[發(fā)明專利]一種慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)慣容器的設(shè)計(jì)方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 202011067382.1
• 申請日: 2020-10-06
• 公開（公告）號: CN112257194B
• 公開（公告）日: 2022-09-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孫希明;段楠;吳玉虎;仲崇權(quán)
• 申請（專利權(quán)）人: 大連理工大學(xué)
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F30/20;G06F119/14
• 代理公司: 大連理工大學(xué)專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮;潘迅

1.一種慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)慣容器的設(shè)計(jì)方法，其特征在于，該方法基于絲杠-飛輪慣容器，對飛輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，降低飛輪的基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動慣量，同時(shí)在飛輪盤面上增加彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)；當(dāng)絲杠受外力載荷致使飛輪轉(zhuǎn)動，質(zhì)量塊在離心力和彈簧恢復(fù)力的共同作用下沿飛輪徑向運(yùn)動，質(zhì)量塊位置的變化使得飛輪的轉(zhuǎn)動慣量隨之改變，進(jìn)而使慣容器的慣性比隨外力載荷的變化而自適應(yīng)調(diào)節(jié)；具體包括以下步驟：

步驟1：慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)慣容器的理論設(shè)計(jì)

飛輪的轉(zhuǎn)動慣量與其質(zhì)量分布有關(guān)，在飛輪盤面上設(shè)計(jì)彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)，利用飛輪轉(zhuǎn)動時(shí)質(zhì)量塊所受離心力與彈簧恢復(fù)力之間的力平衡，得到質(zhì)量塊在飛輪徑向方向位置與飛輪角速度的關(guān)系：

其中，等號左邊為質(zhì)量塊所受慣性力；等號右邊第一項(xiàng)為質(zhì)量塊所受的離心力，等號右邊第二項(xiàng)為彈簧的恢復(fù)力；m為質(zhì)量塊的質(zhì)量，ω(t)為飛輪的角速度，R(t)為質(zhì)量塊質(zhì)心與飛輪轉(zhuǎn)動中心的距離，k為彈簧的勁度系數(shù)，R₀為質(zhì)量塊質(zhì)心與飛輪轉(zhuǎn)動中心的最小距離，t為時(shí)間變量；

基于絲杠-螺母運(yùn)動副的運(yùn)動原理，飛輪的角速度ω(t)與絲杠所受載荷之間的運(yùn)動方程表示為如下微分方程形式：

其中，p為絲杠的螺距；F_l(t)為絲杠所受的載荷；J(t)為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量，表示為

J(t)＝J₀+nmR²(t) (3)

其中，J₀為飛輪的固定轉(zhuǎn)動慣量；等式右邊第二項(xiàng)表示飛輪的可調(diào)轉(zhuǎn)動慣量部分，n為彈簧-質(zhì)量塊結(jié)構(gòu)的數(shù)量，n取2的整數(shù)倍；

由式(1)-(3)得到慣容器的自適應(yīng)慣性比為：

步驟2：可調(diào)轉(zhuǎn)動慣量飛輪的結(jié)構(gòu)理論設(shè)計(jì)

由式(4)可知，通過減小飛輪的固定轉(zhuǎn)動慣量J₀，并增大質(zhì)量塊的質(zhì)量m，以實(shí)現(xiàn)在較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)慣容器的慣性比；將飛輪看作是繞中心做定軸轉(zhuǎn)動的勻質(zhì)圓盤，則其固定轉(zhuǎn)動慣量表示為：

式中，r為飛輪的半徑，ρ為飛輪的密度，V為飛輪的總體積；結(jié)合式(4)和(5)可知，在飛輪半徑不變的情況下，通過減小飛輪的密度及體積來減小飛輪的J₀；因此飛輪主體部分采用鋁合金加工而成，并去除飛輪盤面的一部分材料以進(jìn)一步減小飛輪的固定轉(zhuǎn)動慣量；

根據(jù)式(3)，并充分考慮慣容器的尺寸限制、飛輪回轉(zhuǎn)半徑約束問題，增加質(zhì)量塊的質(zhì)量m和數(shù)量n，所述質(zhì)量塊的材質(zhì)為銅；

步驟3：慣容器自適應(yīng)可調(diào)飛輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

所述慣容器包括殼體(3)、絲杠(4)、飛輪(5)和螺母(6)；

所述螺母(6)與飛輪(5)固連且螺母(6)的軸線與飛輪(5)的轉(zhuǎn)動中心同軸；所述絲杠(4)的頂端為慣容器的端點(diǎn)B(2)；絲杠(4)與螺母(6)連接，并與螺母(6)組成絲杠-螺母運(yùn)動副，將慣容器的端點(diǎn)B(2)受到的直線運(yùn)動轉(zhuǎn)換為飛輪的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；

所述飛輪(5)包括飛輪的基本部分(9)、彈簧(7)和質(zhì)量塊(8)；其中，飛輪的基本部分(9)通過去除飛輪(5)盤面的一部分材料構(gòu)成；飛輪(5)沿徑向開有多個(gè)導(dǎo)向槽，質(zhì)量塊(8)安裝導(dǎo)向槽內(nèi)，并能沿飛輪的徑向做直線運(yùn)動；彈簧(7)一端與質(zhì)量塊(8)連接，另一端與導(dǎo)向槽靠近飛輪轉(zhuǎn)動中心的一側(cè)相連；

所述殼體(3)為空心結(jié)構(gòu)，其將飛輪(5)、螺母(6)及絲杠(4)組成的結(jié)構(gòu)包裹在內(nèi)；

步驟4：仿真驗(yàn)證

搭建慣性比自適應(yīng)調(diào)節(jié)慣容器的MATLAB/Simulink仿真模型，并用模擬的載荷信號對所述慣容器進(jìn)行驗(yàn)證。