楊全利，張 叢

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定模擬實(shí)驗(yàn)裝置

楊全利，張 叢

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)，天津 300222）

應(yīng)用動(dòng)力學(xué)中陀螺力矩及陀螺效應(yīng)的基本理論，設(shè)計(jì)制作了高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定模擬實(shí)驗(yàn)裝置。該裝置可以直觀地顯示出陀螺效應(yīng)，通過裝置所顯示的陀螺轉(zhuǎn)速、物體轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速和陀螺力矩的數(shù)值，定性、定量地模擬出對高速轉(zhuǎn)向物體施加陀螺力矩的實(shí)際效果。實(shí)驗(yàn)證明，該裝置測試的陀螺力矩?cái)?shù)值與理論計(jì)算值的誤差在5%以內(nèi)，可作為理論力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要儀器，為重心較高的高速轉(zhuǎn)向物體的設(shè)計(jì)和制造提供重要的參考數(shù)據(jù)。

陀螺力矩；陀螺效應(yīng)；模擬實(shí)驗(yàn)裝置

0 引言

車輛或輪船一些重心比較高的物體，在高速度下轉(zhuǎn)向時(shí)，離心力會使其受到側(cè)翻力矩作用，在此類物體上加裝高速旋轉(zhuǎn)的陀螺轉(zhuǎn)子，利用其轉(zhuǎn)向時(shí)的牽連角速度對該物體施加陀螺效應(yīng)，所產(chǎn)生的陀螺力矩可部分抵消這些物體轉(zhuǎn)向時(shí)離心慣性力所產(chǎn)生的側(cè)翻力矩，從而提高其轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性。本文應(yīng)用動(dòng)力學(xué)中陀螺力矩及陀螺效應(yīng)的基本理論，設(shè)計(jì)制作了高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定模擬實(shí)驗(yàn)裝置。

1 高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定模擬實(shí)驗(yàn)裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 控制箱與主體的設(shè)計(jì)

1）電控制箱

包括開關(guān)及其他電器元件的選擇與控制柜的設(shè)計(jì)制作，根據(jù)元器件的大小極其類別，將控制柜設(shè)計(jì)三層，為了能直觀的觀測測試數(shù)據(jù)，將測力儀擱置上層中間，由于勵(lì)磁調(diào)速器只起控制作用，不顯示數(shù)據(jù)，放置于底層內(nèi)部，為了在實(shí)驗(yàn)中人性化撥動(dòng)轉(zhuǎn)向開關(guān)，將轉(zhuǎn)向控制開關(guān)放置面板左下角，為了匹配控制單元，不使操作者在操縱開關(guān)過程中混亂，將轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕和轉(zhuǎn)向開關(guān)按鈕擱置轉(zhuǎn)向控制開關(guān)的旁邊，與其對應(yīng)，將轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速顯示儀擱置在轉(zhuǎn)向控制單元的上面中間層板的左邊，陀螺轉(zhuǎn)速測速儀與轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速顯示儀采用的是同一型號的儀器，為了使控制面板看起來美觀及其合理性，將陀螺轉(zhuǎn)速測速儀擱置在中間層板的右邊，相應(yīng)的將陀螺轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕擱置在下方，將總電源開關(guān)擱置在轉(zhuǎn)向開關(guān)與陀螺轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕的中間。最終設(shè)計(jì)效果圖如圖1所示。

圖1 電控制箱

2）裝置主體

包括陀螺轉(zhuǎn)子軸、板件、傳動(dòng)部分的參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)制作，及電機(jī)的選擇。為了能使電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)裝置的轉(zhuǎn)向，采用蝸輪蝸桿傳動(dòng)，根據(jù)選用的傳感器裝置的大小，保證陀螺托板與傳感器層板的間距至少要高出傳感器的高度1～2mm，為了使受力均勻及美觀，將層板支撐筋擱置中間，為了避免在測試過程中受裝置自重的影響，將電機(jī)與陀螺轉(zhuǎn)子軸放置在重力矩相互平衡的地方，以免裝置在轉(zhuǎn)向過程中連續(xù)轉(zhuǎn)向角使電線纏繞，將裝置轉(zhuǎn)向行程設(shè)置為-90°～90°，其示意圖如圖2所示。

1.2 控制箱與主體控制線路圖與功能說明

控制箱的各個(gè)部分相應(yīng)元件控制主體每個(gè)單元?jiǎng)幼?，見圖示3。其中“勵(lì)磁I”連接“轉(zhuǎn)向控制器”和轉(zhuǎn)向“調(diào)速I”旋鈕，連接主體轉(zhuǎn)向電機(jī)，控制著裝置整體轉(zhuǎn)向，由“轉(zhuǎn)速傳感器II”反饋至“轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速”顯示儀上?！皠?lì)磁II”連接“調(diào)速II”旋鈕，連接主體“陀螺驅(qū)動(dòng)電機(jī)”，控制陀螺轉(zhuǎn)速，由“轉(zhuǎn)速傳感器I”反饋至“陀螺轉(zhuǎn)速”顯示儀上。動(dòng)反力由“測力傳感器I” 和“測力傳感器II”反饋至“測力顯示儀”上。“限位裝置”與“轉(zhuǎn)向控制器”連接，當(dāng)裝置轉(zhuǎn)向達(dá)到轉(zhuǎn)向最大行程（-90°～90°）時(shí)，限位開關(guān)起作用，使裝置停止。其動(dòng)作原理圖如圖7所示。

圖2 裝置整體

2 驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇與陀螺的設(shè)計(jì)

2.1 陀螺力矩的計(jì)算與電機(jī)的選擇

本裝置的測力點(diǎn)距中心支點(diǎn)的距離為0.22m，取轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速為10r/min，則：

轉(zhuǎn)子的質(zhì)量m=7.85kg，回轉(zhuǎn)半徑R=60mm，則：

轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速為：

則陀螺力矩：

根據(jù)轉(zhuǎn)子的額定轉(zhuǎn)速和陀螺力矩的最大值，選擇螺驅(qū)動(dòng)電機(jī)為上海金陵雷戈勃?jiǎng)谝撂仉姍C(jī)有限公司的單相串激電動(dòng)機(jī)，型號為：U400/800-220，質(zhì)量為6kg，額定轉(zhuǎn)速為8000r/min，功率為400W，電壓為220V，電流為3.5A，啟動(dòng)力矩為2N.m。即陀螺驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量：

啟動(dòng)力矩的計(jì)算：J1α= M2，若取ω=837rad/s，則2秒內(nèi)α=28rad/s， M2=0.3N.m，即所選電機(jī)符合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)要求。

2.2 陀螺轉(zhuǎn)子軸的設(shè)計(jì)及滾動(dòng)軸承的選擇

1）按扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算

按照扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，按轉(zhuǎn)矩T來計(jì)算，許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力[τ]予以降低，以補(bǔ)償彎矩的影響。對于實(shí)心軸，其強(qiáng)度條件式為：

圖3 控制線路圖

改寫成計(jì)算軸的直徑的設(shè)計(jì)計(jì)算公式則為：

式中：T為工作扭矩（Nmm），Wt為軸的抗扭截面系數(shù)（mm3），P為軸傳遞的功率（kw），n為軸的轉(zhuǎn)速（r/min），C為與許用扭轉(zhuǎn)應(yīng)力[τ]有關(guān)的系數(shù)，對于45號鋼，C=107～118（對應(yīng)的[τ]=40～30N/mm2）。只承受扭矩或所受彎矩與扭矩相比較小時(shí)，C取較小值，反之取較大值。

計(jì)算軸的直徑為：

2）按扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行計(jì)算

對于扭轉(zhuǎn)剛度要求較高的軸，可用此法計(jì)算。

圓柱軸扭轉(zhuǎn)角?的計(jì)算式為：

若限制軸的扭轉(zhuǎn)變形，使軸每米長的扭轉(zhuǎn)角不超過30°，并取鋼的剪切彈性模量G=81000N/mm2，則軸的直徑為：

計(jì)算軸的直徑：d≥（91～108）。

即確定轉(zhuǎn)子軸的直徑最小要大于11.4mm。

3）動(dòng)應(yīng)力的校核

陀螺轉(zhuǎn)子軸的最大轉(zhuǎn)動(dòng)角速度為：

其角加速度為：

按動(dòng)靜法，慣性力偶矩：

橫截面上的扭矩：

最大扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為：

即陀螺轉(zhuǎn)子軸滿足動(dòng)應(yīng)力強(qiáng)度要求。

4）陀螺轉(zhuǎn)子軸的受力分析

陀螺轉(zhuǎn)子軸承支撐板間距為131mm，其中心受力：

其扭矩圖如圖5所示。

其彎矩圖如圖6所示。

圖4 陀螺轉(zhuǎn)子軸受力簡圖

圖5 陀螺轉(zhuǎn)子軸扭矩圖

圖6 陀螺轉(zhuǎn)子軸彎矩圖

根據(jù)陀螺轉(zhuǎn)子軸的設(shè)計(jì)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊》選擇軸承的類型6804，d=20mm，D=32mm，B=7mm，額定動(dòng)載荷4000N，額定靜載荷2470N，極限轉(zhuǎn)速n=22000r/min。

3 限位開關(guān)座

本裝置設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)向行程為-90°～90°，以免裝置轉(zhuǎn)向時(shí)過行程，在裝置上加裝限位開關(guān)。由行程范圍可知，限位開關(guān)需安裝在與裝置中心共線并與裝置在0°即不動(dòng)作時(shí)垂直。傳感器層板端面與支撐點(diǎn)的距離為250mm，蝸桿墊板與裝置中心的距離為140mm，即行程開關(guān)可放置在140mm至250mm處，傳感器層板距落地支架支板的距離為100mm，即所選擇的為浙江天正電氣股份有限公司的型號為LX(ME-8104)的限位開關(guān)。

限位開關(guān)座需設(shè)計(jì)一塊托板和兩塊支撐板。限位開關(guān)與裝置控制箱的轉(zhuǎn)向開關(guān)連接控制裝置整體的轉(zhuǎn)向與停止。其電路如圖7所示。

4 傳感器

4.1 傳感器組成框圖

傳感器一般由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、基本轉(zhuǎn)換電路三部分組成，組成框圖如圖8所示。

圖8 傳感器組成框圖

敏感元件：它是直接感受被測量，并輸出與被測量成確定關(guān)系的某一物理量的元件。

轉(zhuǎn)換元件：敏感元件的輸出就是它的輸入，它把輸入轉(zhuǎn)換成電路參量。

基本轉(zhuǎn)換電路：上述電路參數(shù)接入基本轉(zhuǎn)換電路（簡稱轉(zhuǎn)換電路），便可轉(zhuǎn)換成電量輸出。傳感器只完成被測參數(shù)至電量的基本轉(zhuǎn)換，然后輸入到測控電路，進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換，以獲得被測值或進(jìn)行過程控制。

最后，加強(qiáng)部門間溝通協(xié)調(diào)。科研項(xiàng)目實(shí)施單位要統(tǒng)籌協(xié)調(diào)好各部門，成立由項(xiàng)目管理部門、財(cái)務(wù)部門、項(xiàng)目實(shí)施部門共同參與的績效評價(jià)工作小組，明確工作職責(zé)，多效并舉，共同促進(jìn)績效評價(jià)工作規(guī)范有序進(jìn)行。

敏感元件與轉(zhuǎn)換元件在結(jié)構(gòu)上常是裝在一起的，而轉(zhuǎn)換電路為了減小外界的影響也希望和它們裝有一起，不過由于空間的限制或者其它原因，轉(zhuǎn)換電路常裝入電箱中。盡管如此，因?yàn)椴簧賯鞲衅饕谕ㄟ^轉(zhuǎn)換電路后才能輸出電量信號，從而決定了轉(zhuǎn)換電路是傳感器的組成環(huán)節(jié)之一。

4.2 傳感器的選擇與安裝

1）測力傳感器

本實(shí)驗(yàn)裝置的測力范圍數(shù)值不大，所選用的是秦皇島市信恒電子科技有限公司的CL-1型測力儀，配備的CLF-L1型的測力傳感器：量程0～±490N（50kg）。

根據(jù)測力傳感器件的裝置結(jié)構(gòu)和預(yù)先設(shè)計(jì)在旋轉(zhuǎn)板上的傳感器安放位置，在傳感器層板上先行鉆好工藝孔及攻絲，通過螺釘直接將傳感器緊固在層板上。

2）測速傳感器

本實(shí)驗(yàn)裝置的額定轉(zhuǎn)速為8000r/min。所選用的是大連美天三有電子儀表有限公司的MCS-Ⅱ型微機(jī)測速儀，測量范圍為0～9999r/min。

5 陀螺力矩的測試

5.1 陀螺力矩的測試

測試裝置在不同的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)向時(shí)的陀螺力矩。通過測力儀的左右讀數(shù)窗口讀出轉(zhuǎn)向時(shí)的動(dòng)反力值，傳感器觸點(diǎn)到陀螺陀螺托板軸承支撐點(diǎn)間的距離為220mm，動(dòng)反力與其乘積即為陀螺力矩。下表為裝置轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速為5r/min和10r/min的動(dòng)反力數(shù)值，并將實(shí)測值與理論值作比較。裝置轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速為5r/min（即ωe=v/r=0.38rad/s）時(shí)數(shù)據(jù)如表1所示，裝置轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速為10r/min（即ωe=v/ r=0.76rad/s）時(shí)數(shù)據(jù)如表2所示。

5.2 相對誤差分析

通過測試的數(shù)據(jù)與理論計(jì)算值作比較，該裝置測試的陀螺力矩?cái)?shù)值與理論計(jì)算值的相對誤差在5%以內(nèi)，主要原因如下：

1）加工過程中質(zhì)量誤差；

2）安裝過程中定位誤差；

3）理論數(shù)據(jù)值計(jì)算誤差；

4）實(shí)驗(yàn)過程中無法準(zhǔn)確捕捉轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速和陀螺轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的準(zhǔn)確值。

6 結(jié)論

1）本模擬裝置可以直觀地顯示出陀螺效應(yīng)，通過所測定的陀螺轉(zhuǎn)速，物體轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速和動(dòng)反力的數(shù)值，定性、定量地模擬出對高速轉(zhuǎn)向物體施加的陀螺力矩的實(shí)際效果。

表1 裝置轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速為5r/min數(shù)據(jù)

表2 裝置轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速為10r/min數(shù)據(jù)

2）陀螺力矩可部分抵消重心較高物體轉(zhuǎn)向時(shí)離心慣性力所產(chǎn)生的側(cè)翻力矩，能夠大幅度提高重心比較高的物體在高速下轉(zhuǎn)向時(shí)的穩(wěn)定性。

3）裝置測試的陀螺力矩?cái)?shù)值與理論計(jì)算值的相對誤差在5%以內(nèi)。

4）所設(shè)計(jì)制作的高速轉(zhuǎn)向穩(wěn)定模擬實(shí)驗(yàn)裝置可作為理論力學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的重要儀器。

5）為重心較高的高速轉(zhuǎn)向物體的設(shè)計(jì)和制造提供重要的參考依據(jù)。

6）本設(shè)計(jì)仍存不足，如電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生噪聲和振動(dòng)，可選擇綜合性能高的電機(jī)和在聯(lián)軸部分做改進(jìn)，可以減小振動(dòng)和噪音。

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Simulation experiment device of a stable at a high speed

YANG Quan-li, ZHANG Cong

TH12

A

1009-0134(2017)04-0128-05

2017-01-16

楊全利（1966 -），男，實(shí)驗(yàn)師，本科，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)、機(jī)械制造、機(jī)械創(chuàng)新和材料力學(xué)等。