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[摘 要]为深入应用螺旋飞轮、降低螺旋飞轮运动转化的集成复杂性，在分析研究螺旋飞轮动力学的基础上，封装其动力学特性。同时，在传统力一电流机电比拟基础上，创新无并联接地约束电容元件，以此来比拟螺旋飞轮，不仅可以有效解决螺旋飞轮比拟对象问题，而且还可以实现机电比拟理论的进一步完善。本文将对螺旋飞轮运动转换系统的机电比拟设计问题进行分析研究，并在此基础上提出一些建设性建议，以供参考。
[关键词]螺旋飞轮运动转换系统；机电比拟设计；理论研究
中图分类号：Q939.2 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）36-0068-01
实际操作过程中，在单自由度隔振系统中设计螺旋飞轮，从而可以有效地实现传统振动元件难以实现的机械网络、隔振效果。通过结果分析可知，螺旋飞轮运动转换系统的机电比拟设计理论具有一定的实效性，并且为螺旋飞轮运动转换系统的设计与集成，提供了理论支撑，因此较强对该问题的研究，意义重大。
1、螺旋飞轮运动转换系统
如下图所示，飞轮运动转换机构将l和2两端上下相对直线运动速度转化为飞轮旋转运动角速度。在此过程中，飞轮在其自身的质量惯性条件下，可对上、下相对运动过程中所产生的能量储存起来。通过分析发现，这一螺旋飞轮可被视为具有飞轮质量放大能力的质量块，该种放大飞轮质量的主要是作用在在弹簧、阻尼器相串联系统之上，所以该螺旋飞轮用的质量块代替具有非常大的质量。在上图b中，所表示的是机械振动系统，虽然螺旋飞轮对震动系统产生动力学影响，但难以用质量块代替螺旋飞轮。从实践来看，质量、阻尼和刚度是机械振动系统的基本元件，然螺旋飞轮难以用上述三种基本元件代替；在质量块基础条件下，按照规则和要求附加适当的动力学特性，以实现对其设计之目标。
对于螺旋飞轮而言，其与弹簧、质量块以及阻尼器一样，均为双端元件，所以可采用相似的方式和方法进行动力学对比分析。在此过程中，还可以借用电子元件、器件定义法，将理想状态下的螺旋飞轮运动转换称为是螺旋飞轮元件，把充分考虑非线性因素的运动转换系统视为螺旋飞轮器件。
2、螺旋飞轮运动转换机电比拟
2.1 机电比拟
用来对电路系统中一些元件进行分析的公式和振动系统元件的分析公式有相似之处，因此人们把振动系统与电路系统联系起来，用电路系统的方法来设计机械振动系统，以简化振动系统的动力学特性分析过程。比如，机械网络、电气网络。对于机械振动系统而言，弹簧、阻尼器以及质量块等作为双端元件，刚度、质量以及阻尼分别设为k、m和c，F与速度之间的关系可表示为（公式1）；在电路网络中，电感L、电阻R以及电容C，电压与电流之间的关系为（公式2）。
通过对比以上两个公式可知，电路网络、机械网络元件动力学特性具有相似性。同时，机械网络具有两类元件，即有源、无源元件。其中，有源元件又可以分为力源、速度源，与电路网络电流源、电压源具有对应性；而无源元件包括弹簧、质量块以及阻尼器，与电感、电容以及电阻比拟，是机械振动网络分析常用机电比拟理论。
2.2 螺旋飞轮运动转换动力学行为封装
在传统力一流机电比拟理论中，无法用3个基本无源振动元件实现所有无源机械网络。另一方面，螺旋飞轮虽然具有与质量块相似的特性，但由于其内部除了质量、变换外，还有运动存在。因此，包含运动转换机构的螺旋飞轮不能直接用传统的力一流机电比拟理论进行设计。通过对一个系统特性进行分析，在设计过程中将其进行封装是一种有效的系统研究方法。因此研究中考虑采用封装的方法来研究螺旋飞轮运动转换系统的动力学行为。螺旋飞轮两端均可在惯性空间
作相对运动，因此可以封装为一种无并联接地约束的电容元件。只要在机械网络中没有真正接地，那么螺旋飞轮就可以不必如质量块一般将电容拉出并联接地。
3、设计案例
平台A 上安装一个质量m=10 kg的仪器B。AB之间原基础减振结构为弹簧和阻尼器并联的RL结构，弹簧刚度为40kN/m，阻尼器阻尼为420 N ·s/m。平台A以w（t）=2sin（10πt）进行振动，仪器B 垂直受力F（t）=200N，最大允许向下位移1mm。现在原有基础上用螺旋飞轮设计一套隔振系统，以控制A对B的振动传递。
这是一个单自由度振动控制问题，首先将其转化为单口无源机械网络的形式。第2步是求机械网络形式的设计条件。在机械网络形式下，要使仪器B稳定，其目标就是消除频率w（t）的影响。第3步是用电路网络实现机械阻抗函数的综合。第4步是按照机电比拟的方法，将R、L、C元件及其连接方式分别用阻尼器、弹簧和螺旋飞轮及其连接来代替。第5步是测试所建立的机械振动系统的性能，画出检验该系统是否达到设计要求。由于螺旋飞轮运动转换系统的引入，可以采用机电比拟的设计方法，采用传统振动元件无法实现的机械网络，实现振动系统的设计。利用本文提出的机电比拟设计方法，可以在机械振动系统中实现螺旋飞轮运动转换系统的有效应用。
结语
（1）螺旋飞轮运动转换系统能够以较小的实际质量和运动变换实现较大质量的动力学特性，并且解放了传统质量块的并联接地约束，因此具有比传统质量块更广泛的适应性。
（2）通过对螺旋飞轮进行动力学分析，基于机电比拟理论，采用无并联接地约束的电容元件来封装运动转换系统的理想振动特性。在此基础上提出用电路网络来比拟含螺旋飞轮的机械振动系统，并应用网络综合的方法进行系统设计。
（3）本文提出了一种螺旋飞轮运动转换系统的机电比拟设计理论，应用所提出的方法进行实例设计，其结果表明所提出的设计方法在完善传统的力一流机电比拟理论的同时，也为螺旋飞轮运动转换系统的设计提供了一种简便有效的解决方案。
参考文献
[1] 李川，王时龙，张贤明，白云，李平.一种含螺旋飞轮运动转换器的悬架的振动控制性能分析[J].振动与冲击，2010（06）.
[2] 黃华，齐乐华，曾祥辉等.超声振动微量给粉机理及振幅对给粉速率的影响[J].机械工程学报，2009（01）.
[3] 裘揆，陈乐生，陈大跃.力隔振试验系统的结构设计和性能分析[J].机械工程学报，2007（02）.
[关键词]螺旋飞轮运动转换系统；机电比拟设计；理论研究
中图分类号：Q939.2 文献标识码：B 文章编号：1009-914X（2014）36-0068-01
实际操作过程中，在单自由度隔振系统中设计螺旋飞轮，从而可以有效地实现传统振动元件难以实现的机械网络、隔振效果。通过结果分析可知，螺旋飞轮运动转换系统的机电比拟设计理论具有一定的实效性，并且为螺旋飞轮运动转换系统的设计与集成，提供了理论支撑，因此较强对该问题的研究，意义重大。
1、螺旋飞轮运动转换系统
如下图所示，飞轮运动转换机构将l和2两端上下相对直线运动速度转化为飞轮旋转运动角速度。在此过程中，飞轮在其自身的质量惯性条件下，可对上、下相对运动过程中所产生的能量储存起来。通过分析发现，这一螺旋飞轮可被视为具有飞轮质量放大能力的质量块，该种放大飞轮质量的主要是作用在在弹簧、阻尼器相串联系统之上，所以该螺旋飞轮用的质量块代替具有非常大的质量。在上图b中，所表示的是机械振动系统，虽然螺旋飞轮对震动系统产生动力学影响，但难以用质量块代替螺旋飞轮。从实践来看，质量、阻尼和刚度是机械振动系统的基本元件，然螺旋飞轮难以用上述三种基本元件代替；在质量块基础条件下，按照规则和要求附加适当的动力学特性，以实现对其设计之目标。
对于螺旋飞轮而言，其与弹簧、质量块以及阻尼器一样，均为双端元件，所以可采用相似的方式和方法进行动力学对比分析。在此过程中，还可以借用电子元件、器件定义法，将理想状态下的螺旋飞轮运动转换称为是螺旋飞轮元件，把充分考虑非线性因素的运动转换系统视为螺旋飞轮器件。
2、螺旋飞轮运动转换机电比拟
2.1 机电比拟
用来对电路系统中一些元件进行分析的公式和振动系统元件的分析公式有相似之处，因此人们把振动系统与电路系统联系起来，用电路系统的方法来设计机械振动系统，以简化振动系统的动力学特性分析过程。比如，机械网络、电气网络。对于机械振动系统而言，弹簧、阻尼器以及质量块等作为双端元件，刚度、质量以及阻尼分别设为k、m和c，F与速度之间的关系可表示为（公式1）；在电路网络中，电感L、电阻R以及电容C，电压与电流之间的关系为（公式2）。
通过对比以上两个公式可知，电路网络、机械网络元件动力学特性具有相似性。同时，机械网络具有两类元件，即有源、无源元件。其中，有源元件又可以分为力源、速度源，与电路网络电流源、电压源具有对应性；而无源元件包括弹簧、质量块以及阻尼器，与电感、电容以及电阻比拟，是机械振动网络分析常用机电比拟理论。
2.2 螺旋飞轮运动转换动力学行为封装
在传统力一流机电比拟理论中，无法用3个基本无源振动元件实现所有无源机械网络。另一方面，螺旋飞轮虽然具有与质量块相似的特性，但由于其内部除了质量、变换外，还有运动存在。因此，包含运动转换机构的螺旋飞轮不能直接用传统的力一流机电比拟理论进行设计。通过对一个系统特性进行分析，在设计过程中将其进行封装是一种有效的系统研究方法。因此研究中考虑采用封装的方法来研究螺旋飞轮运动转换系统的动力学行为。螺旋飞轮两端均可在惯性空间
作相对运动，因此可以封装为一种无并联接地约束的电容元件。只要在机械网络中没有真正接地，那么螺旋飞轮就可以不必如质量块一般将电容拉出并联接地。
3、设计案例
平台A 上安装一个质量m=10 kg的仪器B。AB之间原基础减振结构为弹簧和阻尼器并联的RL结构，弹簧刚度为40kN/m，阻尼器阻尼为420 N ·s/m。平台A以w（t）=2sin（10πt）进行振动，仪器B 垂直受力F（t）=200N，最大允许向下位移1mm。现在原有基础上用螺旋飞轮设计一套隔振系统，以控制A对B的振动传递。
这是一个单自由度振动控制问题，首先将其转化为单口无源机械网络的形式。第2步是求机械网络形式的设计条件。在机械网络形式下，要使仪器B稳定，其目标就是消除频率w（t）的影响。第3步是用电路网络实现机械阻抗函数的综合。第4步是按照机电比拟的方法，将R、L、C元件及其连接方式分别用阻尼器、弹簧和螺旋飞轮及其连接来代替。第5步是测试所建立的机械振动系统的性能，画出检验该系统是否达到设计要求。由于螺旋飞轮运动转换系统的引入，可以采用机电比拟的设计方法，采用传统振动元件无法实现的机械网络，实现振动系统的设计。利用本文提出的机电比拟设计方法，可以在机械振动系统中实现螺旋飞轮运动转换系统的有效应用。
结语
（1）螺旋飞轮运动转换系统能够以较小的实际质量和运动变换实现较大质量的动力学特性，并且解放了传统质量块的并联接地约束，因此具有比传统质量块更广泛的适应性。
（2）通过对螺旋飞轮进行动力学分析，基于机电比拟理论，采用无并联接地约束的电容元件来封装运动转换系统的理想振动特性。在此基础上提出用电路网络来比拟含螺旋飞轮的机械振动系统，并应用网络综合的方法进行系统设计。
（3）本文提出了一种螺旋飞轮运动转换系统的机电比拟设计理论，应用所提出的方法进行实例设计，其结果表明所提出的设计方法在完善传统的力一流机电比拟理论的同时，也为螺旋飞轮运动转换系统的设计提供了一种简便有效的解决方案。
参考文献
[1] 李川，王时龙，张贤明，白云，李平.一种含螺旋飞轮运动转换器的悬架的振动控制性能分析[J].振动与冲击，2010（06）.
[2] 黃华，齐乐华，曾祥辉等.超声振动微量给粉机理及振幅对给粉速率的影响[J].机械工程学报，2009（01）.
[3] 裘揆，陈乐生，陈大跃.力隔振试验系统的结构设计和性能分析[J].机械工程学报，2007（02）.