CN102797713B - 转盘式变量飞轮 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种转盘式变量飞轮，属于飞轮技术领域。一种带质量块的转盘，转盘转轴安装在转盘架上。转盘架两端也设有转轴，安装在机架上。转盘架转轴即为飞轮主轴，它与转盘轴处在同一平面内，且相互垂直。运行状态下，转盘和转盘架分别绕各自的转轴旋转。转盘由气缸驱动，气缸体与支架铰接，支架固定在转盘架上，活塞杆则与转盘上的曲柄销铰接。当转盘旋转时，转盘上的质量块距飞轮主轴的回转半径发生周期性变化，故绕飞轮主轴的转动惯量也将产生周期性变化。本发明的特点是飞轮的惯量能够快速变化，且变化的速度能任意调节。本发明可用作液压振动节能技术中的蓄能装置。

Description

转盘式变量飞轮

技术领域

本发明涉一种转盘式变量飞轮，属于飞轮技术领域。 

技术背景

变量飞轮是在研究液压振动节能技术中，为解决能量存储问题而发明的。振动技术是一项广泛用于各工业领域的基础技术。激振方法主要包括机械、电动和液压三类。机械和电动激振比较适合中小功率，液压激振的突出优点是能够产生较大的激振力和位移幅值，大型液压振动台的激振力能达到数十吨，低频段的位移幅值可达数十公分，恰好弥补了机械和电动激振的不足。此外，液压激振力密度和功率密度大，易于小型化，因此，在工程机械等移动装备上得到广泛应用。然而，现有液压激振系统结构单一，无论是实验设备还是工程机械，所用液压激振系统几乎都是阀控缸结构。这种结构虽然简单，但能耗很高。 

自由振动是能量在储能元件之间循环转换的结果。当储能元件的质量、刚度、阻居等结构参数确定之后，质体的速度、振幅和动量等物理量之间便建立了一一对应的函数关系。在现有阀控缸型液压激振系统中，质体的运动速度是通过节流阻尼调节的，振动能量被阻尼消耗，故系统能耗高。本发明的原理是，飞轮经液压系统与质体产生动量耦合，利用飞轮的蓄能效应吐纳振动能量，当飞轮惯量发生周期性变化时，质体与飞轮之间便会产生动量脉动循环，从而使质体产生振动。由于动量循环不产生能耗，故可达到节能的目的。 

飞轮蓄能是一个古老的理想。在诸多储能方式(化学储能、热储能、电磁储能和机械储能)中，以飞轮储存机械能的方式最为简单。20世纪90年代以来，由于高强度纤维材料，低损耗磁轴承和电力电子学等方面的发展，飞轮储能得到世界各国的高度重视。但目前有关飞轮技术的研究基本上是围绕如何提高其能量密度展开的，现有飞轮不能满足上述振动 系统对其转动惯量快速变化的要求。本发明的转动惯量是能够快速周期性变化的，将其串接在电机和动力油泵之间，能将电机输入的恒定转速变成脉动转速输出，驱动液压泵输出脉动流量，使液压缸连同质体产生振动。用这种方法构成的液压振动系统属于容积调速结构，比现有节流调速型振动系统节能。 

发明内容

发明目的：提供一种转动惯量能无级、快速、周期性变化的飞轮蓄能装置，解决液压振动节能技术中能量存储问题。 

技术方案：一种转盘式变量飞轮，包括机架、支架、转盘架、还包括成对构件：主轴一和主轴二，转盘一和转盘二，转盘轴一和转盘轴二，气缸一和气缸二。成对构件的结构形状、尺寸及材料完全相同。 

在上述转盘一上有两个形状和质量相等的质量块。两个质量块在转盘上对称布置，它们的质心与转盘的几何中心同处在一条直线上，为增加惯量，质心半径尽可能大。转盘二的质量块与转盘一的相同。转盘一和转盘二分别与转盘轴一及转盘轴二的轴端同轴固定连接。转盘架为矩形框架，在框架两条长边上分别设有转盘轴承座一和转盘轴承座二，轴承孔的中心线与框架长边的中心线重合。两根转盘轴分别装在两个轴承座中。两个转盘位于转盘架内，盘面相对并留出安装气缸的间隔。两个转盘上各有一个曲柄销孔，它们具有相同的孔径和偏心距。曲柄销的两端分别插入两个转盘的曲柄销孔，将两只转盘固定在一起，曲柄销轴线平行于转盘回转轴线。支架是由四根等长拉杆组成的菱形支架，其不相邻两顶点分别固定在转盘架两条短边的中央，另外两个顶点则分别与气缸一和气缸二缸体上的耳环铰接。两只气缸活塞杆上的耳环均与曲柄销铰接，活塞杆中心线与曲柄销轴线垂直。两只 气缸位于转盘一和转盘二之间。 

主轴一、主轴二的轴端分别固定在转盘架两条短边的外侧，两根主轴的轴线与转盘架短边的中心线重合，与转盘一和转盘二的回转轴线在同一平面内正交。主轴一和主轴二分别装在机架的主轴承座一和主轴承座二中。 

转盘一上两质量块质心连线与转盘二上两质量块质心连线相互平行。曲柄销轴心与转盘一及转盘二回转中心的连线和质量块质心连线之间有一个夹角，曲柄销的偏心距确定以后，该夹角应按以下原则确定：当飞轮主轴一、主轴二以最高转速旋转，而转盘自转转速为零，且转盘质量块质心连线与飞轮主轴线垂直时，气缸所产生的推力刚好能够推动转盘转动。 

上述气缸按以下方式配气。为表述方便，可在平行于转盘端面的平面上定义坐标，将与飞轮主轴轴线平行的转盘回转中心线定义为X轴，与X轴垂直的中心线定义为Y轴，这样X、Y轴按常规将转盘划分为I、II、III、IV象限。当转盘随主轴转动时，转盘质量块的离心力将产生绕转盘轴的力矩，当质量块位于I、III象限时，离心力矩为逆时针方向。当质量块位于II、IV象限时，离心力矩为顺时针方向。 

按上述X、Y轴定义，两只气缸和分别位于X轴的上方和下方，且关于X轴对称，以下简称气缸一(3-1)和气缸二(3-2)。若转盘为顺时针旋转，则气缸一(3-1)的配气方式为 

●当所述曲柄销位于第II象限时，气缸一(3-1)通大气。 

●当曲柄销位于第I象限时，气缸一(3-1)经节流阀接通气源。 

●当曲柄销位于第III和第IV象限时，气缸一(3-1)通大气。 

因气缸二(3-2)与气缸一(3-1)关于X轴对称，故只要将上述I、II、III、IV象限依次替换为III、IV、I、II象限，所述气缸一(3-1)配气方案就变成了气缸二(3-2)配气方案。类似的，若转盘逆时针旋转，则只需将上述I、II、III、IV象限依次替换为II、I、IV、III象限即可。

本发明的特点 

●飞轮主轴转动惯量随转盘的旋转呈周期性变化，主轴惯量的变化频率是转盘转速的两倍。因转盘转速很容易提高，故主轴惯量能够实现快速变化。 

●飞轮运行过程中，气缸只需克服转盘旋转时的摩擦阻力，故所需能量很小。 

●改变气缸工作压力能够改变转盘转速，故转盘惯量变化的频率容易调节。 

附图说明

图1转盘式变量飞轮结构主视图； 

图2转盘式变量飞轮结构左视图； 

图3转盘式变量飞轮结构俯视图； 

图4转盘式变量飞轮结构外观图； 

图5转盘结构示意图； 

图6基于转盘式变量飞轮的节能型液压振动系统原理图； 

图中标号名称 

1.机架，2.回转接头，3.柱塞式气缸，3-1气缸一，3-2.气缸二，4.铰链，5.支架，6.主轴承座，7-1.主轴一，7-2.主轴二，8.转盘轴承座，9.曲柄销，10-1.转盘一，10-2.转盘二，11-1.转盘轴一，11-2.转盘轴二，12.编码器，13.转盘架，14.质量块，15.筋板，16.盘缘，21.电机，22.液力耦合器，23.弹性联轴器，24.液压泵/马达，25.梭阀，26.单向阀，27.高频液压转阀，28.液压缸，29.电磁换向阀，30.低压油源，31.溢流阀，32.高频气动转阀，33.气动止回阀，34.节流阀一，35.节流阀二，36.气源，37.变量飞轮，38.超越离合器 

具体实施方式

图1所示转盘式变量飞轮包括转盘组件，机架和驱动机构。所述转盘组件包括两只转盘10、两根转盘轴11、两个转盘轴承座8，两根主轴7和一只转盘轴框架13。如图5所示转盘外形为圆盘状，盘上两块扇形区域的材料被去除，两扇形区的形状和位置关于转盘中心线对称，转盘未被去除的部分材料为质量块14，质量块14关于转盘X-Y中心线的转动惯量不等。如图2，转盘轴11一端插入转盘10中心孔，轴端设有压盖，螺钉通过压盖中心孔旋入轴端螺孔，将压盖和转盘10固定在转盘轴11上。转盘10与转盘轴11间用键传递扭矩。转盘轴11的另一端安装在转盘轴承座8内。转盘轴承座8与转盘架13用法兰连接，两只转盘10同轴，且关于转盘架中心线对称。曲柄销9插在两只转盘10的曲柄销孔中，无间隙配合，使两个转盘能同步旋转。转盘架13两端经法兰连接两根主轴7，两轴同轴，如图1、图3及图4。所述机架包括机架1和两个主轴承座6，主轴7安装在主轴承座6中，轴线与转盘轴线正交。所述支架5是由四根等长拉杆组成的菱形支架，其不相邻两顶点分别用法兰固定在转盘架13两条短边的中央，与之结为一体，见图1和图3。支架5另外两个顶点分别与气缸3-1和气缸二3-2缸体耳环铰接。两只气缸活塞杆耳环与曲柄销铰接，见图2，活塞杆中心线与曲柄销轴线垂直。两只气缸位于转盘一10-1和转盘二10-2中间。上述机构中，所述转盘10在转盘架13中可绕转盘轴11转动，如图2。转盘架13连同支架5、气缸3可绕主轴7转动，如图1。当转盘转动时，因两质量块14距主轴7的转动半径发生周期性变化，故主轴7的转动惯量也将发生周期性变化。 

本发明还配备了回转接头2，如图1，回转接头芯轴为主轴7的一段轴颈。外环套在芯轴上，其外圆面上的接气口连接气源，外环保持静止不随芯轴转动。芯轴上设有气槽和气道，接气口从主轴端面引出，用管道与气缸3的气口连接。回转接头的作用是在飞轮运行期间保持气缸与气源连通。 

转盘10-1与转盘10-2上两质量块质心连线相互平行，曲柄销9轴心与两只转盘圆心之连线和质量块质心连线之间有一个夹角α，见图5。曲柄销9的偏心距确定以后，夹角α(应按以下原则确定：在气源压力为正常的工作压力下，当飞轮主轴以最高转速旋转，而转盘自转转速为零，且转盘质量块质心连线与飞轮主轴线垂直时，气缸所产生的推力刚好能够推动转盘转动。 

当转盘随主轴转动时，转盘质量块的离心力将产生绕转盘轴的力矩。为表述方便，可在平行于转盘端面的平面上定义坐标，将与飞轮主轴轴线平行的转盘回转中心线定义为X轴，与X轴垂直的中心线定义为Y轴，这样X、Y轴按常规将转盘划分为I、II、III、IV象限，见图5。当质量块位于I、III象限时，离心力矩为逆时针方向。当质量块位于II、IV象限时，离心力矩为顺时针方向。按上述X、Y轴定义，气缸3-1和3-2分别位于X轴的上方和下方，且关于X轴对称，如图1。两只气缸可用柱塞缸，经回转接头2通高频气动转阀32。有杆腔不工作，始终保持和大气相通。按照设计要求，气缸推力在每个行程对转盘产生的平均扭矩要大于同行程质量块离心力产生的平均扭矩，若转盘为顺时针旋转，气缸3-1的配气方式如图5、图6所示 

●当曲柄销9位于第II象限时，质量块产生的离心力矩驱动飞轮顺时针转动，气缸被飞轮带动内缩，并经高频气动转阀32、节流阀34向大气排气。 

●当曲柄销位于第I象限时，质量块离心力矩为逆时针方向，对飞轮产生运动阻力。气缸经高频气动转阀32、节流阀35接通气源36，推动转盘10克服离心力。 

●当曲柄销位于第III和第IV象限时，气缸3-1不工作，高频气动转阀32通大气。转盘10由气缸3-2驱动。 

因气缸3-2与气缸3-1关干X轴对称，故只要将上述I、II、III、IV象限依次替换 为III、IV、I、II象限，所述气缸3-1的配气方案就变成了气缸3-2配气方案。类似的，若转盘10做逆时针旋转，则只需将上述I、II、III、IV象限依次替换为II、I、IV、III象限即可。 

关于应用本发明的节能型液压振动系统 

为进一步了解本发明的工作原理及发明目的，有必要了解一下以本发明为储能元件的节能型液压振动系统的基本情况。 

系统组成：如图6，电机21经液力耦合器22与变量飞轮37同轴连接，变量飞轮37经弹性联轴器23与液压泵/马达24连接，液压泵/马达24经高频液压转阀27与液压缸28连接构成闭式回路。电磁换向阀29、梭阀25、两只单向阀26与液压泵并联。溢流阀31进油口接梭阀，出油口接油箱。两只单向阀的对接处接低压油源30。两只气缸3的进排气口与高频气动转阀32连接，转阀32之进气口经气动止回阀33、回转接头2、节流阀35接压缩空气源。转阀32之排气口经回转接头2、节流阀34通大气。编码器12装在转盘轴上。 

工作原理：电机21利用液力耦合器22带动变量飞轮37旋转，飞轮经弹性联轴器23带动液压泵/马达24旋转。此时，电磁换向阀29未通电，处于导通状态，系统没有压力，液压泵无负荷，故飞轮转速将很快升高。在飞轮旋转过程中，高频气动转阀32处于图6所示工位，两只气缸3进排气口均通大气。此时，转盘质量块在离心力作用下向远离飞轮主轴的方向摆动，并在两质量块质心连线与飞轮主轴线垂直时停止摆动。当飞轮转速达到规定值时，高频气动转阀32由控制电机(图中省略)驱动旋转。控制电机根据转盘轴上编码器12发出的信号，对转阀32的转角实施精确的闭环控制，使气缸与转盘动作平稳协调，实现前文所述配气方案。转盘转速可由节流阀34、节流阀35调节。转盘转动时，因质量块距飞轮转轴的半径改变故导致飞轮转动惯量的改变，J＝mr2，式中，J-转动惯量，m-质量块质量，r-质量块质心绕飞轮主轴的回转半径。转盘转动过程中，回转半径R为质量块质 心绕转盘轴的回转半径，为质心连线与飞轮主轴间的夹角，ω为转盘转速。根据动量矩守恒定律，在没有外力作用时，Jω＝常量，飞轮惯量J增加，飞轮转速Ω便降低，反之，惯量减小转速将升高，于是随着转盘的转动，飞轮主轴将变成脉动旋转。 

当飞轮脉动转速稳定后，令电磁换向阀29得电，液压泵24从短路状态恢复到正常供油。液压泵24输出脉动压力油经高频液压转阀27(以下简称转阀27)驱动液压缸28往复运动。其中，转阀27由控制电机(图中省略)驱动换向。控制电机的转速、转角以及和转盘10之间的相位关系由闭环电控系统控制，编码器12为反馈元件。利用上述系统，可使转阀27的换向频率跟踪转盘10的转速，亦即液压泵24的流量脉动频率。于是，当飞轮10加速时，液压缸24也加速，飞轮10的动量将向液压缸28及振体转移。反之，当飞轮10减速时，液压泵24亦减速，其瞬时流量输出将小于液压缸28的即时流量，故后者被迫减速，其间，液压缸28及振体的动量将回馈给飞轮。这部分在液压缸负载和飞轮之间流转的动量在系统运行过程中不会被消耗，可以循环利用。但由前述飞轮的工作原理可知，在正常运行期间，飞轮10的转速不可能减小到零，因此，为了使液压缸28在改变运动方向之前把速度降低为零，以避免冲击，当液压缸28的运动速度降低到一定程度时，转阀27的阀口应对液压缸28产生足够的节流阻力，并在适当的行程上终止其运动。因此间液压缸的速度较低，故能耗有限。液压缸停止后，转阀27换向，而液压泵24也刚好处于加速阶段，于是，液压缸28也反向加速并重复前述过程。 

电机21的转速基本上是恒定的，而飞轮转速是脉动的，液力耦合器22在二者中间起缓冲作用，并能有效防止电机在启动飞轮时过载。飞轮平均转速等于电机转速，当飞轮转速因系统损失而降低时，液力耦合器22因转速差加大而增加传动扭矩，使飞轮增速。梭阀25与溢流阀31的作用是限制系统压力。油源经单向阀26可补充系统容积损失。 

另外还可以在电机21和液力耦合器22之间增加超越离合器38，以避免飞轮高速转动 时反拖电机加速。 

现有液压振动系统为阀控缸结构，液压缸的振动过程主要靠液压阀口的节流阻尼控制。如液压振动台，液压缸的运动完全由阀口控制，阀口开大时，液压缸加速，阀口关小时液压缸减速。减速时，液压缸及振体的动能在阀口上转化为热能损失。本发明通过将电机的恒定转速转变成脉动转速，驱动液压泵够产生脉动流量，用脉动流量结合液压阀的阻尼效应驱动液压缸振动。如前文所述，脉动成分不产生损耗，故能克服现有系统高能耗的缺点。 

Claims (3)

1.一种转盘式变量飞轮，其特征在于：包括机架(1)、支架(5)、转盘架(13)、还包括成对构件：主轴一(7-1)和主轴二(7-2)，转盘一(10-1)和转盘二(10-2)，转盘轴一(11-1)和转盘轴二(11-2)，气缸一(3-1)和气缸二(3-2)；成对构件的结构形状、尺寸及材料完全相同；

上述转盘一(10-1)上有两个形状和质量相等的质量块；两个质量块在转盘上对称布置，它们的质心与转盘的几何中心同处在一条直线上；转盘二(10-2)的质量块与转盘一的相同；转盘一(10-1)和转盘二(10-2)分别与转盘轴一(11-1)及转盘轴二(11-2)的轴端同轴固定连接；转盘架(13)为矩形框架，在框架两条长边上分别设有转盘轴承座一(8-1)和转盘轴承座二(8-2)，轴承孔的中心线与框架长边的中心线重合；两根转盘轴(11-1)、(11-2)分别装在两个轴承座(8-1)、(8-2)中；两个转盘(10-1)、(10-2)位于转盘架(13)内，盘面相对并留出安装气缸的间隔；两个转盘上各有一个曲柄销孔，它们具有相同的孔径和偏心距；曲柄销(9)的两端分别插入两个转盘的曲柄销孔，将两只转盘固定在一起，曲柄销轴线平行于转盘回转轴线；支架(5)是由四根等长拉杆组成的菱形支架，其不相邻两顶点分别固定在转盘架(13)两条短边的中央，另外两个顶点则分别与气缸一(3-1)和气缸二(3-2)缸体上的耳环铰接；两只气缸活塞杆上的耳环均与曲柄销(9)铰接，活塞杆中心线与曲柄销(9)轴线垂直；两只气缸位于转盘一(10-1)和转盘二(10-2)之间；

主轴一(7-1)、主轴二(7-2)的轴端分别固定在转盘架(13)两条短边的外侧，两根主轴的轴线与转盘架(13)短边的中心线重合，与转盘一(10-1)和转盘二(10-2)的回转轴线在同一平面内正交；主轴一(7-1)和主轴二(7-2)分别装在机架(1)的主轴承座一(6-1)和主轴承座二(6-2)中。

2.根据权利要求1所述的转盘式变量飞轮，其特征在于：转盘一(10-1)上两质量块质心连线与转盘二(10-2)上两质量块质心连线相互平行；曲柄销(9)轴心与转盘一(10-1)及转盘二(10-2)回转中心的连线和质量块质心连线之间有一个夹角，曲柄销(9)的偏心距确定以后，该夹角应按以下原则确定：当飞轮主轴一(7-1)、主轴二(7-2)以最高转速旋转，而转盘自转转速为零，且转盘质量块质心连线与飞轮主轴线垂直时，气缸所产生的推力刚好能够推动转盘转动。

3.根据权利要求1所述的转盘式变量飞轮，其特征在于上述气缸按以下方式配气；为表述方便，可在平行于转盘端面的平面上定义坐标，将与飞轮主轴(7)轴线平行的转盘回转中心线定义为X轴，与X轴垂直的中心线定义为Y轴，这样X-Y轴按常规将转盘划分为I、II、III、IV象限；气缸一(3-1)和(3-2)二分别位于X轴的上方和下方，且关于X轴对称；若转盘为顺时针旋转，则气缸一(3-1)的配气方式为

●当所述曲柄销(9)位于第II象限时，气缸一(3-1)通大气；

●当曲柄销位于第I象限时，气缸一(3-1)经节流阀接通气源；

●当曲柄销位于第III和第IV象限时，气缸一(3-1)通大气；

因气缸二(3-2)与气缸一(3-1)关于X轴对称，故只要将上述I、II、III、IV象限依次替换为III、IV、I、II象限，所述气缸一(3-1)配气方案就变成了气缸二(3-2)配气方案；类似的，若转盘逆时针旋转，则只需将上述I、II、III、IV象限依次替换为II、I、IV、III象限即可。