 既往改进方案的研究 在既往的文献【2 0 l 中，已从电磁力与合反力相互关系的角度，初步分析了棘爪 卡死及打滑原因，并使用a m e 仃z 对摆频控制装置进行仿真优化，最终确定压簧 刚度的最优值为9 0 0 n m 。此装置经改进后，虽然故障发生频率有了大幅度的降低 ( 从每摆动1 0 0 次发生十几次故障，降低为仅发生几次故障) ，但当连续降雨时间 超过2 4 小时后，故障频率会迅速增加，甚至恢复到改进前的水平，究其根本原因 是a m e & m 难以对碰撞约束进行仿真，致使仿真结果可信度降低。通过试验与研 究发现，既往研究成果中存在以下不完善的环节： 1 ) 棘爪是连接摆频控制机构和传动系统的关键零件，故应把受力分析的重心 放在棘爪上，而非铁j 醛。此外，棘爪在工作过程中所受作用力并非集中于一点， 所以既往研究中对“所有外力作用于一点”的假设不能准确描述其受力状态，所 以应以棘爪轴为中心，从合力矩的角度考察发生故障的原因。 2 ) 由于既往的研究中，仅把铁芯作为受力分析的对象，所以没有对“拨爪与 棘爪间的接触角”与故障机理之间的关联给予足够的重视。试验证明，由于受加 工精度、安装误差及工作磨损等多重因素的影响，拨爪与棘爪问的接触角会发生 微小变化，此变化量会引起拨爪对棘爪力矩的显著变化( 甚至导致力矩方向的改 变) 。因此，不能忽略此接触角的影响，应将其视为丰要因素加以研究。 3 ) 通过优化“弹簧刚度”来改善机构性能这一做法有所不妥。通过对不同 刚度弹簧进行对比试验发现，虽然弹簧刚度能够在一定程度上能够影响故障的发 生，但它并不是主要因素，单纯依靠修正其值不能从根本上解决问题。 一9 一 北京交通大学硕士学位论文 4 ) 通过对超越离合器拨爪力进行测量后发现，此力在脱离状态下并不是恒定 不变的，而是呈周期性变化的。在研究中，需进一步研究超越离合器在脱离状态 下的运行规律，作为疲劳计算的参考依据。 2 2 3 补