CN209511005U - 自供能式主被动复合转动惯量驱动控制*** - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及***中振动的抑制领域，公开了一种自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***，其包括主动出力模块和被动出力模块，主动出力模块包括驱动器、编码器、变速器和主动转动惯量圆盘；被动出力模块包括扭转变阻尼箱、发电机、储能单元和被动转动惯量圆盘；主动转动惯量圆盘和被动转动惯量圆盘之间设置有***管腔，主动出力模块和被动出力模块沿***管腔中心对称分布。本实用新型的控制***采用自供能技术，可以实现主动模块与被动模块的协同作用，且不需要依赖外部能量；本实用新型的控制***可以实现主、被动复合控制，能够实现复杂条件下的振动控制，与主动控制相比，结合被动控制技术，稳定性更好。

Description

自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***

技术领域

本实用新型涉及***中振动的抑制领域，具体而言，涉及一种自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***。

背景技术

振动是生活中常见的一种现象，工程设施、结构在使用过程中往往会由于外部荷载的作用产生振动，严重的产生摇摆，甚至破坏。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，恰当地安全振动控制***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。研究表明由于平动调谐质量阻尼器(英文名Tuned Mass Damper，TMD)、主动质量阻尼器/主动扭矩输出装置(英文名ActiveMass Damper/Driver，AMD)在扭转摆动中由于需要提供向心力导致控制效果大大减弱甚至完全失去作用，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，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***，使其可以自动克服(或摆脱)重力场对控制***自身的影响(离心力作用)，或者使控制***自身的工作/运动规律与重力场解耦，***自振不受重力影响，从而发挥控制***有效控制作用。

主动控制技术因其具备控制效果好、鲁棒性好等优点，近年来发展迅速。但是，在技术的研究和实践过程中，人们发现由于主动控制装置需要外部能源来驱动工作，在工程结构遭到破坏时，能源的供应被意外切断会导致主动控制装置的完全失效。

综上，结构振动控制***具有不可或缺的作用，但是现有的结构振动控制***具有以下几方面的不足：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，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；第二，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；第三，控制***适用范围小，控制力输出有限，控制效果有限，且控制***能源利用率无法保证，无法满足经济性的需求；第四，主动(转动)控制装置虽然能解决上述三方面问题，但是，存在意外能源切断控制***完全失效的风险。

本实用新型就是在这样的背景下产生的。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于针对上述问题提供一种自供能式的主被动复合的转动惯量驱动控制***。

为了实现上述目的，本实用新型的自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***，包括主动出力模块和被动出力模块，主动出力模块包括驱动器、编码器、变速器和主动转动惯量圆盘；被动出力模块包括扭转变阻尼箱、发电机、储能单元和被动转动惯量圆盘；

主动转动惯量圆盘和被动转动惯量圆盘之间设置有***管腔，主动出力模块和被动出力模块沿***管腔中心对称分布；

驱动器固定在***管腔内一侧，驱动器一端安装有编码器，另一端与变速器连接，驱动器的驱动轴穿过变速器与主动转动惯量盘的中心处垂直固定；

扭转变阻尼箱包括外连接板、内连接板、外套筒、内套筒和扭转弹簧，外连接板固定在被动转动惯量圆盘中心处，内连接板固定在***管腔端部，内套筒与内连接板固定连接，外套筒与外连接板固定连接，内套筒与外套筒同轴，外套筒套在内套筒外侧，两端通过油封轴承封闭，两个套筒之间形成封闭的阻尼液仓，阻尼液仓内填充有阻尼液；扭转弹簧设置于阻尼液仓内，沿内套筒缠绕，一端与外连接板固定，另一端固定在内套筒上；

发电机固定在***管腔内另一侧，与驱动器同轴，发电机转轴依次穿过***管腔、内连接板和内套筒后与外连接板固定连接；

发电机上还安装有储能单元，储能单元还与驱动器连接。

进一步的，驱动器通过驱动器固定架固定在***管腔内。

进一步的，发电机通过发电机固定架固定在***管腔内。

进一步的，本实用新型还包括控制器，控制器分别与储能单元、发电机、驱动器和编码器连接。

进一步的，外套筒上设置有注液孔，用于填充阻尼液。

进一步的，内套筒和内连接板均不与发电机转轴发生接触。

进一步的，主动转动惯量圆盘和被动转动惯量圆盘平行于被控结构转动面。

进一步的，主动转动惯量圆盘和被动转动惯量圆盘同轴转动，转动方向相反时，产生相同方向的控制力。

进一步的，驱动器为伺服电机或步进电机。

本实用新型具有以下有益效果：

(1)本实用新型的控制***采用自供能技术，可以实现主动模块与被动模块的协同作用，且不需要依赖外部能量；

(2)本实用新型的被动出力模块中阻尼可调节，可根据被控结构进行调频，具有适用范围广的特点；

(3)本实用新型的控制***可以实现主、被动复合控制，能够实现复杂条件下的振动控制，且与主动控制相比，结合被动控制技术，具有更大的稳定性和节能性；

(4)本实用新型的控制***适用于结构发生转动、扭转或回转摆振运动的情况，适用范围广。

附图说明

图1是本实用新型整体结构示意图；

图2是本实用新型正视图；

图3是扭转变阻尼箱结构示意图；

图4是本实用新型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、驱动器；2、编码器；3、变速器；4、主动转动惯量圆盘；5、扭转变阻尼箱；6、发电机；7、储能单元；8、被动转动惯量圆盘；9、***管腔；10、驱动器固定架；11、外连接板；12、内连接板；13、外套筒；14、内套筒；15、扭转弹簧；16、注液孔；17、发电机固定架；18、控制器；19、被控结构。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明。

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1-4所示，本实用新型的自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***包括主动出力模块和被动出力模块，主动出力模块包括驱动器1、编码器2、变速器3和主动转动惯量圆盘4；被动出力模块包括扭转变阻尼箱5、发电机6、储能单元7和被动转动惯量圆盘8；

主动转动惯量圆盘和被动转动惯量圆盘之间设置有***管腔9，主动出力模块和被动出力模块沿***管腔中心对称分布；被控结构19固定在***管腔中心位置，主动转动惯量圆盘和被动转动惯量圆盘均平行于被控结构转动面。

驱动器通过驱动器固定架10固定在***管腔内一侧，驱动器一端安装有编码器，另一端与变速器连接，驱动器的驱动轴穿过变速器与主动转动惯量盘的中心处垂直固定；驱动器为伺服电机或步进电机。

扭转变阻尼箱包括外连接板11、内连接板12、外套筒13、内套筒14和扭转弹簧15，外连接板通过螺栓固定在被动转动惯量圆盘中心处，内连接板通过螺栓固定在***管腔端部，内套筒与内连接板固定连接，外套筒与外连接板固定连接，内套筒与外套筒同轴，外套筒套在内套筒外侧，两端通过油封轴承封闭，两个套筒之间形成封闭的阻尼液仓，外套筒上设置有注液孔16，用于向阻尼液仓内填充阻尼液；扭转弹簧设置于阻尼液仓内，沿内套筒缠绕，一端与外连接板固定，另一端固定在内套筒上；通过改变扭转变阻尼箱内的阻尼液的粘稠度和扭转弹簧刚度可以实现改变阻尼的目的进行调频。

发电机通过发电机固定架17固定在***管腔内另一侧，与驱动器同轴，发电机转轴依次穿过***管腔、内连接板和内套筒后与外连接板固定连接；

内套筒和内连接板均不与发电机转轴发生接触，与发电机转轴脱离，即发电机只带动外连接板、外套筒和被动转动惯量圆盘转动，内连接板与内套筒均是固定的，不发生转动；

发电机上还安装有储能单元7，储能单元还与驱动器连接，储能单元为蓄电池，被动出力模块工作时，被动转动惯量圆盘发生回转运动，产生控制力，同时带动发电机转动产生电能，通过导线输入蓄电池中储存供主动出力模块使用。

本实用新型的自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***还包括控制器18，控制器分别与储能单元、发电机、驱动器和编码器连接。

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编码器，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。

通常情况下仅被动出力模块单独工作即可达到振动控制要求，工作的同时将产生的电能储存在蓄电池中为主动出力模块储备能量，当遇到复杂条件，结构响应较大时，传感器将监测到结构的响应反馈给控制器，控制器判断是否需要开启主动出力模块，当控制器判断被动出力模块已经无法满足结构的响应要求时，主动出力模块开始工作，主动出力模块可以根据实时测量的结构运动状态，控制转动惯量圆盘发生回转转动，调节作用在被控结构上的控制力矩，调节驱动能源输出大小，控制结构的振动，保证较高的控制效率。此时，主动转动惯量圆盘和被动转动惯量圆盘同轴转动，转动方向相反，产生相同方向的控制力，主、被动出力模块同时发挥控制作用，产生复合控制的良好效果，实现振动控制的目的。随着主动出力模块开启并发挥作用，结构响应减小，逐渐进入被动出力模块所能发挥作用的范围内，传感器实时反馈给控制器，主动出力模块停止工作，被动出力模块保持工作，直到达到控制效果。

本实用新型的控制***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。

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

Claims (9)

1.一种自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***，其特征在于，包括主动出力模块和被动出力模块，主动出力模块包括驱动器(1)、编码器(2)、变速器(3)和主动转动惯量圆盘(4)；被动出力模块包括扭转变阻尼箱(5)、发电机(6)、储能单元(7)和被动转动惯量圆盘(8)；

主动转动惯量圆盘(4)和被动转动惯量圆盘(8)之间设置有***管腔(9)，主动出力模块和被动出力模块沿***管腔(9)中心对称分布；

驱动器(1)固定在***管腔(9)内一侧，驱动器(1)一端安装有编码器(2)，另一端与变速器(3)连接，驱动器(1)的驱动轴穿过变速器(3)与主动转动惯量圆盘(4)的中心处垂直固定；

扭转变阻尼箱(5)包括外连接板(11)、内连接板(12)、外套筒(13)、内套筒(14)和扭转弹簧(15)，外连接板(11)固定在被动转动惯量圆盘(8)中心处，内连接板(12)固定在***管腔(9)端部，内套筒(14)与内连接板(12)固定连接，外套筒(13)与外连接板(11)固定连接，内套筒(14)与外套筒(13)同轴，外套筒(13)套在内套筒(14)外侧，两端通过油封轴承封闭，两个套筒之间形成封闭的阻尼液仓，阻尼液仓内填充有阻尼液；扭转弹簧(15)设置于阻尼液仓内，沿内套筒(14)缠绕，一端与外连接板(11)固定，另一端固定在内套筒(14)上；

发电机(6)固定在***管腔(9)内另一侧，与驱动器(1)同轴，发电机(6)转轴依次穿过***管腔(9)、内连接板(12)和内套筒(14)后与外连接板(11)固定连接；

发电机(6)上还安装有储能单元(7)，储能单元(7)与驱动器(1)连接。

2.根据权利要求1所述的自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***，其特征在于，驱动器(1)通过驱动器固定架(10)固定在***管腔(9)内。

3.根据权利要求1所述的自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***，其特征在于，发电机(6)通过发电机固定架(17)固定在***管腔(9)内。

4.根据权利要求1所述的自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***，其特征在于，还包括控制器(18)，控制器(18)分别与储能单元(7)、发电机(6)、驱动器(1)和编码器(2)连接。

5.根据权利要求1所述的自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***，其特征在于，外套筒(13)上设置有注液孔(16)，用于填充阻尼液。

6.根据权利要求1所述的自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***，其特征在于，内套筒(14)和内连接板(12)均不与发电机(6)转轴发生接触。

7.根据权利要求1所述的自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***，其特征在于，主动转动惯量圆盘(4)和被动转动惯量圆盘(8)平行于被控结构(19)转动面。

8.根据权利要求1所述的自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***，其特征在于，主动转动惯量圆盘(4)和被动转动惯量圆盘(8)同轴转动，转动方向相反，产生相同方向的控制力。

9.根据权利要求1所述的自供能式主被动复合转动惯量驱动控制***，其特征在于，驱动器(1)为伺服电机或步进电机。