基于磁流变液的减摇陀螺进动控制系统的制作方法

本发明涉及一种船舶平衡控制技术，特别涉及一种基于磁流变液的减摇陀螺进动控制系统。

背景技术：

船舶减摇陀螺为利用高速回转的陀螺所具有的动量矩以及它的进动物理效应，产生与波浪力矩反向的减摇力矩，使船舶稳定。减摇陀螺所产生的减摇力矩的模与转子自身的动量矩（转子转动惯量与自转角速度的乘积）以及进动角速度的模成正比。所以在转子及其自转角速度一定的情况下，陀螺的进动角速度为影响陀螺减摇力矩大小的主要因素。所以为了保证减摇陀螺的减摇效果，需对陀螺的进动角速度进行较好的控制。

陀螺进动控制系统传统的控制方法为被动式节流控制，通过机械式节流阀实现对陀螺进动角速度的控制。然而机械式节流阀结构复杂，加工要求高，对油液清洁度要求较高，工作一段时间后阀口产生磨损和腐蚀等问题，导致装置寿命低、运动不可靠等问题。

随着机电一体化技术的发展，人们开始将注意力转向具有可控特性的智能材料——磁流变液。磁流变液是由细小的磁性颗粒分散溶于绝缘载液中而形成的非胶体性质的悬浮液。由于磁性颗粒在外加磁场作用下可被磁化形成链状结构，改变悬浮液的粘度，因而使得磁流变液具有可控的流变特性。磁流变液在磁场作用下可承受一定的沿磁场垂直方向的剪切力，只有当施加的剪切力超出其屈服应力时，磁化颗粒形成的链状结构才会被破坏而产生流动。磁流变液的屈服应力随磁场的改变而改变，具有可控性。同时磁流变效应的响应时间非常短，为毫秒数量级。

由于磁流变液在磁场作用下具有屈服应力大、响应快、工作电压低和对污染不敏感等优点，逐渐获得了在液压系统中的应用。基于磁流变液传动的减摇陀螺进动控制系统，其具有关键控制元件中无相对运动的机械部件、结构简单、可靠性高、可控性好、耐污染等突出优点。

技术实现要素：

本发明是针对现有陀螺进动控制系统存在的问题，提出了一种基于磁流变液的减摇陀螺进动控制系统，采用磁流变液为传动介质，磁流变节流阀为关键控制元件，有效实现了对陀螺进动控制系统的控制，该系统可控性好、响应快、结构简单、可靠性高。

本发明的技术方案为：一种基于磁流变液的减摇陀螺进动控制系统，减摇陀螺进动轴的两侧分别布置两对油缸，其中第一油缸和第二油缸组成一对油缸，对称布置在一侧，第三油缸和第四油缸组成一对，对称布置在另外一侧；

每个油缸分为无杆腔和有杆腔，四个油缸的无杆腔分别为A、B、C、D腔，对应的有杆腔分别为A1、B1、C1、D1腔，第一油缸的A腔、第二油缸的B1腔、第三油缸的C腔、油缸的D1腔通过油路相连通构成第一油路，链接的第一油路与第一电磁换向阀连接；第一油缸的A1腔、第二油缸的B腔、第三油缸的C1腔、第四油缸的D腔通过油路相连通构成第二油路，链接的第二油路与第二电磁换向阀连接，两路油路分别通过两个电磁换向阀接在磁流变节流阀的两端，通过控制磁流变节流阀的输入电流，实现对系统流量和压力的控制。

所述进动控制系统中油缸的数量根据需要控制的进动力矩大小及陀螺的整体布局确定。

所述在第一油路与第一电磁换向阀连接处接第一安全阀，第一安全阀出口端接第二油路通过第二电磁换向阀后的输出端，此输出端接至串联的第二单向节流阀与第二蓄能器前端；在第二油路与第二电磁换向阀连接处接第二安全阀，第二安全阀另一端接第一油路通过第一电磁换向阀后的输出端，此输出端接至串联的第一单向节流阀与第一蓄能器前端，起到对系统的安全保护。

所述磁流变节流阀两端分别各接一个串联的单向节流阀和蓄能器。

所述磁流变节流阀的一端串联接测压接头和压力表开关，实时监测系统运行压力，及实现压力测量的关闭与开启。

所述磁流变节流阀两端为阀端盖，阀端盖材料采用抗磁质材料；中间为阀套，阀套材料采用软磁材料，阀套外由隔磁套包裹，隔磁套采用抗磁质材料；阀套内安装阀芯，阀芯材料采用软磁材料；阀芯上对称绕有两组线圈，分别为第一励磁线圈与第二励磁线圈，通电产生的磁场方向正好相反；阀端盖与阀套压合部位有密封圈密封，端盖上的P1口与P2口为油液的进出口，油液进出口P1口与P2口通过端盖内的孔道与阀体内的阀芯孔道相连接。

所述阀芯整体为圆柱形，圆柱面上两中心对称凹处绕线圈，圆柱形两边圆形端部有发散形中心对称的孔道，孔道与阀芯中间段的圆柱通道相通。

本发明的有益效果在于：本发明基于磁流变液的减摇陀螺进动控制系统，实现了对减摇陀螺进动运动的控制，有效控制其减摇力矩，从而实现对船舶摇摆的控制。基于磁流变液的进动控制系统具有可控性好，响应快等优点。同时该系统中实现了关键控制元件——节流阀中无相对运动构件，长期运行无磨损，系统可靠性、耐污染性大大提高。

附图说明

图1为本发明基于磁流变液的减摇陀螺进动控制系统原理图；

图2为本发明磁流变节流阀的基本作用原理图；

图3为本发明磁流变节流阀结构图；

图4为本发明磁流变节流阀剖视图。

具体实施方式

如图1所示基于磁流变液的减摇陀螺进动控制系统原理图，系统包括一个阀组、两对油缸及相应连接软管。

在减摇陀螺进动轴的两侧分别布置两对油缸。其中第一油缸9.1和第二油缸9.2组成一对，对称布置在一侧；第三油缸9.3和第四油缸9.4组成一对，对称布置在另外一侧。当需要控制的进动力矩较小时，可采用一对油缸布置在进动轴一侧的方案。当需要控制的进动力矩较大时，可采用两对油缸布置在两侧的方案。当陀螺进动时，推动油缸中活塞运动，将闭式系统的磁流变液流动起来，形成一定的流量。进动控制系统中控制油缸的数量根据需要控制的进动力矩大小及陀螺的整体布局确定。

每个油缸分为无杆腔和有杆腔，四个油缸的无杆腔分别为A、B、C、D腔，对应的有杆腔分别为A1、B1、C1、D1腔。第一油缸9.1的A腔、第二油缸9.2的B1腔、第三油缸9.3的C腔、油缸9.4的D1腔通过油路相连通构成第一油路，链接的第一油路与电磁换向阀5.1连接。第一油缸9.1的A1腔、第二油缸9.2的B腔、第三油缸9.3的C1腔、第四油缸9.4的D腔通过油路相连通构成第二油路，链接的第二油路与电磁换向阀5.2连接，两路油路分别通过电磁换向阀5.1与5.2接在磁流变节流阀1的两端。

当陀螺处于非减摇工作状态时，电磁换向阀（两位两通型）5.1与5.2，失电将油路切断，油缸锁定在零位，陀螺不会产生减摇力矩。

当陀螺处于减摇状态时，电磁换向阀（两位两通型）5.1与5.2得电，油路连通。当陀螺进动时，系统中的磁流变液开始流动。当其通过磁流变节流阀1时，通过控制节流阀的输入电流，实现对系统流量和压力的控制。从而实现对陀螺进动角速度的控制。根据减摇陀螺原理，通过对进动角速度的控制，即可实现对减摇力矩的控制。

系统中设置的安全阀8.1与8.2，在第一油路与电磁换向阀5.1连接处接安全阀8.1，安全阀8.1出口端接第二油路通过电磁换向阀5.2后的输出端，此输出端接至串联的单向节流阀2.2与蓄能器3.2前端；在第二油路与电磁换向阀5.2连接处接安全阀8.2，安全阀8.2输出端接第一油路通过电磁换向阀5.1后的输出端，此输出端接至串联的单向节流阀2.1与蓄能器3.1前端，起到对系统的安全保护。当进动系统压力过高时，油液从高压侧溢流至低压侧。

磁流变节流阀1两端分别通过单向节流阀2.1与2.2接蓄能器3.1与3.2。蓄能器3.1与3.2的主要功能：一是吸收系统运行时的压力波动；二是当闭式系统中介质由于温度的变化导致其膨胀或收缩时，补充或吸收系统中的液体，起到平稳系统压力的作用。在蓄能器前设置单向节流阀，其主要功能是油液进入蓄能器时起到节流作用，防止压力冲击；当需要蓄能器中的油液补充进入系统时，通过该阀能及时快速的补充油液。

磁流变节流阀1的一端设置的测压接头7，方便实时监测系统运行压力。系统中设置的压力表开关6，可以实现压力测量的关闭与开启。系统中设置的压力开关4.1和4.2，当系统出现漏油等故障时将导致系统压力过低，从而触发报警，保护系统的安全。

为了降低陀螺进动控制系统的温度，在阀组中设置了冷却流道E-F，通过冷却介质实现对进动控制系统阀组的冷却。

进动控制系统中的磁流变节流阀主要工作原理，如图2所示，通过线圈对流道中的磁流变液施加磁场作用，通过改变磁场强度改变磁流变液的粘度和屈服应力。在流道两端的压差一定的情况下，通过调节磁场强度，实现对通过流道的流量的控制。在通过流量一定的情况下，通过调节磁场强度，实现磁流变节流阀进出口的压差的控制。

磁流变节流阀的结构如图3所示，该阀为板式安装。其中两端为阀端盖11，阀端盖11材料采用抗磁质材料；中间为阀套12，阀套12材料采用软磁材料，阀套12外由隔磁套16包裹，隔磁套16采用抗磁质材料；阀套12内安装阀芯15，阀芯15材料采用软磁材料；阀芯15上对称绕有两组线圈，分别为第一励磁线圈13与第二励磁线圈17；14为励磁线圈引出导线孔；阀端盖11与阀套12压合部位有密封圈18密封。端盖上的P1口与P2口为油液的进出口。油液进出口P1口与P2口通过端盖内的孔道与阀体内的阀芯15孔道相连接。

阀芯15上对称绕有两组线圈，保证磁场分布均匀，且能产生更大的液流阻力，保证阀的控制范围更宽。通入电流后两个励磁线圈产生磁场，两者的磁场方向正好相反。根据阀的结构设计，阀内的磁场分布如图3中带箭头磁力线所示，可有效作用在磁流变液上。

如图4的磁流变节流阀剖视图，圆形截面，最外圈为隔磁套16，然后是阀套12，中间为阀芯15。在阀芯15整体为圆柱形，圆柱面上两中心对称凹处绕线圈，圆柱形两边圆形端部有发散形中心对称的孔道，孔道与阀芯中间段的圆柱通道相通。根据阀结构设计，产生的磁场方向刚好垂直作用于磁流变液的流动方向上，使磁流变液产生与压力作用方向垂直的链状结构，抵抗外部作用压力。因此，在励磁线圈13与17产生的磁场达到饱和前，增大电流时，磁流变液的屈服应力将增加，即增加了液流通过的压力，可以达到调节液流流量的目的。