一种惯性比自适应调节惯容器的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种惯性比自适应调节惯容器的设计方法，属于控制系统设计中的控制器结构设计与分析技术领域。本发明专利技术基于丝杠

【技术实现步骤摘要】
一种惯性比自适应调节惯容器的设计方法


[0001]本专利技术属于控制系统中的控制器结构设计与分析
，涉及一种惯性比自适应调节惯容器的设计，并对该惯容器进行仿真验证。

技术介绍

[0002]惯容器是一种能够提供远超其结构质量的惯性比的机械结构，已经在车辆悬挂系统、桥梁、建筑物及机械等领域的振动控制中得到了广泛地研究。惯容器以其惯性比大、结构质量小的特点，在减小振动控制器结构质量方面有着无可比拟的优势。目前，惯容器主要是通过利用结构的转动惯量大于其质量带来的惯性这一效应，再通过使用齿轮或者滚珠丝杠等结构进一步增大其惯性比。但是这类惯容器的惯性比都是定值，难以跟随主结构振动情况的变化而做出必要的调整，存在惯性比不可调等不足，难以达到最佳的振动控制效果。本专利技术基于振动控制对系统惯性的需求，设计了一款转动惯量可依据主结构振动响应的变化自适应调节惯性比的惯容器。本专利技术是在滚珠丝杠-飞轮惯容器的基础上，通过降低飞轮的基本转动惯量，并在飞轮盘面上增加了密度大、飞轮径向移动的弹簧-质量块结构，利用飞轮转动时质量块受到的离心力与弹簧恢复力之间的力平衡改变质量块质心与转动中心的径向距离，从而实现根据主结构的振动情况自适应调节飞轮转动惯量，进而达到自动调节惯容器惯性比的目的。最后利用仿真方法验证了本专利技术的可行性与有效性。目前为止，没有专利公开关于惯性比自适应调节惯容器的设计。

技术实现思路

[0003]为了更好地解决在振动控制过程中，控制器对可变惯性的需求，本专利技术设计了一种惯性比自适应调节的惯容器。r/>[0004]本专利技术通过振动控制过程中对惯性的需求分析，以及对惯容器原理的理解，将原始的丝杠-飞轮惯容器的飞轮改为基础转动惯量和可调转动惯量两部分。其中，基础转动惯量部分为一般的飞轮，其上加工了用于安装可调转动惯量部分的安装机构，同时为了增大整体转动惯量的变化范围，基础转动惯量部分使用密度小且有足够强度的铝合金加工而成。所述可调转动惯量部分基于弹簧-质量块结构设计，利用质量块在飞轮旋转时受到的离心力与弹簧恢复力之间的力平衡自动调节质量块质心与飞轮转动中心的距离，实现对飞轮转动惯量的自动调节。考虑到要增大转动惯量的可调范围，质量块材料选用密度较大且具有良好的自润滑特性的铜或铜合金加工而成。最后，利用数值方法仿真了惯性比随外力载荷的变化情况以验证本专利技术的可行性及有效性。
[0005]本专利技术的技术方案为：
[0006]一种惯性比自适应调节惯容器的设计方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1：惯性比自适应调节惯容器的基本理论设计
[0008]所述惯容器中可调转动惯量结构的理论基础为，弹簧-质量块结构在飞轮旋转时质量块所受离心力与弹簧恢复力之间的力平衡，其运动方程表示为如下形式：
[0009][0010]其中，等号左边为质量块所受惯性力；等号右边第一项为质量块所受的离心力，等号右边第二项为弹簧的恢复力；m为质量块的质量，ω(t)为飞轮的角速度，R(t)为质量块质心到飞轮转动中心的距离(即转动半径)，k为弹簧的劲度系数，R0为质量块质心与飞轮转动中心的最小距离，t为时间变量。
[0011]基于丝杠-螺母运动副的运动原理，飞轮的角速度ω(t)与丝杠所受载荷之间运动方程表示为如下微分方程形式：
[0012][0013]其中，p为丝杠的螺距；F
l
(t)为丝杠所受的载荷；J(t)为飞轮的转动惯量，表示为：
[0014]J(t)＝J0+nmR2(t)
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(3)
[0015]其中，J0为飞轮的固定转动惯量；等式右边第二项表示飞轮的可调转动惯量部分，其中n为弹簧-质量块结构的数量，考虑到对称性和转动的平衡，n取2的整数倍。
[0016]联合式(1)-(3)得到本专利技术惯容器的自适应惯性比为：
[0017][0018]以上为所设计的惯容器惯性比自适应调节的理论原理。
[0019]步骤2：惯性比自适应调节惯容器可调转动惯量飞轮的结构理论设计
[0020]本专利技术的目的是在较大的范围内调节惯容器的惯性比。由式(4)可知，要实现此目的，需要使飞轮的固定转动惯量J0尽量小，并且增大质量块的质量m。将飞轮看作是绕中心做定轴转动的匀质圆盘，则其固定转动惯量用下式表示：
[0021][0022]式中，r为飞轮的半径，ρ为飞轮的密度，V为飞轮的总体积。结合式(4)和(5)可知，在飞轮半径不变的情况下，可以通过使用密度较小的材料，并减小飞轮的体积来减小飞轮的固定转动惯量J0。因此，本专利技术的飞轮主体部分采用密度较小的铝合金加工而成，并去除了飞轮盘面的一部分材料以进一步减小飞轮的固定转动惯量。
[0023]为获得较大的惯性比可调节范围，根据式(3)，并充分考虑惯容器的尺寸限制、飞轮回转半径等约束问题，增加质量块的质量m和数量n是增加惯容器可调惯性比的合理途径。在综合考虑常用材料的密度、成本、可加工性、自润滑性等性能后，质量块的材料定为铜。
[0024]步骤3：基于上述理论的惯容器自适应可调飞轮的结构设计
[0025]本专利技术所设计的惯容器主要包括如下核心部件：壳体3、丝杠4、飞轮5和螺母6。
[0026]其中，螺母6与飞轮5固连且螺母的轴线与飞轮的转动中心同轴；所述丝杠4的顶端为惯容器的端点B2，丝杠4与螺母6连接，丝杠4与螺母6组成丝杠-螺母运动副，将惯容器的端点B2受到的直线运动转换为飞轮的旋转运动。
[0027]所述飞轮5包括飞轮的基本部分9、弹簧7和质量块8。其中，飞轮的基本部分9通过去除飞轮5盘面的一部分材料构成；飞轮5沿径向开有多个导向槽，质量块8安装导向槽内，
并能沿飞轮的径向做直线运动。弹簧7一端与质量块8连接，另一端与导向槽靠近飞轮转动中心的一侧相连，为质量块提供指向飞轮转动中心的拉力。
[0028]所述壳体3为空心结构，其将飞轮5、螺母6及丝杠4组成的结构包裹在内，从而给惯容器的飞轮部分提供一个相对密封且干净的环境，减少惯容器工作时所受的外界干扰。
[0029]步骤4：仿真验证
[0030]由于(1)和(2)为复杂的微分方程，其解析解难以获得，为了验证本专利技术的可行性，搭建了自适应惯容器的MATLAB/Simulink仿真模型，并用模拟的载荷信号对本专利技术进行了相应的验证。仿真结果表明，本专利技术能够对其所受外载荷的变化做出相应的响应，达到了设计目的。
[0031]本专利技术的有益效果：
[0032]1)基于离心力和弹簧恢复力的动力学特性，建立了自适应惯容器对其所受载荷变化而自适应调节惯性比的理论基础，该理论基础能够有效地支撑起自适应惯容器的设计及后续相关的适应性改进需求；
[0033]2)基于惯性比自适应调节的理论基础，本专利技术设计了惯性比自适应可调的丝杠-飞轮惯容器基本结构，能够对后续类似的专利技术及应用提供借鉴和指导；
[0034]3)基于模拟载荷信号对惯容器做了相应的仿真，结果表明本专利技术所设计的惯容器能够根据载荷的变化情况自动调节惯容器的惯性比，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种惯性比自适应调节惯容器的设计方法，其特征在于，该方法基于丝杠-飞轮惯容器，对飞轮进行结构设计，降低飞轮的基础转动惯量，同时在飞轮盘面上增加弹簧-质量块结构；当丝杠受外力载荷致使飞轮转动，质量块在离心力和弹簧恢复力的共同作用下沿飞轮径向运动，质量块位置的变化使得飞轮的转动惯量随之改变，进而使惯容器的惯性比随外力载荷的变化而自适应调节；具体包括以下步骤：步骤1：惯性比自适应调节惯容器的理论设计飞轮的转动惯量与其质量分布有关，在飞轮盘面上设计弹簧-质量块结构，利用飞轮转动时质量块所受离心力与弹簧恢复力之间的力平衡，得到质量块在飞轮径向方向位置与飞轮角速度的关系：其中，等号左边为质量块所受惯性力；等号右边第一项为质量块所受的离心力，等号右边第二项为弹簧的恢复力；m为质量块的质量，ω(t)为飞轮的角速度，R(t)为质量块质心与飞轮转动中心的距离，k为弹簧的劲度系数，R0为质量块质心与飞轮转动中心的最小距离，t为时间变量；基于丝杠-螺母运动副的运动原理，飞轮的角速度ω(t)与丝杠所受载荷之间的运动方程表示为如下微分方程形式：其中，p为丝杠的螺距；F
l
(t)为丝杠所受的载荷；J(t)为飞轮的转动惯量，表示为J(t)＝J0+nmR2(t)
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(3)其中，J0为飞轮的固定转动惯量；等式右边第二项表示飞轮的可调转动惯量部分，n为弹簧-质量块结构的数量，n取2的整数倍；由式(1)-(3)得到惯容器的自适应惯性比为：步骤2：可调转动惯量飞轮的结构理论设计由式(4)可知，通过减小飞轮的固...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙希明，段楠，吴玉虎，仲崇权，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：