CN109632230A - 一种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置 - Google Patents

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孙海
陈芝赟
孙丽萍
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Abstract

本发明提供一种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，包括圆柱振子、滑块、滑轨、正时皮带和正时皮带传送轮；所述滑轨的上下两端都固定连接，所述圆柱振子两端与滑块连接，所述滑块与滑轨相配合，所述滑轨上下设置正时皮带传送轮，正时皮带传送轮与正时皮带相配合，滑块的两端均与正时皮带连接，所述滑轨上侧传动轮与圆柱振子的转轴连接，所述转轴与Vck系统连接；克服了传统流致振动实验设备改变物理弹簧和阻尼难，不能完全的模拟系统的线性粘性阻尼等缺点，使得实验可以精确迅速的改变参数，获得的实验数据更加的可靠。

Description

一种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置
技术领域
本发明涉及一种实验装置，尤其涉及一种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，属于新能源领域。
背景技术
在Marine Renewable Energy Lab(MRELab)早期VIVACE系统中，使用的是物理弹簧和机械阻尼器。但是，振子为了克服阻力会有较大的能量损耗，所以必须最大限度的降低系统阻尼来获得较高的能量。国外很早尝试使用电子元件代替实体弹簧、阻尼器的设备，其中一个代表是VCTA(MIT)，设备使用反馈控制并且实时的测量与计算涡激水动力；但是在实际的运行中VCTA相对于实体弹簧-阻尼系统存在12度与9度相位滞后；之后后续的相关设备都存在同样的之后问题。为了达到实验要求和目的，本设备利用虚拟弹簧阻尼系统(Virtual spring-damping,Vck)Vck系统以抵抗扭矩的形式增加负阻尼来获取水动力能量收集。系统加上Vck减震器之后的总阻尼不能超过某个极限值，否则VIV和驰振这两个重要的流致振动都会被抑制，将使得实验设备的效率降低。Vck系统是用一个在流体中不包含闭环控制循环的模拟器来取代原有的物理振子，使得系统阻尼降低，同时该系统也便于测量流致振动的各种响应参数。目前使用的Vck系统消除了包括动态阻尼模型中的动态存储器，实现流致振动与能量收集无偏差。它补偿了系统的非线性阻尼。在该系统中首先通过系统识别、建模测试振子系统的阻尼的非线性表达式；之后将其植入控制系统产生“负阻尼”用来抵消系统的非线性阻尼；在系统“零阻尼”的基础上加入线性附加阻尼参数。Vck控制器使得理论的线性粘滞阻尼得以实现和实施。
Vck系统最显著的成就是，它不包括水动力封闭的控制回路，因此，没有偏差测量的现象。因此，Vck系统只模拟振子，完全不影响流致振动现象。它的开发周期较长，用于自由衰减测试和错误最小化的全新系统识别可能需要几个月乃至更长时间的建模和测试。但这一方法真正实现到了线性粘滞阻尼，同时也实现了快速调整流致振动实验的各种参数。
发明内容
本发明的目的是为了克服了传统流致振动实验设备改变物理弹簧和阻尼难，不能完全的模拟系统的线性粘性阻尼等缺点而提供一种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，包括圆柱振子、滑块、滑轨、正时皮带和正时皮带传送轮；所述滑轨的上下两端都固定连接，所述圆柱振子两端与滑块连接，所述滑块与滑轨相配合，所述滑轨上下设置正时皮带传送轮，正时皮带传送轮与正时皮带相配合，滑块的两端均与正时皮带连接，所述滑轨上侧传动轮与圆柱振子的转轴连接，所述转轴与Vck系统连接。
本发明还包括这样一些特征：
1.所述Vck系统包括伺服电机，伺服电机放大器、主控制板和流速传感器；伺服电机将转轴的转速和转矩转化为电压信号并传递给主控制板，通过主控制板调节系统的额外阻尼，主控制板将此信号传输给伺服放大器，经伺服放大器放大后反馈给伺服电机，从而调节系统阻尼；所述流速传感器与主控制板连接并将流速信息传递给主控制板；
2.所述滑轨的下端设置有底座，所述底座与底部固定板连接；
3.所述底座上设置有缓冲器；
4.所述装置采用不锈钢材料；
5.所述装置模块化。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明由于此实验设备是在水下工作，所以考虑到锈蚀问题，大部分框架采用不锈钢材质，这样可以使设备长时间在水下作业，减少了维护成本。同时，为了使水的浮力能够抵消掉圆柱振子的自重，所以圆柱振子的外壳应该尽可能的薄，使得振荡不会受到重力和浮力因素的影响进而影响实验结果。
本发明使用方便，成本适中，为模块化设计，调试后可以多模块同时进行实验，可以达到较为精确良好的实验效果。
本发明是对传统物理弹簧和机械阻尼器、定阻尼比流致振动实验设备的改进。克服了传统流致振动实验设备改变物理弹簧和阻尼难，不能完全的模拟系统的线性粘性阻尼等缺点，使得实验可以精确迅速的改变参数，获得的实验数据更加的可靠。同时新的设计将全部的振动设备置于水下，与实际的安装方法一致。
附图说明
图1是一种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验设备俯视图；
图2是一种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验设备圆柱振子及滑块结构图；
图3是一种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验设备左侧基座结构图；
图4是一种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验设备正等轴测图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明的目的是公开一种基于电子弹簧Vck的低阻尼比流致振动实验设备，它适用于低流速下的涡激振动的能量收集。它属于模块化设计，经调试后可以多模块协同运作，以达到实验需求。
该实验设备主要包括机械振动系统和Vck系统两个部分，其特征是模块化设计，可以多模块同时进行实验。
该实验设备主要包括以下两部分：
(1)机械振动系统机械振动系统由带有PTC的圆柱振子、滑块、正时皮带、正时皮带传动轮、基座、侧框架、转轴等零部件，此外还包括螺纹连接等。圆柱振子由圆柱外壳、质量轴、两端圆柱内盖以及圆柱外塞构成。主要作用在于将水流的湍流通过形成动能带动圆柱振子上下振动转化为机械能。圆柱振子两端各连接有一个连接件，再通过连接件连接滑块。滑块底部通过螺纹固定有3个大的轴承转轮，8个小的轴承转轮。通过这些轴承转轮，圆柱振子带动滑块在侧滑道中上下振动。滑块上下通过螺钉和压块固定着正时皮带。侧滑道上下各有一个正时皮带传动轮。侧滑道下侧传动轮可通过侧滑道底部外侧的螺钉和控制块调整位置。侧滑道通过底座安装与底部固定板上。底座上还有一个底部缓冲器，作用是避免滑块与传动轮相撞。侧滑道上侧传动轮固定于转轴上，转轴连接两侧滑道的上部传动轮，并通过联轴器与伺服电机转轴相连。圆柱振子带动两侧滑块上下振动，这种往复运动通过固定于滑块上下的正时皮带传递给传动轮，再通过传动轮固定的转轴传递给伺服电机。
(2)Vck系统Vck系统主要由伺服电机、伺服放大器、主控制板以及导线等零部件构成。伺服电机将转速和转矩转化为电压信号并传递给主控制板，通过主控制板调节系统的额外阻尼，主控制板将此信号传输给伺服放大器，经伺服放大器放大后反馈给伺服电机，从而调节系统阻尼。
这种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验设备主要由上部左侧滑道1，左侧支撑板固定螺栓2，左侧支撑板3，转轴4，左侧转轴轴承5，左侧板6，左侧板固定螺栓7，上后板8，上盖板9，上盖板固定螺栓10，右侧板固定螺栓11，左侧正时皮带12，左侧上部正时皮带带轮13，右侧上部正时皮带带轮14，右侧正时皮带15，右侧转轴轴承16，右侧支撑板17，右侧支撑板固定螺栓18，上部右侧滑道19，联轴器20，伺服电机固定螺栓21，伺服电机22，上前板23，左侧滑块24，左侧滑块固定小轴承转轮25，左侧滑块固定大轴承转轮26，左侧滑块-连接件连接螺栓27，左侧连接件28，左侧圆柱振子-连接件连接螺栓29，左侧圆柱外塞30，左侧圆柱内盖31，圆柱外壳32，质量轴33，左侧圆柱内盖固定螺钉34，右侧圆柱内盖固定螺钉35，右侧圆柱内盖36，右侧圆柱外塞37，右侧圆柱-连接件连接螺栓38，右侧滑块-连接件连接螺栓39，右侧连接件40，右侧滑块41，右侧滑块固定小轴承转轮42，右侧滑块固定大轴承转轮43，左侧滑块上压块44，左侧滑块上压块固定螺栓45，左侧滑块下压块46，左侧滑块下压块固定螺栓47，左侧下部正时皮带带轮48，左侧基座调整螺钉49，左侧基座调整螺钉限位螺母50，左侧基座51，左侧基座控制块52，左侧基座固定螺栓53，左侧缓冲器活塞54，左侧缓冲器外壳55，左侧底座56，左侧下部固定轨道57构成。
该基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验设备的工作过程大致可以分为以下几步：
(1)放置：首先，将该装置放入水槽中，将底座插入底部固定板，上端两侧将左右支撑板通过螺钉和螺母固定于上部导轨。
(2)系统识别：振子系统需要通过自由衰减实验等方法确定系统的非线性阻尼，并植入电子弹簧。
(3)调整：调整滑块和圆柱振子能在侧滑道内自如的上下滑动。开启水槽电机，使水流动，通过控制面板调试使系统阻尼比达到要求。
开始试验，实验过程中改变流速，并通过软件调节各种参数。

Claims (10)

1.一种基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，其特征是，包括圆柱振子、滑块、滑轨、正时皮带和正时皮带传送轮；所述滑轨的上下两端都固定连接，所述圆柱振子两端与滑块连接，所述滑块与滑轨相配合，所述滑轨上下设置正时皮带传送轮，正时皮带传送轮与正时皮带相配合，滑块的两端均与正时皮带连接，所述滑轨上侧传动轮与圆柱振子的转轴连接，所述转轴与Vck系统连接。
2.根据权利要求1所述的基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，其特征是，所述Vck系统包括伺服电机，伺服电机放大器、主控制板和流速传感器；伺服电机将转轴的转速和转矩转化为电压信号并传递给主控制板，通过主控制板调节系统的额外阻尼，主控制板将此信号传输给伺服放大器，经伺服放大器放大后反馈给伺服电机，从而调节系统阻尼；所述流速传感器与主控制板连接并将流速信息传递给主控制板。
3.根据权利要求1或2所述的基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，其特征是，所述滑轨的下端设置有底座，所述底座与底部固定板连接。
4.根据权利要求1或2所述的基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，其特征是，所述底座上设置有缓冲器。
5.根据权利要求3所述的基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，其特征是，所述底座上设置有缓冲器。
6.根据权利要求1或2所述的基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，其特征是，所述装置采用不锈钢材料。
7.根据权利要求3所述的基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，其特征是，所述装置采用不锈钢材料。
8.根据权利要求4所述的基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，其特征是，所述装置采用不锈钢材料。
9.根据权利要求5所述的基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，其特征是，所述装置采用不锈钢材料。
10.根据权利要求1或2所述的基于电子弹簧的低阻尼比流致振动实验装置，其特征是，所述装置模块化。
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