Санкт-Петербург

УДК 621.8.039 
ИССЛЕДОВАНИЕ И МОДЕЛИРОВАНИЕ РЕКУПЕРАЦИОННЫХ МЕХАНИЗМОВ
В ПАКЕТЕ SIMMECHANICS 
Нуждин К.А. 
Научный руководитель – д.т.н., профессор Мусалимов В.М. 
Работа выполнена в рамках темы НИР № 617026 «Технологии киберфизических систем: 
управление, вычисления, безопасность». 
В работе рассмотрены рекуперационные устройства на основе упругих элементов. Проведен анализ и 
построение модели механизма с пружинным аккумулятором, а также приведена оценка 
рекуперационных свойств полученного устройства. 
Ключевые слова: энергоэффективность, рекуперация энергии, пружинный аккумулятор, 
SimMechanics, построение механической модели. 
В настоящее время одной из главных проблем при проектировании роботизированных 
и мехатронных устройств является их энергоэффективность. Несомненно, снижение 
энергопотребления способствует увеличению времени автономной работы различных 
механизмов и актуаторов. В связи с этим в настоящий момент широкое распространение 
приобретают различные рекуперационные механизмы, целью которых является частичное 
восстановление затраченной энергии (как тепловой и электрической, так и механической) 
для повторного использования или ее аккумулирования. 
Настоящая работа посвящена исследованию рекуперационных механизмов, 
применяемых для восстановления механической энергии. Известно два вида данных 
устройств: 
1. рекуперационный механизм исполнительного устройства, предназначенного для 
преобразования прикладываемого воздействия в поступательное движение, где 
частичная регенерация энергии происходит за счет упругих свойств рабочего звена в 
процессе восстановления первоначальной формы. Схема данного устройства 
представлена на рис. 1, а, где: 1 – основание; 2 – шарнирный узел; 3 – подвижные опоры, 
оборудованные храповым механизмом; 4 – подвижное звено для передачи приложенной 
силы нагружения P; 5 – упругий элемент; 6 – полукруглый опорный наконечник; Р
кр
– 
критическая сила нагружения; Р
тр
– сила трения; Р
изг
– изгибающая сила; Р
р
– сила 
реакции опоры; x – смещение движителя) [1–3]; 
2. пружинный аккумулятор с выходным поворотным звеном, используемый при 
вращательном движении [4]. 
Рассмотрим 
второе 
устройство 
более 
подробно. 
Схема 
вращательного 
рекуперационного механизма с пружинным аккумулятором представлена на рис. 1, б. 
Рабочий цикл поворота механизма, т.е. полный оборот исполнительного звена вокруг оси 
вращения, можно мысленно разделить на четыре части (рис. 1, б). Незаштрихованные области 
соответствуют стадии «зарядки» пружинного аккумулятора. Здесь под действием крутящего 
момента привода совершается вращательное движение рабочего звена, которое, в свою очередь, 
воздействуя на пружины, выводит их из состояния равновесия, сжимая одну и растягивая другую. 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
192 
а 
б 
Рис. 1. Схема исполнительного устройства на основе упругого элемента (a); 
схема механизма с пружинным аккумулятором (б) 
В этой части следует сделать некоторое пояснение: согласно теории катастроф и теории 
устойчивости, данный механизм с пружинным аккумулятором, состоящим из двух 
одинаковых пружин, имеет два положения устойчивости, т.е. такие условия, при которых не 
совершаются колебания рабочего звена, а состояние и положение пружин не меняются сколь 
угодно много времени. В данном случае в начальный момент времени механизм находится в 
первом устойчивом состоянии, равном нулевому отклонению рабочего звена относительно 
оси вращения. Второе устойчивое положение симметрично ему, т.е. расположено в точке 
отклонения исполнительного звена, равному 180°. Данные два положения являются своего 
рода аттракторами соответственно для правой и левой полуокружностей траектории 
движения рабочего звена. 
Заштрихованные области траектории исполнительного звена соответствуют циклу 
работы пружинного аккумулятора. Здесь происходит отключение привода, и движение 
производиться только за счет накопленной энергии пружин. 
На следующем этапе работы была построена модель данного механизма, выполненная 
с использованием библиотеки SimMechanics пакета Simulink среды MATLAB (рис. 2). 
Рис. 2. Модель рекуперационного механизма с нелинейным пружинным аккумулятором 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
193 
Блоки Machine Environment, Ground1 и Ground2 задают соответственно гравитационные 
силы для модели и условия крепления и положения частей механизма. Revolute, Body – 
формируют геометрию вращающегося рабочего звена. Joint Actuator1 является 
кинематическим приводом, обеспечивающим вращательное движение. Joint Sensor 
предназначен для получения выходных характеристик рабочего (исполнительного) звена. 
Блок Coulomb & Viscous Friction используется для учета влияния трения в шарнирном 
соединении Revolute. Body Spring & Damper1 выполняют роли нелинейных пружин. Блок 
Subsystem задает входной сигнал, подаваемый на привод Joint Actuator1. 
Данная модель построена таким образом, что ось вращения рабочего звена лежит на 
одной прямой с осями вращения шарнирного сочленения пружин и стойки. Исходная длина 
данных пружин принимается равной 0,1 м, кроме этого в процессе функционирования 
механизма каждая из них находится в деформированном (растянутом) состоянии и достигает 
исходной (начальной) длины лишь в момент времени, когда другая пружина имеет 
наибольшую величину растяжения. Описанное расположение позволяет наиболее 
эффективно применять пружинный аккумулятор для рекуперации энергии, затраченной 
приводом вращательного движения. 
Далее проводился ряд экспериментов для оценки рекуперационных свойств 
полученного механизма. В качестве исходного (идеального) устройства рассматривался 
механизм без использования пружинного аккумулятора. Для сравнения свойств двух данных 
устройств на их входы блока привода подавался один и тот же сигнал, соответствующий 
одному полному обороту исполнительного звена. После этого снимались данные, 
характеризующие угол поворота исполнительного звена (Angle, град.), угловую скорость 
вращения (Angular velocity, град./с) и крутящий момент привода (Torque, Н∙м). Полученные 
графические результаты представлены на рис. 3. 
а 
б 
Рис. 3. Полученные результаты для исходного (идеального) механизма (а) и механизма 
с пружинным аккумулятором (б) 
Анализируя полученные результаты можно заметить, что применение пружинного 
аккумулятора позволяет значительно уменьшить время работы привода, что соответственно 
приводит к уменьшению энергопотребления (это можно увидеть при сравнении графиков 

---

Альманах научных работ молодых ученых 
XLVII научной и учебно-методической конференции Университета ИТМО. Том 1 
194 
Torque/Time). Однако, с другой стороны, использование упругих элементов повышает 
частоту колебаний рабочего звена, тем самым увеличивая время выполнения рабочего цикла. 
В итоге, в ходе проведения работы с использованием пакета прикладных программ 
MATLAB и библиотеки SimMechanics авторы смогли построить модель рекуперационного 
механизма и на ее примере показать целесообразность применения пружинных 
аккумуляторов в цикловых вращательных механизмах для восстановления энергии.