水动力提升

这个例子模拟了水力机械升降机。从壶嘴流出的水装满了手臂末端的桶。当桶满了，它的重量使它下降，使它远离壶嘴。水桶底部有个洞，可以把水排出去。随着水的流失，水桶会变得更轻，弹簧会旋转手臂，这样水桶就会回到壶嘴下面。

铲斗通过单向离合器和锥齿轮与丝杠连接。丝杠是不可倒车的。这种机械元件的组合使水能够提升机械负载。

本例使用Simscape Multibody中的通用变质量块来模拟每个桶中的变质量、惯性和重心位置。

内容

这个子系统模拟了喷口，并提供了水在流动的视觉提示。压力源模拟了液压头。在S金宝appimscape多体动画中，Simulink信号控制阀门的开启和视觉线索的运动。

通用变质量块用于建模的变化质量，惯性和重心在每个桶内的位置。这些量随着桶从源头填满并通过底部的孔排干而变化。桶的角度用来确定桶是否在壶嘴下面。

这个子系统计算桶中水的体积。间隔测试块用于确定桶是否在喷嘴下方。如果是这样的话，就可以假设桶能从壶嘴中获得所有的水。

水离开桶的速率取决于桶里水的高度和桶里洞的大小。它们之间有如下公式联系:

$Q_{out} = Area_{hole} \cdot (2 \cdot gravity \cdot height_{water})^{1 / 2}$

将净流量与桶积分，我们就可以计算桶内的水的体积。积分器是有限的，以确保水的体积不低于零，不超过桶的大小。

因为桶的面积不随高度变化，我们可以简单地除以桶的面积，就得到桶里水的高度。如果桶的形状更复杂，则可以使用更复杂的公式或查找表。

这个子系统为通用可变质量块准备输入。重要的是要知道这个块所依附的框架的位置和方向，因为它控制着这些计算。框架安装在铲斗底板中心，z轴向上。

质量就是体积乘以密度。由于水桶是对称的，重心的唯一非零分量是z轴，它是水高度的一半。计算矩形梁的惯性张量:

$$ I_ {x} = I_ {y} =质量\ cdot(宽度高度^ ^ 2 + 2)/ 12美元$

$$I_{z} = mass \cdot (width^2+length^2)/12$

这个子系统模拟了水轮上的一个手臂。它由六个刚性部分组成-辐条，支架弧，支架边，和附加到桶的销钉。虽然它是用六个单独的实体块和一些刚性变换块建模的，它被Simscape多体视为一个单一的实体部分。一些固体，如支架弧，有多个端口。具有多个端口的固体在固体块本身有框架定义。

这个子系统模型单向离合器连接手臂和齿轮。一个转动关节提供了一个自由度，一个力矩被施加到关节上，因此相对速度只能是负的。这是一个非常简单的单向离合器模型。增加转速和扭矩之间的增益将允许更少的滑移之间的轴，但也将使模型在数值上更僵硬。

单向离合器转矩

这个子系统模拟了连接单向离合器输出轴和丝杠的锥齿轮。两个转动关节和锥齿轮约束要求约束这两个齿轮在这个装配。锥齿轮约束和刚性变换是参数化的，以便根据锥齿轮约束块的要求对框架进行定位和定向。

这个子系统模拟丝杠。它在Simscape多体中使用丝杠接头，并有一个额外的子系统来模拟丝杠接头内的粘滑摩擦。摩擦模型的默认值使丝杠不可反向驱动，因为导角的切线小于摩擦系数。单向离合器确保驱动齿轮只在一个方向旋转，不可反向驱动丝杠确保负载不会因自身重量而降低。这种组合使得手臂能够提高负载。

下图显示了手臂的角度和丝杠的高度。单向离合器使丝杠只在铲斗向下移动时前进。