[发明专利]一种减摇陀螺进动速度控制装置及控制方法

说明书

本发明提供一种减摇陀螺进动速度控制装置，用于通过液压系统控制所述减摇陀螺的进动角速度，包括：连接杆、油缸组和阀块；其中，油缸组为对称设置在所述连接杆中点两侧的完全相同的油缸；所述油缸设置有活塞组件和油缸油路，油缸油路用于容纳油液，并通过配合活塞组件的运动来动态改变油液的液压阻尼系数，动态控制所述减摇陀螺的进动速度；所述油缸油路包括：有杆腔、无杆腔、油道、阻尼孔和阀块连接孔。本发明还提供一种减摇陀螺进动速度控制方法。本发明没有能耗器件，不需要传感器、比例阀和控制器等配套系统，具有绿色节能、结构简单、耐污染性强和可靠性高等优点。

技术领域

本发明涉及船用减摇技术领域，具体涉及一种减摇陀螺进动速度控制装置及控制方法。

背景技术

减摇陀螺是最早在船舶上实际应用的减摇装置之一，其工作原理是，如附图1所示，减摇陀螺1安装在船舶的基座11上，首先让减摇陀螺1的转子高速旋转，高速旋转的转子具有大的角动量(其大小记为|H|，当陀螺转动速度一定时，|H|为常值，是陀螺的固有参数)，当船在外力矩M_外的作用下来回摇晃时，由于陀螺效应减摇陀螺1将自发地绕着进动轴12来回进动(进动是指一个自转的物体受外力作用导致其自转轴绕某一中心旋转的现象，是转动中的物体自转轴的指向变化)，减摇陀螺1进动角设为β(和竖直轴之间的夹角)。减摇陀螺1进动则会输出力矩为和减摇陀螺1进动角速度(其大小记为|w|)的叉乘。在船身方向y轴上的分量M_y可以抵抗外力矩M_外的作用，减小船的摇晃，M_y即为减摇力矩，其值M_y＝|H|×|w|×cosβ。为了获得最佳的减摇效果(M_y应该尽量大)，减摇陀螺1在进动过程中|w|和cosβ两项应该同时取得最大值。减摇陀螺1在进动过程中cosβ随着β的变化规律是确定的：cosβ随着进动角度β的绝对值减小而增大，随着进动角度β的绝对增大而减小，β为0时，cosβ达到最大值。因此，为了使|w|和cosβ两项同时取得最大值，需要|w|也随着进动角度β的绝对值减小而增大，随着进动角度β的绝对增大而减小，当进动角度β为0时，|w|达到最大值，此时M_y能取得最大值。具体地，当减摇陀螺1从正角度位置进动到0°位置再进动到负角度位置的过程中，减摇陀螺1进动速度先增大后减小，在0°位置达到最大；同样地，当减摇陀螺1从负角度位置进动到0°位置再进动到正角度位置的过程中，减摇陀螺1进动速度先增大后减小，在0°位置达到最大。cosβ、进动速度大小|w|和M_y随进动角度β的变化规律如附图2所示。

为了对进动速度进行有效的控制，传统技术方案为采用一套闭式液压阻尼系统。在进动轴12上布置一对液压缸，通过进动角度传感器采集陀螺进动角β，控制器根据陀螺进动角β和相应的进动速度大小|w|做计算，通过计算输出来改变节流阀开口，从而改变系统的阻尼，最终达到对进动速度大小的控制，该传统技术方案原理框图如附图3所示。

传统技术方案有以下几方面的不足：

1.此套方案包括传感器、控制电路和执行机构等单元，整个系统的可靠性由各个单元可靠性一起决定，任何一个单元出现问题都将影响整个控制系统。为了提高系统可靠性，需要同时提高各组成单元的可靠性，这增加了系统成本；

2.比例阀对液压油清洁度要求较高，闭式液压系统使用一段时间后液压油中会积累杂质，这将降低比例阀的可靠性。同时，为了降低杂质对比例阀的影响，需要对液压系统进行定期的冲洗换油操作，这加大了维护时间，增加了售后成本；

3.系统工作时需要时时调整节流阀上的电流，需要消耗一定能量。

另外，在专利CN106907362中，公布了一种基于磁流变液的减摇陀螺进动控制系统，该系统中使用磁流变液代替传统的液压油，采用磁流变节流阀代替了传统的节流阀，采用该方案可以提高系统的耐污染性和可靠性，但仍存在以下几方面的不足：