本發(fā)明涉及一種船舶平衡控制技術(shù)，特別涉及一種基于磁流變液的減搖陀螺進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

船舶減搖陀螺為利用高速回轉(zhuǎn)的陀螺所具有的動(dòng)量矩以及它的進(jìn)動(dòng)物理效應(yīng)，產(chǎn)生與波浪力矩反向的減搖力矩，使船舶穩(wěn)定。減搖陀螺所產(chǎn)生的減搖力矩的模與轉(zhuǎn)子自身的動(dòng)量矩（轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與自轉(zhuǎn)角速度的乘積）以及進(jìn)動(dòng)角速度的模成正比。所以在轉(zhuǎn)子及其自轉(zhuǎn)角速度一定的情況下，陀螺的進(jìn)動(dòng)角速度為影響陀螺減搖力矩大小的主要因素。所以為了保證減搖陀螺的減搖效果，需對(duì)陀螺的進(jìn)動(dòng)角速度進(jìn)行較好的控制。

陀螺進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)傳統(tǒng)的控制方法為被動(dòng)式節(jié)流控制，通過機(jī)械式節(jié)流閥實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺進(jìn)動(dòng)角速度的控制。然而機(jī)械式節(jié)流閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工要求高，對(duì)油液清潔度要求較高，工作一段時(shí)間后閥口產(chǎn)生磨損和腐蝕等問題，導(dǎo)致裝置壽命低、運(yùn)動(dòng)不可靠等問題。

隨著機(jī)電一體化技術(shù)的發(fā)展，人們開始將注意力轉(zhuǎn)向具有可控特性的智能材料——磁流變液。磁流變液是由細(xì)小的磁性顆粒分散溶于絕緣載液中而形成的非膠體性質(zhì)的懸浮液。由于磁性顆粒在外加磁場作用下可被磁化形成鏈狀結(jié)構(gòu)，改變懸浮液的粘度，因而使得磁流變液具有可控的流變特性。磁流變液在磁場作用下可承受一定的沿磁場垂直方向的剪切力，只有當(dāng)施加的剪切力超出其屈服應(yīng)力時(shí)，磁化顆粒形成的鏈狀結(jié)構(gòu)才會(huì)被破壞而產(chǎn)生流動(dòng)。磁流變液的屈服應(yīng)力隨磁場的改變而改變，具有可控性。同時(shí)磁流變效應(yīng)的響應(yīng)時(shí)間非常短，為毫秒數(shù)量級(jí)。

由于磁流變液在磁場作用下具有屈服應(yīng)力大、響應(yīng)快、工作電壓低和對(duì)污染不敏感等優(yōu)點(diǎn)，逐漸獲得了在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用。基于磁流變液傳動(dòng)的減搖陀螺進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)，其具有關(guān)鍵控制元件中無相對(duì)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械部件、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、可控性好、耐污染等突出優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對(duì)現(xiàn)有陀螺進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)存在的問題，提出了一種基于磁流變液的減搖陀螺進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)，采用磁流變液為傳動(dòng)介質(zhì)，磁流變節(jié)流閥為關(guān)鍵控制元件，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)陀螺進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)的控制，該系統(tǒng)可控性好、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于磁流變液的減搖陀螺進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)，減搖陀螺進(jìn)動(dòng)軸的兩側(cè)分別布置兩對(duì)油缸，其中第一油缸和第二油缸組成一對(duì)油缸，對(duì)稱布置在一側(cè)，第三油缸和第四油缸組成一對(duì)，對(duì)稱布置在另外一側(cè)；

每個(gè)油缸分為無桿腔和有桿腔，四個(gè)油缸的無桿腔分別為A、B、C、D腔，對(duì)應(yīng)的有桿腔分別為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腔通過油路相連通構(gòu)成第一油路，鏈接的第一油路與第一電磁換向閥連接；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腔通過油路相連通構(gòu)成第二油路，鏈接的第二油路與第二電磁換向閥連接，兩路油路分別通過兩個(gè)電磁換向閥接在磁流變節(jié)流閥的兩端，通過控制磁流變節(jié)流閥的輸入電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)流量和壓力的控制。

所述進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)中油缸的數(shù)量根據(jù)需要控制的進(jìn)動(dòng)力矩大小及陀螺的整體布局確定。

所述在第一油路與第一電磁換向閥連接處接第一安全閥，第一安全閥出口端接第二油路通過第二電磁換向閥后的輸出端，此輸出端接至串聯(lián)的第二單向節(jié)流閥與第二蓄能器前端；在第二油路與第二電磁換向閥連接處接第二安全閥，第二安全閥另一端接第一油路通過第一電磁換向閥后的輸出端，此輸出端接至串聯(lián)的第一單向節(jié)流閥與第一蓄能器前端，起到對(duì)系統(tǒng)的安全保護(hù)。

所述磁流變節(jié)流閥兩端分別各接一個(gè)串聯(lián)的單向節(jié)流閥和蓄能器。

所述磁流變節(jié)流閥的一端串聯(lián)接測(cè)壓接頭和壓力表開關(guān)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行壓力，及實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的關(guān)閉與開啟。

所述磁流變節(jié)流閥兩端為閥端蓋，閥端蓋材料采用抗磁質(zhì)材料；中間為閥套，閥套材料采用軟磁材料，閥套外由隔磁套包裹，隔磁套采用抗磁質(zhì)材料；閥套內(nèi)安裝閥芯，閥芯材料采用軟磁材料；閥芯上對(duì)稱繞有兩組線圈，分別為第一勵(lì)磁線圈與第二勵(lì)磁線圈，通電產(chǎn)生的磁場方向正好相反；閥端蓋與閥套壓合部位有密封圈密封，端蓋上的P1口與P2口為油液的進(jìn)出口，油液進(jìn)出口P1口與P2口通過端蓋內(nèi)的孔道與閥體內(nèi)的閥芯孔道相連接。

所述閥芯整體為圓柱形，圓柱面上兩中心對(duì)稱凹處繞線圈，圓柱形兩邊圓形端部有發(fā)散形中心對(duì)稱的孔道，孔道與閥芯中間段的圓柱通道相通。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明基于磁流變液的減搖陀螺進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)減搖陀螺進(jìn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)的控制，有效控制其減搖力矩，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶搖擺的控制?；诖帕髯円旱倪M(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)具有可控性好，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)該系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵控制元件——節(jié)流閥中無相對(duì)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件，長期運(yùn)行無磨損，系統(tǒng)可靠性、耐污染性大大提高。

附圖說明

圖1為本發(fā)明基于磁流變液的減搖陀螺進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖；

圖2為本發(fā)明磁流變節(jié)流閥的基本作用原理圖；

圖3為本發(fā)明磁流變節(jié)流閥結(jié)構(gòu)圖；

圖4為本發(fā)明磁流變節(jié)流閥剖視圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示基于磁流變液的減搖陀螺進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)包括一個(gè)閥組、兩對(duì)油缸及相應(yīng)連接軟管。

在減搖陀螺進(jìn)動(dòng)軸的兩側(cè)分別布置兩對(duì)油缸。其中第一油缸9.1和第二油缸9.2組成一對(duì)，對(duì)稱布置在一側(cè)；第三油缸9.3和第四油缸9.4組成一對(duì)，對(duì)稱布置在另外一側(cè)。當(dāng)需要控制的進(jìn)動(dòng)力矩較小時(shí)，可采用一對(duì)油缸布置在進(jìn)動(dòng)軸一側(cè)的方案。當(dāng)需要控制的進(jìn)動(dòng)力矩較大時(shí)，可采用兩對(duì)油缸布置在兩側(cè)的方案。當(dāng)陀螺進(jìn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)油缸中活塞運(yùn)動(dòng)，將閉式系統(tǒng)的磁流變液流動(dòng)起來，形成一定的流量。進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)中控制油缸的數(shù)量根據(jù)需要控制的進(jìn)動(dòng)力矩大小及陀螺的整體布局確定。

每個(gè)油缸分為無桿腔和有桿腔，四個(gè)油缸的無桿腔分別為A、B、C、D腔，對(duì)應(yīng)的有桿腔分別為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腔通過油路相連通構(gòu)成第一油路，鏈接的第一油路與電磁換向閥5.1連接。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腔通過油路相連通構(gòu)成第二油路，鏈接的第二油路與電磁換向閥5.2連接，兩路油路分別通過電磁換向閥5.1與5.2接在磁流變節(jié)流閥1的兩端。

當(dāng)陀螺處于非減搖工作狀態(tài)時(shí)，電磁換向閥（兩位兩通型）5.1與5.2，失電將油路切斷，油缸鎖定在零位，陀螺不會(huì)產(chǎn)生減搖力矩。

當(dāng)陀螺處于減搖狀態(tài)時(shí)，電磁換向閥（兩位兩通型）5.1與5.2得電，油路連通。當(dāng)陀螺進(jìn)動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)中的磁流變液開始流動(dòng)。當(dāng)其通過磁流變節(jié)流閥1時(shí)，通過控制節(jié)流閥的輸入電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)流量和壓力的控制。從而實(shí)現(xiàn)對(duì)陀螺進(jìn)動(dòng)角速度的控制。根據(jù)減搖陀螺原理，通過對(duì)進(jìn)動(dòng)角速度的控制，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)減搖力矩的控制。

系統(tǒng)中設(shè)置的安全閥8.1與8.2，在第一油路與電磁換向閥5.1連接處接安全閥8.1，安全閥8.1出口端接第二油路通過電磁換向閥5.2后的輸出端，此輸出端接至串聯(lián)的單向節(jié)流閥2.2與蓄能器3.2前端；在第二油路與電磁換向閥5.2連接處接安全閥8.2，安全閥8.2輸出端接第一油路通過電磁換向閥5.1后的輸出端，此輸出端接至串聯(lián)的單向節(jié)流閥2.1與蓄能器3.1前端，起到對(duì)系統(tǒng)的安全保護(hù)。當(dāng)進(jìn)動(dòng)系統(tǒng)壓力過高時(shí)，油液從高壓側(cè)溢流至低壓側(cè)。

磁流變節(jié)流閥1兩端分別通過單向節(jié)流閥2.1與2.2接蓄能器3.1與3.2。蓄能器3.1與3.2的主要功能：一是吸收系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的壓力波動(dòng)；二是當(dāng)閉式系統(tǒng)中介質(zhì)由于溫度的變化導(dǎo)致其膨脹或收縮時(shí)，補(bǔ)充或吸收系統(tǒng)中的液體，起到平穩(wěn)系統(tǒng)壓力的作用。在蓄能器前設(shè)置單向節(jié)流閥，其主要功能是油液進(jìn)入蓄能器時(shí)起到節(jié)流作用，防止壓力沖擊；當(dāng)需要蓄能器中的油液補(bǔ)充進(jìn)入系統(tǒng)時(shí)，通過該閥能及時(shí)快速的補(bǔ)充油液。

磁流變節(jié)流閥1的一端設(shè)置的測(cè)壓接頭7，方便實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行壓力。系統(tǒng)中設(shè)置的壓力表開關(guān)6，可以實(shí)現(xiàn)壓力測(cè)量的關(guān)閉與開啟。系統(tǒng)中設(shè)置的壓力開關(guān)4.1和4.2，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)漏油等故障時(shí)將導(dǎo)致系統(tǒng)壓力過低，從而觸發(fā)報(bào)警，保護(hù)系統(tǒng)的安全。

為了降低陀螺進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)的溫度，在閥組中設(shè)置了冷卻流道E-F，通過冷卻介質(zhì)實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)閥組的冷卻。

進(jìn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的磁流變節(jié)流閥主要工作原理，如圖2所示，通過線圈對(duì)流道中的磁流變液施加磁場作用，通過改變磁場強(qiáng)度改變磁流變液的粘度和屈服應(yīng)力。在流道兩端的壓差一定的情況下，通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)對(duì)通過流道的流量的控制。在通過流量一定的情況下，通過調(diào)節(jié)磁場強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)磁流變節(jié)流閥進(jìn)出口的壓差的控制。

磁流變節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)如圖3所示，該閥為板式安裝。其中兩端為閥端蓋11，閥端蓋11材料采用抗磁質(zhì)材料；中間為閥套12，閥套12材料采用軟磁材料，閥套12外由隔磁套16包裹，隔磁套16采用抗磁質(zhì)材料；閥套12內(nèi)安裝閥芯15，閥芯15材料采用軟磁材料；閥芯15上對(duì)稱繞有兩組線圈，分別為第一勵(lì)磁線圈13與第二勵(lì)磁線圈17；14為勵(lì)磁線圈引出導(dǎo)線孔；閥端蓋11與閥套12壓合部位有密封圈18密封。端蓋上的P1口與P2口為油液的進(jìn)出口。油液進(jìn)出口P1口與P2口通過端蓋內(nèi)的孔道與閥體內(nèi)的閥芯15孔道相連接。

閥芯15上對(duì)稱繞有兩組線圈，保證磁場分布均勻，且能產(chǎn)生更大的液流阻力，保證閥的控制范圍更寬。通入電流后兩個(gè)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生磁場，兩者的磁場方向正好相反。根據(jù)閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，閥內(nèi)的磁場分布如圖3中帶箭頭磁力線所示，可有效作用在磁流變液上。

如圖4的磁流變節(jié)流閥剖視圖，圓形截面，最外圈為隔磁套16，然后是閥套12，中間為閥芯15。在閥芯15整體為圓柱形，圓柱面上兩中心對(duì)稱凹處繞線圈，圓柱形兩邊圓形端部有發(fā)散形中心對(duì)稱的孔道，孔道與閥芯中間段的圓柱通道相通。根據(jù)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，產(chǎn)生的磁場方向剛好垂直作用于磁流變液的流動(dòng)方向上，使磁流變液產(chǎn)生與壓力作用方向垂直的鏈狀結(jié)構(gòu)，抵抗外部作用壓力。因此，在勵(lì)磁線圈13與17產(chǎn)生的磁場達(dá)到飽和前，增大電流時(shí)，磁流變液的屈服應(yīng)力將增加，即增加了液流通過的壓力，可以達(dá)到調(diào)節(jié)液流流量的目的。