CN109083966B - 一种波浪形管环绕式气体惯容 - Google Patents

一种波浪形管环绕式气体惯容 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波浪形管环绕式气体惯容，包括圆柱形罐体、波浪形管道、活塞、活塞杆、挡板和水平隔板，所述圆柱形罐体内设有水平隔板，水平隔板将圆柱形罐体分割成上下两个独立不连通的腔体，位于上方的腔体为气缸、另一个为行程室，活塞固定在活塞杆上，挡板固定在活塞杆底面，且活塞杆上端伸出气缸顶面中心，使得活塞位于气缸，挡板位于行程室内，波浪形管道固定在圆柱形罐体外壁，波浪形管道的两个管口与气缸相连通。波浪形管道内装有一段液体，这段液体只能在波浪形管道内往返流动，不能进入气缸。当惯容工作时，活塞在气缸内做往返运动。挡板起约束两个端点的相对位移量的作用，可防止波浪形管内的液体进入气缸使惯容无法正常工作。

Description

一种波浪形管环绕式气体惯容
技术领域
本发明属于储能元件，具体涉及一种波浪形管环绕式气体惯容。
背景技术
惯容是一种机械储能元件，其特征是作用在两个端点的力正比于两个端点间的相对加速度，比值称为惯性。作为一类无源机械元件，与质量块相比，惯容与弹簧和阻尼器可构成更加丰富的无源机械结构。惯容是弹簧的完全的机械对偶，有着广泛的应用背景，其主要功能有振动吸收、悬架设计、替代质量等。在交通工具设计领域，惯容可以用于飞机起落架的减振，可以用于火车、汽车等各种车辆的悬架系统中提升悬架性能从而改善乘坐舒适性、轮胎抓地力、车辆可操控性等各种性能指标。在土木工程设计领域，惯容可用于建筑物的减振机构，进一步提高建筑物的抗震能力。目前惯容已在一级方程式赛车、房屋减振等领域得到实际应用。
目前，惯容的实现形式主要有齿轮齿条式惯容、滚珠丝杠式惯容、扭转式惯容、液压活塞式惯容、液压泵式惯容、螺旋式液体惯容。
S.J.Swift和Malcolm C.Smith等人在“Design and modelling of afluidinerter”一文中提出了螺旋式液体惯容，该螺旋式液体惯容由圆柱形液压缸、螺旋管道、活塞、活塞杆构成，活塞固定在活塞杆上，活塞杆上端伸出液压缸顶面中心，使得活塞位于液压缸，螺旋管道呈螺旋形缠绕在液压缸外壁，螺旋管道的两个端口与液压缸相连通。螺旋管道的一个管口位于另一个管口的上方，活塞在液压缸内运动，其运动行程在两个管口之间。螺旋管道和液压缸内均充满液体。当力F作用在任意一个端点(活塞杆顶部设有一端点，圆柱形液压缸底面中心设有一端点)时，两端点发生相对运动，使活塞推动液压缸内的液体运动，使上述液体进入螺旋管道，推动螺旋管道中的液体在螺旋管道内做螺旋运动。
上述螺旋式液体惯容存在的缺点主要有：
(1)螺旋管道内的液体所受的阻力较大。
(2)液压缸内的液体与液压缸壁存在粘性摩擦。
(3)螺旋管与液压缸连接处有动能损耗。
(4)力F做的功不能全部转化为螺旋管道内液体运动的动能，有一部分要转化为液压缸内液体的动能。
这些缺点导致螺旋式液体惯容的非线性程度较高，不适用于对惯容的线性程度要求较高的情形。
发明内容
本发明的目的在于提供一种波浪形管环绕式气体惯容，解决了螺旋式液体惯容存在的缺点，降低了惯容的非线性程度，使其更适用于对惯容的线性程度要求较高的情形。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种波浪形管环绕式气体惯容，包括圆柱形罐体、波浪形管道、活塞、活塞杆、挡板和水平隔板，所述圆柱形罐体内设有水平隔板，水平隔板将圆柱形罐体分割成上下两个独立不连通的腔体，位于上方的腔体为气缸、位于下方的腔体为行程室，活塞固定在活塞杆上，挡板固定在活塞杆底面，挡板中心设有圆孔，活塞杆设置在圆柱形罐体内并穿过圆孔，且活塞杆上端伸出气缸顶面中心，使得活塞位于气缸，挡板位于行程室内，波浪形管道固定在圆柱形罐体外壁，波浪形管道的两个管口与气缸相连通。
所述波浪形管道的一个管口位于另一个管口的上方，活塞在气缸内运动，其运动行程在两个管口之间，波浪形管道装有一段液体，所述液体只能在波浪形管道内往返流动，不能进入气缸。
所述波浪形管道的形状为周期性的正弦曲线。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：(1)波浪形管道道内液体长度小于管道的长度，故波浪形管道3内液体所受的阻力更小。
(2)气体与气缸壁的摩擦远小于液体与液压缸的粘性摩擦；波浪形管道道内的液体不进入气缸，故没有螺旋管与液压缸连接处的动能损耗。
(3)气缸内没有液体，不计其它损耗，则力F做的功全部转化为波浪形管道内的液体运动的动能。
(4)当其竖直放置处于立式工作状态时，若将波浪形管道内的液体的长度设置为波浪形管道一个周期长度的整数倍，则当这段液体在波浪形管道内流动时，其重力势能不变，所受重力做功的代数和为零。这将使力F与两个端点之间的相对加速度
Figure BDA0001784851480000021
的函数关系更接近线性关系，所述波浪形管环绕式气体惯容的非线性程度将更低，与惯容的其它已有实现形式相比更容易满足对惯容的线性程度要求较高的场合。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图。
图2为本发明的波浪形管的轴测图。
图3为本发明的剖面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
结合图1至图3，本发明所述的波浪形管环绕式气体惯容，包括圆柱形罐体、波浪形管道3、活塞5、活塞杆6、挡板7和水平隔板9，所述圆柱形罐体内设有水平隔板9，水平隔板9将圆柱形罐体分割成上下两个独立不连通的腔体，位于上方的腔体为气缸4、位于下方的腔体为行程室8，活塞5固定在活塞杆6上，挡板7固定在活塞杆6底面，挡板7中心设有圆孔，活塞杆6设置在圆柱形罐体内并穿过圆孔，且活塞杆6上端伸出气缸4顶面中心，使得活塞5位于气缸4，挡板7位于行程室8内，波浪形管道3固定在圆柱形罐体外壁，波浪形管道3的两个管口与气缸4相连通。
所述波浪形管道3的一个管口位于另一个管口的上方，活塞5在气缸4内运动，其运动行程在两个管口之间。波浪形管道3装有一段液体，所述液体只能在波浪形管道3内往返流动，不能进入气缸4。
所述波浪形管道3的形状为周期性的正弦曲线。
当惯容工作时，行程室8内的挡板7的运动行程，限制了活塞5在气缸4内的运动行程，从而防止波浪形管道3内的液体进入气缸4使惯容无法正常工作。
所述活塞杆6与气缸4顶面之间，以及活塞杆6与挡板7之间均采用紧密配合，且通过密封圈实现密封。
所述波浪形管环绕式气体惯容的工作原理为：当在任意一个端点(活塞杆6顶部设有第一端点1，圆柱形罐体底面中心设有第二端点2)上施加力F时，会使得第一端点1和第二端点2做相对运动，进而活塞5会运动并推动气缸4内的气体，使上述气体进入波浪形管道3，推动波浪形管道3中的液体在波浪形管道3内运动。设波浪形管道3中的液体质量为m，速度为v，截面积为A2，这段液体的运动可分解为圆周运动和直线往返运动，速度分别设为v1和v2。设波浪形管道3的四分之一个周期的正投影弧长为l1，波浪形管道3的幅值为h，活塞5的半径为R，活塞杆6横截面的半径为r，第一端点1和第二端点2之间的相对位移为x。那么活塞5的有效工作面积为A1＝π(R2-r2)，第一端点1和第二端点2间的相对速度为
Figure BDA0001784851480000041
因为波浪形管道3内液体横截面的流量等于气缸4横截面的流量，所以有
Figure BDA0001784851480000042
Figure BDA0001784851480000043
当液体从波浪形管道3的平衡位置运动到波峰或波谷时，恰好运动的投影长度为l1，故
Figure BDA0001784851480000044
Figure BDA0001784851480000045
由运动的分解可知
Figure BDA0001784851480000046
Figure BDA0001784851480000047
由于波浪形管道3中的液体运动的分运动中，圆周运动相对直线往返运动可忽略，不计重力做功和其它损耗，则力F做的功转化为波浪形管道3中的液体的直线往返分运动的动能，根据功率定义有
Figure BDA0001784851480000048
Figure BDA0001784851480000051
从上式可知力F与两个端点之间的相对加速度
Figure BDA0001784851480000052
成正比，这证明所述的波浪形管道3环绕式惯容符合惯容的特征，是惯容的一种新的实现。
所述的波浪形管环绕式气体惯容与螺旋式液体惯容比较，其波浪形管道3内液体长度小于管道的长度，故波浪形管道3内液体所受的阻力更小；气体与气缸壁的摩擦远小于液体与液压缸的粘性摩擦；波浪形管道3内的液体不进入气缸4，故没有螺旋管与液压缸连接处的动能损耗；气缸4内没有液体，不计其它损耗，则力F做的功全部转化为波浪形管道3内的液体运动的动能。上述优点使得波浪形管环绕式气体惯容的线性程度高于螺旋式液体惯容，在对惯容的线性程度要求较高的场合更容易满足要求。
所述的波浪形管环绕式气体惯容有一个很重要的特点，即当其竖直放置处于立式工作状态时，若将波浪形管道3内的液体的长度设置为波浪形管道3一个周期长度的整数倍，则当这段液体在波浪形管道3内流动时，其重力势能不变，所受重力做功的代数和为零。由前述推导可知，这将使力F与两个端点之间的相对加速度
Figure BDA0001784851480000053
的函数关系更接近线性关系，所述波浪形管环绕式气体惯容的非线性程度将更低，与惯容的其它已有实现形式相比更容易满足对惯容的线性程度要求较高的场合。

Claims (2)

1.一种波浪形管环绕式气体惯容，其特征在于：包括圆柱形罐体、波浪形管道（3）、活塞（5）、活塞杆（6）、挡板（7）和水平隔板（9），所述圆柱形罐体内设有水平隔板（9），水平隔板（9）将圆柱形罐体分割成上下两个独立不连通的腔体，位于上方的腔体为气缸（4）、位于下方的腔体为行程室（8），活塞（5）固定在活塞杆（6）上，挡板（7）固定在活塞杆（6）底面，挡板（7）中心设有圆孔，活塞杆（6）设置在圆柱形罐体内并穿过圆孔，且活塞杆（6）上端伸出气缸（4）顶面中心，使得活塞（5）位于气缸（4），挡板（7）位于行程室（8）内，波浪形管道（3）固定在圆柱形罐体外壁，波浪形管道（3）的两个管口与气缸（4）相连通；
所述波浪形管道（3）的形状为周期性的正弦曲线；
所述波浪形管道（3）的一个管口位于另一个管口的上方，活塞（5）在气缸（4）内运动，其运动行程在两个管口之间，波浪形管道（3）装有一段液体，所述液体只能在波浪形管道（3）内往返流动，不能进入气缸（4）。
2.根据权利要求1所述的波浪形管环绕式气体惯容，其特征在于：所述活塞杆（6）与气缸（4）顶面之间，以及活塞杆（6）与挡板（7）之间均采用紧密配合，且通过密封圈实现密封。
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