在這里了解千眼狼最新動(dòng)態(tài)
實(shí)驗(yàn)通過超高速成像系統(tǒng)與雙目數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)，對(duì)電機(jī)在40000 rpm轉(zhuǎn)速下的葉片動(dòng)態(tài)變形進(jìn)行實(shí)測(cè)。通過對(duì)合位移、點(diǎn)間距、離面振幅及拉格朗日應(yīng)變等關(guān)鍵指標(biāo)定量分析，驗(yàn)證高速工況下葉片的結(jié)構(gòu)完整性與氣動(dòng)特性，為電機(jī)動(dòng)力輸出優(yōu)化與仿真模型校驗(yàn)提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)背景
高速電機(jī)在散熱模組與精密驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，其核心部件葉片在高速旋轉(zhuǎn)工況下會(huì)受到離心載荷、氣動(dòng)載荷的激勵(lì)，發(fā)生葉片彈性伸長、彎曲振動(dòng)及應(yīng)變變化，引起葉片結(jié)構(gòu)失效，影響電機(jī)氣動(dòng)特性與效率。
針對(duì)現(xiàn)有高速旋轉(zhuǎn)工況下葉片變形行為，通過仿真模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，缺乏實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)校驗(yàn)，難以準(zhǔn)確反映復(fù)雜工況下的實(shí)際表現(xiàn)，使用普通高速攝像機(jī)，又難以實(shí)現(xiàn)高時(shí)空分辨率下的定量捕捉。
國內(nèi)某電機(jī)廠，引入千眼狼雙目高速攝像機(jī)NEO25結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）技術(shù)，對(duì)電機(jī)葉片在高速旋轉(zhuǎn)工況下的位移、長度變化、離面振動(dòng)及應(yīng)變響應(yīng)進(jìn)行非接觸三維全場(chǎng)測(cè)量，通過實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證仿真模型可靠性。
2 實(shí)驗(yàn)簡介
2.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象
實(shí)驗(yàn)對(duì)象為某小型高速電機(jī)葉片，單片葉片外徑約4cm，電機(jī)被驅(qū)動(dòng)至40000 rpm。
2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備
實(shí)驗(yàn)采用中科君達(dá)視界軟硬件全自主研發(fā)的千眼狼雙目高速數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）系統(tǒng)，核心配置如下：
高速攝像機(jī)：NEO25×2。
采樣參數(shù)設(shè)置：ROI下41000 fps
采集時(shí)長：約0.025 s
鏡頭：100 mm定焦鏡頭
光源：千眼狼自主研發(fā)的高強(qiáng)度連續(xù)光源
偏振片：高速攝像機(jī)鏡頭前加裝偏振片以抑制強(qiáng)反光
2.3 實(shí)驗(yàn)方法
首先通過雙目立體標(biāo)定建立三維測(cè)量坐標(biāo)系，利用高速攝像機(jī)追蹤記錄約0.025 s葉片數(shù)字散斑圖像，基于數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）算法對(duì)葉片數(shù)字散斑圖像，獲取選定階段點(diǎn)及階段多邊形區(qū)域在時(shí)間域內(nèi)的三維位移和拉格朗日應(yīng)變。同時(shí)針對(duì)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，采用相對(duì)量如點(diǎn)-點(diǎn)距離變化來表征葉片長度變化，以降低整體剛體運(yùn)動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的干擾。
3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
3.1 葉片選定階段點(diǎn)的合位移
在葉片上選取階段點(diǎn)，對(duì)其在旋轉(zhuǎn)過程中的三維合位移進(jìn)行跟蹤，高速數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）結(jié)果顯示，該階段點(diǎn)的合位移呈現(xiàn)顯著周期性變化，波動(dòng)幅度約為32 mm。該位移量主要是來自葉片繞轉(zhuǎn)軸的剛體旋轉(zhuǎn)貢獻(xiàn)，主要用于驗(yàn)證DIC系統(tǒng)在高速旋轉(zhuǎn)工況下對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡捕捉的完整性與穩(wěn)定性。
3.2 葉片兩選定點(diǎn)的長度變化
實(shí)驗(yàn)在同一葉片上選取兩階段點(diǎn)，計(jì)算其在旋轉(zhuǎn)過程中的點(diǎn)點(diǎn)距離變化，用于表征葉片在高速離心載荷激勵(lì)下徑向方向的拉伸變形行為。對(duì)于微型高轉(zhuǎn)速電機(jī)而言，葉片與外殼之間的安全間隙設(shè)計(jì)，是防止運(yùn)行過程中發(fā)生剮蹭、甚至失效的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)，故獲取葉片在高速工況下的離心伸長量是本次實(shí)驗(yàn)核心目標(biāo)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩選定點(diǎn)距離差的波動(dòng)幅度在20~30 μm區(qū)間，與仿真預(yù)測(cè)結(jié)果一致，說明在40000 rpm穩(wěn)態(tài)工況下，葉片離心伸長處于彈性工作區(qū)間，驗(yàn)證葉片結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在高速工況下具備足夠的長度裕度。設(shè)計(jì)角度，該實(shí)測(cè)伸長量為葉片-外殼徑向間隙的確定提供了實(shí)測(cè)依據(jù)，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行間隙設(shè)計(jì)可降低高速運(yùn)行下發(fā)生剮蹭風(fēng)險(xiǎn)，提高整機(jī)可靠性與壽命。
3.3 葉片選定點(diǎn)的離面振幅
葉片選定階段點(diǎn)的離面位移（垂直于旋轉(zhuǎn)平面方向）進(jìn)行分析，DIC系統(tǒng)測(cè)量結(jié)果顯示振幅總體控制在2 mm以內(nèi)，表明在當(dāng)前轉(zhuǎn)速與工況下，葉片未發(fā)生顯著的離面共振或失穩(wěn)振動(dòng)，電機(jī)整體動(dòng)力學(xué)良好。
3.4 葉片選定區(qū)域的拉格朗日應(yīng)變
實(shí)驗(yàn)在葉片表面選定階段區(qū)域，利用千眼狼數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)軟件計(jì)算其拉格朗日應(yīng)變時(shí)序變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，拉格朗日應(yīng)變平均值在10 με范圍內(nèi)波動(dòng)，表明葉片材料在該工況下處于低應(yīng)變彈性狀態(tài)，結(jié)構(gòu)安全裕度充足。測(cè)量結(jié)果也從應(yīng)變層面驗(yàn)證了仿真模型材料參數(shù)與載荷設(shè)置合理。
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)論
4.1 本次實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了40000 rpm高速旋轉(zhuǎn)工況下，對(duì)小尺寸電機(jī)葉片進(jìn)行三維全場(chǎng)非接觸動(dòng)態(tài)位移與應(yīng)變測(cè)量，驗(yàn)證了雙目高速數(shù)字圖像相關(guān)DIC技術(shù)在極端工況下的適用性。相較于僅依賴仿真分析，高速數(shù)字圖像相關(guān)（DIC）實(shí)驗(yàn)手段為電機(jī)性能評(píng)估提供了直接量化的實(shí)測(cè)依據(jù)，有助于縮短設(shè)計(jì)驗(yàn)證周期，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。
4.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，葉片的軸向長度變化量級(jí)為20~30 μm，與仿真結(jié)果一致，表明電機(jī)在穩(wěn)態(tài)高速運(yùn)行階段的離心變形可控，未對(duì)氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)安全構(gòu)成不利影響。離面振動(dòng)與拉格朗日應(yīng)變均未表現(xiàn)不穩(wěn)定特征，說明電機(jī)啟動(dòng)與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行過程中的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)平穩(wěn)，設(shè)計(jì)方案具備較高可靠性。
4.3 設(shè)備選型推薦，千眼狼超高速攝像機(jī)NEO25配合數(shù)字圖像散斑方案，可在微米級(jí)精度下完成高速旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)變形測(cè)量，適用于小型高速電機(jī)、微型轉(zhuǎn)子及類似高速旋轉(zhuǎn)部件的工程驗(yàn)證。
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