CN109058343B - 一种非线性扭簧组结构及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非线性扭簧组结构及其使用方法，其中，非线性扭簧组结构包括第一安装板、第二安装板、转轴和多个扭簧，第一安装板和第二安装板相对布置，第一安装板和第二安装板的中部均设有通孔，转轴安装在两个通孔内；第一安装板上设有多个安装孔，多个安装孔和多个扭簧一一对应，第二安装板上设有多个限位孔，多个限位孔和多个扭簧一一对应；多个扭簧同轴套装在转轴上，每个扭簧一端固定安装在安装孔内，每个扭簧另一端滑动安装在限位孔内。通过多组同轴扭簧地依次扭动，扭簧组结构的弯矩和扭动角度间呈函数变化，能够根据不同的应用场景、不同压力匹配扭簧，具有使用简便、匹配方式灵活多变和可提高弹簧应用场景等优点。

Description

一种非线性扭簧组结构及其使用方法

技术领域

本发明涉及弹簧技术领域，具体涉及一种非线性扭簧组结构及其使用方法。

背景技术

弹簧是一种利用弹性来工作的机械零件，用弹性材料制成的零件在外力作用下发生形变，除去外力后又恢复原状。弹簧一般用弹簧钢制成，弹簧的种类复杂多样，根据形状，主要有螺旋弹簧、涡卷弹簧、板弹簧、异型弹簧、压簧和扭簧等，根据弹簧弹形变量又分为线性弹簧和非线性弹簧。传统扭簧大多是线性弹簧，其弯矩大小与扭簧扭动角度成正比关系，参照图1。但在现实中，会碰到很多需要非线性弹力的情况，例如置于河流中的闸门，如何实现在水流冲击力过大的情况下闸门开口变大，在水流冲击力较小的情况下闸门开口变小，不同流速的水流对闸门的冲击力就呈现出非线性关系；此时传统的线性扭簧就不能满足要求，急需一种能够根据不同的应用场景、不同压力大小进行匹配的非线性扭簧。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于：如何设计一种非线性扭簧组结构，通过该扭簧组结构，能够根据不同的应用场景、不同压力大小进行匹配，具有使用简便、匹配方式灵活多变和可提高弹簧应用场景等优点。

本发明采用了如下的技术方案：

一种非线性扭簧组结构，包括第一安装板、第二安装板、转轴和多个扭簧，第一安装板和第二安装板相对布置，第一安装板和第二安装板的中部均设有通孔，转轴安装在两个通孔内；第一安装板上设有多个安装孔，多个安装孔和多个扭簧一一对应，第二安装板上设有多个限位孔，多个限位孔和多个扭簧一一对应；多个扭簧同轴套装在转轴上，每个扭簧一端固定安装在安装孔内，每个扭簧另一端滑动安装在限位孔内。

进一步地，所述扭簧包括从中心往外的第一扭簧、第二扭簧、第三扭簧和第四扭簧，所述安装孔包括从中心往外的第一安装孔、第二安装孔、第三安装孔和第四安装孔，所述限位孔包括从中心往外的第一限位孔、第二限位孔、第三限位孔和第四限位孔，第一限位孔、第二限位孔、第三限位孔和第四限位孔依次变大或依次变小。

进一步地，所述第一安装孔、第二安装孔、第三安装孔和第四安装孔均为相同的圆孔，所述第一限位孔、第二限位孔、第三限位孔和第四限位孔均为弧形环孔。

进一步地，所述第一安装板和第二安装板均为圆形，第一安装孔、第二安装孔、第三安装孔和第四安装孔沿第一安装板径向从内往外布置，第一限位孔、第二限位孔、第三限位孔和第四限位孔沿第二安装板径向从内往外布置。

一种非线性扭簧组结构的使用方法，包括以下步骤：

S1：扭簧组结构内的所有扭簧相同，单个扭簧的弹力计算公式为：

其中，E表示弹簧模量，d表示线径，表示扭动角度，n表示有效圈数，D表示中径，L表示扭臂长度；

S2：当第一安装板转动时，第四扭簧被扭动，其余扭簧在各自对应的限位孔内滑动，此时弹力为F1；随着第一安装板继续转动，第三扭簧也被扭动，第一扭簧和第二扭簧在各自对应的限位孔内滑动，此时弹力为F1+F2；

S3：假设扭簧个数无限，以此类推，随着第一安装板的持续转动，扭簧组结构的弹力逐渐增大，从而使得扭簧组结构的弯矩大小和扭簧扭动角度呈函数关系。

相比于现有技术，本发明具有以下优点：

本发明公开的一种非线性扭簧组结构及其使用方法，多组同轴扭簧从内往外或从外往内地依次扭动，扭簧组结构的弯矩和扭动角度间呈非线性变化，扭簧组结构的弯矩和扭簧扭动角度呈函数关系。通过该结构和方法，能够根据不同的应用场景、不同压力大小进行匹配，具有使用简便、匹配方式灵活多变和可提高弹簧应用场景等优点。

附图说明

图1为背景技术中线性扭簧的弯矩大小与扭簧形变角度的函数曲线图；

图2为本发明实施例中非线性扭簧组结构的立体图；

图3为本发明实施例中扭簧的结构图；

图4为本发明实施例中第一安装板的立体图；

图5为本发明实施例中第二安装板的立体图；

图6为本发明实施例中第一安装板的安装结构图；

图7为本发明实施例中第二安装板的安装结构图；

图8为本发明实施例中非线性扭簧组结构的弹力分析流程图；

图9是本发明实施例中双开式闸门的立体图；

图10是本发明实施例中双开式闸门的俯视图；

图11是本发明实施例中闸门处的立体图；

图12是本发明实施例中闸门处的俯视图；

图13为本发明实施例中双开门式闸阀的弯矩M与扭簧转动角度的的函数曲线图。

附图标号：

1、第一安装板；2、第二安装板；3、转轴；4、通孔；5、第一扭簧；6、第二扭簧；7、第三扭簧；8、第四扭簧；9、第一安装孔；10、第二安装孔；11、第三安装孔；12、第四安装孔；13、第一限位孔；14、第二限位孔；15、第三限位孔；16、第四限位孔；17、壳体；18、第一闸门；19、第二闸门；20、管道。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只是作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

参照图2～图7，一种非线性扭簧组结构，包括第一安装板1、第二安装板2和多个扭簧，第一安装板和第二安装板相对布置，第一安装板和第二安装板的中部均设有通孔4，转轴3安装在两个通孔内；第一安装板上设有多个安装孔，多个安装孔和多个扭簧一一对应，第二安装板上设有多个限位孔，多个限位孔和多个扭簧一一对应；多个扭簧同轴套装在转轴上，每个扭簧一端固定安装在安装孔内，每个扭簧另一端滑动安装在限位孔内。

具体实施时，所述扭簧包括从中心往外的第一扭簧5、第二扭簧6、第三扭簧7和第四扭簧8，所述安装孔包括从中心往外的第一安装孔9、第二安装孔10、第三安装孔11和第四安装孔12，所述限位孔包括从中心往外的第一限位孔13、第二限位孔14、第三限位孔15和第四限位孔16，第一限位孔、第二限位孔、第三限位孔和第四限位孔依次变大或依次变小。所述第一安装孔、第二安装孔、第三安装孔和第四安装孔均为相同的圆孔，所述第一限位孔、第二限位孔、第三限位孔和第四限位孔均为弧形环孔。所述第一安装板和第二安装板均为圆形，第一安装孔、第二安装孔、第三安装孔和第四安装孔沿第一安装板径向从内往外布置，第一限位孔、第二限位孔、第三限位孔和第四限位孔沿第二安装板径向从内往外布置。第一扭簧一端固定安装在第一安装孔内，第一扭簧另一端滑动安装在第一限位孔内，第二扭簧一端固定安装在第二安装孔内，第二扭簧另一端滑动安装在第二限位孔内，第三扭簧一端固定安装在第三安装孔内，第三扭簧另一端滑动安装在第三限位孔内，第四扭簧一端固定安装在第四安装孔内，第四扭簧另一端滑动安装在第四限位孔内。

参照图8，一种非线性扭簧组结构的使用方法，包括以下步骤：

S1：扭簧组结构内的所有扭簧相同，单个扭簧的弹力计算公式为：

其中，E表示弹簧模量，d表示线径，表示扭动角度，n表示有效圈数，D表示中径，L表示扭臂长度；

S2：当第一安装板转动时，第四扭簧被扭动，其余扭簧在各自对应的限位孔内滑动，此时弹力为F1；随着第一安装板继续转动，第三扭簧也被扭动，第一扭簧和第二扭簧在各自对应的限位孔内滑动，此时弹力为F1+F2；

S3：假设扭簧个数无限，以此类推，随着第一安装板的持续转动，扭簧组结构的弹力逐渐增大，从而使得扭簧组结构的弯矩大小和扭簧扭动角度呈函数关系。

上述非线性扭簧组结构及方法中，多组同轴扭簧从内往外或从外往内地依次扭动，扭簧组结构的弯矩和扭动角度间呈非线性变化，扭簧组结构的弯矩和扭簧扭动角度呈函数关系。通过该结构和方法，能够根据不同的应用场景、不同压力大小进行匹配，具有使用简便、匹配方式灵活多变和可提高弹簧应用场景等优点。

实施例二：

参照图9～图12，一种双开门式闸阀，包括壳体17和安装在壳体内的阀门结构，所述阀门结构包括第一闸门18、第二闸门19、转轴和扭簧组结构，第一闸门和第二闸门各自一侧边均通过转轴转动连接在壳体内侧，第一闸门和第二闸门闭合后能够封闭壳体通道，所述扭簧组结构套装在转轴上，扭簧组结构能够随着转轴转动，并提供与转动方向相反的弯矩。其中，扭簧组结构采用实施例一种的非线性扭簧组结构。

本实施例中，所述第一闸门、第二闸门和壳体均为矩形。具体实施时，还有其他方式，将第一闸门和第二闸门设为半圆形，则壳体为圆形；将上述闸阀安装在流体管道20内。

上述双开门式闸阀中，第一闸门和第二闸门能够绕转轴转动，闸门和流体流动方向呈一定的角度，流体通过闸门时，流体对闸门有推力，随着转轴转动，扭簧为闸门提供一个和流体流动方向相反的弯矩，能够让闸门维持在一个平衡的开度。通过该双开门式闸门，实现了根据流体流量大小自动调节阀门的开度，具有结构简便、可恒定流量和和可防止过流等优点。

参照图13，扭簧弯矩M为6250时，流体速度v为2.5，扭簧转动角度为30度，流体过流面积A为4，扭簧组的弹性系数K为208.3333333，单个扭簧的弹性系数k为208.3333333；扭簧弯矩M为10057.8734时，流体速度v为2.835707523，扭簧转动角度为34度，流体过流面积A为3.526456772，扭簧组的弹性系数K为295.8198059，单个扭簧的弹性系数k为24.88050291；扭簧弯矩M为18014.66675时，流体速度v为3.372184414，扭簧转动角度为39度，过流面积A为2.965436872，扭簧组的弹性系数K为461.9145321，单个扭簧的弹性系数k为39.8755755；扭簧弯矩M为32348.23026时，流体速度v为4.093775231，扭簧转动角度为44度，流体过流面积A为2.442733036，扭簧组的弹性系数K为735.1870513，单个扭簧的弹性系数k为66.65920277；扭簧组结构的弯矩大小和扭簧扭动角度能够呈函数变化。

上述双开门式闸阀的原理如下：

首先，将该闸阀安装在流体管道内，第一闸门和第二闸门能够绕转轴转动，闸门和流体流动方向呈一定的角度，流体通过闸门时，流体对闸门有推力，随着转轴转动，扭簧为闸门提供一个和流体流动方向相反的弯矩，水流对闸门有沿着水流方向的分力作用，能够让闸门维持在一个平衡的开度，从而使流体达到恒定流量的目的。

当入口流量发生变化时，流体相对于闸门的运动速度发生变化，使得闸门对流体的阻力发生变化，闸门对流体的阻力和扭簧提供的弯矩平衡被打破，闸门在弯矩作用下绕着转轴转动，转动一定的角度后，扭簧的弹簧和流体受到的阻力达到新的平衡。通过控制扭簧的力学参数，可以控制闸门开度的大小，使得在闸门开度发生变化过后，流量始终与开度变化之前相等，恒定流量。从而实现了根据流体流量大小自动调节阀门的开度。

当流量超过预设最大值时，流体对闸门的推力远远大于弯矩，最后流体方向和闸门垂直，闸门关闭；从而可以防止闸阀的过流等问题。

综上，当流体流速变慢时，闸阀开度变大，流量不变；当流体流速变快时，闸阀开度变小，流量不变。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的保护范围当中。

Claims (3)

1.一种非线性扭簧组结构，其特征在于：包括第一安装板、第二安装板、转轴和多个扭簧，第一安装板和第二安装板相对布置，第一安装板和第二安装板的中部均设有通孔，转轴安装在两个通孔内；第一安装板上设有多个安装孔，多个安装孔和多个扭簧一一对应，第二安装板上设有多个限位孔，多个限位孔和多个扭簧一一对应；多个扭簧同轴套装在转轴上，每个扭簧一端固定安装在安装孔内，每个扭簧另一端滑动安装在限位孔内，所述扭簧包括从中心往外的第一扭簧、第二扭簧、第三扭簧和第四扭簧，所述安装孔包括从中心往外的第一安装孔、第二安装孔、第三安装孔和第四安装孔，所述限位孔包括从中心往外的第一限位孔、第二限位孔、第三限位孔和第四限位孔，第一限位孔、第二限位孔、第三限位孔和第四限位孔依次变大或依次变小，所述第一安装板和第二安装板均为圆形，第一安装孔、第二安装孔、第三安装孔和第四安装孔沿第一安装板径向从内往外布置，第一限位孔、第二限位孔、第三限位孔和第四限位孔沿第二安装板径向从内往外布置。

2.根据权利要求1所述的一种非线性扭簧组结构，其特征在于，所述第一安装孔、第二安装孔、第三安装孔和第四安装孔均为相同的圆孔，所述第一限位孔、第二限位孔、第三限位孔和第四限位孔均为弧形环孔。

3.一种非线性扭簧组结构的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：扭簧组结构内的所有扭簧相同，单个扭簧的弹力计算公式为：

其中，E表示弹簧模量，d表示线径，表示扭动角度，n表示有效圈数，D表示中径，L表示扭臂长度；

S2：当第一安装板转动时，第四扭簧被扭动，其余扭簧在各自对应的限位孔内滑动，此时弹力为F1；随着第一安装板继续转动，第三扭簧也被扭动，第一扭簧和第二扭簧在各自对应的限位孔内滑动，此时弹力为F1+F2；

S3：假设扭簧个数无限，以此类推，随着第一安装板的持续转动，扭簧组结构的弹力逐渐增大，从而使得扭簧组结构的弯矩大小和扭簧扭动角度呈函数关系。