CN202329938U - 物体惯性积测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及机器或结构部件的静态平衡的测试装置，进一步涉及物体惯性积的测定。本实用新型提供了一种操作简便的物体转动惯量测量装置。装置包括：水平悬空放置的第一平板；第一平板中心处有1个通孔；与正多边形通孔外形相似的翻板；翻板可沿铰接点连线分别相对于第一平板进行任意角度的翻转；位于第一平板外缘处的3根吊索；与吊索另一端项连接的支架；位于每根吊索上的拉力传感器；位于第一平板上的微小豁口；位于豁口处的光电传感器；光电信号读取装置，与光电信号传感器相连。该方法原理简单，易于控制，便于操作，适用大多数复杂的动力设备。

Description

物体惯性积测量装置

技术领域

本发明涉及机器或结构部件的静态平衡的测试装置，进一步涉及物体惯性积的测定。 

背景技术

物体惯性积是机械设计中的一个重要物理参量，现有技术中尚无关于这方面的记载。因此，急需一种简便的物体质心测量装置。 

发明内容

本发明提供了一种操作简便的物体惯性积测量装置和方法。对于质量超过500kg，外形尺寸超过1.5m的大型动力设备有更加明显的优势。 

本发明所采用的技术方案如下： 

物体惯性积测量装置，包括： 

水平悬空放置的第一平板，第一平板的几何外形是圆形或边数为3N的正多边形，N为大于或等于1的整数；第一平板中心处有1个通孔，通孔为的几何外形为圆形或边数为2N的正多边形，N为大于或等于2的整数；与正多边形通孔外形相似的翻板，翻板用于盛放被测物体；位于翻板对称的2个侧面中心位置与对应的第一平板多边形等边通孔侧面的中心位置至少1对铰接点，所述翻板可沿铰接点连线分别相对于第一平板进行任意角度的翻转；位于第一平板外缘处、等距离分布、等长度且垂直于第一平板的3根吊索；与吊索另一端相连接的支架；位于每根吊索上的拉力传感器；位于第一平板上的微小豁口；位于豁口处的光电传感器，静止稳定状态下，所述光电传感器与支架保持固定的位置关系，当第一平板沿圆心发生微小转动时，光电传感 器的信号发生变化；光电信号读取装置，与光电信号传感器相连。 

所述正多边形通孔优选正方形，所述翻板外形优选正方形；所述第一平板的几何外形优选等边三角形或等边六边形，与吊索的连接处位于顶点处。 

在上述装置上实现物体惯性积测量方法，定义：三根绳索分别为第一绳索、第二绳索、第三绳索，其长度定义为L，其对应的拉力传感器分别为第一拉力传感器、第二拉力传感器、第三拉力传感器，在第一平板上，三根绳索与第一平板的结点分别定义为第一结点、第二结点、第三结点，第一平板中心处为坐标原点O，吊索结点距离第一平板中心的水平距离定义为R，测量地点的重力加速度定义为g，扭摆周期为T，第一平板与翻板共同的转动惯量为I_pi； 

以被测物体的质心为坐标原点O₁，垂直于翻板方向为Z轴，平行于翻板的另外两个方向为X轴和Y轴，建立被测物体的直角坐标系； 

步骤包括： 

步骤一：调整水平支架，确保与绳索的结点处于同一水平面；调整第一平板，使其保持水平面，调整翻板至水平位置；将被测物体置于翻板上，确保被测物体的质心与第一平板的中心处于同一垂直线上；给第一平板一个微小力，使其以一个小角度扭振，所述角度大于0，且小于等于5度；通过光电传感器读取扭振周期T1；此时，第一、第二、第三拉力传感器的读数分别为F₁₁、F₁₂、F₁₃；第一平板与翻板共同的转动惯量为I_p1 ；

步骤二：让被测物体首先围绕O₁Z轴旋转一个角度，然后让翻板沿围绕铰接点旋转一定的角度，让被测物体在翻版上平移，确保坐标原点O₁与第一平板的中心处于同一垂直线上，测量此时O₁X轴、O₁Y轴、O₁Z轴与垂直方向的夹角α₁、β₁、γ₁；然后给第一平板一个微 小力，使其以一个小角度扭振，所述角度大于0，且小于等于5度；通过光电传感器读取扭振周期T₂；此时，第一、第二、第三拉力传感器的读数分别为F₂₁、F₂₂、F₂₃； 

步骤三：翻板恢复水平状，重复步骤二，测得至少另外四组不同的夹角α_i、β_i、γ_i，读取扭振周期T_i，读取第一、第二、第三拉力传感器的读数F_i1、F_i2、F_i3； 

步骤四：依照公式 $I_Z=\frac{(F_{11}+F_{12}+F_{13})*R^2*{T_1}^2}{{4\mathrm{\π}}^2*L}-I_{p1}$ 计算获得Iz，在其它旋转角度下，首先计算获得第一平板与翻板共同的转动惯量I_pi， 

I_i的数值计算方法如下： $I_i=\frac{(F_{i1}+F_{i2}+F_{i3})*R^2*{T_i}^2}{{4\mathrm{\π}}^2*L}-I_{\mathrm{pi}}$

然后将I₂、I₃、I₄、I₅、I₆的数值和对应的角α_i、β_i、γ_i值带入下面等式， 

$I_i=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\α}}_i& {\cos \mathrm{\β}}_i& \cos {\mathrm{\γ}}_i\end{array}\right]*\left[\begin{array}{ccc}{I}_x& {-I}_{\mathrm{xy}}& {-I}_{\mathrm{xz}}\\ {-I}_{\mathrm{yx}}& I_y& {-I}_{\mathrm{yz}}\\ {-I}_{\mathrm{zx}}& {-I}_{\mathrm{zy}}& I_z\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\α}}_i\\ \cos {\mathrm{\β}}_i\\ \cos {\mathrm{\γ}}_i\end{array}\right]$

在I_z已知的情况下，联立方程求得另外五个变量值：I_x、I_y、I_xy、I_xz、I_yz； 

进而，可以获得被测物体关于质心的惯量椭球方程。 

应用本方法最终可以测得物体的工程中应用较多的中心主转动惯量及中心惯量主轴。该方法原理简单，易于控制，便于操作，适用大多数复杂的动力设备。 

附图说明

图1是实施例的示意图。图中1代表支架，2代表拉力传感器； 3代表被测物体，4代表吊索，5代表绳索长度调节装置，6代表第一平板，7代表电荷放大器，8代表计算机，9代表光电传感器，10代表翻板。 

图2是旋转一定角度的示意图。 

图3是图2A局部的放大图。 

具体实施方式

对照图1说明本发明的具体实施方式。 

物体惯性积测量装置，包括： 

水平悬空放置的第一平板6，第一平板的几何外形是圆形；第一平板中心处有1个通孔，通孔为的几何外形为矩形；与矩形通孔外形相似的翻板10，翻板用于盛放被测物体3；位于翻板对称的2个侧面中心位置与对应的第一平板矩形通孔侧面的中心位置至少1对铰接点，所述翻板可沿铰接点连线分别相对于第一平板进行任意角度的翻转；位于第一平板外缘处、等距离分布、等长度且垂直于第一平板的3根吊索4；与吊索另一端相连接的支架1；位于每根吊索上的拉力传感器2；位于第一平板上的微小豁口；位于豁口处的光电传感器9，静止稳定状态下，所述光电传感器与支架保持固定的位置关系，当第一平板沿圆心发生微小转动时，光电传感器的信号发生变化；光电信号读取装置——计算机8，与光电信号传感器相连。 

在上述装置上实现物体惯性积测量方法，定义：三根绳索分别为第一绳索、第二绳索、第三绳索，其长度定义为L，其对应的拉力传感器分别为第一拉力传感器、第二拉力传感器、第三拉力传感器，在第一平板上，三根绳索与第一平板的结点分别定义为第一结点、第二结点、第三结点，第一平板中心处为坐标原点O，吊索结点距离第一平板中心的水平距离定义为R，测量地点的重力加速度定义为g，扭 摆周期为T，第一平板与翻板共同的转动惯量为I_pi； 

以被测物体的质心为坐标原点O₁，垂直于翻板方向为Z轴，平行于翻板的另外两个方向为X轴和Y轴，建立被测物体的直角坐标系； 

步骤包括： 

步骤一：调整水平支架，确保与绳索的结点处于同一水平面；调整第一平板，使其保持水平面，调整翻板至水平位置；将被测物体置于翻板上，确保被测物体的质心与第一平板的中心处于同一垂直线上；给第一平板一个微小力，使其以一个小角度扭振，所述角度大于0，且小于等于5度；通过光电传感器读取扭振周期T1；此时，第一、第二、第三拉力传感器的读数分别为F₁₁、F₁₂、F₁₃；第一平板与翻板共同的转动惯量为I_p1 ；

步骤二：让被测物体首先围绕O₁Z轴旋转一个角度，然后让翻板沿围绕铰接点旋转一定的角度，让被测物体在翻版上平移，确保坐标原点O₁与第一平板的中心处于同一垂直线上，测量此时O₁X轴、O₁Y轴、O₁Z轴与垂直方向的夹角α₁、β₁、γ₁；然后给第一平板一个微小力，使其以一个小角度扭振，所述角度大于0，且小于等于5度；通过光电传感器读取扭振周期T₂；此时，第一、第二、第三拉力传感器的读数分别为F₂₁、F₂₂、F₂₃； 

步骤三：翻板恢复水平状，重复步骤二，测得至少另外四组不同的夹角α_i、β_i、γ_i，读取扭振周期T_i，读取第一、第二、第三拉力传感器的读数F_i1、F_i2、F_i3； 

步骤四：依照公式 $I_Z=\frac{(F_{11}+F_{12}+F_{13})*R^2*{T_1}^2}{{4\mathrm{\π}}^2*L}-I_{p1}$ 计算获得Iz，在其它旋转角度下，首先计算获得第一平板与翻板共同的转动惯量I_pi， 

I_i的数值计算方法如下： $I_i=\frac{(F_{i1}+F_{i2}+F_{i3})*R^2*{T_i}^2}{{4\mathrm{\π}}^2*L}-I_{\mathrm{pi}}$

然后将I₂、I₃、I₄、I₅、I₆的数值和对应的角α_i、β_i、γ_i值带入下面等式， 

$I_i=\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\α}}_i& {\cos \mathrm{\β}}_i& \cos {\mathrm{\γ}}_i\end{array}\right]*\left[\begin{array}{ccc}{I}_x& {-I}_{\mathrm{xy}}& {-I}_{\mathrm{xz}}\\ {-I}_{\mathrm{yx}}& I_y& {-I}_{\mathrm{yz}}\\ {-I}_{\mathrm{zx}}& {-I}_{\mathrm{zy}}& I_z\end{array}\right]*\left[\begin{array}{c}\cos {\mathrm{\α}}_i\\ \cos {\mathrm{\β}}_i\\ \cos {\mathrm{\γ}}_i\end{array}\right]$

在I_z已知的情况下，联立方程求得另外五个变量值：I_x、I_y、I_xy、I_xz、I_yz； 

进而，可以获得被测物体关于质心的惯量椭球方程。 

Claims (3)

1.物体惯性积测量装置，其特征在于，包括：

水平悬空放置的第一平板，第一平板的几何外形是圆形或边数为3N的正多边形，N为大于或等于1的整数；

第一平板中心处有1个通孔，通孔为的几何外形为圆形或边数为2N的正多边形，N为大于或等于2的整数；

与正多边形通孔外形相似的翻板，翻板用于盛放被测物体；

位于翻板对称的2个侧面中心位置与对应的第一平板多边形等边通孔侧面的中心位置至少1对铰接点，所述翻板可沿铰接点连线分别相对于第一平板进行任意角度的翻转；

位于第一平板外缘处、等距离分布、等长度且垂直于第一平板的3根吊索；

与吊索另一端相连接的支架；

位于每根吊索上的拉力传感器；

位于第一平板上的微小豁口；

位于豁口处的光电传感器，静止稳定状态下，所述光电传感器与支架保持固定的位置关系，当第一平板沿圆心发生微小转动时，光电传感器的信号发生变化；

光电信号读取装置，与光电信号传感器相连。

2.根据权利要求1所述物体惯性积测量装置，其特征在于，所述正多边形通孔为正方形，所述翻板外形为正方形。

3.根据权利要求1所述物体惯性积测量装置，其特征在于，所述第一平板的几何外形是等边三角形或等边六边形，与吊索的连接处位于顶点处。

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