一种机电惯容器力学性能测试工况设计方法与流程

本发明涉及工程隔振领域的一种力学性能测试工况设计方法，特指一种机电惯容器力学性能测试工况设计方法。

背景技术

惯容器是一种新型的两端点被动机械元件，其与阻尼器和弹簧元件相同。随着机电一体化进程的加快，机电惯容器或液电惯容器的装置应运而生。机电惯容器是指将机械式惯容器与电机装置进行耦合设计的新型惯容器装置。机电惯容器中同时包含了机械网络元件与电网络元件，其力学性能测试应综合考虑机械网络与电网络的工作需求。

目前而言，对于机电惯容器的研究刚刚起步，在对其力学性能测试时，工况的选取往往仅依靠经验，或仅考虑了机械网络的力学性能，忽略了机电惯容器作为一种被动装置中的机械网络与电网络的共同约束条件，从而有可能导致系统工作的不稳定。

技术实现要素：

本发明的目的是：提出一种机电惯容器力学性能测试的工况设计方法，其综合考虑了机电惯容器中机械网络元件与电网络元件的工作性能约束条件，可有效避免机电惯容器工作的失稳。

为实现以上发明目的，本发明采用的技术方案是：一种机电惯容器力学性能测试工况设计方法，其主要包括以下步骤：

(1)确定机电惯容器的结构形式，完成结构选型与参数设计；

(2)对机电惯容器进行机械位移相关性测试；

(3)检验机电惯容器的结构设计是否满足设计要求，满足进入步骤(4)，否则重新进行步骤(1)的结构选型与参数设计。

(4)变参数条件下的机电惯容器力学性能仿真；

(5)根据机电惯容器装置的工作约束条件，确定力学性能测试工况参数；

(6)分别进行无负载与有负载两种工况下的机电惯容器力学性能测试，评估试验结果。

所述步骤(1)中，机电惯容器的主要形式有单电机耦合型、平动式惯容器-直线电机耦合型和旋转式惯容器-电机耦合型三种。对于单电机耦合型机电惯容器，需要设计的主要参数包括：电机的电动势系数和电机的推力系数(力矩系数)；对于平动式惯容器-电机耦合型来说，需要设计的主要参数包括：机械式运动转换机构传递比、惯性质量、电机的电动势系数和电机的推力系数；对于旋转式惯容器-电机耦合型来说，需要设计的主要参数包括：机械式运动转换机构传递比、惯性质量、电机的电动势系数和电机的力矩系数。

所述步骤(2)中，位移相关性测试主要为了校核机电惯容器中机械式运动转换机构的传递比是否满足要求。单电机耦合型不需进行位移相关性测试；平动式惯容器-电机耦合型主要进行拉伸位移-响应位移测试；旋转式惯容器-电机耦合型主要进行拉伸位移-响应转角测试。

所述步骤(4)中，选择的变参数为正弦型位移输入的振幅与频率。

所述步骤(5)中，机电惯容器的工作约束条件主要包括：电机的额定推力或额定力矩、电机的额定电流、电网络元件的额定工作功率或额定工作电压。根据电机额定推力或额定力矩确定的工况参数激振频率最大值为f1，振幅最大值为a1；根据电机额定电流确定的工况参数激振频率最大值为f2，振幅最大值为a2；根据电网络元件额定工作功率或额定工作电压确定的工况参数激振频率最大值为f3，振幅最大值为a3。则液电惯容器的力学性能测试工况参数中激振频率范围为：[0,min(f1,f2,f3)]hz，振幅范围为：[0,min(a1,a2,a3)]mm。

所述步骤(6)中，无负载工况下的机电惯容器力学性能测试主要为独立的机械网络结构性能测试；有负载工况下指电网络元件在正常工作条件下的性能测试。

采用本发明的有益实施效果是：在进行机电惯容器结构设计并进行力学性能测试时，通过分别分析机电惯容器中机械网络与电网络的工作性能，根据额定工作条件的约束，确定了机电惯容器力学性能测试的工况参数。提出的一种机电惯容器力学性能测试工况设计方法有效给出了机电惯容器结构设计以及性能测试方法，避免了因设计失误从而有可能导致的系统工作失稳，填补了机电惯容器力学性能测试工况设计方法的空白。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1是一种机电惯容器力学性能测试的工况设计方法流程图

图2是液电惯容器结构示意图

图3是液电惯容器位移相关性测试结果图

图4是液电惯容器电网络结构示意图

图5是变参数条件下电机输出力幅值图

图6是变参数条件下电机电流幅值图

图7是变参数条件下电阻r1功率幅值图

图8是变参数条件下电阻r2功率幅值图

图9是变参数条件下电阻r3功率幅值图

图10是变参数条件下电感l功率幅值图

图11是变参数条件下电容c电压幅值图

图12是无负载条件下液电惯容器幅频对照图

图13是无负载条件下液电惯容器相位对照图

图14是有负载条件下液电惯容器幅频对照图

图15是有负载条件下液电惯容器相位对照图

附图标记说明：1-上吊耳，2-主液压缸，3-主液压缸活塞，4-主活塞杆，5-下吊耳，6-电机定子，7-动子轴，8-动子磁轭，9-绕组，10-动子磁极，11-挡板，12-副液压缸，13-副活塞杆，14-副液压缸活塞，15-第一连接管，16-第二连接管。r1表示电阻器，r2表示电阻器，r3表示电阻器，l表示电感器，c表示电容器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种机电惯容器力学性能测试工况设计方法，其主要包括以下步骤：

(1)确定机电惯容器的结构形式，完成结构选型与参数设计；

(2)对机电惯容器进行机械位移相关性测试；

(3)检验机电惯容器的结构设计是否满足设计要求，满足进入步骤(4)，否则重新进行步骤(1)的结构选型与参数设计。

(4)变参数条件下的机电惯容器力学性能仿真；

(5)根据机电惯容器装置的工作约束条件，确定力学性能测试工况参数；

(6)分别进行无负载与有负载两种工况下的机电惯容器力学性能测试，评估试验结果。

所述步骤(1)中，机电惯容器的主要形式有单电机耦合型、平动式惯容器-直线电机耦合型和旋转式惯容器-电机耦合型三种，详见发明专利201710645867.6。对于单电机耦合型机电惯容器，需要设计的主要参数包括：电机的电动势系数和电机的推力系数(力矩系数)；对于平动式惯容器-电机耦合型来说，需要设计的主要参数包括：机械式运动转换机构传递比、惯性质量、电机的电动势系数和电机的推力系数；对于旋转式惯容器-电机耦合型来说，需要设计的主要参数包括：机械式运动转换机构传递比、惯性质量、电机的电动势系数和电机的力矩系数。

所述步骤(2)中，位移相关性测试主要为了校核机电惯容器中机械式运动转换机构的传递比是否满足要求。单电机耦合型不需进行位移相关性测试；平动式惯容器-电机耦合型主要进行拉伸位移-响应位移测试；旋转式惯容器-电机耦合型主要进行拉伸位移-响应转角测试。

所述步骤(4)中，选择的变参数为正弦型位移输入的振幅与频率。

所述步骤(5)中，机电惯容器的工作约束条件主要包括：电机的额定推力或额定力矩、电机的额定电流、电网络元件的额定工作功率或额定工作电压。根据电机额定推力或额定力矩确定的工况参数激振频率最大值为f1，振幅最大值为a1；根据电机额定电流确定的工况参数激振频率最大值为f2，振幅最大值为a2；根据电网络元件额定工作功率或额定工作电压确定的工况参数激振频率最大值为f3，振幅最大值为a3。则液电惯容器的力学性能测试工况参数中激振频率范围为：[0,min(f1,f2,f3)]hz，振幅范围为：[0,min(a1,a2,a3)]mm。

所述步骤(6)中，无负载工况下的机电惯容器力学性能测试主要为独立的机械网络结构性能测试；有负载工况下指电网络元件在正常工作条件下的性能测试。

本实施例以液压活塞式惯容器与直线电机相耦合的液电惯容器作为说明的实施例，其结构示意图如图2所示。

液电惯容器包括上吊耳1、主液压缸2、下吊耳5、副液压缸11、动子轴7和电机定子6，其中，上吊耳1与主液压缸2焊接为一体，下吊耳5与主活塞杆4焊接为一体，所述上吊耳1与车身相铰接，下吊耳5与车轮相铰接。

所述主液压缸2和副液压缸12并排设置，且副液压缸12位于主液压缸2左侧，所述第一连接管15和第二连接管16分别连通主液压缸2与副液压缸12的上下腔。主活塞杆4与主液压缸活塞3配合安装于主液压缸2中，副液压缸12内部设置有配合连接的副活塞杆13和副液压缸活塞14，所述副液压缸12内部还设有中部开孔的挡板11，所述挡板11位于第二连接管16的下部，副活塞杆13经所开孔伸出挡板11；

所述电机定子6与副液压缸12焊接固联，且电机定子6的内部均布有绕组9，所述绕组9与外端控制电路相连。所述动子轴7从电机工作腔伸出与副活塞杆13焊接连成一体。动子磁轭8与动子磁极10均固定在动子轴7上。

工作过程为：当上吊耳1与下吊耳5之间产生相对运动时，下吊耳5与主活塞杆4推动主液压缸活塞3向上或向下运动，主液压缸2上腔与副液压缸12上腔连通，主液压缸2下腔与副液压缸12下腔连通，由于主液压缸2、副液压缸12工作腔内充满油液，因而油液进入副液压缸12推动副液压缸活塞14向上或向下运动，进而由副活塞杆13带动动子轴7上下移动，动子轴7上的动子磁轭8与动子磁极10在电机工作腔内与电机定子6中的绕组9产生相对运动，直线电机绕组9与外端电路相连，可产生感应电动势。

在平动式惯容器-电机耦合型机电惯容器的参数设计中，运动转换机构的传递比s1/s2设为4.06；惯性质量为5.7kg。

根据上式可知，机电惯容器的惯质系数约为94kg。

对液电惯容器进行位移相关性测试主要为拉伸位移-响应位移测试，主要考察的是当主液压缸与副液压缸固定时，给予主液压缸活塞杆位移时，检测此时副液压缸活塞杆的响应位移，其测试结果如图3所示。

当主缸筒与活塞杆产生相对位移为10mm时，副缸筒与活塞杆随即产生的相对位移约为40mm，反向的位移测试结果相同。结果表明，液电惯容器有效发挥了其运动转换关系放大的特性，装置有效可行，满足设计要求。

在变参数条件下，对机电惯容器进行力学性能仿真，选择的变参数为正弦型位移输入的振幅与频率。本实施例中，正弦型位移输入的振幅范围为[0.001m,0.02m]，频率范围为[0.1hz,18hz]。仿真中，主要考察电机的输出力幅值、电机的电流幅值、电网络元件的工作功率幅值或工作电压幅值。本实施例的机电惯容器的电网络如图4所示。

图中共包含五个电路元件，其中三个电阻器，一个电感器和一个电容器。图5是变参数条件下电机输出力幅值图，图6是变参数条件下电机电流幅值图，图7是变参数条件下电阻r1功率幅值图，图8是变参数条件下电阻r2功率幅值图，图9是变参数条件下电阻r3功率幅值图，图10是变参数条件下电感l功率幅值图，图11是变参数条件下电容c电压幅值图。

在液电惯容器的工作条件中，所研制的电机最大输出力幅值为1500n，最大电流为15a。由于电机的输出力幅值与电流幅值与激振频率和振幅均是单调递增趋势，因此由图5和图6确定其力学性能测试工况参数为：激振频率范围为[0.1,10]hz，输入的位移振幅大小为[0.1,10]mm。

对于电阻器r1、r2和r3来说，若选择的额定工作功率均为5kw时，根据图7、图8、和图9可知，对于电阻器r1和r3，在仿真的工况参数范围内，均满足额定工作条件。对于电阻器r2来说，当额定功率限制为5kw时，其力学性能测试工况参数为：激振频率范围为[0.1,12]hz，输入的位移振幅大小为[0.1,12]mm。

对于电感器l来说，若其额定功率为5kw，根据图10可知，其力学性能测试工况参数为：激振频率范围为[0.1,12]hz，输入的位移振幅大小为[0.1,15]mm。

对于电容器c来说，其两端点的工作电压不能超过额定电压值，防止被击穿损坏。若其额定电压选择为200v，则在仿真的工况参数下均满足额定工作条件。

综合上述分析，在确定机电惯容器的力学性能测试工况参数时，一方面要满足电机额定工作条件的需要，另一方面也要满足电网络元件的额定工作条件的限制，避免出现元件过载导致的装置损坏，因此，选定的机电惯容器力学性能测试工况参数为：激振频率范围为[0.1,10]hz，输入的位移振幅大小为[0.1,10]mm。

最后，在单通道激振台架上分别进行无负载与有负载两种工况下的机电惯容器力学性能测试，力学性能的幅频与相位对照图如图12、图13、图14和图15所示。

从图中可以看出，液电惯容器的力学性能测试结果与理论结果吻合度良好，达到了设计的目标。

本发明的核心思想是通过对液电惯容器中机械网络元件与电网络元件工作性能的分析，结合额定工作的约束条件，确定液电惯容器力学性能测试的工况参数，避免因元件过载导致的装置损坏，提升液电惯容器的工作稳定性。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。