专利名称：可调膜式变刚度器及其使用方法
技术领域：
本发明旨在解决以共振吸能方式的波力发电装置中调节系统的刚度，使系统的自振周期与海浪的周期一致，形成共振，以最大效率提取的海浪能量。同时还可用于其它需要调节系统刚度的场合，如减振系统。
背景技术：
弹簧广泛地用于工程中，现有的弹簧结构形式多种多样，但其刚度特性在制造中就被确定下来，在使用中无法根据实际情况调整。一般情况在工程设计中就需要确定弹簧的刚度特性。但在一些情况中，需根据工程运行状态来调整弹簧的刚度特性，如波力发电， 减振控制。现有的弹簧机构难以满足工程实际需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可调膜式变刚度器及其使用方法，本发明通过控制变刚器对波力发电系统提供可变的刚度，从而可改变系统的自振周期。当系统的自振周期与海浪的周期一致时，系统处于共振状态，此时系统从海浪提取的能量最大，从而实现高效提能。本发明所采用的技术方案是利用薄膜的刚化效应，设计可改变弹簧刚度的机构， 用于可调膜式的变刚度器，其包括依次相连的刚度调节器、刚度器和刚度输出器，刚度调节器包括相连的薄膜带张拉力调节装置和螺母自锁机构，刚度器包括刚性支撑架和由刚性支撑架支撑的薄膜带，薄膜带张拉力调节装置与薄膜带相连接，薄膜带还与刚度输出器相连接。所述的变刚度器，薄膜带张拉力调节装置包括液压缸、电动机、液压箱和液压泵； 液压箱通过液压管道与液压缸相连通，液压管道上接有液压泵，液压泵的动力输入端与电动机相连；液压缸内设有活塞杆，活塞杆的尾端连接薄膜带，活塞杆的运动由液压缸内液体的压力驱动。所述的变刚度器，电动机和液压泵之间还接有联轴器，液压管道上还设有截流阀。所述的变刚度器，螺母自锁机构包括反旋的前端自锁螺母和后端自锁螺母，以及分别与这两个自锁螺母相连的前端自锁螺母座和后端自锁螺母座，活塞杆靠液压缸一端设有后端自锁螺母座，后端自锁螺母座与液压缸一体，后端自锁螺母座上设有后端自锁螺母， 活塞杆靠近薄膜带的一端设有前端自锁螺母座，前端自锁螺母座内设有前端自锁螺母，活塞杆依次穿过后端自锁螺母座、后端自锁螺母、前端自锁螺母和前端自锁螺母座。所述的变刚度器，后端自锁螺母和前端自锁螺母分别接有一个摩擦轮，摩擦轮上接有电动机。所述的变刚度器，活塞杆的中部附近还设有定位器，定位器旁设有位移光电传感
所述的变刚度器，刚性支撑架采用多于两个的圆柱，薄膜带采用环形碳纤维膜带，环形碳纤维膜带两端分别穿过一个连接器，并通过连接器分别与薄膜带张拉力调节装置和刚度输出器相连接。所述的变刚度器，圆柱采用固定位置式或移动位置式。所述的变刚度器，刚度输出器包括齿条、支撑座、齿轮、轴和轴承，齿条与薄膜带相连接，齿条通过齿轮与轴相活动连接，齿轮与轴设置在三端开口的支撑座内，齿条穿过支撑座的两个端口，轴穿过支撑座的第三个端口，支撑座的第三个端口与轴之间通过轴承相滑动接触。可调膜式变刚度器的使用方法，是利用薄膜带的变形提供刚度，输出到刚度输出器，利用薄膜带张拉力调节装置或刚性支撑架改变薄膜带上的张拉力，从而改变输出的刚度大小。螺母自锁机构锁定薄膜带张拉力调节装置的位置，保持薄膜带上的张力。本发明的优点本发明工作原理清晰，机构简单，易实现；弹簧机构的输出刚度可控，且为无级调节。本发明填补了工程中可调刚度的弹簧机构空白。
图1是变刚器原理图。图2是变刚器上施加荷载与变形量δ之间关系曲线。图3是变刚器上膜力调整实现方法。图2中A、C、E为改变支撑薄膜的滚轮间距实现调整薄膜上的膜力；B、D、F为滚轮之间间距保持不变，通过对调整薄膜上的张紧程度来调整薄膜上的膜力。A图多柱支撑时主副支撑柱间距调整方案；B图多柱支撑时主副支撑柱间双向张紧度调节方案；C图多柱支撑时主支撑柱间距调整方案；D图多柱支撑时副支撑柱间张紧度调整方案；E图基本支撑主支撑间距调整方案；F图基本支撑主支撑张紧度调整方案。图4是本发明的变刚器的装置结构图。
具体实施例方式波力发电是利用海浪的能量实现发电。海浪的能量是以波动形式存在。为了利用海浪的能量，波力发电装置是通过吸收海浪能量，将其转换成机械能，再由机械能装换成其它能量实现发电。在波力发电装置中，吸收海浪能量的最直接方法是利用海浪引起吸能系统振动实现吸能。在吸能系统处于共振状态，这种吸能方式从海浪中吸取的能量最大。尽管海浪的周期可在一个相对较长的时段内维持不变，但还是时常发生变化，为了保证吸能系统在海浪的激励下形成共振，需要经常调节吸能系统的自振周期。调整系统自振周期的方法可以提供调节系统的刚度实现。为此研究了变刚度器实现系统刚度无级调节，达到系统自振周期无级调节，以保证系统工作时处于共振状态。本发明具有原创性，此前无类似产品。本发明是依据力学原理，针对共振吸能波力发电装置而研制，发电系统中的振动吸能系统的刚度由本发明的变刚器提供。本发明通过控制变刚器对系统提供可变的刚度，从而可改变系统的自振周期。当系统的自振周期与海浪的周期一致时，系统处于共振状态，此时系统从海浪提取的能量最大，从而实现高效提能。本发明装置是根据薄膜的刚化效应原理设计出了的，作为弹簧机构，通过改变薄膜的张力，可在其使用过程实现其横向刚度改变，以改变其输出刚度特性，可以在更宽泛的条件下满足实际工程需要。其原理图见图1。设薄膜上的初始张力Ttl，薄膜的横截面积为A，其材料的弹性模量为E，薄膜横向变形量为δ，L为薄膜刚度输出端支撑圆柱的间距，L0为薄膜带的原长，F为施加于薄膜横向的力。根据力平衡方程有
权利要求
1.可调膜式变刚度器，其特征在于其包括依次相连的刚度调节器、刚度器和刚度输出器，刚度调节器包括相连的薄膜带张拉力调节装置和螺母自锁机构，刚度器包括刚性支撑架和支撑在刚性支撑架上的薄膜带，薄膜带张拉力调节装置与薄膜带相连接，薄膜带还与刚度输出器相连接。
2.根据权利要求1所述的变刚度器，其特征在于薄膜带张拉力调节装置包括液压缸 (19)、电动机(14)、液压箱(15)和液压泵(16)；液压箱(15)通过液压管道(18)与液压缸 (19)相连通，液压管道(18)上接有液压泵(16)，液压泵(16)的动力输入端与电动机(14) 相连；液压缸(19)内设有活塞杆(21)，活塞杆的尾端连接薄膜带，活塞杆的运动由液压缸(19)内液体压力驱动。
3.根据权利要求2所述的变刚度器，其特征在于电动机(14)和液压泵(16)之间还接有联轴器(13)，液压管道(18)上还设有截流阀(17)。
4.根据权利要求2所述的变刚度器，其特征在于螺母自锁机构包括反旋的前端自锁螺母(10)和后端自锁螺母OO)，以及分别与这两个自锁螺母相连的前端自锁螺母座(9)和后端自锁螺母座，活塞杆靠液压缸(19) 一端设有后端自锁螺母座，后端自锁螺母座与液压缸(19) 一体，后端自锁螺母座上设有后端自锁螺母(20)，活塞杆靠近薄膜带的一端设有前端自锁螺母座(9)，前端自锁螺母座(9)内设有前端自锁螺母(10)，活塞杆依次穿过后端自锁螺母座、后端自锁螺母(20)、前端自锁螺母(10)和前端自锁螺母座(9)。
5.根据权利要求4所述的变刚度器，其特征在于后端自锁螺母OO)和前端自锁螺母 (10)分别接有一个摩擦轮(11)，摩擦轮(11)上接有电动机(12)。
6.根据权利要求4所述的变刚度器，其特征在于活塞杆的中部附近还设有定位器(23)，定位器旁设有位移光电传感器02)。
7.根据权利要求1所述的变刚度器，其特征在于刚性支撑架采用多于两个的圆柱 (1)，薄膜带采用环形碳纤维膜带O)，环形碳纤维膜带( 两端分别穿过一个连接器(3)， 并通过连接器C3)分别与薄膜带张拉力调节装置和刚度输出器相连接。
8.根据权利要求7所述的变刚度器，其特征在于圆柱(1)采用固定位置式或移动位置式。
9.根据权利要求1所述的变刚度器，其特征在于刚度输出器包括齿条G)、支撑座 (5)、齿轮(6)、轴(7)和轴承(8)，齿条(4)与薄膜带相连接，齿条⑷通过齿轮(6)与轴 (7)相活动连接，齿轮(6)与轴(7)设置在三端开口的支撑座(5)内，齿条(4)穿过支撑座 (5)的两个端口，轴(7)穿过支撑座(5)的第三个端口，支撑座(5)的第三个端口与轴(7) 之间通过轴承(8)相滑动接触。
10.可调膜式变刚度器的使用方法，其特征在于利用薄膜带的变形提供刚度，输出到刚度输出器，利用薄膜带张拉力调节装置或刚性支撑架改变薄膜带上的张拉力，从而改变输出的刚度大小，螺母自锁机构锁定薄膜带张拉力调节装置的位置。
全文摘要
本发明提供了一种可调膜式变刚度器，其包括依次相连的刚度调节器、刚度器和刚度输出器，刚度调节器包括相连的薄膜带张拉力调节装置和螺母自锁机构，刚度器包括刚性支撑架和支撑在刚性支撑架上的薄膜带，薄膜带张拉力调节装置与薄膜带相连接，薄膜带还与刚度输出器相连接。所述变刚度器的使用方法是，利用薄膜带的变形提供刚度，输出到刚度输出器，利用薄膜带张拉力调节装置或刚性支撑架改变薄膜带上的张拉力，从而改变输出的刚度大小。螺母自锁机构锁定薄膜带张拉力调节装置的位置，保持薄膜带上的张力。本发明工作原理清晰，机构简单，易实现；弹簧机构的输出刚度可控，且为无级调节；填补了工程中可调刚度的弹簧机构空白。
文档编号F16F1/00GK102434610SQ20111023156
公开日2012年5月2日 申请日期2011年8月12日 优先权日2011年8月12日
发明者杨圣邦, 蔡元奇 申请人:蔡元奇