液压调节转动惯量主动控制装置的制作方法

本发明涉及系统中振动的抑制领域，具体而言，涉及一种液压调节转动惯量主动控制装置。

背景技术：

近年来，高速公路、铁路、桥梁、高层建筑、大跨度空间结构等不断兴建，海洋平台、宇宙空间站等结构也迅速发展。这些工程设施、结构在使用过程中往往会在外部荷载的作用下产生振动，严重的会产生摇摆，甚至发生破坏。为了解决由结构物振动引起的各种问题，振动控制技术应运而生。

结构振动控制技术主要分为以下四个方面：主动控制、被动控制、半主动控制以及混合控制。对于各种工程结构，恰当地安装振动控制系统能够有效地减轻结构的动力响应，减轻结构的破坏或者疲劳损伤。

结构的运动通常由平动以及扭转摆动组合而成。研究表明平动调谐质量阻尼器(英文名tunedmassdamper，tmd)、主动质量阻尼器/主动扭矩输出装置(英文名activemassdamper/driver，amd)由于在扭转摆动中需要提供向心力而大大减弱控制效果甚至完全失去作用，因此对回转摆振控制几乎无效。然而具有回转摆振运动特性的结构运动形式极为常见，如：悬吊结构(吊钩、吊车等)的摆动；不规则建筑在风荷载作用下的扭转摆振；海洋平台在海浪、风、冰等耦合作用下的扭转摆振；宇宙飞船、空间结构在运行过程中，由于自身姿势调整以及太阳能帆板打开引起的扭转摆振运动；高速铁路机车，由于微小激励引起的车身的扭转摆振运动等。因此需要一种特殊的控制系统，使其可以自动克服(或摆脱)重力场对控制系统自身的影响(离心力作用)，或者使控制系统自身的工作/运动规律与重力场解耦，系统自振不受重力影响，从而发挥控制系统有效控制作用。

总体来讲，现有的结构振动控制系统主要具有以下不足：第一，平动tmd控制装置只能控制结构的平动运动而对回转摆振控制无效；第二，平动amd控制装置虽然可以控制回转摆振，但是控制效率极低，无法满足使用要求；第三，被动转动惯量调谐阻尼器对回转摆振运动控制有效，但是其需要针对结构自身进行复杂的调频，对某些复杂结构控制效率较低，效果不佳，存在鲁棒性低，可控性低，适用范围小等缺点；第四，控制系统适用范围小，控制力输出有限，控制效果有限；第五，控制系统能源利用率无法保证，无法满足经济性的需求。

本发明就是在这样的背景下产生的。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于针对以上问题提供一种液压调节转动惯量主动控制装置。

为了实现上述目的，本发明的液压调节转动惯量主动控制装置包括主动出力模块和液压变转动惯量模块；

主动出力模块包括装置管腔和固定在装置管腔内的驱动器、编码器和变速器，液压变转动惯量模块包括转动惯量盘壳体和设置于转动惯量盘壳体内的推进子模块和液压子模块；

驱动器固定在装置管腔内壁上，驱动器的一端安装有编码器，另一端与变速器连接，驱动器的转轴穿过变速器与转动惯量盘壳体的中心处垂直固定；

液压子模块包括储液腔、水泵、环形液压管网、液压软管和输液管，推进子模块包括驱动电机、齿轮、推进直管和出液管，储液腔为封闭的腔体，两端固定在装置管腔上，转动惯量盘壳体设置于储液腔与装置管腔围成的空间内；环形液压管网固定在转动惯量盘壳体上，包括若干位于同一平面的环形管，若干环形管以转动惯量盘壳体的圆心为中心由内向外分布，每个环形管具有两个开口，所有环形管的开口平齐，两侧开口之间形成一个注液通道，推进直管位于注液通道内，推进直管两侧分别设置有一个齿轮，推进直管两个侧面均设置有齿牙，齿牙与齿轮相啮合，驱动电机驱动齿轮转动从而带动推进直管沿着注液通道来回运动，推进直管顶部安装有出液管，通过出液管与环形管连接，推进直管底部通过液压软管与水泵连接，水泵上还连接有输液管，通过输液管与储液腔连接，

进一步的，出液管采用活塞结构，包括环形胶圈、钢滚珠环和密封胶圈三级密封环，钢滚珠环内分布有四个钢滚珠，密封的同时可以起到润滑的作用。

进一步的，还包括驱动器支架,驱动器支架固定在装置管腔内，驱动器固定在驱动器支架上。

进一步的，还包括控制器，控制器通过线路与驱动器、驱动电机和水泵连接。

进一步的，被控结构安装于装置管腔上，转动惯量盘壳体平行于被控结构的转动面。

进一步的，驱动器转轴通过法兰联轴器与转动惯量盘壳体连接。

进一步的，驱动器、变速器和编码器同轴。

进一步的，变速器为减速器。

进一步的，驱动器为伺服电机或步进电机。

本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的转动惯量可以通过液压自动调节，调节精度高，调节范围广，系统应用范围大；

(2)本发明具有更大的鲁棒性，控制效果不会因结构形式改变以及外部荷载作用的改变而受到较大影响；

(3)本发明适用于适合结构发生转动、扭转或回转摆振运动的情况，适用范围广。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是液压变转动惯量模块内部结构示意图；

图3是液压变转动惯量模块侧视图；

图4是出液管结构示意图；

图5是本发明在单摆结构中安装示意图；

其中，上述附图包括以下附图标记：1、装置管腔；2、驱动器；3、编码器；4、变速器；5、转动惯量盘壳体；6、驱动器支架；7、储液腔；8、水泵；9、环形液压管网；10、液压软管；11、输液管；12、驱动电机；13、齿轮；14、推进直管；15、出液管；16、环形管；17、注液通道；18、齿牙；19、被控结构；20、环形胶圈；21、钢滚珠环；22、密封胶圈；23、钢滚珠。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本实施例以单摆结构模型为基本力学模型原型的结构为例；

如图1-5所示，本发明的液压调节转动惯量主动控制装置包括主动出力模块和液压变转动惯量模块。

主动出力模块包括装置管腔1和固定在装置管腔内的驱动器2、编码器3和变速器4，液压变转动惯量模块包括转动惯量盘壳体5和设置于转动惯量盘壳体内的推进子模块和液压子模块，被控结构19安装在装置管腔上。

驱动器通过驱动器支架6固定在装置管腔内壁上，驱动器的一端安装有编码器，另一端与变速器连接，驱动器的转轴穿过变速器与转动惯量盘壳体的中心处垂直固定。

本实施例中，除了设置于驱动器尾端用于采集转动惯量转动数据的传感器，吊点处也设置有一个传感器，用来采集被控结构的转动数据，此处的传感器可以采用但不限于光电轴角编码器、角加速度传感器或者陀螺仪。

转动惯量盘壳体为圆柱形空壳，液压子模块包括储液腔7、水泵8、环形液压管网9、液压软管10和输液管11，推进子模块包括驱动电机12、齿轮13、推进直管14和出液管15，储液腔为封闭的空心腔体，两端固定在装置管腔上，转动惯量盘壳体设置于储液腔与装置管腔围成的空间内，转动惯量盘壳体为圆柱形空壳，推进子模块和液压子模块中除了储液腔之外的其他结构均位于转动惯量盘壳体内。

环形液压管网固定在转动惯量盘壳体上，包括若干位于同一平面的环形管16，环形管以驱动器转轴(也是转动惯量盘壳体的圆心)为中心由内向外分布，相邻的环形管之间间隔一定的距离，每个环形管具有两个开口，所有环形管的开口平齐，两侧开口之间形成一个注液通道17，推进直管位于注液通道内，推进直管的左右两个侧面均设置有齿牙18，推进直管两侧分别设置有一个齿轮，齿牙与齿轮相啮合，驱动电机驱动齿轮转动从而带动推进直管沿着注液通道来回运动，推进直管顶部安装有出液管，通过出液管与环形管连接，完成注液和抽液；推进直管底部通过液压软管与水泵连接，水泵上还连接有输液管，通过输液管与储液腔连接，输液管具有两个支管，一个用来注液，一个用来抽液。出液管采用活塞结构，包括环形胶圈20、钢滚珠环21和密封胶圈22三级密封环，钢滚珠环内分布有四个钢滚珠23，密封的同时可以起到润滑的作用。

注液时，水泵通过输液管的一个支管从储液腔内抽取液体(比如水)，液体经过液压软管进入推进直管，驱动电机带动齿轮转动，从而带动推进直管前进，推进直管注液时首先与最外圈的环形管连通，然后向内依次通过出液管将液体输入到对应的环形管内，环形管的两个开口中一个用来注液，另一个用来排气；抽液时，驱动电机带动齿轮转动，带动推进直管同样是首先与最外圈的环形管连通，然后依次从环形管里将液体抽出，通过液压软管将液体排入水泵，再通过输液管的另一个支管将水泵的水排入储液腔内。

本发明的作用原理如下：

被控结构吊点处设置的传感器采集被控结构的摆振运动状态即摆角以及摆角加速度数据，并把结构状态数据传送给控制器(图中未示出)，控制器判断是否需要进行主动控制，当被控结构发生回转摆振运动数据超出之前所设定的阈值的时候，控制器控制驱动器动作；驱动器末端同轴安装的编码器实时采集驱动器的转动情况，反馈给控制器，实现控制器与被控结构以及驱动器的闭环控制；驱动器可以根据实时测量的结构运动状态，控制液压变转动惯量模块发生回转转动，自动调节液压转动惯量轮的注液比，通过注液逐渐增加液压变转动惯量模块的转动惯量，通过抽液逐渐减小液压变转动惯量模块的转动惯量，通过改变已注液环形管的数量，改变液压变转动惯量模块的转动惯量大小，调节作用在被控结构上的控制力矩，实现振动控制的目的。

该装置可以应用到以下但不限于以下的力学问题基本原型运动模型中：单摆结构的自由摆动；受约束倒立摆结构的振动；刚体绕空间任意轴的定轴转动等，在实际工程中如：悬吊结构(吊钩、吊车等)的摆动；不规则建筑在风荷载作用下的扭转摆振；海洋平台在海浪、风、冰等耦合作用下的扭转摇摆振动等；宇宙飞船、空间结构在运行过程中，由于自身姿势调整以及太阳能帆板打开引起的扭转摆振运动；高速铁路机车，在高速运行过程中，由于微小激励引起的车身的扭转摇摆振动运动等。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。