转动惯量测量研究的进展及展望
发布时间：2021-08-23 20:32
对转动惯量测量的研究情况作了综述,对三线摆法、扭摆法、落体法等转动惯量测量方法的测量原理及其优缺点进行了总结,介绍了针对以上缺点的一种新的测量方法,预测该方法将代表转动惯量测量的发展方向。
【文章来源】：宇航计测技术. 2019,39(02)CSCD
【文章页数】：5 页
【图文】：
扭摆法转动惯量测量原理示意图
欢ǖ木窒扌裕?硐衷?a)测量范围较校该方法利用扭杆提供刚度构建机械扭摆系统，只有在一定的范围内扭杆刚度才能保持不变，而且该范围还必须与扭摆系统的适当扭摆频率基本保持一致，这个范围较小，也就是该方法所做出的测量设备，其测量范围较小;b)测量溯源性较差。该方法以扭摆系统的简化理论模型为基础，通过测量刚度恒定的扭摆系统的扭摆周期测量转动惯量。一般来说，周期的测量没有问题，而系统的刚度及刚度恒定的要求在溯源上存在一定困难。2．2落体法测量原理及其优缺点分析［20～22］2．2．1测量原理如图2所示，通过机械或气浮轴承，构建可绕定轴转动的转动系统，将质量、半径已知的圆形测量平台固定在转动系统上，并使测量平台的圆心过转轴，将吊线一端缠绕在圆盘上，一端通过等高的定滑轮悬挂一质量块，释放质量块后，转动系统将作匀角加速度运动，被测对象的转动惯量按公式(2)计算。图2落体法转动惯量测量原理示意图Fig．2PrincipleoffallmethodJ=m1gＲ－m1Ｒ2?″－T0?″－J0(2)式中:m1———落体的质量，kg;Ｒ———圆形测量平台半径，m;?″———角加速度，rad/s2;T0———摩擦力矩，Nm;J0———圆形测量平台转运惯量，kgm2。2．2．2优缺点分析落体法在物理试验、教育教学中有较多应用，具有以下优点:a)理论清晰。以刚体转动动力学为基本理论，与扭摆法的近似理论模型相比，具有理论清晰的突出优点;b)适用特殊场合。有的电机，不允许或不便于取出其转子，无法知道其转动部分的质量和摩擦力矩。利用其他方法测其转动惯量无能为力，只有落体法可以胜任;c)成本低廉。由于被测对象一般有自身的回转轴，可以因地制宜，不需要添置特殊的测量装置，成本?
l———悬线长度，m。图3三线摆法转动惯量测量原理示意图Fig．3Principleofthreewirependulummethod2．3．2优缺点分析三线摆法是应用较多的转动惯量测量方法，具有以下优点:a)结构简单。为了测量被测对象，只需在空间上固定一个上圆盘，在上圆盘上悬挂三根线，即可对下圆盘或置于其上的被测对象的转动惯量进行测量;b)操作简便。悬挂后，一般用手即可驱动被测对象扭摆，完成测量，操作十分简便。三线摆法的应用也有一定的局限性，具有以下优点:a)测量准确度较低。该方法在实际操作过程中，容易出现平动和转动的耦合，影响测量准确度;而且，该方法一般假定悬挂的三线为轻质(质量为0)，而实际情况下，由于被测对象的质量影响，三线的质量一般不能忽略，这也导致测量准确度较低;b)等效条件较难满足。用三线摆测量转动惯量，有一定的先决条件，如扭摆角度小于6°，扭摆阻尼的影响，以及被测对象质心与下圆盘之间的位置关系等等。3新型转动惯量测量测量方法及装置2015年，北京航天计量测试技术研究所研究人员提出了一种新的转动惯量测量方法，该方法通过主动控制气浮转台作正弦扭摆，实时测量扭摆的角加速度和扭摆的驱动力矩，完成扭摆转台上刚体的转动惯量测量，取得了较好的效果。3．1测量原理对于按一定频率和幅值的正弦运动，不考虑风阻及摩擦阻力的影响，可以根据公式(4)得到扭矩与角加速度的关系。M(t)=J·a(t)(4)式中:M(t)———对转轴的力矩时域函数，Nm;a(t)———对转轴的角加速度时域函数，rad/s2。3．2测量设备2016年9月，对该测量设备进行实测，在1000kgm2和2200kgm2测量点附近，重复性达到0．006%。测量设备实物图如图4所示。图4新型转动惯量测量设备Fig．4AnewtypeMOIdevice3．3?
【参考文献】：
期刊论文
[1]弹箭转动惯量的振复摆法测量及误差分析[J]. 徐向辉,陈平,唐一科,吴海瀛. 弹箭与制导学报. 2016(01)
[2]一种轮鼓试验台等效转动惯量估算方法[J]. 何常源,朱茂桃,王国林,张树培,黄璇. 重庆交通大学学报(自然科学版). 2014(05)
[3]基于扭摆振动的转动惯量识别方法[J]. 赵岩,唐文彦,张晓琳,王军. 振动.测试与诊断. 2014(04)
[4]非线性阻尼扭摆振动模型及在转动惯量测量中应用[J]. 林洪文,马强,唐文彦,王军,张晓琳. 振动与冲击. 2014(10)
[5]一种测量无人机重心和转动惯量的方法[J]. 王国刚,刘玉宝,刘强,余云智. 航空兵器. 2013(05)
[6]三线摆摆线质量对转动惯量精确测量的影响[J]. 葛宇宏,葛志利. 力学与实践. 2012(06)
[7]落体法测量刚体转动惯量实验中引起测量值偏离的因素分析[J]. 王海林,司嵘嵘,李相银. 物理实验. 2012(05)
[8]飞行器质量特性参数测量[J]. 王秋晓,王迎. 重庆大学学报. 2011(12)
[9]复杂形状物体转动惯量测量技术研究[J]. 张晓琳,唐松,王军,赵岩,唐文彦,陈金存,梁巨峰,郝文龙. 航天制造技术. 2011(01)
[10]大型弹箭及航天器转动惯量测量方法研究[J]. 侯文. 中北大学学报(自然科学版). 2008(06)
本文编号：3358551
【文章来源】：宇航计测技术. 2019,39(02)CSCD
【文章页数】：5 页
【图文】：
扭摆法转动惯量测量原理示意图
欢ǖ木窒扌裕?硐衷?a)测量范围较校该方法利用扭杆提供刚度构建机械扭摆系统，只有在一定的范围内扭杆刚度才能保持不变，而且该范围还必须与扭摆系统的适当扭摆频率基本保持一致，这个范围较小，也就是该方法所做出的测量设备，其测量范围较小;b)测量溯源性较差。该方法以扭摆系统的简化理论模型为基础，通过测量刚度恒定的扭摆系统的扭摆周期测量转动惯量。一般来说，周期的测量没有问题，而系统的刚度及刚度恒定的要求在溯源上存在一定困难。2．2落体法测量原理及其优缺点分析［20～22］2．2．1测量原理如图2所示，通过机械或气浮轴承，构建可绕定轴转动的转动系统，将质量、半径已知的圆形测量平台固定在转动系统上，并使测量平台的圆心过转轴，将吊线一端缠绕在圆盘上，一端通过等高的定滑轮悬挂一质量块，释放质量块后，转动系统将作匀角加速度运动，被测对象的转动惯量按公式(2)计算。图2落体法转动惯量测量原理示意图Fig．2PrincipleoffallmethodJ=m1gＲ－m1Ｒ2?″－T0?″－J0(2)式中:m1———落体的质量，kg;Ｒ———圆形测量平台半径，m;?″———角加速度，rad/s2;T0———摩擦力矩，Nm;J0———圆形测量平台转运惯量，kgm2。2．2．2优缺点分析落体法在物理试验、教育教学中有较多应用，具有以下优点:a)理论清晰。以刚体转动动力学为基本理论，与扭摆法的近似理论模型相比，具有理论清晰的突出优点;b)适用特殊场合。有的电机，不允许或不便于取出其转子，无法知道其转动部分的质量和摩擦力矩。利用其他方法测其转动惯量无能为力，只有落体法可以胜任;c)成本低廉。由于被测对象一般有自身的回转轴，可以因地制宜，不需要添置特殊的测量装置，成本?
l———悬线长度，m。图3三线摆法转动惯量测量原理示意图Fig．3Principleofthreewirependulummethod2．3．2优缺点分析三线摆法是应用较多的转动惯量测量方法，具有以下优点:a)结构简单。为了测量被测对象，只需在空间上固定一个上圆盘，在上圆盘上悬挂三根线，即可对下圆盘或置于其上的被测对象的转动惯量进行测量;b)操作简便。悬挂后，一般用手即可驱动被测对象扭摆，完成测量，操作十分简便。三线摆法的应用也有一定的局限性，具有以下优点:a)测量准确度较低。该方法在实际操作过程中，容易出现平动和转动的耦合，影响测量准确度;而且，该方法一般假定悬挂的三线为轻质(质量为0)，而实际情况下，由于被测对象的质量影响，三线的质量一般不能忽略，这也导致测量准确度较低;b)等效条件较难满足。用三线摆测量转动惯量，有一定的先决条件，如扭摆角度小于6°，扭摆阻尼的影响，以及被测对象质心与下圆盘之间的位置关系等等。3新型转动惯量测量测量方法及装置2015年，北京航天计量测试技术研究所研究人员提出了一种新的转动惯量测量方法，该方法通过主动控制气浮转台作正弦扭摆，实时测量扭摆的角加速度和扭摆的驱动力矩，完成扭摆转台上刚体的转动惯量测量，取得了较好的效果。3．1测量原理对于按一定频率和幅值的正弦运动，不考虑风阻及摩擦阻力的影响，可以根据公式(4)得到扭矩与角加速度的关系。M(t)=J·a(t)(4)式中:M(t)———对转轴的力矩时域函数，Nm;a(t)———对转轴的角加速度时域函数，rad/s2。3．2测量设备2016年9月，对该测量设备进行实测，在1000kgm2和2200kgm2测量点附近，重复性达到0．006%。测量设备实物图如图4所示。图4新型转动惯量测量设备Fig．4AnewtypeMOIdevice3．3?
【参考文献】：
期刊论文
[1]弹箭转动惯量的振复摆法测量及误差分析[J]. 徐向辉,陈平,唐一科,吴海瀛. 弹箭与制导学报. 2016(01)
[2]一种轮鼓试验台等效转动惯量估算方法[J]. 何常源,朱茂桃,王国林,张树培,黄璇. 重庆交通大学学报(自然科学版). 2014(05)
[3]基于扭摆振动的转动惯量识别方法[J]. 赵岩,唐文彦,张晓琳,王军. 振动.测试与诊断. 2014(04)
[4]非线性阻尼扭摆振动模型及在转动惯量测量中应用[J]. 林洪文,马强,唐文彦,王军,张晓琳. 振动与冲击. 2014(10)
[5]一种测量无人机重心和转动惯量的方法[J]. 王国刚,刘玉宝,刘强,余云智. 航空兵器. 2013(05)
[6]三线摆摆线质量对转动惯量精确测量的影响[J]. 葛宇宏,葛志利. 力学与实践. 2012(06)
[7]落体法测量刚体转动惯量实验中引起测量值偏离的因素分析[J]. 王海林,司嵘嵘,李相银. 物理实验. 2012(05)
[8]飞行器质量特性参数测量[J]. 王秋晓,王迎. 重庆大学学报. 2011(12)
[9]复杂形状物体转动惯量测量技术研究[J]. 张晓琳,唐松,王军,赵岩,唐文彦,陈金存,梁巨峰,郝文龙. 航天制造技术. 2011(01)
[10]大型弹箭及航天器转动惯量测量方法研究[J]. 侯文. 中北大学学报(自然科学版). 2008(06)
本文编号：3358551
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